Будущее расширяющейся Вселенной

Итак, вероятно, космологическая постоянная не влияет сегодня на расширение Вселенной. Будем считать ее равной нулю, как это полагал А. Эйнштейн, и посмотрим, как будет протекать расширение в будущем.

Расширение Вселенной протекает с замедлением из‑за тяготения, и для будущего есть две возможности. Если тяготение слабо тормозит расширение, то в будущем оно будет продолжаться неограниченно. Расстояние между скоплениями галактик неограниченно увеличивается. Силы тяготения во Вселенной зависят от средней плотности вещества. (Средней называется плотность, если «размазать» все небесные тела, все облака газа, все галактики равномерно по пространству.) Чем больше средняя плотность, тем больше силы. Значит, при достаточно малой средней плотности масс расширение будет продолжаться вечно. Но возможно, что плотность вещества сегодня достаточно велика, а значит, велико замедление расширения. В результате расширение прекращается в будущем и сменяется сжатием.

Ситуация здесь полностью аналогична той, когда ракета, разогнанная до определенной скорости, должна покинуть небесное тело. Так, скорость в 12 километров в секунду достаточна, чтобы покинуть Землю и улететь в космос, ибо эта скорость больше второй космической скорости для Земли. Однако эта скорость недостаточна для того, чтобы покинуть поверхность Юпитера, где вторая космическая скорость, как мы писали, 61 километр в секунду.

Тело, брошенное на Юпитере со скоростью 12 километров в секунду вверх, после подъема снова упадет на него.

Значит, во Вселенной при нынешней ее скорости расширения (нынешней постоянной Хаббла) есть критическое значение плотности вещества, отделяющее один случай от другого.

Вычисления показывают, что это критическое значение – десять атомов водорода в среднем в одном кубическом метре (или равное количество другого вещества). Если истинное значение плотности во Вселенной больше этого, то расширение сменится в будущем сжатием, если меньше, то расширение вечно.

 

 

Что имеет место в действительности?

Оказывается, ответить на этот вопрос не так‑то просто. Для этого надо учесть все виды материи во Вселенной, ибо все они создают поле тяготения.

Учесть вещество, входящее в звезды, галактики, светящийся газ можно (хотя это трудная задача). Но, возможно, имеется много труднонаблюдаемой материи между галактиками, которая не излучает (или плохо излучает) свет и не поглощает его.

Учет таких масс, как их называют – скрытых масс, крайне труден.

Поэтому точного и полного ответа на поставленный вопрос нет до сих пор.

Можно сказать лишь следующее. Если учитывать только светящиеся галактики, то средняя плотность вещества во Вселенной в тридцать раз меньше критического значения.

Если бы не было труднонаблюдаемых форм материи, то расширение Вселенной продолжалось бы неограниченно.

 

 

Проблема скрытой массы

Астрономы имеют серьезные основания подозревать, что в пространстве между галактиками может быть много труднонаблюдаемых форм материи – много скрытой массы. Может быть, невидимые ореолы скрытой массы окружают даже отдельные галактики.

Одним из поводов для такого подозрения являются результаты измерений масс скоплений галактик. Измерения проводятся следующим образом.

Правильные скопления имеют симметричную форму, распределение галактик в них плавно спадает от центра к краю, и поэтому есть все основания считать, что скопления находятся в равновесном состоянии, когда энергия движений галактик уравновешена силой взаимного тяготения всех масс, входящих в скопление. В этом случае, как мы уже говорили в главе о способах измерения масс, можно определить силу тяготения, а значит, и полную массу всех видов материи, входящих в скопление, ибо все они участвуют в создании поля тяготения.

Такое определение, выполненное, например, для скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, приводит к значению 2 · 10¹⁵ масс Солнца.

Но можно определить массу скопления и другим путем. Для этого надо подсчитать полное число всех галактик, входящих в скопление, и помножить на массу средней галактики. Если так сделать, то получается масса раз в десять меньше, чем при определении первым способом.

Значит, в скоплении должна быть невидимая масса между галактиками, которая и создает дополнительное поле тяготения и учитывается в первом способе, но не входит в галактики и не учитывается во втором способе.

Подобные же результаты получаются и при исследовании других скоплений галактик.

Конечно, при применении обоих способов возможны неизбежные ошибки. Но вряд ли эти ошибки столь велики, что могут объяснить все расхождение в результатах. Тщательный анализ показывает, что «свалить» всю вину за получение парадоксально большой массы в скоплениях на подобные ошибки крайне трудно. Полученные выводы заставляют со всей серьезностью отнестись к поискам скрытой массы, причем не только в скоплениях галактик, но и между скоплениями. В какой форме может существовать скрытая масса? Может быть, это межгалактический газ? Ведь объем пространства между галактиками гораздо больше объема пространства, приходящегося на галактики! Поэтому межгалактический газ, концентрация которого хотя и много меньше, чем у газа внутри галактик, может в результате все же давать гигантские массы.

Подчеркнем, что межгалактический газ является не единственным кандидатом в скрытые массы. Эти массы могут быть обусловлены и другими видами материй. Такую возможность мы разберем далее. Теперь же вернемся к газу и посмотрим, как его можно обнаружить!

Прежде всего напомним, что газ во Вселенной в основном состоит из водорода. Следовательно, чтобы установить наличие газа в межгалактическом пространстве, надо искать водород. В зависимости от физических условий газ может быть в нейтральном и ионизованном состояниях.

Начнем с оценки возможного количества нейтрального водорода.

Если свет от далекого источника идет через газ с нейтральными атомами водорода, то происходит поглощение атомами излучения на определенных частотах. По этому поглощению можно пытаться обнаружить нейтральный водород на огромных просторах между скоплениями галактик. В качестве источников света используются далекие квазары. Предпринятые попытки показали, что межгалактического водорода в нейтральном состоянии крайне мало. По массе его, по крайней мере, в десятки тысяч раз меньше, чем светящегося вещества в галактиках.

Таким образом, межгалактический газ, если он и есть, должен быть ионизованным, а значит, и сильно нагретым. Как показывает анализ, для этого необходимы температуры больше миллиона градусов. Не следует удивляться, что, несмотря на такую температуру, этот газ практически невидим. Дело в том, что плотность его очень мала, газ прозрачен, излучает мало видимого света. Но все же эта ионизованная высокотемпературная плазма испускает достаточно много ультрафиолетового излучения и мягких рентгеновских лучей.

Горячий газ можно искать по ультрафиолетовому излучению. Есть и другие способы поисков горячего газа между скоплениями.

Однако все методы оказались не очень чувствительны. Горячий газ между скоплениями галактики до сих пор не обнаружен. Вопрос о количестве такого газа, о том, больше ли его усредненная плотность, чем усредненная плотность вещества, входящего в галактики, остается открытым.

Обратимся теперь к газу в скоплениях галактик. Радионаблюдения показывают, что нейтрального водорода в скоплениях ничтожно мало. Однако с помощью рентгеновских телескопов, установленных на спутниках, был обнаружен горячий ионизованный газ в богатых скоплениях галактик. Оказалось, что этот газ нагрет до температуры в миллион градусов. Его полная масса может доходить до 10¹³ масс Солнца. Число внушительное, но мы видели выше, что полная масса скопления в созвездии Девы гораздо больше – превышает 10¹⁵ масс Солнца. Таким образом, наличие горячего газа в скоплениях никак не исчерпывает проблемы скрытой массы.

Несколько лет назад у этой пресловутой проблемы выявился еще один аспект.

В последнее время появляется все больше сторонников идеи о том, что галактики могут быть окружены огромными массивными коронами слабо светящихся объектов, которые по их свечению обнаружить крайне трудно. Это могут быть, например, звезды низкой светимости. Масса короны должна влиять на движение карликовых галактик – спутников основной галактики. Именно по этому влиянию и пытаются обнаружить в настоящее время короны галактик. Возможно, что учет этих корон существенно изменит оценку масс галактик в скоплениях и решит проблему скрытой массы. Однако в настоящее время вопрос о коронах галактик еще не решен.

Нам остается еще разобрать вопрос об экзотических кандидатах на роль скрытой массы, таких, как нейтрино, гравитационные волны, а также другие виды материи. К подобным экзотическим возможностям мы вернемся в главе «Нейтринная Вселенная».

Пока же подведем итог.

Общая масса светящейся материи недостаточна, чтобы ее тяготение затормозило расширение Вселенной и обратило его в сжатие. О скрытой массе мы пока знаем слишком мало. Если она и есть, то ее примерно столько, чтобы сделать общую плотность материи во Вселенной равной критической, может быть, чуть больше.

Вероятнее всего, нашей Вселенной предстоит расширение неограниченное или очень большое время в будущем.

 

 

Кривое пространство

Мы сейчас увидим, что вопрос о средней плотности материи во Вселенной имеет решающее значение не только для проблемы будущего Вселенной, но и для проблемы ее протяженности. Возможно, эта фраза вызовет настороженность у читателя. Как может возникнуть у материалиста вопрос о протяженности Вселенной? Разве не ясно, что пространство Вселенной продолжается во все стороны вплоть до бесконечности?

Казалось бы, любое иное мнение ведет к представлению о существовании какой‑то границы материального мира, за которой начинается нечто нематериальное. На протяжении длительной истории науки только бесконечно простирающееся во все стороны пространство представлялось единственно приемлемым для всякого стихийного материалиста. Аргументы, доказывающие это, были четко сформулированы еще гениальным философом древнего Рима Лукрецием Каром две тысячи лет назад. Он писал в поэме «О природе вещей»:

 

Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной,

Ибо иначе края непременно она бы имела.

Крáя ж не может иметь, очевидно, ничто, если только

Вне его нет ничего, что его отделяет, чтоб видно

Было, доколе следить за ним наши чувства способны.

Если ж должны мы признать, что нет ничего за Вселенной.

Нет ни краев у нее, и нет ни конца, ни предела

И безразлично, в какой ты находишься части Вселенной:

Где бы ты ни был, везде, с того места, что, ты занимаешь,

Все бесконечной она остается во всех направлениях.

 

С тех пор подобные аргументы о бесконечности и безграничности пространства аккуратно повторялись на протяжении веков.

С сегодняшней точки зрения такое представление кажется наивным. Первый удар по старым взглядам был нанесен теоретическим открытием возможности геометрии, отличной от геометрии Эвклида, которая изучается в школе. Это было сделано великими математиками прошлого века Н. Лобачевским, Я. Боян, Б. Риманом, К. Гауссом.

Что такое неэвклидова геометрия? Если обратиться к планиметрии, то, оказывается, понять это чрезвычайно просто: эвклидова геометрия изучает свойства геометрических фигур на плоской поверхности, неэвклидова геометрия изучает свойства фигур на искривленных поверхностях, например, на сфере или, скажем, на седлообразной поверхности. На таких искривленных поверхностях уже не может быть прямых линий и свойства геометрических фигур иные, чем на плоскости. Прямые линии заменяются здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. Они называются геодезическими линиями. На сфере, например, геодезические линии – это дуги больших кругов. Примером их могут служить меридианы на поверхности Земли. На сфере мы можем чертить треугольники, стороны которых являются геодезическими, рисовать окружности, можем изучать их свойства. Все это легко себе представить. Трудности с представлением возникают, когда мы обращаемся уже не к двумерной поверхности, а к неэвклидову трехмерному пространству. В таком пространстве свойства призм, шаров и других фигур отличаются от тех, что мы изучали в школе. По аналогии с поверхностями мы можем сказать, что такое пространство искривлено. Однако эта аналогия вряд ли поможет нам представить наглядно искривленное трехмерное пространство. Мы живем в трехмерном пространстве, выпрыгнуть из него не можем (так как вне пространства ничего нет), поэтому нельзя спрашивать: «В чем изгибается наше реальное пространство?» Суть кривизны пространства заключается в изменении его геометрических свойств по сравнению со свойствами плоского пространства, где справедлива геометрия Эвклида.

Читатель, наверное, помнит из раздела о черных дырах, что общая теория относительности приводит к заключению об искривленности пространства в сильных полях тяготения, об изменении его геометрических свойств.

Когда мы обращаемся к огромным просторам Вселенной, то чем больший масштаб рассматриваем, тем больше охватываемая масса вещества и тем сильнее поле тяготения. В больших масштабах мы должны обращаться к теории Эйнштейна, должны учитывать искривление пространства.

И здесь мы сталкиваемся с удивительным обстоятельством. Чтобы понять суть нового явления, вернемся снова к искривленным двумерным поверхностям.

Возьмем кусочек плоскости. Если мы будем добавлять к нему соседние части плоскости все большего размера, то получим всю плоскость, неограниченно простирающуюся в бесконечность.

Выделим теперь на поверхности шара маленький кусочек. Если он очень мал, мы даже не заметим его искривленность. Добавим теперь к этому кусочку соседние, охватывая все большие области. Теперь искривленность уже заметна. Продолжая эту операцию, мы увидим, что наша поверхность из‑за кривизны замыкается сама на себя, образуя замкнутую сферу. Нам не удалось продолжить искривленную таким образом поверхность неограниченно до бесконечности. Она замкнулась. Сфера имеет конечную площадь поверхности, но не имеет границ. Плоское существо, ползущее по сфере, никогда не встретит препятствия, края, границы. Но сфера не бесконечна!

Мы наглядно видим, что из‑за замкнутости поверхность может быть безгранична, но не бесконечна.

Вернемся к трехмерному пространству. Оказывается, его искривленность может быть подобна искривленности сферы. Оно может замыкаться само на себя, оставаясь безграничным, но конечным по объему (подобно тому, как сфера конечна по площади).

Конечно, наглядное представление здесь крайне трудно. Но такое может быть. Теперь нам понятно, что аргументы в строфах Лукреция Кара направлены против ограниченности пространства каким‑либо барьером, но не против конечности объема пространства – ведь пространство может быть безграничным, но конечным по объему.

Модели Вселенной, построенные А. Фридманом, показывают, что такой случай может иметь место в действительности. Для этого средняя плотность вещества во Вселенной должна быть больше критической. В этом случае пространство оказывается конечным, замкнутым; такую модель называют закрытой.

Если средняя плотность материи во Вселенной равна критической, то геометрия пространства эвклидова. Такое пространство называют плоским. Оно простирается во все стороны до бесконечности и объем его бесконечен.

Наконец, если плотность матери меньше критической, то геометрия пространства тоже искривленная. Но в этом случае геометрия подобна уже не геометрии на сфере, а геометрии на седлообразной поверхности. Это пространство так же неограниченно простирается во все стороны, не замыкается. Его объем бесконечен. Такую модель Вселенной называют открытой. Каков же наш мир?

Напомним, что до сих пор неизвестна надежно средняя плотность вещества в пространстве, неизвестно, больше она критической или меньше.

Поэтому неизвестно, открыта ли наша Вселенная или закрыта.

Идея возможности закрытого мира с замкнутым пространством, конечно, очень необычна. Как и идея эволюции Вселенной, эта идея с трудностями пробивала себе дорогу. Возражения против нее отчасти были обусловлены все той же инертностью мышления и предвзятыми соображениями, а отчасти недостаточной образованностью сторонников утверждения, что только бесконечный объем пространства совместим с материализмом.

Я помню один из таких жарких споров в мои студенческие времена, проходивший на 6‑м Всесоюзном совещании по вопросам космогонии в Москве.

Вот цитата из выступления одного из философов на том совещании: «В самом деле, если предположить, что Вселенная конечна в пространстве, то сразу же мы сталкиваемся с необходимостью ответить на такие неразрешимые вопросы: как можно представить себе конечную в объеме Вселенную, что лежит за ее пределами…»

Как видите, аргументация здесь гораздо примитивнее, чем у Лукреция Кара и основана только на обращении к здравому смыслу, что, как уже давно известно, не является аргументом в споре.

Никаких идеалистических выводов из факта, возможности замкнутости пространства, конечно, не следует.

Материализм исходит из факта объективности пространства, из того, что материя может существовать только в пространстве. «В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени» (В. И. Ленин). Установление же конкретных свойств пространства, и, в частности, бесконечен его объем или конечен, – дело естественных наук.

Характерна в этом отношении реплика академика В. Гинзбурга на одной из научных дискуссий: «Не количеством кубических сантиметров определяется идеология!»

Подобные споры ушли в прошлое, и дело за наукой – определить истинную структуру мира.

Искривленность пространства определяется степенью отличия плотности материи от критического значения. Чем сильнее отличие, тем больше искривление. Наблюдения показывают, что если плотность материи и отличается от критической, то не очень сильно и искривленность сказывается только на огромных расстояниях во многие миллиарды световых лет. В замкнутом пространстве Вселенной кратчайшая линия – геодезическая – оказывается замкнутой, подобно большому кругу на сфере (например, подобно экватору). Скользя вдоль такого пути, мы возвращаемся в исходную точку, точно так же, как, двигаясь по экватору и обойдя Землю, приходим в исходный пункт нашего путешествия.

Возможно, будущие наблюдения покажут, что плотность материи больше критической и Вселенная замкнута. В этом случае объем Вселенной конечен, но все же огромен, размеры Вселенной колоссальны. Длина «экватора» – геодезической линии, охватывающей всю Вселенную, – никак не меньше нескольких десятков миллиардов световых лет, а вероятно, гораздо больше.

Конечно, есть не меньшие основания ожидать, что плотность материи во Вселенной не превышает критическую и объем Вселенной бесконечен.

В следующем разделе мы увидим, что различие между открытой и закрытой Вселенной не столь драматично, как это кажется с первого взгляда.

 

 

Горизонт

Вселенная начала расширяться около 15 миллиардов лет назад. Значит, во Вселенной не может быть объектов более старых, чем 15 миллиардов лет, не может быть источников, которые светят дольше 15 миллиардов лет. Это обстоятельство ведет к важнейшему следствию – к наличию горизонта видимости во Вселенной. Чем дальше от нас находится галактика, тем больше времени потребовалось свету, чтобы достичь наблюдателя. Свет, который сегодня достигает наблюдателя, покинул галактику в далеком прошлом. Вселенная начала расширяться около 15 миллиардов лет назад. Свет, вышедший из какого‑либо источника даже вскоре после начала расширения мира, успеет пройти лишь конечное расстояние во Вселенной – около 15 миллиардов световых лет. Точки пространства Вселенной, лежащие от нас на этом расстоянии, называют горизонтом видимости. Области Вселенной, лежащие за горизонтом, сегодня принципиально ненаблюдаемы. Мы не можем увидеть более далекие галактики: какими бы телескопами мы ни наблюдали, свет от галактик из‑за горизонта просто не успел до нас дойти. Красное смещение света неограниченно нарастает, когда мы наблюдаем объект, лежащий все ближе и ближе к горизонту. На самом горизонте оно бесконечно. Таким образом, мы можем видеть только конечное число звезд и галактик во Вселенной.

До создания теории расширяющейся Вселенной попытки рассмотрения бесконечного пространства, равномерно в среднем заполненного звездами, наталкивались на любопытный парадокс. Он заключается в следующем. В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч зрения рано или поздно встретит светящуюся поверхность звезды. В этом случае все ночное небо должно сиять, как поверхность Солнца и звезд.

Парадокс получил название фотометрического, и многие выдающиеся умы пытались его разрешить.

После создания теории расширяющейся Вселенной парадокс разрешился сам собой. В расширяющейся Вселенной для каждого наблюдателя есть горизонт видимости. Поэтому он видит конечное число звезд, весьма редко разбросанных в пространстве. Наш взор, как правило, скользит мимо них и вплоть до горизонта, не упираясь ни в одну звезду. Поэтому ночное небо между звездами – темное. К тому же жизнь звезд ограничена.

Горизонт видимости делает для нас не столь существенной разницу между закрытым и открытым миром. В обоих случаях мы видим ограниченную часть Вселенной с радиусом около 15 миллиардов световых лет. В замкнутом мире свет не успевает обойти мир к настоящему времени, и, конечно, невозможно увидеть свет от нашей собственной галактики, обошедшей весь мир. Увидеть «собственный затылок» невозможно в замкнутой Вселенной. Даже за весь период расширения от сингулярного состояния до смены расширения сжатием свет успевает пройти только половину замкнутого пространства и лишь на фазе сжатия сможет закончить полный обход мира…

Горизонт видимости для каждого наблюдателя свой, где бы он ни был во Вселенной. Все точки однородной Вселенной равноправны. С течением времени горизонт каждого наблюдателя расширяется, к наблюдателю успевает доходить свет от все новых областей Вселенной. За 100 лет радиус горизонта увеличивается на одну стомиллионную долю своей величины.

Еще одно замечание. Вблизи самого горизонта мы в принципе должны видеть вещество в далеком прошлом, когда плотность его была гораздо больше сегодняшней. Отдельных объектов тогда не было, а вещество было непрозрачным для излучения. К этому вопросу мы еще вернемся.

 

Глава 3. Горячая Вселенная

 

 

 

Физика начáла расширения

В предыдущих главах мы познакомились с механикой расширения Вселенной. Но механика не исчерпывает всего, что нас интересует. На разных этапах расширения Вселенной в ней протекали различные физические процессы. Мы знаем, что 15 миллиардов лет назад, в начале расширения, плотность материи во Вселенной была огромна. Естественно, что тогда протекали физические процессы, совсем непохожие на те, что мы наблюдаем сегодня. Они в прошлом определили сегодняшнее состояние мира и сделали возможным, в частности, существование жизни.

Физика процессов в начале расширения вызывает огромный интерес. Но можем ли мы что‑либо сказать об этих процессах? Ведь речь идет буквально о первых мгновениях расширения, а все это происходило 15 миллиардов лет назад!

Оказывается, можем.

Дело в том, что происходившие в первые секунды с начала расширения процессы имели столь важные последствия для сегодняшней Вселенной, оставили столь явные «следы», что по ним можно восстановить характер самих процессов.

Важнейшими из них были ядерные реакции между элементарными частицами, проходившие при большой плотности. Такие реакции возможны лишь в самом начале расширения, когда плотности огромны. Конечно, никаких нейтральных атомов и даже сложных атомных ядер тогда не было, химические элементы образовались позднее в результате ядерных реакций. Но до этого, в еще более ранней Вселенной, был период, когда образовались сами элементарные частицы. Здесь речь идет уже о временах, исчисляемых невообразимо малыми мгновениями – 10^–43 секунды, когда плотности были больше 10⁹³ г/см³. Такая плотность в невообразимое число раз больше плотности атомного ядра, которая «всего» 10^–15 г/см³. Наверное, столь обескураживающие числа вызывают невольную улыбку у читателя. Разве можно что‑либо узнать о процессах в таких условиях, которые абсолютно невоспроизводимы в земных лабораториях?

Много лет назад, когда мы писали научную монографию с академиком Я. Зельдовичем и приводили в ней классификацию процессов, протекавших в подобных условиях чудовищных плотностей, мы вспомнили пародию Аркадия Аверченко: «История мидян темна и неизвестна, ученые делят ее тем не менее на три периода: первый, о котором ничего не известно; второй – о котором известно почти столько же, сколько о первом, и третий, который последовал за двумя предыдущими».

За прошедшие с тех пор почти двадцать лет физика шагнула далеко вперед, и теперь даже о процессах формирования элементарных частиц в расширяющейся Вселенной уже можно кое‑что сказать.

Что же касается ядерных реакцией, происходивших с первой по трехсотую секунды после начала расширения, то о них можно поведать почти все с полной определенностью. Дело в том, что следствием ядерных реакций явилось образование химических элементов во Вселенной.

Расчет ядерных реакций дает возможность предсказать химический состав вещества, из которого формируются галактики, звезды, межзвездный газ. Сравнение предсказания с наблюдениями позволяет выявить эти реакции, а главное – выяснить физические условия, в которых они происходили. Мы оставим до дальнейших параграфов выяснение вопроса об экзотических процессах при 10⁹³ г/см³, и посмотрим сначала, как протекали ядерные реакции во Вселенной в первые секунды и к чему они привели.