Глава 2 Пространство, време и история на Вселената

Това, което наричаме Вселена (цялото наблюдавано пространство и съдържащата се в него материя), се разширява през последните 15 или 20 млрд години от свръхплътно и свръхгорещо (сингулярно) състояние. Съвременната Вселена се състои от сгъстявания на веществото, наречени звезди, а струпванията на милиарди звезди образуват галактики, които на свой ред се групират в струпвания на галактики. Около нашата звезда – Слънцето – обикалят планети – сгъстявания от газ и твърдо вещество, които за разлика от звездите светят не за сметка на термоядрени реакции, а с отразена светлина. Освен звездите, образуващи галактики, и планетите, които обикалят около много звезди, подобни на Слънцето, във Вселената се намира и дифузно вещество – газ и прахообразни частици, разсеяни в галактиките и даже в междугалактичното пространство.

До изобретяването на телескопа в 1609 год. астрономите са можели да фиксират положението на звездите на небето с точност около една ъглова минута, т.е. 1/60 от градуса – под такъв ъгъл се вижда десетстотинкова монета от разстояние 60 м. При така ограничената точност на измерването на ъгли те са можели да измерят паралакса на най-близките звезди само ако изменението на тяхното положение на небето превишава една ъглова минута. Колкото е по-голямо разстоянието, толкова по-малко е ъгловото отместване, затова преди изобретяване на телескопа астрономите са можели да определят паралакса само на достатъчно близки звезди, за които той е по-голям от една минута. От тригонометрията следва, че при това разстоянието до звездите не трябва да превишава разстоянието Земя-Слънце (1 астрономическа единица) повече от 3600 пъти.

За съжаление, най-близката звезда, алфа Кентавър, се намира от нас на разстояние, превишаващо 260000 пъти разстоянието Земя-Слънце, т.е. 60 пъти се превишава онова разстояние, което дава паралакс около 1 минута. Затова се е стигнало до построяване на мощни телескопи и специални измерителни прибори към тях в първата половина на 19 век, преди да се удаде да се измерят паралаксите на най-близките звезди.

За описване на огромните разстояния до звездите се наложило да се въведат нови измерителни единици, за да се избегне използването на обемисти числа. Средното разстояние от Земята до Слънцето е около 150 млн. км, което е фантастично за земните мащаби. Ако умножим това число с 260000, ще получим разстоянието до алфа Кентавър, равно на 40 трилиона км. Ясно е, че е нужна нова измерителна единица при обсъждане на междузвездните разстояния.

Поради важността на ефекта на паралакса за измерване на разстоянието до близките звезди, астрономите въвели единица за разстояние, наречена парсек. Един парсек е равен на разстоянието до звезда, годишният паралакс на която е 1 секунда (думата парсек се образува от думите паралакс и секунда). Един парсек (пс) е равен на 206265 астрономически единици, или 30 трилиона км. Даже светлината, движейки се със скорост 300000км/сек ще измине разстоянието от 1 парсек за 3,26 години. Астрономите измерват разстоянията почти винаги в пс, кпс, Мпс. Тъй като паралакса намалява с увеличаване на разстоянието се налага да измелваме все по-малки паралакси за все по-далечни звезди. Днес не сме в състояние да измерим паралактичното отместване на звезди, ако то е по-малко от 1/30 секунди, тъй като земната атмосфера размива образа на звездите на фотоплаките, на които се провеждат измерванията. Затова за звезди, отдалечени на повече от 30 пс, се използва друг (косвен) метод. Той е основан на важния физически факт: наблюдаемата яркост на източник на светлина намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието.

Методът се състои в съпоставяне на видимия блясък на звездите. Така, ако ние знаем, че абсолютния блясък (или светимост) на две звезди е еднакъв, може да се заключи, че звездата, която изглежда 100 пъти по-слаба от другата, се намира 10 пъти по-далеч. Трудността се състои в това, че истинският блясък (светимост) на звездите е различен, но благодарение на дългогодишните подробни изследвания астрономите са преодоляли тази трудност и се научили да разпознавват звездите с еднаква светимост, независимо от техните разстояния.

Светлината – това са електромагнитни вълни, излъчвани на порции(кванти), носещи определена енергия, затова светлината може да се разглежда като поток от частици – фотони, които нямат маса на покой. Честотата на електромагнитните вълни е пропорционална на енергията, дължината на вълната е обратно пропорционална на честотата. Излъчването може да се характеризира чрез енергията, честотата или дължината на вълната, тъй като ако една от тези величини е известна, другите две могат да се изчислят. Нашите очи възприемат енергията на фотона като цвят. Фотоните на видимата светлина с голяма енергия и честота предизвикват усещане за син цвят, а фотоните с малка енергия и честота – за червен цвят.

Интересен ефект възниква, когато фотоните преминават през среда от атоми, например във външните слоеве на звездите. Само някои фотони, имащи определена енергия, взаимодействат с атомите. Фотоните, непритежаващи определената енергия за преход на електрон на по-висока орбита, въобще не взаимодействат с атомите. Фотоните с подходящите енергии прехвърлят електрони на по-високи орбити, при което самите те се поглъщат. Така атомите действат на светлинното излъчване като филтър, тъй като те поглъщат фотоните с определени честоти (енергии), а на останалите фотони не реагират. Разните видове атоми (разните хим. елементи) действат като различни филтри.

Десетилетия наблюдения научили астрономите да разпознават различните видове атоми (или молекули, състоящи се от комбинация от атоми) по „автографите”, оставяни от тях в процесите на поглъщане. Разлагайки лъча светлина в спектър, астрономите могат да кажат явява ли се неговият източник звезда, химическият състав на която е близък примерно към състава на Слънцето. При достатъчно подробен анализ на количеството фотони с различни енергии, т.е. по спектъра на звездата може да се съди не само за съдържанието на един или друг елемент в звездата, но и за температурата на нейната повърхност и плътността на веществото в повърхнинните й слоеве. Цялата тази информация се извлича от анализа на поглъщането, което оказват външните слоеве на звездите на лъчението, постъпващо от нейните недра.

Изучавайки спектрите на звездите, астрономите се научиха да определят подобните една на друга звезди по съдържанието на хим. елементи, повърхностни температури и плътности на веществото. Следващата крачка, основана на многобройни наблюдения и дълги размишления се състои в това да се приеме, че ако на две звезди са еднакви повърхностните температури, плътността в повърхностните слоеве и относителното съдържание на хим. елементи, може да се смята че почти съвпадат и другите физически характеристики. В частност, може да се предполага че тяхната светимост е еднаква. А ако сме достатъчно уверени, че светимостта на две звезди е еднаква, можем да съпоставим видимият им блясък и да направим извод за съотношенията на разстоянията до тях.

Този метод, пригоден за някои звезди, може с някои изменения да се приложи и за цели галактики.

В началото на 20 век астрономите открили у цефеидите връзка между абсолютния им блясък и периода на неговото изменение: колкото е по-глям абсолютния блясък, толкова е по-голям периода на неговото изменение. След установяването на този факт става възможно цефеидите да се използват като индикатори на разстоянията до галактиките, в които могат да се индентифицират тези звезди по характерното им изменение на блясъка.

Тъй като най-близката цефеида в нашата галактика е отдалечена от нас на повече от 200 пс, не може да се определи разстоянието до който и да е цефеид чрез метода на тригонометричния паралакс. Затова астрономите дълго чакали, преди да им се удаде да оценят разстоянието до цефеидите и да определят тяхната светимост. Методът за определяне на разстоянието се заключава в подробно изучаване на собственото движение на звездата в пространството; такива наблюдения се водят дълги години и позволяват само приблизително да се оцени разстоянието до звездите. Но за сравняване на разстояния трябва да знаем само това, че колкото е по-голям периода на цефеидата, толкова по-голяма е нейната светимост, и че цефеиди с еднакви периоди на изменение на блясъка имат еднакви светимости.

В 1923 г. американският астроном Едвин Хъбл в резултат на продължителни наблюдения на галактиката в съзвездието Андромеда открил, че тази близко разположена звездна система съдържа няколко цефеида. Хъбл веднага сравнил видимия блясък на тези цефеиди с блясъка на цефеиди от нашата Галактика, притежаващи същите периоди на изменение на блясъка. Така Хъбл демонстрирал, че цефеидите в галактиката на Андромеда, значи и самата галактика, се намират от нас на разстояние 600000 пс.

Галактиките се състоят от милиарди звезди, повечето от които много приличат на нашето Слънце (макар тяхната светимост да може да бъде няколко хиляди пъти по-голяма или по-малка). Повърхностната температура на звездите може да бъде няколко пъти по-голяма или по-малка, отколкото на Слънцето, но размерите, потока енергия и химическия състав на повечето звезди в галактиките най-общо са близки едни до други. Затова спектъра на излъчване на галактиките като цяло, който представлява сумарният поток на излъчване на милиарди звезди, може да се изследва така, както излъчването на отделна звезда. Наистина, спектрите на галактиките притежават същите особености, както и спектрите на повечето звезди, например линиите на излъчване на кислорода или линиите на поглъщане на йоните на калций. В спектрите на излъчване на галактиките енергиите, при които примерно йоните на калция поглъщат фотони, не са равни на съответните енергии, измерени в лабораторни условия на Земята. Основните особености на спектрите се повтарят от галактика към галактика с изключение на това, че техните честоти леко се отличават. Оттук може да се направи извода, че движението на галактиките като цяло по отношение на нас предизвиква изменение на наблюдаемите енергии на фотоните, обусловено от ефекта на Доплер. Ако линията на поглъщане на калция се появява на по-малка честота от очакваната, значи има място червено отместване и галактиката се отдалечава от нас; ако линията на поглъщане се появява на по-високи честоти от обикновеното, имаме виолетово отместване и галактиката се приближава към нас.

Намирайки цефеиди в други галактики и оценявайки по тях разстоянията, Хъбл анализирал измерените доплерови отмествания в спектрите на най-близките галактики. Съпоставяйки тези наблюдения за движението на галактиките по направление на зрителния лъч със собствените оценки на разстоянията до галактиките, Хъбл направил следния извод: всички галактики се отдалечават от нас и колкото по-далеч е една галактика, толкова с по-голяма скорост се отдалечава. Този извод днес се нарича закон на Хъбл.

Какво значи това? Защо всички галактики се отдалечават? Отговорът на тези въпроси бил намерен бързо и произвел впечетление на експлоадираща бомба: Вселената се разширява.

Може би изглежда самоуверено да се твърди, че Вселената, т.е. всичко, което съществува, се разширява, защото всички галактики се движат от нас навън. Но ако смятаме нашите възгледи за правилни, то всеки наблюдател във всяка галактика трябва да вижда същото: галактиките се движат от наблюдателя, при това скоростта на тяхното отдалечаване расте с увеличаване на разстоянието. А ако галактиките се отдалечават от всеки наблюдател, значи цялата Вселена се разширява. Ние не знаем как изглеждат недостъпните за наблюдения области на Вселената, затова нямаме пълна увереност, че нашият възглед за Вселената е правилен като цяло. Но астрономите предпочитат хипотезата на Хъбл пред всички останали, защото другите хипотези трябва да се основават на предположението, че ние заемаме някакво избрано положение, а не се явяваме типична част на Вселената. Затова астрономите смятат, че всички галактики се отдалечават една от друга навсякъде във Вселената. Но как е възможно това? В крайна сметка ако галактиките на дадено място се отдалечават една от друга, то на някакво друго място трябва да се сближават? Не, не трябва. Ако Вселената като цяло се разширява, то всички трябва да се отдалечават една от друга. В качеството на нагледен, макар и несъвършен модел на този процес да разгледаме раздуващ се балон, точките от повърхността на който изобразяват различни галактики. При разширяване на балона всички точки се отдалечават една от друга. Ако се измери разстоянието по повърхността на балона, то скоростта на взаимно отдалечаване ще се окаже правопропорционална на разстоянието между точките. Повърхността на балона няма център на разширение и от всяка точка могат да се видят другите точки, които се отдалечават една от друга в съответствие с двумерната формулировка на закона на Хъбл: на по-голямо разстояние съответства по-голяма скорост на отдалечаване.
Първите мигове на Вселената
Тъй като веществото във Вселената се разширява, може да се направи извод, че някога то е било свито. С други думи, средната плътност на веществото в миналото е била по-голяма; ако се връщаме назад във времето, то плътността ще бъде все по-голяма и по-голяма (моделът на стационарна Вселена предполага, че с разширението в нея се ражда ново вещество, затова плътността остава неизменна във времето; този модел беше опроверган от наблюденията). Ако се продължи това мислено движение назад във времето, ще достигнем до състояние на веществото, когато плътността става безкрайно голяма. Този момент, наречен начална сингулярност, представлява началото на разширението, а за всички астрономически разглеждания и начало на Вселената. Ние не можем точно да кажем каква е била Вселената преди началото на разширението. Може би е била свита до тази колосална плътност, а може въобще да не е съществувала в известния ни вид.

Да разгледаме каква е била Вселената в първите минути след началото на разширението. При тези фантастични плътности са съществували съвършено други физически условия, отколкото сега. Не е имало нито галактики, нито звезди, нито планети, нито някакви други отделни обекти, имало е само еднородна, кипяща смес от частици, при безбройните удари между които се раждали и разрушавали всички видове частици и античастици. С по-нататъшното разширение на Вселената плътността на веществото постепенно намалявала, ударите между частиците ставали по-редки, а енергията на частиците намалявала. След половин час от началото на разширението е възникнала основната смес от частици – протони, неутрони, електрони, ядра на хелий, голям брой фотони, неутрино и антинеутрино. Последните три типа частици не притежават маса в покой, макар при своето движение със скоростта на светлината да пренасят енергия.

В ранния стадий от съществуването на Вселената в резултат на анихилацията на частиците с античастиците останали, доколкото можем да съдим, основно протони, неутрони, ядра на хелий и електрони, а също и непритежаващите маса на покой фотони, неутрино и антинеутрино. Но свободните неутрони, невлизащи в състава на хелиевите ядра, скоро се разпаднали и се превърнали в други частици. В резултат се образували нови протони, електрони и антинеутрино. Трябвали само няколко дни, за да изчезнат всички неутрони, невлизащи в хелиевите ядра. След това 75% от масата на Вселената се сътояла от протони и 25% от хелиеви ядра. Масата на електроните съставлява само 0,05% от общата маса на веществото, тъй като масата на електрона е 1836 пъти по-малка от масата на протона.

Оказва се – не. В суматохата на първите минути времето за образуване на ядра било много малко, тъй като плътността на веществото намалявала така бързо, че успели да се образуват само незначителен брой тежки ядра. Разчетите на еволюцията на Вселената показват, че в значителни количества се образували само протони, деутрони (ядра на изотопа на водорода деутерий, състоящи се от протон и неутрон), ядра на хелий-3 (2 протона и 1 неутрон) и хелий-4 (2 протона и 2 неутрона). Съдържанието на по-тежки ядра съставлявало 1/5000 % от броя на протоните.

За да обясним, откъде все пак се взеха тежките ядра, трябва да обърнем поглед към звездите. Със стареенето на звездите ядрата на водорода и хелия се превръщат в ядра на все по-тежки елементи. Някои звезди в края на своя живот избухват, разпръсквайки тежките ядра в своята галактика. Родените впоследствие звезди и планети, които се образуват заедно с тях, могат да захванат някакво количество от това преработено в звездите вещество. Затова 1% от масата на Слънцето съдържа по-тежки ядра от хелия; Земята също е получила своята част тежки елементи. Накратко казано, „звездите умират, за да живеем ние”, тъй като нашите тела и средата, която обитаваме се състоят главно от елементи, които са възникнали не в първите минути след Големия взрив, а в резултат на избухвания на многобройни отдавна изгаснали звезди.
Реликтово излъчване
Най-разпространените частици във Вселената от първите минути след Големия взрив са фотоните. На всеки протон във Вселената се падат 100 млн фотона; но нас повече ни интересува веществото, а не излъчването, затова за лъчението говорим по-малко. Огромният брой фотони е възникнал в първия половин час след Големия взрив в резултат на анихилацията на частици и античастици, основно електрони и позитрони. С разширяването на Вселената фотоните, възникнали в първия половин час, продължили да пътешестват в космическото пространство със скоростта на светлината. Ако продължим нашата аналогия на Вселената с раздуващ се балон (сфера), можем да си представим, че фотоните са се появили навсякъде по повърхността на сферата, когато тя все още е била относително неголяма. Фотоните , които достигат произволен наблюдател в произволен момент от време, са изпуснати от източник (някаква друга част на вселената), отдалечаващ се от наблюдателя в резултат на разширението на Вселената.

Тъй като Вселената се разширява, всеки наблюдател ще забележи, че го достигат фотони с все по-малки енергии. Всички първични фотони са се появили по едно и също време, в първия половин час след Големия взрив. В резултат на разширението на Вселената в продължение на 15 – 20 млрд. Години тези фотони са претърпели силно червено отместване. Затова фотони от онази далечна епоха, които сега регистрираме, притежават значително по-малки енергии, отколкото в момента на своето раждане.

Астрофизикът Джордж Гамов първи осъзнал какво трябва да се случи с фотоните с високи енергии, възникващи скоро след Големия взрив. Той предсказал, че цялата Вселена трябва да е запълнена от море с фотони със сравнително низки енергии, подложени на силно червено отместване – реликтов остатък от първите 30 мин. от еволюцията на Вселената. 10 години след предсказанието на Гамов е открито море от фоново излъчване, обкръжаващо нашата Земя през цялата й история. Откриването на това реликтово излъчване и последващото го потвърждение са най-прякото доказателство за това, че теорията на разширяващата се Вселена има солидни основи.

Реликтовото микровълново излъчване ни напомня, че се намираме във вътрешността на непрекъснато разширяваща се Вселена, , нямаща какъвто и да било център на разширение. Откъде идват фотоните? От всички посоки, при това в равни количества от всяка посока, демонстрирайки, че вселената в началния етап е имала навсякъде еднаква плътност на веществото и е генерирала еднакво количество фотони. Така Вселената в началния етап е била еднородна. Тях ги е родила ранната Вселена. А защо фотоните се характеризират с такова сирно червено отместване? Защото тази забравена ранна Вселена се е разширявала във всички посоки с огромна скорост. Ако си представим, че се намираме на повърхността на разширяваща се сфера, то фотоните, възникнали по-рано, ще идват към нас по повърхността от всички посоки, но от все по-отдалечени области, което значи с все по-голямо червено отместване. Колкото е по-голямо разстоянието между 2 обекта на повърхността на сферата, толкова по-голяма е относителната скорост на отдалечаването им един от друг.

Днес не можем да кажем, крайни или безкрайни са размерите на нашата Вселена,т.е. цялото пространство заедно с намиращите се в него обекти, и крайно или безкрайно количество вещество в нея. Този проблем е тясно свързан с друг, а именно, ще се разширява ли Вселената вечно. Очевидно следващите поколения астрономи ще могат да решат тези два проблема.

Какъв е смисълът на твърдението, че нашата Вселена е крайна? Може ли тя да има граници? Разбира се, не: всякакви граници и всичко, което се намира извън тях, влиза във Вселената. В крайната Вселена пространството е изкривено по такъв начин, че всички „прави” линии се връщат обратно в точките, от които са почнали, след изминаване на много голямо, но все пак крайно разстояние (такава кривина се нарича положителна). Полетът на ракета по „праволинейна” траектория в крайната Вселена ще я доведе до точката, откъдето е стартирала. Повърхността на Земята може да се разглежда като нагледен, макар и много приближен модел на крайната Вселена. Днес всички знаем, че живеем на сфероид и че пътешествайки по земята, се движим по изкривената повърхност на този сфероид. Ако пътешестваме достатъчно дълго, ще се върнем в отправната точка. Повърхността на Земята има само 2 измерения: на север (или на юг), на изток (или на запад). Пътешествие в трето измерение, нагоре или надолу, ще ни извади от тази повърхност, което затруднява сравнението на повърхността на земята с Вселената като цяло. Ако пространството е изкривено, това не е просто кривина на двумерна сферична повърхност: пространството е изкривено във всички посоки. Нямаме възможност физически или мислено да се отделим от някаква част от пространството във Вселената, както можем да се отделим от изолирана сфера, подобна на Земята, за да я огледаме. Затова е трудно интуитивно да си представим кривината на тримерното пространство. Но ние знаем, че пространството е изкривено, и неговата кривина може да се измери.

Да предположим, че ние самите сме двумерни същества и живеем на повърхността на гладка сфера. Ако възникне въпрос за кринината на пространството, бихме казали: „Не разбираме как пространството може да се затвори от само себе си”, защото не бихме могли да сме сигурни, че двумерното пространство (единственото достъпно за нас) притежава кривина. Но ние бихме могли да го открием: ако сме започнали да се движим по големия кръг без да изменяме посоката, то бихме се върнали и бихме разбрали, че е станало нещо странно, макар да не би ни било ясно как сме успели да се върнем в същата точка. Така въпреки цялата неразбираемост, факта за кривината щеше да стане известен.

Ако ви е трудно да си представите крайна Вселена, да разгледаме другата възможност – безкрайна Вселена. Представете си пространство без край, изцяло безгранично, запълнено с безброй много звезди, галактики, планети, атоми и елементарни частици. Да видим какво може да съдържа безкрайната Вселена. При безкраен набор от ситуации няма нищо невъзможно, може да протече всякакво събитие, и то не един, а безброй пъти. Другите форми на живот биха могли да дублират нашата, както и всякакви други във всевъзможни варианти, при това всяка отделна възможност би се повторила безброй пъти.

Ако ние търсим други форми на живот, можем да сме уверени, че в безкрайната в пространството и времето Вселена не просто съществува живот, а има безкрайно разнообразие от форми на живот, всякакви възможни негови форми и видове. Крайната Вселена може да изглежда по-малко интересна, но тъй като е известно, че тя съдържа най-малко 100 млрд. Галактики с милиарди звезди във всяка, то и в крайната Вселена остава огромно разнообразие от възможности.

Три милиона години еволюция на човека на Земята ни доведоха до разбирането на нашето положение във Вселената. Стоим на прага да открием какъв ще е по-нататъшния ход на историята на Вселената, 7000 пъти по-продължителен, отколкото периода на еволюция на човека на Земята; ще започне ли в края на краищата свиване или разширението ще бъде безкрайно. В един прекрасен ден с помощта на големи телескопи, изведени на орбита извън границите на неспокойната атмосфера на Земята, най-накрая ще изясним крайна или безкрайна е Вселената и ще се разширява ли вечно, измервайки разстоянията и видимия блясък на най-далечните галактики, достъпни за наблюдения, които е невъзможно да се наблюдават от Земята поради земната атмосфера.
Разширението на Вселената в бъдеще

Когато хората разбрали, че Вселената като цяло се разширява, незабавно възникнали 2 въпроса: как това разширение влияе на нас и ще продължава ли то вечно? Вече давахме отговор на първия въпрос, когато говорихме за историята на Вселената, в първите минути от съществуването на която се е образувала основната смес от частици, наблюдаващи се и досега. После са се образували галактиките и звездите. Някои от звездите избухвали, разсейвайки тежки ядра, в това число и необходимите за живота, по галактики, подобни на нашата. Макар съдържанието на тежки ядра да не превишава 1% от ядрата на водорода и хелия, много от тях са абсолютно необходими за живота.

Следователно, може уверено да се твърди, че за появата на живота са били необходими както ранния стадий от еволюцията на Вселената, когато са се образували водород, хелий и електрони, така и избухването на звездите в следващия период.

Между впрочем нашата околност не се разширява със същата скорост, както Вселената. Математическите разчети показват, че разширението на Вселената по закона на Хъбл се проявява само за големите характерни разстояния, такиво като разстоянията между куповете от галактики. По-малките обекти: хората, Земята, Слънчевата система и даже нашата Галактика не изпитват забележимо разширение. Ние ще можем да определим, крайна или безкрайна е вселената, ако установим ще се разширява ли вечно. Космологическите разчети, основани на теорията на относителността, дават ключа към този проблем: ако Вселената е безкрайна, ще се разширява вечно. Ако Вселената е крайна – нейното разширение някога ще се прекрати и ще се смени със свиване.

Въпросът за това, какво очаква Вселената в бъдеще – вечно разширение или и свиване, заместващо разширението – това е един от най-важните въпроси пред съвременните астрономи. Важността на тази загадка следва от факта, че ако Вселената някога започне да се свива, това ще бъде предизвикано от силна гравитация. Гравитационните сили, както е известно, крият единствената възможност да спрат разширението на Вселената, което е почнало от раждането й и продължава и досега. Всяка част от веществото във Вселената привлича всяка друга част с помощта на гравитационните сили, и това взаимно привличане се стреми постоянно да преодолее тенденцията към разширение. В резултат разширението се забавя: времето, за което разстоянието между куповете галактики се удвоява, постепенно нараства. Но ще се прекрати ли някога нарастването и ще започне ли намаляване на тези разстояния?

Ще се смени ли някога разширението със свиване зависи от големината на силата на гравитация в сравнение с началната скорост, която са придобили всички части наа Вселената след Големия взрив. Има два пътя за решаване на въпроса ще се прекрати ли разширението на Вселената. Първият, по-пряк път, се състои в определяне на средната плътност на веществото във Вселената. Ако тази плътност превишава в днешно време някаква критическа стойност (близка към 10 на степен 29 грама/куб.см), разширението в крайна сметка ще се смени със свиване. От друга страна, ако съвременната средна плътност е по-малка от критичната, Вселената ще се разширява вечно. Вторият подход към «предсказване на бъдещето» се заключава в обръщане към миналото в опит да се погледне в пространството колкото може по-далеч. Тъй като светлината се разпространява с крайна скорост (300000 км/сек), наблюдаването на все по-отдалечени обекти ни води все по-далеч в миналото към момента на раждане на фотоните. Такъв поглед в миналото ни позволява днес да съдим за това, че са минали милиарди години, ако виждаме обекти, отдалечени от нас на милиарди светлинни години. Ако ни се удаде да определим скоростта на разширение на Вселената в миналото и сега, може да екстраполираме тези резултати и да установим ще намалее ли скоростта на разширение някога до нула. За целта е необходимо да се измерят разстоянията до далечни купове от галактики и скоростта им на отдалечаване от нас. Двете величини, измерени за различни разстояния (т.е. за различни моменти от време в миналото), могат да кажат, ще се разширява ли Вселената вечно или не.

Двата споменати метода за решаване на въпроса за разширението на Вселената в бъдеще засега дават някои противоречиви резултата. Когато се опитваме да определим средната плътностна веществото във Вселената, можем да локализираме тези обекти, които излъчват във видимата област и радиодиапазона. Ако тези известни ни обекти – звезди в галактики и купове галактики – съдържат в себе си голямата част от веществото във Вселената, то тя е обречена на вечно разширение, тъй като средната плътност на излъчващото вещество е по-малка от критичната стойност около 20 пъти. От друга страна, вторият метод, заключаващ се в опита да погледнемколкото се може по-далеч в миналото, свидетелства, че количеството вещество във Вселената е достатъчно за обръщане на процеса на разширение. Но този метод не трябва да се смята за достатъчно надежден, тъй като той изисква много точно определяне на разстоянията до далечните купове от галактики. Най-добрите, известни ни сега резултати показват, че средната плътност не превишава критическата, но няколко пъти превишава стойността, определена от наблюденията само на звезди в галактиките.

Друго указание за низката средна плътност на веществото във Вселената следва от измерването на съдържанието на ядра на деутерия. Всяко ядро на деутерия се състои от протон и неутрон. Това е рядък изотоп на най-разпространения елемент – водорода. Разчетите показват, че днешната разпространеност на деутерия трябва съществено да зависи от средната плътност на Вселената, която определя колко ядря на деутерия са възникнали в първите минути след Големия взрив. Ако изходим от тези разчети, то наблюдаваната разпространеност на деутериевите ядра свидетелства, че средната плътност на веществото е значително по-ниска от стойноста, която ще доведе до свиване на Вселената в далечно бъдеще.

От друга страна, ако нашите разчети или измерването на разпространението на деутерия се окажат неверни, то средната плътност на Вселената ще е достатъчна за свиване. В този случай се налага извода, че голяма част от веществото във Вселената не излъчва, за разлика от звездите. Такова неизлъчващо вещество може да съществува във вид на дифузни газови облаци, прекалено слаби звезди или черни дупки.

Изводи
От астрономическите наблюдения и техния логичен анализ може да се заключи, че Вселената като цяло се разширява в продължение на 15 – 20 млрд. години от сингу- лярно състояние. Почти всички се отдалечават от нас със скорости, които растат пропорционално на разстоянията до галактиките. Следователно, цялата Вселена се разширява и ние можем да определим, макар и приблизително, нейната възраст от това разширение.

Необичайно високите плътности и температури в първите минути от разширението и огромният брой стълкновения на частици с високи енергии обезпечили раждането на всички видове елементарни частици. Половин час след Големия взрив се е образувала основната смес от елементарни частици, която съществува и досега. В този половин час се е образувал огромен брой фотони, тъй като много от реакциите между частиците се съпровождат с раждане на фотони. От гледна точка на наблюдателя тези фотони постоянно губели енергия в резултат на червеното отместване, предизвикано от разширението на Вселената; сега те образуват реликтовото излъчване, запълващо цялата Вселена.

За да се определи, ще спре ли разширението на Вселената, трябва да се проникне колкото е възможно по-далеч в миналото, наблюдавайки все по-далечни галактики. От тези наблюдения може да се изведе, как се е изменяло с времето съотношението между разстоянията до галактиките и скоростите на тяхното отдалечаване и как ще протича в бъдеще разширението на Вселената. Освен това, измерването на средната плътност на веществото във Вселената ще ни покаже дали разширението на Вселената ще се смени със свиването й. Ако средната плътност надвишава някаква критична стойност, то Вселената в крайна сметка ще започне да се свива. Към днешно време както определянето на средната плътност на веществото, така и наблюдението на далечните галактики остават твърде неопределени, за да отговорим на въпроса ще се смени ли разширението със свиване. По същия начин тези наблюдения все още не дават отговор на въпроса крайна или безкрайна е Вселената.

Г лава 3
Галактики

Галактиките, всяка от които се състои от много милиони звезди, представляват основният тип видими обекти извън границите на нашия Млечен път, гигантска спирална галактика, съдържаща по съвременни данни около 400 млрд. звезди. В границите на няколко милиарда парсека около нашата Галактика, т.е. в областта на наблюдаваната Вселена, се намират милиарди отделни галактики, обикновено групирани в купове и образували се от някога безструктурна почти еднородна среда. В нашите търсения на живот във Вселената възрастта на галактиките и образуващите ги звезди има първостепенно значение, защото за развитието на живот е необходимо време и повече или по-малко стабилни условия по време на еволюцията.

Така, когато изучаваме образуването и еволюцията на галактиките, трябва щателно да анализираме различните типове галактики и влизащите в тях звезди, за да изберем местата, където може да се търси живот. Макар най-близките до нас цивилизации (както се надяваме) да се намират в границите на Млечния път, не трябва да забравяме, че нашата Галактика е само една песъчинка в почти неизучения океан, който наричаме Вселена. За да оценим правилно вероятността от живот във Вселената, следва да разгледаме съотношенията между различните типове галактики и различните типове звезди в тях, за да решим колко типична е нашата Галактика. Точно по същия начин трябва щателно да изучим съседните планети, за да решим колко типична планета се явява Земята.
Спирални галактики
Слънчевата система се намира в периферията на Млечния път , гигантска спирална система, състояща се от звезди, газ и прах. Слънцето е разположено близо до плоскостта на симетрия на Галактиката, но далеч от галактическия център – ние живеем в периферията на Галактиката.

През последното столетие астрономите наблюдаваха видимото излъчване на галактиките и анализираха техните спектри. Последните десетилетия те наблюдават във всички области на електромагнитното излъчване, включително радиовълни, инфрачервено и ултравиолетово излъчване, рентгеново и гама излъчване. Новите наблюдения водят до нови открития, примерно в рентгеновия диапазон ние можем да погледнем по-надълбоко вътре в галактиките, което позволява по-добре да се разбере строежа и еволюцията на галактиките.

Общата структура на спиралните галактики, към които се отнася и нашата Галактика, притежава две удивителни особености. Първата, по форма наподобяват малка чиния, тъй като дебелината им не превишава 1% от диаметъра. Втората, веществото в спиралните галактики очевидно е съсредоточено преимуществено в спиралните ръкави. Но това преобладаване на вещество в ръкавите изглежда донякъде преувеличено в сравнение с фактическото положение. В спиралните ръкави се намират най-ярките и най-младите звезди, които са започнали да светят не много отдавна – няколко десетки милиони години назад. Но тези най-ярки звезди са изцяло непригодни за развитие на живот, защото те изгарят за много по-кратко време, отколкото се иска за развитие на живот на някоя от планетите, които могат да обикалят около тях. По-старите звезди в спиралната галактика, подобни на нашето Слънце, се разполагат както в ръкавите, така и между тях, създавайки доволно равномерно разпределение на звездите по диска.

Защо най-младите звезди се появяват само в спиралните ръкави на галактиките? Тези галактики имат спирални ръкави благодарение на вълновата структура ( вълни на плътността) , съществуваща около техните центрове. Вълновата структура се състои от редуващи се области с висока (ръкавите) и низка плътност (областите между ръкавите). Този въртящ се спирален модел (узор), в който плътността в ръкавите е малко по-голяма , отколкото в пространството между тях, напомня на гребен (рябь) на повърхността на водата, наистина, мястото на водата се заема от звезди и дифузен междузвезден газ. Другата разлика е в това, че вълните на водата се разбягват на всички страни от източника на смущението, а вълните на плътността в галактиката извършват много обороти около центъра на Галактиката. Макар плътността на веществото незначително да превишава плътността между ръкавите, този неголям излишък оказва съществено влияние на облака газ в плоскостта на галактиката. Увеличението на плътността в ръкавите означава, че нараства средното налягане на облака газ, намиращ се в междузвездното пространство. Когато газовия облак влиза в по-плътна част на спиралния ръкав, вследствие на внезапното повишение на налягането облакът се дели на по-малки сгъстявания на веществото, които могат да кондензират в звезди. В резултат на този процес вътре в спиралните ръкави се раждат звезди, така че ръкавът представлява гигантски космически инкубатор, в който младите звезди се разполагат близо до предната граница на ръкавите. Звездите е облака газ, от който се образуват, се въртят около центъра на спиралната галактика подобно на въртенето на планетите около Слънцето в нашата Слънчева система. Орбитата на всяка звезда е резултат от равновесието между притеглянето от страна на веществото, разположено по-близо към центъра на галактиката, и импулса на звездата, т.е. стремежа й да се движи в пространството по инерция, праволинейно. Повечето звезди в спиралните галактики се движат по почти кръгови орбити около галактическия център, подобно на нашето Слънце, което обикаля около центъра на нашата Галактика.

Друг основен тип галактики са елиптичните. При тях няма плосък диск, състоящ се от звезди: разпределението на звездите в тях има почти сфероидална конфигурация, а понякога има формата на елипсоид. За разлика от спиралните, елиптичните много си приличат. Те са почти толкова многочислени, както и спиралните, и гигантска елиптична галактика може да съдържа толкова звезди, колкото най-голямата спирална галактика, че и повече. Елиптичните и спиралните галактики се отличават не само по строежа, но и по количеството междузвезден газ и прах. Междузвездният газ, главно атоми и молекули на водорода, представлява остатък от първичното вещество, от което са кондензирали звездите, непрекъснато обогатяващ се с вещество, изхвърлено при избухване на звездите. В елиптичните галактики образуването на звезди изглежда завършено, тъй като тези галактики не съдържат междузвезден газ. В тях няма и млади звезди, съвременници на младите звезди в спиралните галактики. В спиралните галактики 5 или 10% от цялата им маса се дължи на облака от междузвезден газ и даже сега в тях се раждат (или току що са се родили) звезди от междузвезден газ в спиралните ръкави, подобни на ръкавите на нашата Галактика.

Галактики в стадий на образуването си се наричат протогалактики (приставката „прото” означава първичност, първооснова). Те се раждат при свиване на огромни облаци от газ и прах. Ние не знаем как е започнала кондензацията на облаците в протогалактиките, но знаем, че ако се появи кондензация, те ще почнат да се свиват под действие на гравитационните сили. Със свиването протогалактиката може да придобие забележимо въртеливо движение, което заставя всяка нейна част да се върти около центъра на свиването. По такъв начин, вместо да се свият в едно централно сгъстяване, отделните части на протогалактиката стават звездни купове и звезди, въртящи се около галактическия център. Сгъстяванията, които са се оформили в ранния етап на свиването, придобиват по-изтеглени орбити, а по-късните сгъстявания, появили се при по-нататъшното свиване на протогалактиката, имат почти кръгови орбити.

В границите на плоския диск на спирална галактика, обкръжен от мрежа от сферични купове, се срещат друг тип звездни купове – разсеяни купове. Техните размери са близки до размерите на сферичните купове (диаметър от няколко парсека), но те съдържат стотици или в най-добрия случай хиляди звезди в сравнение със стотици хиляди звезди в сферичните купове. Както може да се съди по разположението им, разсеяните купове са се образували след свиването на галактиката и придобиването от нея на форма на диск (Елиптичните галактики не съдържат разсеяни купове, макар около тях да има много сферични купове). Разсеяните купове не се съхраняват през цялото време на живот на галактиката (12 млрд години в случая на нашата галактика). За разлика от сферичните купове, масата на които е достатъчна, за да се съхранят във вид на отделни образования много милиарди години, разсеяните купове съдържат прекалено малко звезди, за да остават компактни образования през целия живот на галактиката. След десетки галактически оборота, всеки с продължителност няколкостотин милиона години, звездите от разсеяния куп се смесват с другите звезди от диска на галактиката. Например, нашето Слънце, вероятно, се е образувало заедно с няколкостотин други звезди, съставлявали преди 4,6 млрд години неплътна асоциация, но днес ние не знаем за сегашното местонахождение на „братята” и „сестрите” на Слънцето; очевидно сега те са много по-далеч от нас, отколкото нашите най-близки звездни съседи.

Типичен разсеян куп, който може да се наблюдава в днешно време, такъв като Плеяди, „ще преживее” десетки милиони години и още ще съдържа остатъци от газ и прах, от които кондензират отделните звезди. Тъй като ние предполагаме, че за възникването и развитието на живот са нужни няколкостотин милиона или даже няколко милиарда години, младите разсеяни звездни купове, очевидно, не представляват интерес за търсене на живот. Всички звезди в Плеяди, по мнение на астрономите, са прекалено млади, за да възникне живот на някоя планета, обикаляща около тези звезди. Нашите надежди са свързани не с младите и ярки членове на звездното население, а с по-„спокойните” и по-стари звезди, които са разпространени в галактики, подобни на нашата.
Радиогалактики
Сред милионите галактики, достъпни за нашите телескопи, са открити няколко необикновени, излъчващи мощни потоци радиовълни. Тъй като звездите излъчват само малка част от своята термоядрена енергия във вид на радиовълни, и тъй като галактиките се състоят главно от звезди, ние очевидно имаме работа с необикновени галактики. Астрономите нарекли радиогалактики такива обекти, които изпускат за единица време енергия във вид на радиовълни, която е сравнима със светлинната енергия от тях. За сравнение, Млечният път, типична гигантска спирална галактика, излъчва за единица време милиони пъти по-малко енергия във вид на радиовълни, отколкото във вид на светлина.

Очевидно, огромните потоци радиоизлъчване са обусловени от бурни процеси, произхождащи от вътрешността на радиогалактиките. Подробното изследване на излъчването на тези галактики довело до извода, че радиовълните в повечето радиогалактики се генерира чрез синхротронен процес. Името, заимствано от областта на ускорителите на елементарни частици, където учените най-напред са изучили този процес, показва, че заредени частици, движещи се със скорост, близка до скоростта на светлината, в магнитно поле, излъчват при изменение на скоростта или посоката на движение, или едното и другото заедно. Излъчването намалява енергията на заредените частици. Ако отвън не се добавя енергия, скоростта на частиците бързо пада и синхротронното излъчване се прекратява. От факта, че в радиогалактиките протича този процес, може да се заключи, че те съдържат много заредени частици (преди всичко електрони), които се движат със скорости, близки до скоростта на светлината, в магнитно поле. Следователно, някакви смущения вътре в радиогалактиките ускоряват частиците до колосални скорости, макар и да не знаем природата на тези смущения.

Когато детайлно се изучава излъчването на радиогалактиките, обикновено се оказва, че то произлиза от обширни области, разположени далеч от центъра на галактиката, а често и даже извън границите на видимите й очертания. Най-разпространената теория за радиогалактиките предполага, че ускорението на частиците възниква в центровете на такива галактики. Някои необикновени галактики изхвърлят бързите частици в противоположни посоки. Този факт, че максимумът на синхротронното радиоизлъчване често се наблюдава до външните граници на радиооблаците, е обусловен от стълкновенията на частиците с междугалактическия газ. За бързите частици постепенно става все по-трудно да проникват през газа, тяхното движение се забавя в резултат на „ефекта на булдозера”, затова частиците се натрупват близо до външните очертания на облака.
Квазари


Квазарите, или квазизвездни радиоизточници, станаха астрономическа сензация през 1963 г., за пореден път опровергавайки някои предположения, че можем да обясним всичко, което виждаме на небето. Квазарите могат да бъдат или най-отдалечените от известните ни обекти, или спътници по-скоро на обикновени галактики и тогава тяхното излъчване не може да се обясни с известните механизми. Ще разгледаме отначало свойствата на квазарите, а след това данните, свидетелстващи в полза на всяка от двете хипотези за разстоянията до тях. С натрупване на данни от наблюденията повечето астрономи стигнаха до извода, че квазарите са по-далеч от нас отколкото другите обекти, достъпни за наблюдения. Но неголяма част от астрономите твърдят, че най-убедителните данни от наблюденията говорят за пространствена близост на квазарите и не много далечни галактики.

Повечето квазари интензивно излъчват радиовълни. Когато астрономите определили точно положенията на тези радиоизточници на фотографски плаки, получени във видима светлина, те забелязали звездообразни обекти. Спектрите на излъчване на тези квазизвездни изображения поразили астрономите, защото те не съдържали нито една спектрална линия, известна в спектрите на другите звезди. След временно объркване астрономът М. Шмидт бил осенен от предположението: светлината от първите два открити квазара има такова голямо червено отместване, че всичките линии в техните спектри са отместени от жълтата област в червената. Червеното отместване за тези два квазара, ако то има доплеровска природа, дава скорост на отдалечаване, представляваща 15 – 30% от скоростта на светлината.

Със закона на Хъбл астрономите изчислили, че тези скорости съответстват на разстояния 900 Мрс до единия квазар и 1,8 Гпс до другия. Такова положение съответства на най-далечните галактики, обаче тяхната видима яркост е равна на яркостта на някои крупни галактики, намиращи се 100 пъти по-близо до нас. Още по-тайнствен се явява фактът, че по своите размери квазарите явно са по-малки от галактиките: те изглеждат като точкови източници на светлина, а в същото време даже най-далечните галактики приличат на размити светещи петна.

В последните 30 години на астрономите се удаде да регистрират инфрачервено и рентгеново излъчване на квазарите; те открили, че мощността на излъчване на някои обекти в тези области на спектъра е даже по-голяма, отколкото във видимата област и радиодиапазона. Ако се сумира енергията на излъчване във всички области на спектъра, се оказва, че някои квазари генерират 100 000 пъти по-голяма енергия, отколкото гигантските галактики при условие, че нашите оценки за разстоянията до квазарите са верни. Още една загадка на квазарите е, че някои от тях изменят яркостта си с период няколко дена, седмици или години, докато при обикновените галактики не са открити такива вариации.

Никой не знае какъв е механизмът на излъчване на квазарите и защо техните мощни потоци от енергия могат да се изменят за относително кратко време. Не е изключено те да представляват ранни стадии на образуване на галактиките, тъй като гигантските разстояния до тях означават, че ние ги виждаме такива, каквито са били преди милиарди години (най-далечните от известните квазари се намират на разстояния около 12 млрд. светлинни години). Може би, в младите галактики да избухват много свръхнови звезди и на това да се дължат колосалните потоци енергия в продължение на няколко милиона години, но тава засега е само хипотеза.

Някои астрономи смятат, че потоците енергия от квазарите са значително по-малки, тъй като разстоянията до тях са силно преувеличени. Ако квазарите, да кажем, са 100 пъти по-близо до нас, отколкото си мислим, то ние завишаваме 10000 пъти тяхната светимост при изчисляване мощността на излъчване по тяхната наблюдавана яркост. Астрономите, които поддържат тази гледна точка, изхождат от факта, че квазарите често се виждат на небето до пекулярни (необичайни) галактики. Тези галактики, макар и донякъде необичайни по своята структура, имат обичайни червени отмествания, които съответстват на скорост на отдалечаване, равна на няколко процента от скоростта на светлината. А квазарите, разположени на небето близо до тях, имат червено отместване 10-20 пъти повече.

Как може да се обясни това явно противоречие? Не е ли случайно съвпадение по-далечните квазари да се виждат почти в същите посоки, както и галактиките. Статистическите оценки показват, че това е невъзможно. Но ако квазарите се намират в съседство с достатъчно близки галактики, с какво да обясним огромните червени отмествания. Единственото разумно обяснение е ефектът на Доплер, но защо ние винаги наблюдаваме само червено отместване (отдалечаване) и никога – виолетово (приближаване). И как веществото е могло да бъде изхвърлено (винаги в посока от нас) с такива огромни скорости и да се съхрани при това формата на единен обект?

Отговора гласи: това на никого не е известно. За 15 год. не се удаде да се определи нито разстоянието до квазарите, нито тяхната природа и източника на колосалната им енергия. Може би загадката на квазарите таи в себе си ключът към някаква нова област от астрофизиката, някакви нови възможности за възникване на големи червени отмествания в неизвестни ни ситуации или нови способи за генерация на гигантски енергии, ако квазарите се намират много далеч, на разстояния, съответстващи на червеното им отместване.

Веществото в днешно време вече не е разпределено равномерно в пространството, както в ранните стадии на еволюция на Вселената, а е събрано в сгъстявания, наречени звезди, които на свой ред са групирани в галактики и купове галактики. Тези сгъстявания се образували благодарение на гравитационните сили в ранния стадий на еволюция, а след това са се свили до сегашните размери, докато в същото време Вселената като цяло е продължила да се разширява.

В спиралните галактики, които съставляват около половината от всички галактики, веществото е разпределено във формата на диск, при това най-младите и ярки звезди очертават спиралните ръкави. Другият основен тип галактики - елиптичните, са далеч по-еднородни от спиралните, и очевидно в тях първичният газ и прах напълно са се превърнали в звезди. Междузвездният газ все още съставлява в спиралните галактики 5 – 10% от масата им, а в неправилните галактики без ясно изразена структура – 20 -50%.

Неголяма част от звездите образува звездни купове от два различни вида. Сферичните купове се движат по изтеглени орбити, значително по-далеч от центровете на галактиките, отколкото болшинството звезди, и представляват най-старите образования на галактиките, тъй като са възникнали първи при свиване на протогалактиката. Разсеяните купове са открити само в спирални и неправилни галактики, но не и в елиптични. Винаги се разполагат близо до плоскостта на симетрия на спиралните галактики и обикновено се състоят от члади звезди, както примирно купа Плеяди. Броят на звездите в тях не надвишава няколкостотин, докато в сферичните купове броят им достига милиони и повече.

Квазизвездните радиоизточници, или квазари, на фотоснимките имат вид на светещи точки за разлика от размитите петна, изобразяващи галактиките; освен радиоизлъчване те изпускат мощни потоци инфрачервено, видимо и рентгеново излъчване. Спектрите на видимото излъчване на квазарите се характеризира с най-голямото червено отместване от всички известни източници. Ако то е причинено от разширението на Вселената, квазарите трябва да са най-отдалечените от известните обекти и най-мощните източници на фотони. Но много квазари се наблюдават на небето в съседство с пекулярни галактики. Ако квазарите действително някак си са свързани с тези галактики, значи те са примерно 100 пъти по-близо, отколкото сме си мислели, и тяхното необикновено червено отместване представлява тайна, неразгадана още от астрофизиците.