Еще об одной загадке ночного неба

Эта загадка ночного неба возникла в связи с подсчетом числа звезд на небосводе и оценкой его яркости. Когда по мере совершенствования телескопов стали открывать все новые и новые звезды и стало известным, что многие звезды значительно больше и ярче Солнца, зародилось сомнение или, точнее, возник вопрос: почему ночное небо такое темное?

Этот вопрос впервые был сформулирован в 1826 г. австрийским астрономом В. Ольберсом и получил название парадокса Ольберса. Ольберс писал: "Если бы все пространство действительно было заполнено солнцами и если бы они располагались на одинаковых расстояниях друг от друга и группировались в системы, подобные Млечному Пути, то число их было бы бесконечным и весь небосвод был бы столь же ярким, как само Солнце, так как каждый луч зрения в любом направлении обязательно натолкнулся бы на звезду; таким образом, каждая точка на небе посылает к нам луч звезды или, что то же самое, свет Солнца".

Но ведь ночное небо темное! И это надо было объяснить.

Одна из первых попыток разрешить парадокс Ольберса состояла в следующем: большая часть излучения далеких звезд на их пути к Земле поглощается пылью и газами, находящимися в межзвездном пространстве. Однако пыль, поглощая излучение бесконечного числа звезд, в свою очередь должна была бы нагреться до температур, близких к звездным, и излучать свет, подобный звездному.

Приведем другое объяснение, выдвинутое самим Ольберсом. Допустим, что звезд бесконечно много и они распределены во Вселенной равномерно. Освещенность на зрачке нашего глаза, создаваемая каждой отдельной звездой и определяющая наше субъективное световое ощущение от звезды, как известно, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до звезды. Число же звезд в определенном заданном телесном угле возрастает прямо пропорционально квадрату расстояния. В результате полное количество света, получаемое от звезд в пределах данного телесного угла, остается одним и тем же. Поэтому яркость неба не увеличивается до бесконечности и ночное небо остается темным.

Допущение о бесконечно большом числе звезд да еще равномерно распределенных в бесконечной Вселенной, как мы уже знаем, не подтвердилось наблюдениями. К парадоксу Ольберса вернулись через 100 с лишним лет, после того как были открыты другие галактики. Этот парадокс вставал снова, теперь применительно к галактикам. Его можно было сформулировать так: если все пространство в бесконечной Вселенной заполнено галактиками и число галактик бесконечное, то весь небосвод должен иметь яркость, типичную для галактик, так как каждый луч зрения, проведенный в любом направлении, обязательно должен натолкнуться на какую-либо галактику; таким образом, каждая точка неба посылает нам луч от какой-нибудь далекой галактики, поэтому яркость неба должна быть типичной для внегалактического объекта, например такой, как у туманности Андромеды. Однако яркость неба оказывается значительно меньшей, примерно в 40 раз.

Фотографирование спектров далеких галактик с помощью спектрографов принесло неожиданные и странные результаты. Оказалось, что знакомые и легко отождествляемые в спектрах линии, например атомарного водорода, ионизированного кальция и других атомов, находятся не на своих местах, а смещены к красному концу спектра. Красное смещение наблюдалось у всех галактик, только у одних оно было больше, у других меньше. У звезд и других объектов нашей Галактики его не было.

Наиболее вероятным объяснением красного смещения в спектрах считают эффект Доплера, возникающий при движении источника света в сторону от наблюдателя. В нашем случае он мог возникнуть при движении галактик прочь от Земли. При этом происходит как бы "растягивание" излучаемых длин волн, т. е. смещение их к красному концу спектра, пропорциональное скорости удаления. Если бы источник двигался навстречу наблюдателю, то длины излучаемых волн должны были бы "укорачиваться", т. е. смещаться в сторону более коротких длин волн (фиолетовое смещение).

Если принять красное смещение спектров галактик за доплеровское, то следует признать, что все галактики удаляются от Земли, т. е. разбегаются! Скорость разбегания галактик нельзя считать скоростью их движения в пространстве. Каждая галактика почти неподвижна относительно окружающего ее пространства. Разбегание галактик является следствием расширения самого пространства с почти неподвижными (по космическим масштабам) галактиками. Скорость галактик в "своем пространстве" обычно не превышает 1000 км/с. Не следует думать, что наша Земля или даже наша Галактика являются центром такого разбегания галактик, оставаясь в неподвижной точке. В какой бы из галактик ни находился наблюдатель, ему всегда будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются. Таким образом разбегание, а точнее сказать расширение, является всеобщим свойством нашей Вселенной.

Некоторое представление о физической картине такого расширения можно получить, если представить себе надуваемый резиновый шар или лучше серию резиновых шаров, помещенных один в другом. Галактики изображаются точками на поверхности этих шаров. При надувании шаров все галактики удаляются друг от друга и это удаление видно из любой точки, т. е. из любой галактики, куда бы мы не поместили наблюдателя.

Идея о расширении Вселенной впервые была высказана и, что еще более важно, обоснована математически советским метеорологом А. А. Фридманом в 1922 г. Фридману впервые удалось решить уравнения общей теории относительности Эйнштейна в предположении однородности и изотропности Вселенной. Из его решения вытекало, что Вселенная не может быть стационарной, она должна или расширяться, или сжиматься, или пульсировать. Красное смещение подтверждает расширение Вселенной. Такую картину мира, или, как теперь часто говорят, сценарий Вселенной, назвали расширяющейся Вселенной.

Дальнейшие исследования астрофизиков показали, что чем дальше галактика, тем у нее сильнее красное смещение и, следовательно, тем с большей скоростью она от нас удаляется. Американские астрономы Э. Хаббл и М. Хьюмасон установили, что отношение скорости удаляющейся галактики V к расстоянию до нее D есть величина приблизительно постоянная, т. е. V/D = const = 1/3 ⋅ 10⁷ с^-1. Эту константу назвали постоянной Хаббла.

Свет от далеких галактик по мере их удаления становится все более и более длинноволновым. Когда излучение галактик перейдет в инфракрасную область, мы их перестанем видеть. На еще большем расстоянии излучения далеких галактик доходят до Земли уже в виде радиоволн, длины которых все больше и больше увеличиваются.

Скорость разбегающихся галактик, как уже сказано, возрастает с увеличением расстояния до них. Что же будет, когда их скорость достигнет скорости света - предельно возможной скорости движения в пространстве? Галактики станут для нас невидимыми, их излучение уже никогда не сможет дойти до Земли. Расстояние, на котором это происходит, и определяет собою доступную наблюдениям границу Вселенной, или "горизонт видимости". С помощью постоянной Хаббла определили, что граница видимой Вселенной лежит от нас на расстоянии 10 млрд. световых лет. Насколько велика эта область, трудно даже представить. В ней размещается 10¹⁰ галактик. Их совокупность называют Метагалактикой.

Хочу еще раз обратить внимание читателя на то, что граница наблюдаемой Вселенной определяется не уровнем нашей технической оснащенности, не уровнем совершенствования астрономических приборов, а конечной скоростью распространения света.

С помощью описанной модели расширяющейся Вселенной был разрешен парадокс Ольберса. Ночное небо получило "узаконенное право" оставаться темным. Со временем, по мере того как удаляющиеся галактики будут достигать "горизонта видимости" и уходить за него, ночное небо будет становиться все более темным.

Яркость наблюдаемого нами ночного неба обусловливается конечными размерами видимой Вселенной.