Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Дело в том, что согласно общей теории относительности Эйнштейна должно, существовать так называемое гравитационное красное смещение. — Электромагнитное излучение в сильных гравитационных полях испытывает определенный сдвиг в сторону более длинных волн и низких частот. Этот эффект с большой точностью проверен экспериментально.

Если бы во Вселенной существовали сгущения вещества столь больших масштабов, то их тяготение должно было бы, согласно общей теории относительности, вызвать увеличение длины волны реликтового излучения (гравитационное красное смещение). Иными словами, реликтовое излучение, приходящее к нам с некоторых направлений, было бы «покрасневшим». В общей картине его распределения по всему небу должны были бы существовать «пятна» пониженной интенсивности.

Расчеты показывают: для того чтобы подобные пятна могли быть замечены наиболее крупными современными радиотелескопами, такими, например, как РАТАН-600, размеры сгущений вещества должны иметь масштаб порядка миллиарда световых лет, а их плотность, как можно полагать, должна превосходить средний уровень по меньшей мере на 10 %.

Однако современные радиоастрономические наблюдения соответствующих «пятен» интенсивности реликтового излучения не обнаружили. Видимо, это означает, что сгущений, о которых идет речь, не существует.

Следовательно, в пределах той области пространства, откуда доходит к нам реликтовое излучение, самыми большими структурными образованиями являются сверхскопления галактик поперечником приблизительно до ста миллионов световых лет. В больших масштабах распределение вещества во Вселенной представляется достаточно однородным.

С учетом достигнутой точности наблюдений можно считать, что средняя плотность вещества по достаточно большим областям Вселенной различается не больше, чем на десятые доли процента.

Если верна гипотеза Я. Б. Зельдовича о возникновении скоплений галактик из образований типа «блинов», то, сформировавшись на определенном этапе, такие «блины», определившие ячеистую структуру Вселенной, неизбежно должны были повлиять и на характер реликтового излучения. В его распределении по небесной сфере должны в этом случае наблюдаться определенные мелкомасштабные колебания (флуктуации) радиояркости. Однако таких флуктуаций пока обнаружить не удалось.

Разумеется и в этом случае требуются дальнейшие тщательные исследования с помощью еще более чувствительной аппаратуры.

Наблюдения реликтового излучения позволяют решить еще одну интереснейшую задачу. Все космические объекты находятся в постоянном движении. Планеты обращаются вокруг Солнца. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактики, в свою очередь, не только участвуют в расширении Вселенной, но и перемещаются друг относительно друга.

Для того чтобы обнаружить и изучить любое движение, измерить его физические характеристики: скорость, ускорение, направление — необходима определенная система отсчета, связанная с теми или иными материальными объектами. Так, движение Земли и планет мы обычно отсчитываем относительно системы координат, связанной с Солнцем, а движение Солнца и звезд относительно галактической системы координат.

Но все дело в том, что космические тела, с которыми мы связываем те или иные системы отсчета, сами движутся. Иными словами, любой космический объект одновременно участвует в целом ряде различных движений. И для того, чтобы определить суммарное движение, нужна была некая «независимая» система отсчета, не связанная с перемещающимися небесными телами. Такой в определенном смысле «абсолютной» или, точнее говоря, физически преимущественной системой может служить система отсчета, жестко связанная с реликтовым излучением.

Мы введем эту систему таким образом, чтобы в каждой точке пространства по отношению к ней поток излучения был равен нулю. В этом и заключается физическая преимущественность построенной нами системы.

Если Земля движется относительно реликтового излучения, реликтового фона Вселенной, то плотность энергии этого излучения, а следовательно и его «радиояркость», в направлении движения будет соответственно выше, чем в противоположном. В самом деле, представим себе реликтовое излучение как поток фотонов. Тогда, очевидно, за одно и то же время Земля будет «сталкиваться» с большим числом встречных фотонов, чем догоняющие.

Как мы уже говорили, реликтовое излучение практически изотропно, но из-за того, что Земля обладает собственным движением, эта изотропия должна несколько нарушаться. Нарушения эти, разумеется, весьма незначительны и не меняют общую картину благодаря тому, что скорость движения нашей планеты ничтожна в сравнении со скоростью распространения электромагнитных волн. Но тем не менее такие нарушения существуют, и их можно в принципе обнаружить. Измерив разницу в интенсивности реликтового фона в диаметрально противоположных направлениях, мы определим скорость движения Земли по отношению к введенной нами преимущественной системе отсчета.

Точнейшие измерения с помощью современных радиотелескопов на волне длиной 9 мм показали, что радиояркость реликтового фона в направлении на созвездие Льва (это созвездие расположено на небе несколько ниже «донышка ковша» Большой Медведицы) чуть больше, а в противоположном направлении чуть меньше средней для всего неба величины. Различие едва уловимо: всего на одну тысячную. Но из этого следует, что наша планета вместе с Солнцем и всей Солнечной системой движется по направлению к созвездию Льва (к точке с координатами: прямое восхождение α=10±0,12 ч, склонение σ= 6±3°) со скоростью 372 км/с относительно системы отсчета, связанной с реликтовым излучением. (Возможная ошибка в определении указанной скорости составила при этом около 25 км/с в ту или другую сторону.) Зная эту величину, а также скорость движения нашей Галактики относительно Местной группы галактик, можно определить скорость относительно реликтового фона и всей Местной группы… Она равна 610 км/с плюс-минус 50 км/с и направлена к точке с координатами α= 10,5 ± 0,4 ч, σ=−26 ± 5°.

Изотропна ли Вселенная?

Одним из основных положений современной науки о Вселенной всегда считалось представление об ее однородности и изотропности. Однородность означает, что свойства достаточно больших по масштабам областей Вселенной в основных чертах одинаковы.

Все наблюдательные данные, имевшиеся в распоряжении астрономов до самого последнего времени, не противоречили подобному представлению. В частности, вывод об однородности Вселенной в больших масштабах не опровергается и открытием гигантских космических «пустот». Ведь их размеры не идут ни в какое сравнение с размерами Метагалактики — области пространства, которая охвачена астрономическими наблюдениями.

При современных методах исследования «горизонт видимости» (о нем подробнее говорится на с. 148) равен примерно 10–12 млрд. световых лет. В ограниченной им области пространства можно разместить не менее 1000 ячеек, для каждой из которых имеет место однородность. Однако не так давно были получены весьма интересные и неожиданные результаты, которые, может быть, заставят пересмотреть представление об изотропии Вселенной. Проводились наблюдения двойных радиоисточников — радиогалактик, каждая из которых состоит из двух связанных между собой радиокомпонентов. Таких источников зарегистрировано достаточно много, и они распределены по всей небесной сфере. Английский астроном П. Берч на радиотелескопе обсерватории Джодрелл Бэнк изучил 100 таких радиогалактик, расположенных в северном и южном полушариях неба.

Как известно, электромагнитные волны, в том числе и радиоволны, в отличие, например, от звуковых волк, — поперечные. Если у звуковой волны направление колебаний совпадает с направлением распространения волны, то у электромагнитных волн направление колебаний перпендикулярно направлению распространения. Если к тому же поперечные колебания происходят в одной плоскости, то электромагнитная волна называется линейнополяризованной, а плоскость, перпендикулярная плоскости колебаний, называется плоскостью поляризации.

В процессе наблюдений, о которых идет речь, измерялся угол между линией, соединяющей компоненты двойных радиоисточников, и направлением плоскости поляризации их радиоизлучения. При этом было обнаружено удивительное явление: оказалось, что для радиоисточников, расположенных в одной полусфере неба, этот угол имеет один знак, а для радиоисточников, расположенных в другой полусфере, — противоположный!

Естественно возникает вопрос: связан ли обнаруженный эффект с условиями наблюдения? Вопрос, который всегда задают себе наблюдатели и экспериментаторы для того, чтобы убедиться, что изучаемое ими явление носит реальный характер, а не искажается какими-либо побочными обстоятельствами. В ситуации, о которой идет речь, такое побочное влияние мог бы оказывать так называемый эффект Фарадея — эффект вращения плоскости поляризации под воздействием внешнего магнитного поля. Не вызвано ли обнаруженное различие свойств двойных радиоисточников, расположенных в противоположных областях небесной сферы, влиянием магнитного поля нашей Галактики?