Почему небо темное. Как устроена Вселенная

Итак, внегалактическое фоновое излучение – это дошедший до нас интегральный свет от всех звезд, галактик и активных ядер галактик, родившихся и эволюционирующих во Вселенной. Поэтому анализ этого излучения может дать информацию об истории звездообразования во Вселенной и даже о ее возрасте.

Рассмотрим простой случай. Пусть мы находимся в центре сферы, равномерно заполненной светящимся веществом (звездами и галактиками) и пусть радиус этой сферы равен R, а плотность светимости вещества – L ( r ) = L 0. Тогда наблюдаемая освещенность, создаваемая всем излучением от нас и до границы сферы, может быть найдена суммированием от r = 0 до r = R : Q = ct 0 L 0 , где R = ct 0 , с — скорость света, a t 0 — возраст нашей модельной Вселенной. Из этого выражения сразу видно, что величина фонового излучения ( Q ) определяется временем, в течение которого светили звезды и галактики, то есть, в конечном счете, возрастом Вселенной.

Чему равны значения Q и L 0 в нашей Вселенной? Q — это поток энергии, проходящий за единицу времени через единицу площади от всех излучающих источников. Q может быть найдено суммированием фонового излучения по всем длинам волн. По современным данным Q  ~ (5–10) × 10-4 эрг/с·см2). Среднюю плотность светимости L 0 можно грубо оценить, используя в качестве своего рода стандарта энерговыделения наше Солнце. Интегральная светимость Солнца Lo = 4×1033 эрг/с, масса M o=2×1033 г и, следовательно, энерговыделение единицы массы Солнца: еo = L o/ M o = 2 эрг/с·г). Плотность «светящегося» вещества Вселенной составляет примерно 0.003 ρc = 3 × 10-32 г/см3 (0,3 % критической плотности, см. раздел 2.5 предыдущей главы). Умножаем плотность на еo и получаем следующую оценку плотности светимости: L 0 ~ 6 × 10-32 эрг/с·см3). Подставляем эти значения в формулу для Q и получаем оценку времени, в течение которого должны были излучать звезды и галактики для того, чтобы обеспечить наблюдаемую яркость ночного неба, – t 0 = Q/ ( c  × L 0) ~ 10–20 млрд лет. Замечательный результат! Яркость ночного неба не только говорит нам о том, что был Большой взрыв, то есть было некое событие, приведшее к появлению звезд и галактик, но и о том, когда он произошел.

Предыдущие рассуждения и оценки были, конечно, очень грубыми. Кроме того, они касались лишь интегральной, просуммированной по всем длинам волн, яркости фона. Более детальное рассмотрение фона в разных спектральных диапазонах – от гамма-излучения до радиодиапазона (рис. 46) – позволяет получить гораздо больше информации о Вселенной и о населяющих ее объектах.

Рассмотрим теперь более реалистичный подход, учитывающий, в частности, расширение Вселенной. Расширение приводит к увеличению длины волны фотонов и, следовательно, к уменьшению их энергии. Так может расширение Вселенной само по себе способно решить фотометрический парадокс? Это предположение было высказано в середине XX века английским космологом Германом Бонди, которому, кстати, принадлежит и не вполне удачное название «парадокс Ольберса».

Бонди совместно с Голдом в 1948 году предложил собственную космологическую модель. (Сходную модель практически одновременно рассмотрел Фред Хойл и поэтому теорию стационарной Вселенной называют также теорией Бонди, Голда и Хойла.) Модель стационарной Вселенной выглядит довольно привлекательно – Вселенная вечна, бесконечна и находится в состоянии непрерывного расширения, то есть в ней выполняется закон Хаббла. Вместо космологического принципа, лежащего в основе космологии Фридмана, теория стационарной Вселенной опирается на совершенный космологический принцип — Вселенная не только однородна и изотропна, но и одинакова во все моменты времени. Для того, чтобы согласовать расширение Вселенной с ее постоянной плотностью, в модели Бонди и др. пришлось допустить непрерывное рождение вещества. Темп этого рождения очень невелик – требуется появление лишь одного атома водорода в год в кубе со стороной полтора километра. Спонтанное рождение вещества – вещь, конечно, странная, но в космологии много необычного. Важнее то, что стационарная космологическая модель давала четкие предсказания, которые можно было проверить наблюдениями – например, она предсказывает вполне определенную зависимость между расстоянием и красным смещением. Именно наблюдения, в первую очередь, реликтового излучения, в конечном итоге и опровергли модель Бонди и др.

В стационарной модели Вселенная вечна и бесконечна. Следовательно, если она статична, излучение звезд должно заполнить все пространство и небесная сфера будет сверкать как поверхность звезды. Герман Бонди заключил, что нестационарность Вселенной, то есть ее расширение, решает эту проблему. Галактики на больших расстояниях удаляются от Земли со скоростью, превышающей скорость света, и поэтому их излучение никогда до нас не доберется. В теории стационарной Вселенной небосвод, действительно, покрыт изображениями звезд, но мы не видим эти сверкающие небеса, поскольку большинство галактик имеют колоссальные красные смещения и ненаблюдаемы.

Решение Бонди справедливо для его модели Вселенной, однако это решение часто неправомерно переносят на реальную Вселенную, которая, конечно, расширяется, но является ограниченной во времени и в пространстве. В нашей Вселенной роль красного смещения в формировании темного ночного неба не столь велика.

Подробные расчеты яркости ночного неба для разных моделей Вселенной показали, что расширение, действительно, уменьшает яркость фона, но не слишком сильно. При любом разумном выборе космологических параметров падение яркости составляет лишь примерно 40 % от значения для стационарной, не расширяющейся Вселенной. Следовательно, возраст Вселенной и, соответственно, время жизни галактик и составляющих их звезд, – основные факторы, определяющие наблюдаемую яркость ночного неба. Расширение Вселенной уменьшает эту яркость не более, чем в два раза.