§ 32. ГАЛАКТИКИ И КОСМОЛОГИЯ

Успешное изучение физических характеристик галактик и распространение исследований на все более отдаленные области Метагалактики делают возможной постановку вопроса о Вселенной как целого — ее устройства и ее развития. Правда, проблема эта ставилась философами еще 2500 лет назад как «космологическая проблема», но ставилась абстрактно, без знания и понимания физической стороны вопроса. В наши дни «Космологическая проблема» эволюционировала до состояния развитой науки — космологии, располагающей фактами и математическими теориями, которые проверяются на основе наблюдений.

Основной наблюдательный факт — разбегание галактик, которое описывается законом Хаббла (30.8). Постоянная Хаббла имеет размерность обратного времени, так что имеет размерность времени, и если принять , то лет. Это ведет нас к непосредственному истолкованию величины , как времени, протекающего от нулевых размеров Вселенной, т. е. как возраста Вселенной.

Разумеется, это истолкование слишком прямолинейное, так как предполагает, что константа неизменна во времени, иными словами разбегание галактик шло все десять миллиардов лет неизменными темпами. И действительно, возраст некоторых скоплений в нашей Галактике оценивается иногда в лет, но ни это значение, ни значение , как мы видели выше, не претендуют на высокую точность и могут быть ошибочными на множитель порядка двух.

Математически процесс разбегания галактик может быть представлен как систематическое увеличение масштаба Вселенной, происходящее вследствие систематического изменения радиуса кривизны мира, так что расстояние между двумя точками в нем в момент отсчитываемый от некоторого начального момента определяется формулой , где — расстояние в момент — масштабный фактор.

Как показал еще в 20-х годах нашего столетия ленинградский физик А. А. Фридман, общая теория относительности приводит к обязательному выводу, что Вселенная не может быть стационарной. Собственно, стационарность возможна, но является невероятным событием — так же, как абсолютно точная круговая орбита планеты или точно параболическая орбита кометы. В своей нестационарности мир, его трехмерное пространство может иметь кривизну положительную, нулевую или отрицательную, в зависимости от того, является ли он сферическим (замкнутым), евклидовым или гиперболическим (открытым). В соответствии с этим могут быть построены различные модели мира. Сточки зрения неспециалиста наибольший интерес представляет вопрос: является ли наш мир открытым или замкнутым? Теория указывает на значение критической плотности вещества в нем . Если реальная плотность замкнут, при открыт. С нашим значением , при значении .

Какова же действительная плотность вещества в нашей Вселенной? На этот вопрос ответить трудно, так как в Метагалактике кроме вещества, содержащегося в галактиках, имеется еще вещество между галактиками и, в частности, между галактиками, находящимися в скоплениях. Правда, мы видели (см. с. 382), что это вещество — горячий газ, ответственный за рентгеновское излучение, — составляет незначительную долю вещества, сконцентрированного в галактиках, но есть еще пространство между скоплениями, огромные объемы, которые могут содержать большие массы даже при ничтожной плотности вещества в них. С другой стороны, существуют подозрения, что около галактик существуют скрытые массы газа, пыли, составляющие с галактикой одно целое и увеличивающие массу галактики чуть ли не на порядок. Такой вывод является результатом применения к скоплениям галактики теоремы вириала, и мы в § 30 (с. 432) подробно рассмотрели этот вопрос — вопрос о невидимом веществе или о темных массах в скоплениях галактик. Сейчас он весь переносится на Вселенную в целом: по видимому веществу средняя плотность ее получается , что явно оставляет Вселенную открытой, тогда как «вириальные» массы способны ее замкнуть, или хотя бы «довести» пространство до евклидового, найдя !

Но откуда взять недостающее вещество? Астрономия его не находит. Физики пытаются ввести в рассмотрение различные элементарные частицы, введенные теоретиками по разным поводам: аксионы, гравитино, массивные нейтрино и т. п. До последнего времени считалось, что нейтрино, выделяющиеся в огромных масштабах при термоядерных реакциях в звездах, особенно сверхновых, не обладают массой покоя. В наши дни делаются попытки экспериментально найти их массу, но пока они неудачны. Приходится констатировать, что ни астрономы, ни физики не знают сейчас, что составляет большую часть Вселенной.

Каково прошлое Вселенной? Если считать, что галактики имеют возраст, приблизительно равный лет, т. е. за это время нового образования не происходило, то галактики с особенно большим красным смещением z показывают нам себя такими, какими они были много миллиардов лет назад. Если не принимать во внимание красное смещение квазаров, космологическая природа которого оспаривается, и обратиться к обыкновенным радиогалактикам, то на пределе достижимости мы найдем галактику ЗС 123, у которой звездная величина , а красное смещение , т. е. скорость удаления , чему соответствует расстояние или 4,17 млрд световых лет, т. е. мы наблюдаем ее такой, какой она была примерно половину «возраста Вселенной» назад во времени, вдвое более молодой, чем галактики, нас окружающие. Правда, мы не умеем еще находить какие-либо возрастные различия у тех и у других, поскольку 3С 123 находится на пределе распознавания.

Несколько позже у другой, еще более слабой галактики 3С 352 с эффект возраста как будто обнаружен в виде глобального ультрафиолетового избытка с максимумом его не в центре. А, в общем, приходится пользоваться теоретическими построениями для решения таких вопросов. И на пределе мы приходим к состоянию Вселенной в «эпохи», соответствующие значениям z = 10, 100, 1000..., приближаясь к состоянию «начала Вселенной».

В настоящее время наиболее распространена гипотеза «горячей Вселенной», или гипотеза первоначального взрыва (в английской литературе употребляется термин Big-bang theory), согласно которой исходным состоянием нынешней фазы существования Вселенной является «особая точка», при которой масштабный фактор R=0, а состояние Вселенной до этой точки не рассматривается вовсе.

Поводом для быстрого развития гипотезы горячей Вселенной послужило открытие в радиодиапазоне изотропного фонового излучения, плотность которого , соответствует температуре около 3 К, о чем было сказано в главе VI (с. 387). Это излучение рассматривается как остаток первоначального огромного выделения лучистой энергии с почти бесконечной плотностью в первые секунды взрыва.

Далее плотность и соответствующая ей равновесная температура Т убывала по закону и достигла современного уровня 3 К.

Разумеется, явление взрыва сопровождается множеством разнообразных физических процессов, образованием элементарных частиц вещества протонов, нейтронов, электронов и др., которые составили потом отдельные сгущения — будущие галактики. Но мы не имеем возможности рассмотреть здесь эти процессы. Прибавим только, что помимо гипотезы горячей Вселенной существуют и другие объяснения фонового излучения.