Отже, слідуючи де Ситтеру, приберемо зі Всесвіту всю речовину. Помістимо в наш порожній Всесвіт дві вільні пробні частинки на відстані один від одного. Частинки називаються пробними, оскільки передбачається, що їх маси достатньо малі, щоб не впливати на їх відносний рух, а вільними вони називаються тому, що на них не діє ніяка сила, окрім гравітації. У Всесвіті це можуть бути, наприклад, дві галактики, розташовані достатньо далеко один від одного. Тоді негативна гравітація примушує обидві галактики рухатися один від одного з прискоренням, пропорційним відстані. Якщо по прискоренню знайти швидкість, а потім зміну відстані з часом, то легко показати, що відносна швидкість частинок-галактик стрімко наростатиме.
Таку залежність називають експоненціальною, вона виражає надзвичайно швидке зростання відстані від часу. Якій же можна зробити висновок? В «майже порожньому» Всесвіті, тобто в такій Вселеній, в якій можна нехтувати звичайним тяжінням галактик один до одного, галактики можуть придбати великі швидкості видалення один від одного. Такий висновок одержав де Ситтер в 1917 р. В цей час йому були відомі швидкості тільки трьох галактик, і він не міг прийти до якого-небудь певного висновку про справедливість своєї теорії. До сьогоднішнього Всесвіту модель де Ситтера навряд чи застосовна: динаміка Всесвіту визначається звичайним тяжінням речовини. Але ця модель виявилася важливою для опису далекого минулого Всесвіту, коли вона тільки починала розширятися.
Гіпотеза «Великого вибуху»
Роботи Фрідмана показали, як з часом повинен еволюціонувати Всесвіт. Зокрема, вони передбачили необхідність існування у минулому «сингулярного стану» — речовини величезної густини, а значить, і необхідність якоїсь причини, що спонукала надщільну речовину почати розширятися. Це було теоретичним відкриттям вибухаючого Всесвіту. Помітимо, що відкриття було зроблено без наявності яких-небудь ідей про самий вибух, про причину початку розширення Всесвіту. Ніяких натяків на подібні ідеї ні в теорії, ні в експерименті не існувало. Але вже з того факту, що Всесвіт однорідний, витікало, що через тяжіння матерії вона нестаціонарна, а значить, у минулому повинна була бути причина початку розширення — причина Великого вибуху.
Наглядове відкриття вибухаючого Всесвіту було зроблено американським астрономом Э. Хабблом в 1929 р. Далекі зоряні системи — галактики і їх скупчення — є найбільшими відомими астрономам структурними одиницями Всесвіту. Вони спостерігаються з величезних відстаней, і саме вивчення їх рухів дослужило наглядовою основою дослідження кінематики Вселеної. Для далеких об'єктів можна вимірювати швидкість видалення або наближення, користуючись ефектом Доплера.
Вимірюючи зсув спектральних ліній в спектрах небесних тіл, астрономи визначають їх наближення і видалення, тобто вимірюють компоненту швидкості, направлену по променю зору. Тому швидкості, визначувані по спектральних вимірюваннях, носять назву променевих швидкостей. Піонером вимірювання променевих швидкостей у галактик був на початку минулого століття американський астрофізик В. Слайфер. В 1924 Р.К. Вирц знайшов, що, чим менше кутовий діаметр галактики, тим в середньому більше її швидкість видалення, хоча одержана залежність і була дуже нечітка. Вірц порахував, що ця залежність відображає залежність між швидкістю і відстанню і тому свідчить на користь космологічної моделі де Ситтера. Про роботу Фрідмана Вірц, мабуть, нічого не знав.
Проте відомий шведський астроном К. Лундмарк і інші астрономи, повторивши роботу Вірца, не підтвердили його результати. Тепер ми розуміємо, що суперечності були зв'язані з тим, що лінійні розміри галактик вельми різні, і тому їх видимі кутові розміри не указують прямо на відстань від нас: галактика може бути видима маленькою не тільки тому, що вона розташована далеко, але і тому, що вона насправді мала за розмірами.
Для вирішення питання були потрібні надійні методи визначення відстаней до галактик. І такі методи були створені. Вперше це вдалося зробити за допомогою пульсуючих зірок, що міняють свою яскравість, — цефеїд.
Ці змінні зірки володіють чудовою особливістю. Кількість світла, випромінюване цефеїдою, — її світимість і період зміни світимості унаслідок пульсації тісно зв'язані. Знаючи період, можна обчислити світимість. А це дозволяє обчислювати відстань до цефеїди. Дійсно, змірявши період пульсацій за спостереженнями зміни блиску, визначаємо світимість цефеїди. Потім вимірюється видимий блиск зірки. Видимий блиск обернено пропорційний квадрату відстані до цефеїди. Порівняння видимого блиску з світимістю дозволяє знайти відстань до цефеїди.
Цефєїди були відкриті в інших галактиках. Відстані до цих зірок, а значить, і до галактик, в яких вони знаходяться, виявилися набагато більшими, ніж розмір нашої власної Галактики. Тим самим було остаточно встановлено, що галактики — це далекі зоряні системи, подібні нашої.
Для встановлення відстаней до галактик, крім цефеїд, вже в перших роботах застосовувалися і інші методи. Одним з таких методів є використовування найяскравіших зірок в галактиці як індикатора відстаней.
Найяскравіші зірки, мабуть, мають однакову світимість і в нашій Галактиці, і в інших галактиках, і по цій «стандартній» величині можна визначати відстань. Але найяскравіші зірки мають більшу світимість, ніж цефеиды, можуть бути видні з великих відстаней і є, таким чином, більш могутнім індикатором відстаней. Відстані до цілого ряду галактик були визначені Е. Хабблом.
Природно, астрономи намагалися перевірити закон Хаббла для великих відстаней. Для цього потрібно було мати індикатори відстаней набагато більш могутні, ніж змінні зірки — цефеїди або найяскравіші зірки, розглянуті вище.
В 1936 р. Хаббл запропонував використовувати як такі індикатори цілі галактики. Він виходив з наступних міркувань. Індикатор відстаней повинен володіти певною фіксованою світимістю. Тоді видимий блиск служитиме покажчиком відстані. Окремі галактики не можуть служити індикатором відстаней, оскільки світимість окремих галактик вельми різна. Наприклад, наша Галактика випромінює енергія як десять мільярдів сонць. Є галактики, які світять в сотні раз слабкий, але є і такі, які світять в десятки разів сильніше. Припустимо, що є верхня межа повної світимості окремих галактик. Тоді в багатих скупченнях галактик, що містять тисячі членів, найяскравіша галактика з дуже великою вірогідністю повинна мати світимість біля цієї верхньої межі, тобто мати стандартну світимість, однакову для будь-якого великого скупчення. Найяскравіші галактики у великих скупченні є, отже, еталонами, подібними цефеїдам. Видимий блиск цих галактик можна використовувати як покажчик відстаней. Чим далі відстань, тим слабкий блиск.
Отже, в космології досліджується залежність зоряна величина т — червоний зсув z (точніше, log z) для найяскравіших галактик скупчень. Така залежність знайдена, графік її прямолінійний, і це надійно підтверджує відкритий Хабблом закон розширення Всесвіту.
«Непорожній» Всесвіт
Повернемося до проблеми критичної густини. Яке ж значення критичної густини? Сформулюємо найважливішу задачу наглядової космології: яка середня густина всіх видів фізичної матерії у Всесвіті? І найголовніше: чи більше ця середня густина критичного значення або менше?
Таким чином, йдеться саме густині всіх видів фізичної матерії. Річ у тому, що у астрономів є вагомі підстави вважати, що, крім видимих зірок і газових туманностей, зібраних в галактики, навкруги галактик і в просторі між ними є багато невидимій або дуже важко спостережуваній матерії. Оскільки тяжіння створюється всіма видами матерії, то облік невидимої матерії в загальній густині речовини абсолютно необхідний для вирішення питання про майбутню долю Вселеною.
Ще років двадцять тому астрономи вважали, що Всесвіт в найбільших масштабах — це саме мир галактик і їх систем. Вивчаючи нашу зоряну систему, Галактику, вони встановили, що в межах її видимих меж майже вся речовина зосереджена в зірках. Всього Галактика містить ~200 мільярдів зірок. Газ і пил між зірками дають до маси зірок абсолютно незначну добавку (біля 2%).
Здавалося, що і інші галактики в основному складаються із зірок, що світяться, а простір між галактиками практично порожній. Галактики зібрані в групи і скупчення різних масштабів, утворюючи комірчасто-сітчасту великомасштабну структуру Всесвіту. Розмір типових порожніх областей, в яких галактик мало або зовсім ні, близько 30—40 Мпк. Відстані між найбільшими над скупченням галактик, що знаходяться у вузлах комірчастої структури, можуть бути 100—300 Мпк. В ще більших масштабах матерія у вигляді галактик і їх скупчень, що світиться, розподілена приблизно однорідно. Така загальна велична картина розподілу в просторі зоряних островів — галактик.
Якомога визначити усереднену по таких великих масштабах середню густину речовини, яка потрібна для вирішення космологічної проблеми?
Якщо вся матерія дійсно зосереджена в галактиках, що світяться, то для цього треба підрахувати загальне число галактик в достатньо великому об'ємі, потім визначити масу середньої галактики. Множивши ці числа один на одного, ми одержимо повну масу речовини в даному об'ємі, а поділивши її на цей об'єм, одержимо середню густину, що цікавить нас.
Так астрономи і поступали. При цьому, перш за все, необхідно було знайти маси окремих галактик. Надійне визначення усередненої по великих об'ємах густини речовини, що входить в галактики, було зроблено близько 30 років тому голландським астрономом Я. Оортом. Численні роботи в цьому напрямі, виконані з тих пір, підтвердили його результат. Якщо у Всесвіті немає помітних кількостей матерії між галактиками, яка чого-небудь не видна, то і Всесвіт завжди розширятиметься.
Проте, є підстави вважати, що спостережувані нами галактики ще далеко не все, що є у Всесвіті. Більш того, невидима маса, ймовірно, складає основну частину Всесвіту. Таким чином, вельми можливо, що безпосередньо спостережувані в телескопи прекрасні узори гігантських галактичних світів — це лише мала видима частина істинної невидимої структури миру. невидимі маси Всесвіту одержали назву прихованої маси.
Прихована маса
Існуючі у Всесвіті тіла і скупчення речовини астрономи знаходять в основному по їх випромінюванню. Це може бути видимий спектр або інші види електромагнітних хвиль — все одно є ознаки випромінювання, що дозволяють їх реєструвати. Саме таким способом встановлено, що велика частина видимої речовини Всесвіту зосереджена в зірках. Окрім них є розріджений міжзоряний галактичний газ, пил, тіла планетного типу поблизу зірок.
Проте, не від всіх космічних об'єктів можна прийняти випромінювання. Наприклад, із Землі не можна розглянути масивні, але дуже маленькі елементи подвійних систем. А чорні діри принципово не відпускають ніякого випромінювання. Наявність подібних тіл вдається встановити тільки по їх гравітаційній дії на сусідів. Вживання такого непрямого методу привело учених до переконання, що насправді У Всесвіті міститься набагато більше речовина, ніж то, яке доступне прямим наглядам.
Як виникли підозри про існування прихованої маси? Найважливіші наглядові дані про це зводяться до наступного. За допомогою радіотелескопів спостерігаються рухи супутників окремих галактик (ними є маленькі галактики) або руху газових хмар. Ці об'єкти часто рухаються на відстанях далеко за видимою межею галактики (обкресленою масою зірок, що світяться), де, здавалося б, ніякої матерії в помітних кількостях вже немає. Проте, обчислена за цими спостереженнями маса тієї або іншої галактики, навкруги якої спостерігалися такі рухи, виявлялася іноді раз в десять більше, ніж визначена по руху зірок на видимій межі галактики. Це значить, що навкруги видимого тіла галактики є якась невидима корона, що містить величезні маси. Тяжіння цих мас ніяк не позначається на рухи зірок глибоко усередині корони на краю видимої галактики, оскільки ми знаємо, що сферична оболонка усередині себе тяжіння не створює, але ці маси впливають своїм тяжінням на рух тіл на околицях корони і зовні неї.
Ще більші приховані маси є в міжгалактичному просторі в скупченнях галактик. В таких скупченнях галактики рухаються хаотично. Тому астрофізики спочатку вимірюють швидкості окремих галактик, а, потім, після знаходження середньої швидкості, обчислюють повну масу скупчення, що створює загальне поле тяжіння, яке розгонить галактики, що рухаються в ньому. Зрозуміло, ця маса включає всю речовину — і видиме, і невидиме. І ось виявляється, що іноді повна маса в багато десятків разів перевищує сумарну масу всіх галактик, що світиться, в скупченні.
Вперше про приховану масу заговорили в 30-х рр. ХХ в. Швейцарський астроном Фріц Цвікки, вимірюючи по червоному зсуву швидкості галактик з скупчення в сузір'ї Волосся Вероніки, одержав несподіваний результат. Променеві швидкості цих галактик виявилися дуже високими і не відповідали загальній масі скупчення, визначеній по числу спостережуваних галактик (тобто по видимій речовині). Тоді Цвікки висунув сміливу гіпотезу, що в скупченні присутня невидима, прихована маса, вона-то і є причиною великих швидкостей галактик. Але найдивнішим було те, що, згідно розрахункам, ця невидима маса у багато разів перевищувала масу видиму. Та ж картина спостерігалася і в багатьох інших скупченнях галактик.
З тих пір гіпотеза про існування невидимої речовини неодноразово притягувалася для інтерпретації астрономічних наглядів, і перш за все, для пояснення особливостей руху зірок і газових хмар по орбітах в дисках галактик. Якби основна маса галактики була зосереджена в зірках, їх орбітальні швидкості зменшувалися б у міру видалення від центру. Насправді вони не тільки не зменшуються, але у ряді випадків навіть зростають. Те ж саме відбувається і в нашій Галактиці. Щоб пояснити це явище, потрібно припустити, що далеко за межами видимих меж галактики тягнеться матерія, що не світиться, темна. Звичайно її називають темним гало. З його обліком маса гігантських спіральних систем типу Чумацького Шляху виявляється рівною приблизно 1012 масам Сонця, тоді як речовини, укладеного в зірках, у декілька разів менше.
В 70-х рр. методами рентгенівської астрономії був відкритий гарячий міжгалактичний газ, особливо помітний в скупченнях галактик. Його температура досягає десятків мільйонів градусів. По значенню температури можна оцінити характеристики гравітаційного поля, в якому знаходиться газ, а отже, і повну масу речовини, що є джерелом цього поля. Вже перші результати рентгенівських наглядів гарячого газу в скупченнях галактик підтвердили присутність в них прихованої маси, що не входить до складу окремих галактик.
Ще одну пряму вказівку на приховану масу вдалося одержати при вивченні руху Місцевої групи галактик. (До Місцевої групи входять наша Галактика і її найближчі сусіди.) В середині 80-х рр. за наслідками дуже успішної місії космічної інфрачервоної обсерваторії HPAC (IRAS) було встановлено, що рух Місцевої групи в просторі направлений в ту сторону, де зосереджена велика кількість галактик. В цьому немає нічого дивного, адже за законом тяжіння велика маса повинна притягати оточуючі групи галактик. Але зміряна швидкість руху виявилася дуже високою (більш 600км/с), щоб її можна було пояснити гравітаційною дією спостережуваних галактик. Це свідчило про присутність прихованої маси між галактиками.
Нарешті, нагляди слабких галактик, проведені за допомогою чутливих детекторів випромінювання – ПЗС-матриць, — дозволили не просто підтвердити наявність прихованої маси, але і достатньо точно позначити її розподіл в скупченнях галактик. Цей метод називають гравітаційним лінзуванням, ідею якого вперше висунув Цвікки ще в 1937 р. Метод цей заснований на тому, що гравітація скупчення галактик діє як збираюча лінза. Вона дозволяє одержати зображення слабких галактик (як правило, 22-28 зоряної величини), що знаходяться далеко за самим скупченням. При цьому зображення самих галактик стають яскравіше і спотворюються, витягуючись в дуги різної довжини з центром, співпадаючим з центром скупчення. Аналізуючи такі зображення, можна відновити розподіл густини в «лінзі», тобто в скупченні галактик. Виявилося, що створююча тяжіння матерія тягнеться далеко за межі видимої частини скупчення.
Існування прихованої маси кардинально міняє оцінку загальної усередненої густини всіх мас Всесвіту. Можливо, є прихована маса і між скупченнями галактик. Її знаходити особливо важко. Але якщо це так, то не виключено, що повна середня густина рівна критичній густині або навіть дещо більше. Таким чином, поки не можна сказати, чи більше істинна густина всіх видів речовини у Всесвіті, ніж критична густина, чи ні. Значить, ми поки не можемо сказати безумовно, чи буде Вселена розширятися необмежено або ж в майбутньому вона почне стискатися.
Чим є прихована маса? Треба прямо сказати, що фізична природа прихованої маси поки неясна. Частково ця маса може бути обумовлена величезним числом зірок, що слабо світяться і тому практично невидимих здалека, або інших небесних, що не світяться, тел. Проте вірогідніше, що прихована маса є своєрідним реліктом тих фізичних процесів, які протікали в перші миті розширення Всесвіту. Прихована маса, можливо, є сукупністю великого числа елементарних частинок, що володіють масою спокою і слабовзаємодіючих із звичайною речовиною. Теорія передбачає можливість існування таких частинок. Ними можуть бути, наприклад, нейтрино, якщо вони володіють масою спокою.
Яка ж природа невидимої речовини? Можливо, прихована маса створюється не відкритими поки елементарними частинками. Справа в тому що, згідно сучасної теорії гарячого Всесвіту, максимально можлива маса баріонів (протонів і нейтронів — частинок, з яких складаються атомні ядра всіх хімічних елементів) не перевищує 10% від маси, необхідної для критичної густини, тобто тієї густини, який теоретично повинен володіти Всесвіт. Тому залишається або припустити, що у Всесвіті крім звичайної баріонної (атомної) маси міститься ще дуже багато речовини, що не складається з атомів, або вважати, що порожній простір (вакуум) володіє такими властивостями, що вносить свій внесок в повну
28-04-2015, 23:39