Вселенная

Как указывалось выше, уже в 1948 г. было установлено, что во многих случаях радиоизлучение исходит из почти точечных источников, занимающих очень ограниченные участки неба. Средний диаметр этих радиоисточников составлял примерно 30". Это означало, что все такие радиозвезды, вместе взятые, легко могли бы уместиться на площади, ненамного превосходящей половину полной Луны.
И все же имелось несколько источников радиоизлучения, которые были необычно малы даже по сравнению с этими средними радиозвездами. По мере того как улучшалась методика определения точного положения источников радиоизлучения, выяснялось, что некоторые из них имеют диаметр в 1" и даже меньше.
Такая необычная компактность наводила на предположение, что если обычные радиозвезды на самом деле были радиогалактиками, то такие компактные радио звезды — самые настоящие радиозвезды. Безусловно, это объяснило бы их крошечные размеры.
Наиболее известными среди таких компактных источников радиоизлучения были 3С48, ЗС147, ЗС196, ЗС273 и ЗС286. ЗС — это сокращение, означающее «Третий кембриджский каталог радиозвезд» (список, составленный Райлом с сотрудниками), а цифры показывают по рядковый номер этого источника радиоизлучения в списке.
В 1960 г. Сендейдж с помощью 200-дюймового телескопа исследовал участки, содержавшие эти компактные радиоисточники, и в каждом случае таким источником, по-видимому, оказалась звезда. Точное положение ЗС273, самого мощною из этих источников, установил Сирил Хазард в Австралии, зафиксировавший момент, когда его заслонила Луна. Эти звезды имелись на прежних фотографиях неба и всегда считались всего лишь слабыми членами нашей собственной Галактики. Но после того, как они оказались источниками необычного микрорадиоволнового излучения, их принялись тщательно фотографировать, и оказалось, что это вовсе не так. С некоторыми из этих объектов были связаны слабые туманности, а у ЗС273 были обнаружены признаки крохотной струи вырывающегося из него вещества.
Таким образом, хотя эти компактные источники радиоизлучения и выглядели как звезды, они могли вовсе не быть обычными звездами. Впоследствии их назвали квазизвездными источниками («квазизвездный» означает «звездоподобный»). По мере того как этот термин приобретал все большую важность для астрономии, он употреблялся все чаще, а «квазизвездный источник радиоизлучения»— название чересчур длинное, и поэтому оно сократилось в «квазар» — довольно безобразное словечко, которое заняло теперь прочное место в астрономической терминологии.
Квазары были достаточно интересными объектами, и их следовало подвергнуть исследованию с помощью всех средств, имеющихся в распоряжении астрономии, а это означало и спектроскопические исследования Джесси Гринстейн и Маартен Шмидт приложили все усилия, чтобы получить их спектры, а получив, обнаружили в них незнакомые линии, которые они не сумели опознать. Более того, линии в спектре одного квазара не повторялись в спектре ни одного из других. Это было непонятно, но все-таки квазары продолжали считаться членами нашей Галактики.
Но вот в 1963 г. Шмидт снова обратился к спектру ЗС273. В нем имелось шесть линий, и интервалы между четырьмя из них были такими, что вместе они напоминали последовательность линий в спектре водорода, однако на том месте, где они находились, никаким линиям водорода быть не полагалось. А что, если эти линии должны были находиться в другой части спектра, а здесь очутились только потому, что сместились к красному концу спектра? В таком случае это было бы громадное смещение — оно указывало бы на удаление со скоростью свыше 40 000 км/сек. Это казалось невероятным, но, с другой стороны, если принять такое смещение, то можно было опознать и остальные две линии одна из них соответствовала бы атому кислорода без двух электронов, а другая — атому магния тоже без двух электронов.
Шмидт и Гринстейн обратились к спектрам других квазаров и убедились, что и там тоже нетрудно опознать линии, если предположить наличие огромных красных смещений.
Такие колоссальные красные смещения могли быть вызваны только общим расширением Вселенной, но если красное смещение было связано с расстоянием согласно закону Хаббла, то получилось, что квазары никак не могут быть обыкновенными звездами нашей Галактики. Приходилось считать, что они удалены от нас больше всех других известных объектов — на миллиарды световых лет.
Принять подобный вывод было трудно, а потому красное смещение попытались объяснить какими-нибудь другими причинами. Может быть, квазары обладают колоссальными массами и соответственно полями тяготения такой силы, что они вызывают гигантское эйнштейновское красное смещение. В этом случае они могли бы находиться и недалеко от нас. Однако теоретические исследования ясно показали, что этого быть не может. Красное смещение в спектре квазаров должно порождаться гигантской скоростью.
Но и таком случае, быть может, они все-таки находятся не очень далеко и приобрели огромные скорости не за счет расширения Вселенной, а в результате какого-то взрыва в центре нашей Галактики (так сказать, Малого Взрыва)? В этом случае все квазары должны были бы уноситься от центра Галактики. И некоторые из них при этом могли бы приближаться к нам и показывать сильнейшее фиолетовое смещение. Правда, если взрыв произошел так давно, что все квазары, движущиеся по направлению к нам, уже успели пройти мимо нас, то фиолетового смещения быть не должно. Однако в этом случае некоторые квазары двигались бы более или менее поперек луча нашего зрения, и будь они членами нашей Галактики, хотя бы и очень отдаленными, они при их огромной скорости должны были бы обладать измеримым собственным движением. А ни у одного из них собственного движения замечено не было.
К середине 60-х годов было твердо опознано уже свыше 40 квазаров и изучены спектры большинства из них. Все они до единого показали огромное красное смещение, даже еще большее, чем у 3С 273. И ни у одного из них не было обнаружено собственного движения.
Более того, об огромных расстояниях до квазаров, кроме красного смещения, свидетельствовал и еще один факт. В микрорадиоволновом излучении 3С 273 имеется линия поглощения в диапазоне 21 см. Сама эта линия поглощения показывает красное смещение, согласно которому водородное облако, способное поглощать в этом диапазоне, должно находиться от нас на расстоянии в 40 миллионов световых лет. Между нами и 3С 273 как раз на расстоянии в 40 миллионов световых лет находится скопление галактик в созвездии Девы. Вполне логично предположить, что в этом скоплении имеется облако газообразного водорода и что именно оно дает радиолинию поглощения в диапазоне 21 см.
В этом случае объект 3С 273, находящийся за скоплением галактик в созвездии Девы, никак не может быть членом нашей Галактики. А раз уж он находится за этим скоплением, то пришлось признать, что расстояние до него именно таково, каким оно должно быть, судя по красному смещению. Но если один квазар находится очень далеко от нас и если его красное смещение соответствует этому колоссальному расстоянию, то довольно трудно утверждать, будто еще большие красные смещения других квазаров объясняются не расстоянием, а каким-то другим фактором.
Большинство открытых позднее квазаров находится дальше тех, которые были открыты первыми. В мае 1965 г. Шмидт обнаружил, что квазар 3С 9 имеет красное смешение, соответствующее скорости, равной 80% скорости света, а позже в том же году было обнаружено, что другой квазар удаляется от нас со скоростью, составляющей 81% скорости света (т. е. примерно 243 000 км/сек). Такие объекты, согласно расчетам Сендейджа, должны находиться от нас на расстоянии почти в 9 миллиардов световых лет, и свет, который приходит к нам от них, был излучен почти 9 миллиардов лет назад. Таким образом, мы уже приближаемся ко времени Большого Взрыва, если он действительно был.
Однако, согласившись с правильностью определения колоссальных расстояний, отделяющих нас от квазаров, астрономы столкнулись с некоторыми трудными проблемами и загадками. Если квазары действительно отделены от нас теми невероятными расстояниями, на которые указывает их красное смещение, то, чтобы иметь свою видимую яркость, они должны обладать неслыханной светимостью. Они как будто не только испускают гигантские количества радиоволн, но и излучают колоссальный поток видимого света. Светимость квазаров превосходит светимость целой обычной галактики в 30, а то и в 100 раз!
Но раз это так, то, если бы квазары имели форму и внешний вид обычной галактики, они должны были бы содержать в 100 раз больше звезд, чем обычная галактика, и быть в пять — шесть раз больше нее по диаметру и толщине. Даже на таком невероятном расстоянии они представлялись бы в 200-дюймовый телескоп овальными светлыми пятнышками. Однако они выглядят звездоподобными точками, и это, по-видимому, доказывает, что при всей своей необычайной яркости они гораздо меньше обыкновенных галактик.
Предположение, что их размеры невелики, подтверждается еще одним явлением оказалось, что количество излучаемой квазарами энергии, как в виде света, так и в виде радиоволн, заметно колеблется. На протяжении нескольких лет были зарегистрированы подъемы и спады до 50%.
Для того чтобы излучение могло столь заметно изменяться за такой короткий срок, тело должно быть небольшим. Малые колебания могут возникнуть из-за изменения яркости ограниченных участков данною тела, но большие колебания должны охватывать все тело целиком. Если же они охватывают все тело целиком, то какое-то изменение должно за наблюдаемый срок колебания распространиться по всей поверхности этого тела. Но никакое изменение не может распространяться быстрее света, так что, если яркость квазара испытывает заметные колебания за период в несколько лет, он не может иметь диаметр больше одного световою года.
Объяснить это сочетание крохотного объема и колоссальной светимости чрезвычайно трудно, и поэтому ученые постоянно ищут каких-то указаний на то, что квазары все-таки находятся недалеко от нас. Если бы квазары находились близко к нам, то они могли бы быть достаточно яркими и не обладая исключительной светимостью, светимость их оказалась бы как раз такой, какую следует ожидать от тела с поперечником в один световой год. Но если мы будем исходить из того (а пока по-видимому, мы вынуждены это делать), что квазары действительно чрезвычайно далеки от нас, тогда нам приходится представить себе тело с поперечником всего в один световой год, и все же обладающее светимостью в 100 раз превышающей светимость обыкновенной галактики с поперечником в 100 000 световых лет. Как можно это объяснить? Предлагалось немало весьма смелых объяснений, например что квазар представляет собой колоссальное скопление нейтрино. Согласно этому мнению, квазар может быть нейтринной звездой.
Одна интересная возможность заключается в том, что идея Хойла о катастрофическом сжатии гигантского масштаба так же хорошо подходит для квазаров, как и для мощных источников радиоизлучения вроде Лебедя А. Что если такое сжатие охватило буквально всю галактику, а высвобожденная им энергия выбросила далеко за ее пределы все вещество на окраинах, которое не было в него втянуто? Не является ли квазар обнажившимся центром катастрофически сжимающейся галактики? И не может ли при этом в нем образоваться гигантское количество нейтрино?
Очень соблазнительно провести параллель между катастрофами звезд и катастрофами галактик. В звездном масштабе простые Новые излучают много энергии, но сохраняют свое вещество и форму звезды, тогда как Сверхновая выбрасывает значительную или подавляющую часть своего вещества и с катастрофической силой сжимается в белого карлика. Так, может быть, в галактическом масштабе обычные взрывающиеся галактики — это, так сказать, Новые, излучающие много энергии, но сохраняющие свое вещество и форму галактики, а некоторые особенно чудовищные катаклизмы сходны со Сверхновыми, и при них значительная часть вещества галактики выбрасывается в пространство, а оставшаяся с катастрофической силой сжимается в квазар? (Ведь видимое излучение квазаров в некоторых отношениях действительно напоминает свет белых карликов.)
Но если такое объяснение природы квазаров верно, то срок их жизни должен быть невелик. Они не могут излучать такую неимоверную энергию в течение долгого времени. Согласно некоторым расчетам, квазар может существовать в виде квазара только около миллиона лет. В этом случае квазары, которые мы видим, стали квазарами лишь очень недавно (в космических масштабах времени), и должно существовать немало объектов, которые когда то были квазарами и перестали ими быть.
В 1965 г. Сендейдж сообщил об открытии объектов, которые действительно могут быть состарившимися квазарами. Они походят на обычные голубые звезды, но, как и квазары, обладают колоссальным красным смещением. Они так же далеки, ярки и невелики, как квазары, но им не хватает микрорадиоволнового излучения. Сендейдж назвал их голубыми звездоподобными объектами, или сокращенно ГЗО.
ГЗО, по-видимому, более многочисленны, чем квазары, — примерно в 50 раз, и, согласно одной оценке, в пределах досягаемости наших телескопов находится 400 000 ГЗО, но по другим оценкам их значительно больше. Если они действительно развились из квазаров, то их в 50 раз больше потому, что в стадии ГЗО они пребывают к 50 раз дольше—примерно 50 000 000 лет. Еще более старые квазары угасают уже до такой степени, что их нельзя обнаружить ни по радиоволновому излучению, ни по видимому свету. Какую форму они принимают и как их можно опознать, пока не известно.
Самый факт существования квазаров и ГЗО — это тяжелый, если не смертельный, удар по теории стационарной Вселенной. Все они очень далеки от нас и, следовательно, образовались много миллиардов лет назад. Поскольку поблизости от нас их обнаружить не удается, значит процессы, при которых они возникали, теперь прекратились (впрочем, поблизости от нас могут находиться давно угасшие квазары, которые мы просто еще не умеем опознавать). А это в свою очередь означает, что миллиарды лет назад Вселенная во многих важных отношениях была иной.
Если Большой Взрыв произошел около 15 миллиардов лег назад, картина выглядит вполне логичной. Миллиарды лет назад Вселенная была меньше, горячее, моложе и наполненнее, чем сейчас, и нет ничего удивительного в том, что катастрофические события вроде образования квазаров случались тогда часто, а в нынешней более обширной, более холодной, старой и пустой Вселенной они не случаются вовсе.
Собственно говоря, изучая распределения квазаров и ГЗО Сенлейдж пришел к выводу, что не только можно считать доказанным Большой Взрыв но и можно решить, какой из двух вариантов теории Большого Взрыва верен — гиперболический или пульсирующий Вселенная, утверждает Сендейдж, пульсирует с циклом, равным примерно 82 миллиардам лет.
Другими словами, процесс расширения Вселенной после Большого Взрыва постепенно затухает, и. наконец, по истечении 41 миллиарда лет она на мгновение замирает. Затем она начинает сжиматься и сжимается еще 41 миллиард лет, пока не превращается вновь в «космическое яйцо», а тогда происходит следующий Большой Взрыв. Мы живем в эпоху, когда истекла, пожалуй, четверть срока одного из циклов расширения, а самые далекие квазары, которые мы видим, были почти свидетелями последнего Большого Взрыва.
Согласно сообщению, сделанному в 1965 г. Лабораториями телефонной компании «Белл» в Нью-Джерси, после того как были отождествлены все источники космического микроралиоволнового излучения, остался еще слабый общий фон излучения. По некоторым теориям, вспышка излучения, сопровождавшая Большой Взрыв, должна была в наше время, через многие миллиарды лет, проявляться как фон микроралиоволнового излучения космоса — как раз такой, какой обнаружен Лабораториями компании «Белл». Если это так, то человечество, возможно, в буквальном смысле слова слышит отголоски Большого Взрыва.
Если это толкование правильно, то нынешняя температура вещества, оставшегося от Взрыва равна, судя по характеру микроволнового излучения, 3°К, т. е 3° выше абсолютного нуля. Предсказана была температура 10°К. Такое несоответствие, по-видимому, указывает на то, что исходная температура Большого Взрыва была ниже, чем предполагалось. А это может означать только, что при своем рождении Вселенная состояла не из чистого водорода, но уже тогда содержала значительную примесь гелия.

Теперь теорию стационарной Вселенной может спасти только открытие, что квазары и ГЗО все-таки находятся поблизости от нас. В этом случае светимость их не очень велика и они могут быть равномерно распределены во Вселенной, а наши приборы еще недостаточно чувствительны и способны обнаруживать их только поблизости от нас. Тогда их существование не будет свидетельствовать о важных различиях между далекими областями Вселенной и нашими окрестностями.
Кроме того, именно наличием квазаров и ГЗО объясняется неожиданно высокая численность далеких радиоисточников, найденная Райлом. Если они окажутся не особенно удаленными, то число радиоисточников будет возрастать с расстоянием только в ожидаемой пропорции, как того и требует теория стационарной Вселенной. И действительно, некоторые сообщения, сделанные весной 1966 г., дают основания полагать, что квазары связаны со «странными» галактиками, которые находятся далеко, но не на космологических расстояниях, т. е не на таких, которые соответствуют их красному смещению. Такая относительная близость квазаров к нам ослабила бы позиции теории Большого Взрыва.
Однако эти признаки близости квазаров к нам, по-видимому, не производят особого впечатления на работающих в этой области ученых. На спасение теории стационарной Вселенной надежды как будто мало. Даже Хойл в 1965 г., наконец, сдался и принял теорию Большого Взрыва. Однако он высказал идею, что Большой Взрыв мог все-таки быть местным явлением, т.е. мы живем в «пузыре» Большого Взрыва внутри значительно большей Вселенной, которая в целом все-таки находится в стационарном состоянии. Однако в настоящее время, по-видимому, нет никаких способов проверить столь далеко идущее предположение.