Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

В начале ХХ века строился крупнейший в мире телескоп, предназначенный для определения красных смещений далеких галактик. Строительство велось на горе Маунт-Вилсон, которая возвышалась над тогда еще чистым небом Лос-Анджелеса. Огромные детали телескопа приходилось затаскивать на вершину горы — делали это упряжки мулов. Молодой погонщик по имени Милтон Хьюмасон помогал доставлять на гору механическое и оптическое оборудование, а также ученых, инженеров и важных чинов. Он управлял колонной мулов, сидя верхом на лошади, а у него за спиной, положив передние лапы ему на плечи, все время стоял белый терьер. Хьюмасон был разнорабочим, из тех, что вечно жевали и сплевывали табак, картежником, завсегдатаем бильярдных и, как говорили в то время, дамским угодником. В школе он отучился всего восемь классов, но был сметлив, любознателен и очень заинтересовался оборудованием, которое с таким трудом переправлял на высоту. Хьюмасон водил компанию с дочерью одного из инженеров обсерватории, которому пришлась не по душе эта дружба с молодым человеком, чьи амбиции не шли дальше работы погонщиком мулов. Хьюмасон стал браться в обсерватории за любую работу: он служил помощником электрика, сторожем, мыл полы под куполом телескопа, в строительстве которого участвовал. Рассказывают, что однажды вечером ассистент, управлявший телескопом, заболел и Хьюмасона спросили, не сможет ли он заменить захворавшего. Милтон продемонстрировал такое мастерство и аккуратность в работе с инструментом, что вскоре стал постоянным оператором телескопа и помощником наблюдателей.

После Первой мировой войны на Маунт-Вилсон приехал Эдвин Хаббл, которому вскоре предстояло прославиться. Человек блестящий, светский, привыкший вращаться не только в кругу астрономов, говорящий с английским акцентом, который он приобрел в Оксфорде, где провел год как стипендиат Родса. Именно Хаббл окончательно доказал, что спиральные туманности в действительности являются «островными вселенными», далекими скоплениями огромного количества звезд, подобными нашему Млечному Пути; он придумал, где найти эталонную звездную свечу, необходимую для измерения расстояния до других галактик. Хаббл и Хьюмасон мастерски справились с задачей — эти двое хоть и казались странной парой, но с телескопом работали слаженно. Вслед за астрономом В. М. Слайфером из Лоуэлловской обсерватории они начали измерять спектры далеких галактик. Скоро стало ясно, что Хьюмасону удается получать высококачественные спектры галактик лучше, чем любому профессиональному астроному в мире. Он стал штатным сотрудником обсерватории Маунт-Вил-сон, изучил научную подоплеку своей работы и заслуженно пользовался уважением астрономического сообщества.

Свет галактики представляет собой совокупное излучение миллиардов составляющих ее звезд. Когда свет покидает звезду, некоторые частоты, то есть цвета, поглощаются атомами в ее внешних слоях. Образующиеся линии позволяют нам утверждать, что звезды в миллионах световых лет от нас состоят из тех же химических элементов, что наше Солнце и соседние звезды. К своему удивлению, Хьюмасон и Хаббл обнаружили, что спектры всех далеких галактик смещены в красную сторону, но что еще удивительнее — смещены тем больше, чем дальше от нас находится галактика.

Наиболее очевидным объяснением красного смещения был эффект Доплера: галактики удаляются от нас; чем дальше находится галактика, тем выше скорость ее удаления. Но почему галактики разбегаются именно от нас? Неужели есть что-то особенное в нашем местоположении во Вселенной, как будто Млечный Путь чем-то провинился перед сообществом галактик? По всей видимости, гораздо более вероятно, что сама Вселенная расширяется, унося с собой галактики. Хьюмасон и Хаббл, как со временем стало ясно, открыли Большой Взрыв — если не происхождение Вселенной, то, по крайней мере, ее последнее воплощение.

Практически все в современной космологии — особенно представление о расширяющейся Вселенной и Большом Взрыве — основано на идее, что красные смещения далеких галактик связаны с эффектом Доплера и вызваны удалением галактик от нас. Но в природе существуют и другие причины красного смещения, например гравитация: красное смещение наблюдается, когда свет, покидающий сильное гравитационное поле, с таким трудом преодолевает действие сил тяготения, что теряет входе движения энергию. Далеким наблюдателем это воcпринимается как смещение ускользнувшего из пут гравитации света в длинноволновую часть спектра, то есть в сторону красного цвета. Поскольку мы считаем, что в центрах некоторых галактик могут скрываться массивные черные дыры, это способно послужить вполне приемлемым объяснением красных смещений. Однако некоторые наблюдаемые спектральные линии нередко указывают на очень разреженный диффузный газ, а вовсе не на предельно высокую плотность, которая должна преобладать в окрестностях черных дыр. А может быть, красное смещение хотя и объясняется доплеровским эффектом, но вызвано не общим расширением Вселенной, а не столь масштабным местным галактическим взрывом. Но тогда нам следовало бы ожидать приближения такого же количества осколков взрыва, какое удаляется от нас, а значит, голубых смещений должно быть столько же, сколько красных. В действительности же, на какой бы объект за пределами Местной Группы мы ни направили телескоп, наблюдаются почти исключительно красные смещения.

Тем не менее некоторых астрономов преследует подозрение, что не все так гладко с выводом о расширении Вселенной, сделанным исходя из доплеровской природы красного смещения галактик. Астроном Халтон Арп обнаружил загадочные и настораживающие приметы того, как галактика и квазар или пара галактик, которые выглядели физически связанными, имели существенно различающиеся красные смещения. Иногда казалось, что их соединяет мост из газа, пыли и звезд. Если красное смещение вызвано расширением Вселенной, то из большой разницы красных смещений следует большая разница расстояний до галактик. Но две физически связанные галактики вряд ли могут быть столь сильно удалены друг от друга — в некоторых случаях на миллиарды световых лет. Скептики утверждают, что эти ассоциации имеют статистический характер, что, например, близкая к нам яркая галактика и намного более удаленный квазар с сильно различающимися красными смещениями и скоростями удаления лишь случайно оказались расположенными на одном луче зрения, а в действительности физически не связаны. Такие случайные наложения должны встречаться с некоторой вероятностью. В центре дебатов был вопрос, не превышает ли число таких совпадений величины, которой следовало бы ожидать по статистике. Арп указывает и на другие случаи, когда по бокам галактики с малым красным смещением располагаются два квазара с большим и почти одинаковым красным смещением. Он считает, что квазары не удалены на космологические расстояния, а выброшены в противоположные стороны той самой галактикой, с которой они соседствуют, и что красные смещения вызваны каким-то пока неизвестным механизмом. Скептики вновь говорят о случайном совпадении и традиционной интерпретации красного смещения по Хабблу — Хьюмасону. Если прав Арп, то отпадает необходимость изыскивать экзотические механизмы на роль источника энергии далеких квазаров — цепные реакции сверхновых, сверхмассивные черные дыры и т. п. Ведь квазарам в таком случае вовсе не обязательно быть далекими. Но зато понадобится другой необычный механизм для объяснения природы их красного смещения. В обоих случаях в глубинах космоса происходит нечто очень странное[186].

Видимое удаление галактик при доплеровской интерпретации красного смещения — это не единственное доказательство Большого Взрыва. Независимым и очень убедительным подтверждением служит чернотельное фоновое космическое излучение — постоянный слабый фон радиоволн, приходящих к нам из космоса совершенно однородно со всех сторон. Интенсивность этого фона в точности такова, какой следует ожидать в нашу эпоху от заметно ослабшего излучения Большого Взрыва. Но и здесь есть нечто загадочное. Наблюдения с использованием чувствительной радиоантенны, поднятой в верхние слои атмосферы на борту самолета U-2, показали в первом приближении, что интенсивность фонового излучения соответствует почти идеально однородному расширению Вселенной в момент Большого Взрыва, то есть в миг своего рождения Вселенная обладала очень высокой степенью симметрии. Однако более точные исследования выявили, что симметрия фонового излучения неидеальна. В его распределении обнаруживается систематический эффект, который можно объяснить движением всего Млечного Пути (и предположительно других членов Местной Группы) в направлении скопления галактик в Деве со скоростью более двух миллионов километров в час (600 километров в секунду). С такой скоростью мы достигнем скопления через десять миллиардов лет, и тогда заниматься внегалактической астрономией станет намного проще. Скопление в Деве — это богатейшее собрание галактик, спиральных, эллиптических и неправильных, — настоящая небесная сокровищница. Но по какой причине мы так спешим к нему?