Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Как показано в этой главе, в наблюдаемой Вселенной удивительно много самых разнообразных галактик. Астрономы, вдохновленные их изумительной красотой, провели тщательную спектрозональную съемку и спектроскопические исследования — и выявили в пределах этих галактик сложное взаимодействие между звездами, газом и активными ядрами. Более того, они начали собирать воедино все сведения, связанные с эволюцией этих «островных вселенных» на протяжении космологического времени (см. гл. 10). Но сначала нам предстоит еще многому научиться и пока что просто подсчитать галактики, которые мы можем наблюдать. Впервые это с успехом сделали в 1996 году, после того как космический телескоп «Хаббл» фотографировал один и тот же участок неба в течение рекордных десяти дней непрерывной выдержки. «Глубокий обзор Хаббла», полученный в итоге, запечатлел лишь крошечный участок неба в созвездии Большой Медведицы. Представьте, что вы, держа в вытянутой руке монету в десять центов, фиксируете взгляд на глазе Рузвельта — это эквивалент небольшого поля обзора, доступного «Хабблу». Однако на нем были многие тысячи галактик. Этот невероятный «образец ядра» галактической Вселенной предоставил исследователям самые разные возможности, в том числе и шанс оценить общее число галактик в видимом космосе.

Достаточно сказать, что количество галактик, доступных наблюдению, поистине поразительно — от 50 до 100 миллиардов, — и это только гигантские галактики и карликовые галактики со вспышкой звездообразования. Меньшие и менее активные галактики пока остаются вне досягаемости наших исследовательских станций. С 1996 года «Хаббл», «Спитцер» и несколько наземных телескопов позволили нам получить другие глубокие обзоры космоса. Теперь у нас есть спектрозональное досье образцов галактического ядра, доступ к которому позволит изучить эволюцию галактик за космологическое время — начиная от более чем 10 млрд лет назад и заканчивая нашей эпохой. Однако, чтобы действительно обнаружить «первый свет» от самых молодых галактик, нам придется дождаться космического телескопа «Джеймс Уэбб» и других телескопов, сконструированных именно для того, чтобы уловить это едва заметное первичное излучение (см. гл. 10).

Расширение космоса

В 1920-х годах, задолго до «Хаббла» и его потрясающих сверхчетких снимков, астрономы начали пристально изучать галактики, доступные их детекторам и телескопам. Разделив галактический свет на спектры и сфотографировав их на длинной выдержке, они увидели на спектральных линиях значительные доплеровские смещения, заметные в длине волны. Спектры с синим смещением указывали на приближение к нам, спектры с красным — на удаление от нас. Например, галактика Андромеды (М31) показала синее смещение, вызванное тем, что она и Млечный Путь сходятся друг с другом со скоростью 110 км/с. Синее смещение имеет и галактика Треугольника (М33), которая движется к нам со скоростью 44 км/с.

Однако за пределами Местной группы для большинства галактических спектров были характерны красные смещения. Милтон Хьюмасон, талантливый помощник Эдвина Хаббла, искусно фиксировал эти спектры на фотопластинках с помощью вышеупомянутого телескопа Хукера, расположенного в южной Калифорнии, — самого большого телескопа в мире на тот момент. В ходе работы над спектрами Хаббл соотнес их красные смещения с самыми точными на то время оценками расстояния до соответствующих галактик и в 1929 году вывел свой фундаментальный закон: чем дальше до галактики, тем больше ее красное смещение. Сам он понимал это смещение как скорость удаления в соответствии с оптическим эффектом Доплера. Этого хватило, чтобы он совершил огромный концептуальный скачок и интерпретировал свой закон как свидетельство расширяющейся галактической Вселенной. Наглядные аналогии помогут нам яснее представить ход его рассуждений.

Предположим, у нас есть булочка с изюмом, которую мы собираемся поместить в печь. Выберем одну изюминку. Все остальные находятся от нее на определенном расстоянии: одни очень близко, а другие — подальше и ближе к другому краю булочки. Как только булочка испечется, она станет шире. Самые близкие изюминки отодвинутся от нашей «избранницы» совсем чуть- чуть, но те, которые были больше удалены от нее изначально, расположатся еще дальше, а несколько, находящихся на дальнем краю, отодвинутся на наибольшее расстояние. Это соотношение расстояние — движение работает для любой случайно выбранной изюминки. Другими словами, так подтверждается глобальное расширение.

Рис. 8.5. Недавний график с демонстрацией закона Хаббла, связавшего расстояние до галактики в мегапарсеках (Мпк) и скорость ее удаления (км/с). Наклон функции дает значение постоянной Хаббла, в данном случае равное 72 (км/с)/ Мпк. (По источнику: W. L. Freedman et al., Astrophysical Journal, vol. 553 [2001], p. 47.)