Глава 8. Расстояния в космосе

Вселенная огромная. И чтобы её изучать, необходимо уметь измерять расстояния в космосе.

Точная скорость света составляет 299 792 458 метров в секунду или 1 079 252 849 километров в час. Обычно её округляют до 300 тыс. километров в секунду. В течение одного года свет преодолевает гигантское расстояние, равное 9 460 730 472 580 820 метров. Это примерно 10 триллионов километров.

Учитывая масштабы Вселенной, считать космические расстояния в километрах, а тем более в метрах, неудобно. Поэтому в астрофизике используется понятие «световой год», то есть расстояние, которое свет преодолевает в течение года.

Поясню сказанное на конкретных примерах.

1.Расстояние до Луны составляет около 385 тыс. километров, что равно 1.28 световой секунды. То есть, за это время (чуть больше секунды) свет преодолевает расстояние от Луны до Земли.

2.Ближайшая к нам планета – Венера. Расстояние до неё составляет около 40 млн. километров. Это равно 2.23 световой минуты.

3.Расстояние от Земли до Солнца составляет 149 597 870 691 метр. Это равно 8.3 световой минуты. То есть, если Солнце внезапно погаснет, мы узнаем об этом лишь через восемь минут.

4.Солнечная система в поперечнике насчитывает 17 млрд. 600 млн. километров. Это равно 16.4 светового часа. Следовательно, свету, испущенному с Земли, понадобится меньше земных суток, чтобы покинуть Солнечную систему. Однако, указанное расстояние равно всего лишь 0.00187 светового года.

5.Ближайшая к нам звезда – Проксима Центавра. До неё 4.22 световых года. То есть, свет «мчится» со своей огромной скоростью до нашей соседки больше четырёх лет. Этот пример наглядно демонстрирует масштабы космоса, который впечатляюще огромен. В нашей галактике Млечный Путь может быть от 200-х до 400-х миллиардов звёзд. И самая близкая к нам оказывается по человеческим меркам невообразимо далёкой. Расстояние до неё составляет 40 680 271 163 000 километра. Если бы вы попытались достичь Проксимы Центавра привычными нам способами, то пешком, без сна и отдыха, шли бы к ней 900 млн. лет, на машине ехали бы 45 млн. лет, а на самолёте летели бы 5 млн. лет.

6.Млечный Путь свет пересекает примерно за 100 тыс. лет. На самолёте вы пролетели бы эту дистанцию за 120 млрд. лет, что в 10 раз больше возраста жизни современной Вселенной.

7.Наша Галактика состоит в Местной группе, в которой насчитывается 50 галактик-спутников. Свет преодолевает это расстояние за 10 млн. лет. От ближайшего скопления галактик, скопления Девы, нас отделяет 59 млн. световых лет. Для таких космических просторов, бессмысленно рассчитывать километраж, присущий земному транспорту. Эта дистанция просто невообразимо огромна с человеческой точки зрения. Но, в масштабах космоса, Местная группа галактик – песчинка, не более того.

В специализированной литературе также встречается ещё одна единица измерения – парсек, сложносоставное слово, состоящее из двух – параллакс и секунда. Один парсек равен 3.26 светового года. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра, удалена от нас на расстояние 4.22 светового года или 1.295 парсек. Центр галактики Млечный Путь расположен на расстоянии в 26 тыс. световых лет от Солнца или примерно в 8 тыс. парсек. Ближайшая к нам соседняя галактика – Туманность Андромеды, удалена от нас на 2.5 млн. световых лет или на 772 000 парсек.

Многие люди, впервые осознав масштабы Космоса, чувствуют себя неуютно. Вселенная пугает, кажется враждебной, а человек на её фоне ничтожным. Конечно, это заблуждение. Ведь это наш родной дом, где мы появились на свет и по законам которого живём. И чем этот дом больше и разнообразнее, тем лучше. Наша Вселенная по-настоящему величественна и огромна. Тем интереснее её изучать.

Глава 9. Вселенная

Космос состоит из галактик, звёзд и планет. На первый взгляд, Вселенная кажется стационарной, не расширяющейся и не сжимающейся, бесконечной и вечной. Так считало большинство учёных вплоть до XX века.

Но в 1929 году Эдвин Хаббл¹¹ сделал потрясающее открытие. Он обнаружил, что Вселенная не стационарна. Она расширяется. Все галактики удаляются друг от друга. Это открытие перевернуло всё тогдашнее представление о Мироздании. Ведь в расширяющейся Вселенной не может быть ничего вечного. Казавшийся застывшим Космос вдруг неожиданно предстал очень изменчивым и динамичным.

Ещё за десять лет до открытия Хаббла Александр Фридман создал модели расширяющейся и сжимающейся вселенной. В них ответ на вопрос, каким именно путём пойдёт эволюция Космоса, зависит от средней плотности материи в мире. Если она низкая, то есть общего количества вещества недостаточно, чтобы воспрепятствовать силе растяжения пространства – Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность материи высокая – расширение рано или поздно прекратится, всё обернётся вспять, сила гравитации начнёт стягивать вещество, расширение сменится сжатием и Вселенная «схлопнется» в микроскопически плотную точку, уже известную нам как сингулярность.

Какой вариант развития событий применим к наблюдаемому миру: вечное расширение или обратное сжатие материи к состоянию до Большого Взрыва?

Для ответа на этот вопрос необходимо рассчитать кривизну пространства Вселенной. Вселенная высокой плотности будет иметь положительную кривизну, а низкой – отрицательную. Тогда выяснится, какая судьба нас ждёт.

Впрочем, мы забыли о третьем сценарии. Существует крайне маловероятная, фактически нереальная возможность того, что кривизна пространства Вселенной является критической, то есть ни положительной и не отрицательной, а равной или практически равной нулю. В таком случае Космос будет расширяться вечно, но с постоянно уменьшающейся скоростью. В геометрическом смысле такая Вселенная должна выглядеть плоской.

Конечно, это самый маловероятный вариант. Ведь «ноль» – это единственное и выделенное число в бесконечном ряду положительных и отрицательных значений. Поэтому неудивительно, что астрофизики были поражены, когда неоднократно перепроверенные подсчёты показали – наша Вселенная практически плоская с нулевой кривизной пространства.

Не успели специалисты до конца осознать столь необычный факт, как выяснилось, что полученный результат автоматически приводит к ещё более странным последствиям. Из-за того, что пространственная геометрия нашего мира плоская, напрямую следует, что плотность Вселенной очень близка к определённому значению. Так вот, нулевая кривизна пространства означает, что плотность энергии в Космосе должна находится в интервале, очень близком к единице. Однако, согласно базовым уравнениям Эйнштейна, сегодня это значение должно быть приближено к нулю. Но мы наблюдаем совершенно иное. Как это понимать?

Поразительно, но единственное правдоподобное научное объяснение состоит в достаточно фантастическом допущении. Чтобы требуемые цифры сходились сейчас, в самом начале времён значение плотности Вселенной должно было быть «задано» с точностью до единицы с шестьюдесятью нолями после запятой. Именно так и никак иначе. В том то и суть, что изначально необходимо было именно такое, а никакое иное точное число. То есть, допустим, если бы его значение в момент Большого Взрыва было 1.0001, или 1.00000000000001, или 1.000000000000000000000000001, то сегодня плотность энергии Космоса резко отличалась от наблюдаемой.

Совершенно непонятно почему в ранней Вселенной было такое уникально точное значение плотности, с шестьюдесятью нулями после запятой, критично необходимое для того, чтобы сегодня оно приближалось к единице. Это выглядит противоестественным и подозрительно напоминает искусственную «подгонку» оптимальной цифры.

Почему из трёх допустимых вариантов кривизны пространства, в нашем случае сработал самый маловероятный?

Почему Большой Взрыв начался практически без отклонения от плоской геометрии пространства?

Большинство специалистов считают, что к началу XXI века ответ удалось найти. Плоскостность Вселенной достаточно корректно объясняется теорией инфляции. А если всё же гипотеза неверна? Некоторые свои сомнения на сей счёт я уже высказывал в 5 главе. Здесь надо чётко понимать, что всего один-единственный необъяснимый факт может напрочь разрушить самую правдоподобную теорию.

Впрочем, вернёмся к открытию Хаббла. С 20-х годов прошлого века учёные значительно продвинулись вперёд в своих исследованиях эволюции Вселенной. В настоящее время мы хорошо понимаем, каким образом возник наш мир. Для того, чтобы представить себе эволюцию Космоса, совершим путешествие в прошлое.

13 миллиардов 798 миллионов лет назад произошёл Большой Взрыв. Появились пространство и время как свойства нашей Вселенной. Заработали понимаемые нами законы физики. Изначально все четыре фундаментальных взаимодействия были объединены в единую «сверхсилу».

Прошло 0.0000000000000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва. Разрушилась полная симметрия мира. Гравитация отделилась от остальных трёх фундаментальных взаимодействий.

Прошло 0.00000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва. Началась эпоха инфляции. Пространство невообразимо быстро расширилось. Вселенная увеличила свой радиус на несколько порядков.

Прошло 0.00000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва. Произошёл повторный разогрев Космоса. Температура составляла 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000°С. С этого момента Вселенная начала охлаждаться и расширяться стандартным способом. Великое объединение трёх фундаментальных взаимодействий разрушилось – сильное взаимодействие отделилось от двух других сил. Вселенная в основном была заполнена излучением.

Прошло 0.000000000001 секунды после Большого Взрыва. Температура Вселенной остаётся очень высокой. Образуются бозоны.

Прошло 0.000001 секунды после Большого Взрыва. Электромагнитное и слабое взаимодействие разделились. Существующие фундаментальные силы сформировались в их современном состоянии. Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой.

Прошла 1 секунда после Большого Взрыва. Вселенная достаточно охладилась для того, чтобы кварки стали группироваться в элементарные частицы. Плотность материи снизилась до уровня, чтобы нейтрино начали свободно перемещаться в пространстве. Начался процесс нуклеосинтеза, то есть формирование простейших ядер из протонов и нейтронов.

Прошло 3 минуты после Большого Взрыва. Вселенная остыла и уже не представляла собой сплошной огненный шар. Водород частично преобразовался в гелий, создав сегодняшнюю пропорцию этих веществ в космосе: 75% водорода и 25% гелия. Появился третий химический элемент – литий. Свет рассеивался свободными электронами, поэтому Вселенная оставалась непрозрачной. Но это условное представление. Гипотетический наблюдатель видел бы вокруг себя однородное излучение, как будто всё небо сплошь заполнено Солнцем. Но его цвет периодически менялся, приобретая причудливые оттенки от бардового до чёрного.

Прошло 20 минут после Большого Взрыва. Вещество начинает наполнять Вселенную. Помимо водорода и гелия образуются следы первичных тяжёлых металлов, вплоть до бора.

Прошло 70 тысяч лет после Большого Взрыва. Материя начинает доминировать над излучением. Вселенная существенно охладилась и перешла в газообразное состояние. Именно эту крайнюю для нас эпоху мы различаем в виде реликтового излучения.

Прошло 380 тысяч лет после Большого Взрыва. Температура упала до 3 000 градусов Кельвина. Интенсивно формируются атомы. Вселенная стала прозрачной.

Прошло 150 миллионов лет после Большого Взрыва. Во Вселенной доминирует реликтовое излучение, водород и гелий. Однако, сложных структур и источников света пока что нет. Космос выглядит тёмным.

Прошёл миллиард лет после Большого Взрыва. Вещество сгруппировалось в протогалактики. Появляются первые плотные и яркие объекты – квазары. Образуются звёзды, происходит постоянный синтез элементов тяжелее гелия – углерода, кислорода и азота. Температура Вселенной составляет 18 градусов Кельвина. Начали взрываться сверхновые, обогащая окружающее пространство элементами с атомным весом выше железа. С этого момента Вселенная приобретает современный вид. Она продолжает расширяться и охлаждаться.

Прошло 13.7 миллиарда лет после Большого Взрыва – наша эпоха. Вселенная включает в себя весь окружающий мир, со всем разнообразием форм материи и энергии. Та её часть, которую можно изучать, называется наблюдаемой Вселенной. В настоящий момент космическое пространство окончательно охладилось, и его температура составляет 2.7 градуса Кельвина, то есть всего на три градуса выше абсолютного нуля. Учёные убеждены, что во всей Вселенной работают одинаковые фундаментальные физические законы.

С момента Большого Взрыва в космосе сформировалась своя иерархия. Отдельные звёзды сгруппированы в галактики, галактики в скопления, а те – в сверхскопления галактик.

Наблюдаемая Вселенная содержит около 100 млрд. галактик. Общее число звёзд в космосе – 1 000 000 000 000 000 000 000. Число огромное, хотя, смотря с чем сравнивать. Примерно такое же количество молекул содержится в глотке воды.

В целом Вселенная очень пустая. В среднем в четырёх кубических метрах пространства содержится всего один атом водорода.

Соседние галактики разделяет около 3 млн. световых лет. На первый взгляд, кажется, что максимально удалённый от нас объект находится примерно на расстоянии в 14 млрд. световых лет. Эта дистанция, которую свет был способен преодолеть с момента Большого Взрыва. На самом деле, такие расчёты неверны.

Дело в том, что Вселенная расширяется. Следовательно, многие объекты располагаются значительно дальше обозначенного выше предела. С момента эпохи свободного испускания фотонов реликтового излучения Вселенная расширилась в 1 292 раза. Расстояние от Земли до «края» наблюдаемой Вселенной сегодня составляет 46.5 млрд. световых лет во всех направлениях. Соответственно, если представить наш мир в виде огромной сферы, то её современный диаметр составляет около 93 млрд. световых лет. Поэтому, иногда встречающееся даже в научной литературе, утверждение, что расстояние до самой далёкой галактики чуть больше 13 млрд. световых лет – ошибочно.

Самым значимым фактом, описывающим природу Мироздания, является именно тот, что Вселенная расширяется. Он означает, что пространство не является жёсткой, неподвижной сущностью. Оно эластично и как бы растягивает космические объекты друг от друга. Расширение Вселенной не является разлётом галактик в пустом пространстве. Это динамическое изменение самой структуры пространства. В рассматриваемом случае отсутствует движение «чего-то в чём-то».

Кстати, сей факт также подразумавает, что удалённые галактики могут двигаться от нас быстрее скорости света. Но сказанное не противоречит специальной теории относительности Эйнштейна. В нашем случае двигаются не галактики. Расширяется само пространство, подобно резине. И скорость этого расширения может быть сверхсветовой.

Свет от какой-либо очень далёкой галактики может вообще никогда не долететь до Земли. Это происходит, когда расширение пространства увеличивает расстояние, которое свету ещё предстоит пролететь до нас, быстрее, чем сама скорость света. Именно тогда, несмотря на то, что галактика реально существует во Вселенной, у нас нет никакой возможности когда-либо её увидеть.

Нам повезло, что на небольших, человеческих масштабах ядерные, электромагнитные и гравитационные силы легко побеждают глобальную силу пространственного расширения. Поэтому разбегаются только удалённые друг от друга галактики, а не отдельные звёзды, планеты и атомы в вашем теле.

Через 100 млрд. лет галактики разбегутся настолько далеко друг от друга, что астрономы будущего изрядно поломают себе голову над вопросом о том, почему космос столь компактен и пустынен. Ведь на их небе можно будет наблюдать всего одну огромную галактику в абсолютно тёмном пространстве.

Мы с вами живём в особую эпоху эволюции Вселенной, в период её наибольшего расцвета и красоты.

Может сложиться обманчивое впечатление, что поскольку все галактики однонаправленно разлетаются от нас, то мы находимся в «центре мира». Это не так. Если бы мы занимали особое положение в космосе, то физические условия в удалённых областях пространства отличались бы от окружающих нас. Но космос очень однороден и выглядит одинаково во всех направлениях. В нём каждая галактика может считаться «центром». Справедливости ради стоит сказать, что если бы мы действительно жили в некоем избранном космическом регионе, то никак не смогли бы распознать этот факт.