101. Как быстро расширяется Вселенная?
Степень расширения Вселенной количественно определяется постоянной Хаббла. Лучшая современная оценка: 73 (км/с)/мегапарсек (1 Мпк = 3,26 млн световых лет).
Это означает, что галактики, расположенные в 3,26 млн световых лет друг от друга, удаляются со скоростью 73 км/с из-за расширения от Большого взрыва.
Однако Вселенная не всегда расширялась с такой скоростью, с какой она расширяется сегодня. Фактически у скорости расширения была пестрая история.
Наивно было думать, что Вселенная быстро расширилась от Большого взрыва и замедлялась с этого момента, поскольку расширение заканчивается конденсацией. Все гораздо сложнее.
Первоначально был только вакуум. Он «раздулся» с феноменальной скоростью, удвоив размер Вселенной по крайней мере в 60 раз в первые доли секунды.
Когда «инфляция» закончилась, огромная энергия вакуума была вброшена в создание материи и нагревание ее до огромных температур. Это был горячий Большой взрыв.
После инфляции Вселенная расширялась с гораздо меньшей скоростью, постепенно уменьшающейся из-за тормозящего действия галактик, придерживающих друг друга.
Но в последнее время — в течение последних нескольких млрд лет — налицо большой сюрприз. Расширение Вселенной, которое было замедлено, ускорилось снова.
Астрономы полагают, что пустое пространство содержит странный вид энергии. Отталкивающая гравитация этой «темной энергии» ускоряет расширение Вселенной.
Очевидный вопрос: есть ли связь между растущей инфляцией и увеличением темной энергии? Никто не знает.
Если управляемое темной энергией расширение продолжится, то оно раздвинет галактики. К 100-млрдному году н. э. в наблюдаемой Вселенной останется только галактика Млечный Путь.
102. Почему небо ночью темное?
Первым человеком, который задал этот вопрос, в 1610 был Йохан Кеплер, главный математик императора Священной Римской империи.
В Падуе Галилео с помощью новомодного телескопа показал звезды, невидимые невооруженным глазом. Он задался вопросом: Что, если звезды движутся всегда?
Так же как если бы вы изучали густой сосновый лес и увидели бы только деревья, при изучении Вселенной вы должны видеть только звезды.
Кеплер заключил: вопреки ожиданиям, ночное небо должно быть не черным, а столь же ярким, как поверхность типичной звезды. Таким же ярким, как Солнце!
Фактически, типичные звезды — «красные карлики» — составляют 70 % всех звезд; таким образом, ночное небо должно быть как кровь, красным от горизонта до горизонта.
Загадка, почему ночное небо темное, а не яркое, стала известной как парадокс Ольберса, в честь немецкого астронома XIX в., который популяризировал этот факт.
Эдгар Аллан По предложил наиболее правдоподобное объяснение. Вероятно, небо темное потому, что свет от самых далеких звезд еще не прибыл на Землю.
Идея Эдгара По поддерживается открытием конечного возраста Вселенной. Мы видим только те объекты, свет от которых идет менее 13,7 млрд лет, чтобы добраться сюда.
Но не Большой взрыв объясняет парадокс, потому что — ну, нет никакого парадокса! Даже в бесконечно старой Вселенной ночное небо не будет ярким.
Кеплер молчаливо предположил, что звезда может гореть вечно и может отдавать неограниченное количество света в пространство. А это неправильно.
В самом деле, даже если бы все звезды во Вселенной обратили все свое топливо в звездный свет, этого было бы недостаточно, чтобы заполнить пространство и сделать ночное небо Земли светящимся.
Представьте ванну со слишком малым количеством воды, чтобы заполнить ее. Со Вселенной то же самое. Звезды просто содержат слишком мало энергии, чтобы наполнить все небо светом.
Кто бы мог подумать, что темнота ночного неба была загадкой на протяжении 400 лет и вызвала столько космологических гипотез!
103. Что такое темная материя?
Никто не знает. В отличие от обычной материи (атомов) она не выделяет света или дает слишком мало света для того, чтобы быть обнаруженной с помощью наших лучших современных инструментов.
Она перевешивает видимую материю Вселенной — звезд и галактик — в шесть-семь раз.
Мы знаем о ее существовании потому, что ее гравитация тянет видимые звезды, заставляя их двигаться, как если бы в их составе присутствовало больше материи, чем мы можем видеть.
Первые доказательства «недостающей массы»: слишком быстрые вертикальные перемещения звезд в диске Млечного Пути обосновал в 1932 Ян Оорт — влиянием невидимой материи.
Затем в 1934 Фриц Цвики обнаружил, что галактики в скоплениях вращаются вокруг центра скопления слишком быстро, как бы реагируя на силу тяжести невидимого материала.
В 1980-х Вера Рубин обнаружила звезды на окраине спиральной галактики, вращающиеся слишком быстро. Как дети на ускоряющейся карусели, они должны были бы улететь.
Звезды не улетают в межгалактическое пространство, утверждают астрономы, потому что они удерживаются гравитацией невидимой темной материи.
Каждая спиральная галактика, включая наш Млечный Путь, считается встроенной в гигантское сферическое гало темной материи, намного превосходящей массу звезды.
Природа темной материи — одна из величайших загадок физики. Есть разгадка, одобренная большинством ученых: до сего времени не открытая субатомная частица.
Так как темная материя существует повсеместно, она должна быть и в пределах Земли. Для ее обнаружения проведено несколько экспериментов в шахтах.
Существует реальная возможность, что претендент на звание носителя темной материи будет найден с помощью Большого адронного коллайдера — гигантского ускорителя частиц недалеко от Женевы.
Тот, кто отгадает загадку темной материи, несомненно, заслужит Нобелевскую премию.
104. Что такое темная энергия?
Она «невидима»[30]. Заполняет все пространство. И характеризуется отталкивающей гравитацией, которая ускоряет расширение Вселенной.
