Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Второй важный для понимания факт заключается в том, что изюминки вообще не двигаются. Во всяком случае, относительно теста. Они в нем просто находятся. Безусловно, расстояния между ними увеличиваются. Но не потому, что они движутся, а потому, что тесто расширяется. Аналогично галактики во Вселенной не летят сквозь пространство с громадными скоростями. Верно, расстояния между ними увеличиваются, но только потому, что расширяется само пространство.

Я призывал вас с подозрением относиться к мысленному представлению о расширяющейся Вселенной как о фейерверке. Когда взрывается шутиха, фрагменты светящегося материала разлетаются в пространстве от места своего возникновения и оказываются намного дальше друг от друга, чем были сначала, потому что действительно двигаются. В расширяющейся Вселенной все иначе. Можно сказать, расстояние между Землей и галактикой NGC 474 (в настоящее время около 100 млн св. лет) увеличивается со скоростью порядка 2000 км/с. Но было бы ошибкой утверждать, что NGC 474 несется сквозь космос с этой скоростью. Расстояние до нее растет, потому что пространство между галактикой и нами расширяется.

Примечательно, что здесь аналогия с кексом дает сбой. Изюм не двигается в тесте. Галактики, напротив, совершают реальное перемещение в пространстве. Например, наш Млечный Путь и соседняя галактика Андромеда сближаются со скоростью около 100 км/с – это исключение, обнаруженное Весто Слайфером в далеком 1912 г. Дело в том, что две галактики испытывают взаимное гравитационное притяжение. Они действительно перемещаются в пространстве, чтобы столкнуться через несколько миллиардов лет. (Не переживайте – к тому времени жизнь на Земле уже будет уничтожена разбуханием Солнца, описанным в главе 5.) Поскольку на данный момент расстояние между ними составляет каких-то 2,5 млн св. лет, между Млечным Путем и Андромедой недостаточно расширяющегося пространства, чтобы компенсировать их взаимное сближение. В то же время движение сквозь пространство очень далекой галактики слишком ничтожно, чтобы «перевесить» увеличение расстояния вследствие расширения всего пространства, находящегося между ней и Млечным Путем.

Сравнение с изюмом в кексе несовершенно по еще одной причине. Кексы с изюмом обычно имеют конечные размеры. Напротив, как я вскоре расскажу, Вселенная вполне может оказаться бесконечной. Но это мелочь. По сути, сравнение с кексом великолепно. Главное, чтобы в следующий раз, когда расширяющаяся Вселенная представится вам в виде фейерверка, вы мысленно услышали сигнал тревоги и решительно напомнили себе: «Кекс с изюмом, кекс с изюмом!»

Что можно сказать о красном смещении у галактик? Разве оно не вызвано тем, что галактика улетает от нас? Бесспорно, движение галактики в пространстве вызывает то, что представляется эффектом Доплера. Если она движется от нас, ее световые волны растягиваются до более низких частот, соответственно, с меньшими длинами волны, что приводит к красному смещению. Если она движется к нам (как Андромеда и буквально горстка других маленьких ближних галактик), то демонстрирует слабое голубое смещение. Однако применительно к расширяющемуся пространству лучше забыть о сравнении с машиной скорой помощи.

Представьте световую волну, испущенную далекой галактикой, с определенной частотой и соответствующей длиной. Миллионы или даже миллиарды лет свет путешествовал сквозь пространство по пути к земному телескопу. Если бы мы жили в статичной Вселенной, свет пришел бы на Землю, имея точно такую же длину волны, которую имел изначально. Но Вселенная не статична. Пространство расширяется. Вследствие этого световая волна, движущаяся сквозь пространство, тоже расширяется. Она постепенно растягивается, и длина волны увеличивается – цвет становится более красным.

Чем дольше свет путешествует через расширяющееся пространство, тем сильнее оказывается растянут. Поэтому свет далеких галактик – проведший в пути больше времени – должен демонстрировать большую степень красного смещения, чем свет ближних галактик. Это и обнаружил Хаббл. Фактически астрономы используют красное смещение у галактик для расчета расстояния до них.

Это уже что-то. У нас есть достоверный образ расширения Вселенной (кекс с изюмом) и понимание причины красного смещения у галактик (растяжение световых волн). Пора затронуть тонкий вопрос о расстояниях в космосе.

Как я говорил, космологи используют красное смещение у галактик в качестве показателя удаленности. Прекрасно! Но что конкретно мы подразумеваем под удаленностью галактики? Предположим, галактика испустила свет очень давно, когда находилась в 5 млрд св. лет от Млечного Пути. К тому времени, когда свет наконец достигает Земли, дистанция могла увеличиться до 10 млрд св. лет, поскольку пространство расширяется постоянно.