Skip to content

04.04.2015

1

Разорванная Вселенная

На изображении в заглавии статьи — одна из наиболее полных карт нашей Вселенной. Каждая точка на ней — это отдельная галактика, столь же огромная, как и сам наш Млечный Путь. Тёмная зона на галактическом экваторе — артефакт нашего собственного местоположения: мы можем видеть галактики в экваториальном секторе неба только в узком промежутке от 120° до 240°, да и то — плохо, в силу того, что галактический экватор плотно забит звёздами и межзвёздным газом нашей собственной галактики Млечный Путь, который и поглощает излучение далёких галактик.
В силу этого, в сторону ядра нашей галактики мы вообще не ничего видим, а в противоположную сторону, которая закрыта от нас только неплотным рукавом Персея, мы можем всё-таки кое-что рассмотреть. А вот к галактическому северу и галактическому югу у нас есть возможность обозревать Вселенную на миллионы и миллиарды световых лет.Однако даже такой несовершенный «наблюдательный пункт» уже преподнёс нам массу сюрпризов, касающихся мегаструктуры нашей Вселенной — различных неоднородностей, которые превосходят размер нашей собственной галактики в сотни тысяч и в миллионы раз.
И которые нарушают массу космологических концепций, устоявших в ХХ веке, даже на фоне массы фундаментальных потрясений для космологии, которые перевели бесконечную и устойчивую Вселенную XIX века во «Вселенную Большого взрыва» века ХХ-го.
И пересмотр этих космологических концепций, основанный на новых открытиях, обещает стать не менее интересным шагом в познании, нежели стало открытие красного смещения, расширения Вселенной и победа модели Большого взрыва, как «начала всех начал».

Во-первых, стоит определиться в том вопросе, что в настоящий момент времени теория Большого взрыва является не просто некоей удобной абстракцией, а и, пожалуй, единственной моделью, которая может объяснить наблюдаемую картину нашей с вами Вселенной.
То есть — это не блажь учёных, которые решили таким образом прикрыть своё непонимание колоссально удалённых от нас событий. Учёные в настоящий момент просто не могут придумать модель, которая бы лучше объясняла массу наблюдаемых эффектов, которые нас окружают. Как и не могут найти опровержений, которые бы подорвали саму модель существования Большого взрыва в прошлом нашей собственной Вселенной.
Большой взрыв, как неизбежность.

Доказательства расширения Вселенной начались с момента, когда молодой американский астроном Эдвин Хаббл, которому в 1919 году исполнилось всего 30 лет, получил доступ к самому мощному на то время оптическому телескопу обсерватории Маунт-Вилсон — телескопу Хукера, с диаметром зеркала всего лишь в 2,5 метра.

Первым открытием Хаббла, которое поставило «с ног на голову» всю спокойную космологию XIX века, было открытие звёзд-цефеид в туманностях Андромеды и Треугольника, которые тогда ещё никто не воспринимал, как отдельные от Млечного Пути галактики.
С помощью телескопа обсерватории Маунт-Вилсон Хаббл нашёл в этих туманностях цефеиды — переменные звёзды главной последовательности, которые обладают очень чёткой зависимостью между периодом колебания яркости и собственной светимостью звезды.
В силу такой интересной особенности цефеиды являются идеальными «стандартными свечами» и космическими маяками: по периоду пульсации звезды можно легко определить её абсолютную звёздную величину, а померяв её наблюдаемую звёздную величину — уже можно легко определить расстояние до выбранной цефеиды.
Ну а громадная светимость этих переменных звёзд (103—105 светимостей Солнца) позволяет наблюдать их даже на межгалактических расстояниях.


Галактика Андромеды. 1 триллион звёзд, впятеро большая масса, нежели у Млечного Пути. Но в XIX веке — просто «туманность М31», так как никто её не воспринимал, как отдельную галактику.

Именно это и выяснил Хаббл после наблюдений 1922-23 годов: найденные им цефеиды показали, что туманности Андромеды и Треугольника были слишком далеки, чтобы быть частью Млечного Пути, и являлись в действительности отдельными галактиками за пределами нашей собственной.
Эта идея была оспорена очень многими учёными того времени, которые заподозрили Хаббла в подтасовках или же в неправильной методологии наблюдений — настолько идея о множественности галактик была революционной для начала ХХ века. Но, вопреки оппозиции, Эдвин Хаббл, на ту пору 35-летний учёный, представил свои открытия в печатном виде на собрании Американского астрономического сообщества 1 января 1925 года и убедительно доказал: галактик много и Млечный Путь — отнюдь не единственная и совсем не самая большая из них.
Это открытие фундаментальным образом изменило научное видение Вселенной.

Однако Хаббл не остановился на достигнутом и пошёл дальше, раздвигая границы наблюдаемой Вселенной: уже в 1929 году он опубликовал свои работы о наблюдаемом красном смещении наиболее ярких галактик. Именно по величине красного смещения и визуализирована, кстати, самая верхняя «карта Вселенной».
В результате своих наблюдений Хаббл заметил, что каждая галактика, в среднем, улетает от каждой другой галактики. Вселенная расширяется — постоянно, повсюду и каждый день. Этот факт уже не просто расширял представление человечества о Вселенной, помещая нас в одну из заурядных галактик — он просто ставил всю картину мироздания «с ног на голову». На протяжении столетий наблюдений за звёздами основным допущением астрономов и философов было то, что на Земле может происходить масса скоротечных и разнонаправленных процессов, в то время, как звёздное небо — вещь постоянная и неизменная.
Да, взрываются сверхновые звезды, да, планеты продолжают свой бег, да, цефеиды мерцают в ночном небе, но в целом Вселенная два столетия назад удивительно похожа на Вселенную сегодня.
И, как следствие, Вселенная два миллиона лет назад, двести миллионов лет назад или миллиарды и миллиарды лет тому назад — тоже стабильна и неизменна. А о возрасте Вселенной люди уже догадывались — в том числе и исходя из исследований геологов и палеонтологов на самой Земле, которые к началу ХХ века уже доказали почтенный возраст нашей собственной планеты.

Миллионы лет на одном фото. Именно скорость осадконакопления впервые поставила вопрос о возрасте Земли и, как следствие, всей Вселенной.В этом и состояла революционность наблюдения и последующей, весьма логичной идеи Хаббла. Если Вселенная «сегодня» совсем не похожа на Вселенную «вчера», то и «завтра» она будет уже другой. И, как следствие — Вселенная вокруг нас меняется не только в частностях, но и в целом.

Ну а второе допущение уже прямо следовало из наблюдаемых эффектов. Если все наблюдаемые галактики удаляются друг от друга, подобно раздувающейся рожице клоуна на надуваемом ребёнком воздушном шарике — то логично предположить, что вчера этот шарик был меньше, позавчера — ещё меньше,  и так до тех пор, пока вы не сожмёте всю Вселенную до некоего нижнего предела, который чисто математически упрётся в одну-единственную точку или же в тот самый Большой взрыв.

Сразу же после опубликования первой идеи Хаббла о роли красного смещения, теория Большого взрыва стала обрастать массой экспериментальных подтверждений. Несмотря на невозможность нас и сегодня заглянуть за «горизонт событий» Большого взрыва, мы за ХХ век очень близко подошли к его пределу, наблюдая события, отстоящие от времени Большого взрыва на ничтожные по космологическим понятиям временные растояния.
Однако сам Большой Взрыв мы наблюдать не можем и связано это не с несовершенством наших инструментов или с неудачностью нашего «наблюдательного пункта», а в силу того, что раннее время Вселенной становится, по мере приближения к Большому взрыву, размытым и нечётким. Силы, энергии, плотности, температуры становятся слишком высокими, и наше понимание физики, которое мы накапливали столетиями, просто не справляется с задачей интерпретации того, что мы можем наблюдать даже виде доступных нам остатков и следов событий того времени. Однако кое-что из того, что мы обнаружили, уже вступает в противоречие с чисто «математической» редукцией Вселенной в начале времён до абстрактной и безразмерной точки.

Большой взрыв, который следовал из выкладок Хаббла, породил неизбежное допущение: если вся Вселенная произошла из одной по сути дела безразмерной точки, то где-то выше по шкале размеров (или, что то же самое  — старше по шкале времени) нас ждёт картина однородной, одинаковой и изотропной Вселенной.


До последнего времени считалось, что на размерах, сравнимых с размерами наблюдаемой части Вселенной, наступает так называемый «конец величия» (End of Greatness), который превращает картинку Вселенной в однородный «суп» из галактик.

Этот так называемый «космологический принцип» был впервые сформулирован в 1935 году английский космологом Эдуардом Артуром Милном (не путать с автором «Винни-Пуха», Аланом Александром Милном!).
Космологический принцип утверждает, что каждый наблюдатель во Вселенной, независимо от его местоположения и направления наблюдения, в один и тот же момент времени обнаруживает во всей доступной ему для наблюдения Вселенной в среднем одну и ту же картину. Независимость от места наблюдений, то есть равноправие всех точек пространства, называется однородностью Вселенной; независимость от направления наблюдений, то есть отсутствие выделенного направления в пространстве — изотропией Вселенной.

Самым сильным подтверждением космологического принципа (и, как следствие, однородности и сингулярности вселенной в момент Большого взрыва) явилась однородность реликтового излучения, предсказанная русским учёным Георгием Гамовым в 1946 году и открытая впоследствии, в 1965-м году.
Реликтовое излучение, наблюдаемое нами — это остаток очень ранней Вселенной, по всем рассчётам оно возникло в тот период, когда возраст Вселенной составлял «всего лишь» 400 000 лет, по меркам самой Вселенной — не более, чем мгновение.
Первые наблюдения реликтового излучения показывали его практически полную изотропность, что и подтверждало правоту космологического принципа. Большой взрыв — абстрактная точка, Вселенная — однородна, все свободны, так как ничего нового за горизонтом событий мы не найдём.

Но уже исследования 1980х-1990х годов выявили первые признаки анизотропии реликтового излучения, которые пересмотрели изначальную оценку анизотропности, принимавшуюся, как 10-5 или же 0,001%.
Вот нынешняя детальная карта реликтового излучения, составленная по сумме наземных и спутниковых наблюдений:

Нижняя шкала показывает разброс температур реликтового излучения, составляющий не более 200 микрокельвинов при температуре самого излучения в 2,725 Кельвина.
При этом большая часть колебаний реликтового излучения укладывается в диапазон +/- 18 мкК, однако есть два «досадных» исключения из этой благостной картинки.
Во-первых, в районе созвездия Эридана на карте реликтового излучения зияет сверххолодная брешь, называемая ещё  «Сверхпустота Эридана» (на общей карте она расположена в нижнем правом углу карты):


Реликтовое холодное пятно в целом приблизительно на 70 мкК холоднее, чем средняя температура реликтового излучения, что уже очень сложно объяснить. Реликтовое холодное пятно может быть отпечатком другой Вселенной за пределами нашей, чей след остался в нашей Вселенной до момента её «отпочковывания» от нас. Профессор Университета Северной К