Млечный Путь, 21 век, номер 4 (49), 2024

Однако уравнения Фридмана не говорят вам, в каком направлении будет изменяться это расстояние: положительном или отрицательном. Другими словами, Вселенная не может оставаться статичной, но у нее есть два варианта того, как она может развиваться: она может расширяться, при этом расстояние между любыми двумя точками увеличивается со временем, или она может сжиматься, при этом расстояние между любыми двумя точками уменьшается со временем. Это происходит все время в физике: у нас есть уравнения, которые управляют тем, как работает Вселенная, но они не дают вам уникальных решений, а скорее несколько (два или более) возможных решений. Математически существует несколько ответов. Но в нашей физической Вселенной есть только один реальный результат, который когда-либо происходит. Как мы можем узнать, какой результат применимо к нашей Вселенной? Вам нужно взглянуть на саму Вселенную и определить, какое из возможных решений на самом деле физически релевантно. Ответ на этот вопрос можно получить, объединив три различных наблюдения. Наблюдения Генриетты Ливитт за соотношением период-светимость для переменных звезд цефеид, которые научили нас, что если вы измеряете, как быстро цефеида периодически становится ярче и тускнеет, вы можете узнать, насколько она ярче. Наблюдения Весто Слайфера за спиральными и эллиптическими туманностями в небе, которые показали - по тому, как смещалась длина волны их света, - что они двигались с невероятно большими скоростями, и со скоростями, которые обычно указывали на движение от нас, а не к нам. И наблюдения Эдвина Хаббла (и его помощника Милтона Хьюмасона) звезд того же самого класса, который исследовал и каталогизировал Ливитт - переменные звезды цефеиды - в других галактиках, которые казались чрезвычайно тусклыми по сравнению с цефеидами в пределах Млечного Пути и Магеллановых Облаков. Как впервые заметил Весто Слайфер еще в 1910-х годах, некоторые из наблюдаемых нами объектов демонстрируют спектральные признаки поглощения или испускания определенных атомов, ионов или молекул, но с систематическим смещением либо к красному, либо к синему концу светового спектра.

Людям не потребовалось много времени, чтобы сложить эти части головоломки воедино. Хотя Хабблу традиционно приписывают открытие расширяющейся Вселенной - и действительно, его наблюдения сыграли решающую роль в принятии этого решения - он не был первым, кто это сделал. Еще в 1927 году Жорж Леметр сложил воедино предварительные данные исследований Хаббла и Хьюмасона; затем в 1928 году Говард Робертсон независимо пришел к той же идее и пришел к тому же выводу: Вселенная расширяется. Первая статья Хаббла, связывающая эти идеи, появилась только в 1929 году, и только в 1930-х годах он, Эйнштейн и большинство астрофизического сообщества пришли к неизбежному выводу: Вселенная расширяется. За прошедшее с тех пор время, конечно, мы узнали гораздо больше о расширяющейся Вселенной, которая является лишь одним из четырех "краеугольных камней" современной космологии, которые появились с 1960-х годов. Остальные три: открытие космического микроволнового фона, которое указывает на ранний период времени в нашей космической истории, когда было так жарко, что нейтральные атомы не могли стабильно образовываться, измерение изначального содержания легких элементов и их изотопов, указывающее на еще более ранний, более жаркий период, когда протоны и нейтроны были объединены в ядерных реакциях, и эволюционирующее формирование структуры в нашей Вселенной, которое переносит нас из раннего однородного состояния в позднее состояние, богатое звездами, галактиками, скоплениями галактик и в конечном итоге к полноценной космической паутине структуры. Если сложить все четыре этих краеугольных камня вместе, возникает ясная картина: горячий Большой взрыв. Расширяющаяся Вселенная, полная галактик и сложная структура, которую мы наблюдаем сегодня, возникла из меньшего, более горячего, более плотного, более однородного состояния.

Хотя сегодня наблюдаемая Вселенная простирается примерно на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, в далеком космическом прошлом все в космосе было гораздо более компактным, расположенным ближе друг к другу и занимавшим гораздо меньший объем, что наводит на вопрос: что движет расширением Вселенной, как изначально, в начале горячего Большого взрыва, так и сегодня, в поздние космические времена, когда расширение ускоряется?