Ne bogi rasshirenie vselennoi nablyudayut
9.04.2014 12:10 | S. B. Popov, A. V. Toporenskii

Vselennaya rasshiryaetsya. Eto ne tol'ko odin iz samyh udivitel'nyh i vazhnyh nauchnyh faktov, ustanovlennyh za poslednyuyu sotnyu let, a mozhet byt' i za vsyu istoriyu chelovechestva, - eto i prosto nechto grandioznoe. Vsya nablyudaemaya vselennaya evolyucioniruet. Sushestvuet ogromnoe kolichestvo nezavisimyh nablyudatel'nyh podtverzhdenii etogo fenomena. Odnako v nekotorom smysle, rasshirenie ne nablyudaetsya poka neposredstvenno: teoretiki stroyat razlichnye modeli, pozvolyayushie opisat' rasshirenie vselennoi, no my ne vidim, kak nablyudaemye ob'ekty v real'nom vremeni stanovyatsya dal'she i dal'she. Nam ne hvataet tochnosti nablyudenii, ili zhe, s sushestvuyushei tehnikoi, nam pridetsya zhdat' ochen' dolgo (veka, ili, po krainei mere, desyatiletiya), chtoby nakopit' dannye.

Predstavim, chto u nas est' vozmozhnost' provodit' nablyudeniya s gorazdo bolee vysokoi tochnost'yu. Ili chto my mozhem podozhdat' neskol'ko stoletii, provodya nablyudeniya, a potom prokrutim plenku v uskorennom tempe. Imitaciyu poslednego mozhno realizovat' v vide komp'yuternoi simulyacii, naprimer v planetarii. Chtoby my uvideli? Ili inache, kak nam pravil'no sdelat' komp'yuternuyu model', demonstriruyushuyu rasshirenie vselennoi s tochki zreniya zemnogo nablyudatelya?

Obychno v populyarnoi (i ne tol'ko) literature v kachestve analogii ispol'zuyut naduvayushiisya vozdushnyi shar ili rastyagivayushuyusya ploskost'. Eto horoshii primer. Odnako on obladaet vazhnoi osobennost'yu. On pokazyvaet nam nekotoryi vzglyad so storony (chto, kstati, potom stanovitsya prichinoi nedorazumenii i netochnogo ponimaniya). My kak by smotrim iz lishnego izmereniya, da eshe vdobavok vidim vse srazu, nablyudaya processy po edinym kosmicheskim chasam, t.e. razom ohvatyvaem vsyu vselennuyu, poluchaya informaciyu s beskonechnoi skorost'yu. Etot "vzglyad boga" nedostupen obychnomu nablyudatelyu. My nahodimsya na Zemle, vnutri vselennoi. Signaly prihodyat k nam s konechnoi skorost'yu - so skorost'yu sveta. Poetomu my vidim kosmologicheskie ob'ekty takimi, kakimi oni byli v dalekom proshlom. Krome togo, est' kosmologicheskoe krasnoe smeshenie, iz-za kotorogo signal, ispushennyi v techenie kakogo-to intervala vremeni (skazhem, minuty), budet registrirovat'sya nami v techenie bolee dlitel'nogo intervala (naprimer, esli istochnik nablyudaetsya na krasnom smeshenii z=1, to v techenie dvuh minut). Zametim, chto krasnoe smeshenie v kosmologii luchshe vsego opredelit' imenno cherez otnoshenie intervalov vremen v moment izlucheniya i v moment priema signala (krasnoe smeshenie, z, ravno otnosheniyu intervalov minus edinica). Poetomu "kartina nablyudatelya" budet sil'no otlichat'sya ot "kartiny boga". Davaite razberemsya, kak oni svyazany.

Rasstoyaniya v kosmologii

V kosmologii sushestvuet neskol'ko raznyh opredelenii dlya rasstoyaniya i skorosti. Krome togo, my mozhem otnosit' eti velichiny k raznym momentam vremeni. Poznakomimsya s nimi.

Dlya nachala sdelaem vazhnoe utverzhdenie, otchasti protivorechashee zdravomu smyslu. Nado otkazat'sya ot voprosa: "Kakoe zhe rasstoyanie (i skorost') v kosmologii pravil'noe na samom dele?" Pravil'nyh neskol'ko. Chast' opredelenii rasstoyaniya svyazana s metodami nablyudenii, chast' s teoreticheskimi postroeniyami.

V obychnyh situaciyah (naprimer, na Zemle) u nas est' raznye metody opredeleniya rasstoyanii, no vse oni dolzhny davat' odin i tot zhe rezul'tat. T.e., my pytaemsya izmerit' odnu i tu zhe velichinu. Naprimer, my mozhem pryamo dobrat'sya do ob'ekta i izmerit' rasstoyanie ruletkoi. Mozhem ispol'zovat' radar, chtoby, posylaya signal i prinimaya otrazhennyi, po vremeni rasprostraneniya volny tuda i obratno opredelit' rasstoyanie. Esli my znaem razmer ob'ekta, do kotorogo izmeryaem rasstoyanie, to, opredeliv ego vidimyi uglovoi razmer, my uznaem, ispol'zuya neslozhnye shkol'nye trigonometricheskie formuly, kak daleko on raspolozhen. Nakonec, esli neobhodimo ocenit' udalennost' istochnika sveta izvestnoi moshnosti, to my izmeryaem potok izlucheniya, i, provedya prostye vychisleniya, nemedlenno poluchaem rasstoyanie do nego. Vazhno, chto na Zemle, v Solnechnoi sisteme, i dazhe v Galaktike i ee okrestnostyah vse podobnye metody budut davat' odinakovyi rezul'tat. Rasstoyanie ne zavisit ot metoda izmerenii, opredelenie rasstoyaniya intuitivno yasno i edinstvenno. V kosmologii vse ne tak.

Predstavim sebe takuyu situaciyu. V kakoi-to moment vremeni v dalekoi-dalekoi galaktike vspyhivaet sverhnovaya. Svet dvizhetsya v nashu storonu, i dostigaet nas cherez 10 milliardov let. Sootvetstvenno, svet proshel put' 10 milliardov svetovyh let. Odnako v moment izlucheniya rasstoyanie mezhdu nami bylo gorazdo men'she, chem 10 milliardov svetovyh let. Seichas rasstoyanie mezhdu nami gorazdo bol'she 10 milliardov svetovyh let, t.k. vselennaya rasshiryaetsya, prichem uskorenno. Rasstoyanie seichas my mozhem tol'ko rasschitat' ili izmerit' kosvenno, da i to neskoro (sm. nizhe). A vot rasstoyanie v moment izlucheniya (v moment vzryva sverhnovoi) my v principe, kak eto ni stranno, smozhem izmeryat' v nedalekom budushem (dlya nekotoryh ob'ektov my dazhe uzhe umeem eto delat'!). Eto budet uglovoe rasstoyanie (sm. tekst).

Problem s rasstoyaniem v kosmologii dve: vse bystro dvizhetsya i vse raspolozheno daleko drug ot druga. V itoge, poka svet doidet ot istochnika do nablyudatelya, rasstoyaniya sil'no izmenyatsya (sm. vrezku). Pri etom rasstoyaniya "pryamo seichas" ne poddayutsya pryamomu izmereniyu, t.k. eta procedura zanimaet konechnoe (i, voobshe govorya, dovol'no bol'shoe) vremya, svyazannoe s rasprostraneniem signala: my prosto ne vidim dalekie ob'ekty takimi, kakovy oni v dannyi moment vremeni. Eto vse uslozhnyaet, t.k., pol'zuyas' bytovym opytom, my privykli predstavlyat' sebe vse takim, kakovo ono est' seichas, v nastoyashii moment vremeni. V kosmologii rasstoyaniya i skorosti "pryamo seichas" my mozhem tol'ko rasschitat', pol'zuyas' kakoi-nibud' model'yu, ili zhe mozhem poluchit' ih kosvennym metodom, no ne s pomosh'yu sovremennyh metodov nablyudeniya.

---

Zachem kosmologam raznye modeli?

Chitatelya mozhet udivit', chto v stat'e upominayutsya, to vselennaya, zapolnennaya pyl'yu, to vselennaya, zapolnennaya izlucheniem. Zachem vse eto, esli my znaem, chto eto ne tak? Prichin neskol'ko.

Vo-pervyh, kosmologicheskie modeli sovremennogo tipa stroyat uzhe pochti sto let, grubo govorya, s poyavleniya Obshei teorii otnositel'nosti (tochnee, s rabot Aleksandra Fridmana). I v 20-e gg. proshlogo veka my byli daleki ot predstavlenii o vselennoi, zapolnennoi temnoi energiei i holodnoi temnoi materiei. Poetomu istoricheski voznikali raznye modeli, svyazannye s raznymi gipotezami o tom, chem zhe v osnovnom zapolnen nash mir.

Vo-vtoryh, vazhno ponimat', chto uchenye hotyat imenno ponyat', razobrat'sya, a dlya etogo nuzhny v tom chisle i dostatochno prostye modeli - bol'shoe kolichestvo detalei zatumanivaet kartinu. Pri populyarnom ili uchebnom izlozhenii prostye modeli prosto nezamenimy. Imenno na nih, kak na koshkah v izvestnom fil'me, nado trenirovat'sya.

V-tret'ih, prostye priblizheniya ochen' chasto dostatochno horosho opisyvayut real'nuyu situaciyu, po krainei mere na kakih-to etapah. Naprimer, plotnost' energii izlucheniya spadaet bystree plotnosti veshestva. Znachit, v molodoi vselennoi (pervye desyatki tysyach let rasshireniya, kogda stadiya inflyacii uzhe ostalas' v proshlom) vklad izlucheniya v polnuyu plotnost' byl osnovnym, vse prochee bylo melkoi dobavkoi. I dlya etogo perioda rasshireniya mozhno dovol'no uspeshno primenyat' model', v kotoroi vse zapolneno izlucheniem. Zatem, plotnost' energii izlucheniya sil'no padaet, no, skazhem, temnaya energiya vse eshe ne vnosit bol'shogo vklada, poetomu priblizhenie vselennoi, zapolnennoi pyl'yu budet neploho rabotat'. Pyl' eto prosto veshestvo bez davleniya, poetomu obychnoe barionnoe veshestvo ili holodnaya temnaya materiya s etoi tochki zreniya pyl'. Vselennaya de Sittera - eto horoshee priblizhenie dlya stadii inflyacii. A takzhe, vozmozhno, dlya budushego nashei vselennoi, esli temnaya energiya nikuda ne denetsya, i rasshirenie budet vsegda idti s uskoreniem.

T.o., primenenie prostyh modelei pozvolyaet luchshe razobrat'sya v slozhnyh processah, imeet istoricheskie osnovaniya, a dlya nekotoryh etapov pryamo taki prekrasno opisyvaet real'nost'.

---

Poskol'ku samym rasprostranennym sposobom proillyustrirovat' kartinu rasshireniya yavlyaetsya "vzglyad boga", davaite obsudim rasstoyanie, svyazannoe s nim. Predstavim, chto my nakinuli na vsyu vselennuyu elastichnuyu koordinatnuyu setku. U kazhdoi galaktiki teper' poyavilsya svoi "adres" - nomer yacheiki v takoi setke. V processe rasshireniya setka rastyagivaetsya vmeste s dvizheniem galaktik, t.e. "adres" ne izmenyaetsya. T.o., kazhdomu ob'ektu mozhno pripisat' postoyannuyu koordinatu, hotya rasstoyanie mezhdu ob'ektami rastet. S drugoi storony, znaya, kak menyaetsya rasstoyanie mezhdu dvumya lyubymi ob'ektami so vremenem, my mozhem rasschitat' rasstoyanie mezhdu dvumya lyubymi ob'ektami po ih adresam dlya lyubogo momenta vremeni. Eto t.n. sobstvennoe rasstoyanie.

Sobstvennoe rasstoyanie v nastoyashii moment my ne mozhem izmerit' neposredstvenno. Obychno ego rasschityvayut, znaya krasnoe smeshenie i zadavayas' kakoi-to kosmologicheskoi model'yu. Eto udobno dlya vospriyatiya, poskol'ku "vzglyad boga" kraine illyustrativen. Odnako s tochki zreniya nablyudenii vazhno imet' i drugie podhody. Poetomu pridumali eshe neskol'ko variantov rasstoyaniya, svyazannye s raznymi sposobami izmereniya. Vo-pervyh, eto fotometricheskoe rasstoyanie. Chtoby ego opredelit', neobhodimo znat' svetimost' istochnika - skol'ko energii on izluchaet v sekundu. Esli est' celyi klass istochnikov, dlya kotoryh mozhno uznat' svetimost', to ih nazyvayut "standartnymi svechami". Dalee, izmeriv potok izlucheniya ot istochnika, my nemedlenno po prostoi formule poluchaem fotometricheskoe rasstoyanie. Opredelyaya imenno etu velichinu po nablyudeniyam dalekih sverhnovyh tipa Ia, uchenye smogli obnaruzhit' uskorennoe rasshirenie vselennoi, za chto v 2011 g. im byla vruchena Nobelevskaya premiya po fizike.

Eshe odin sposob opredelit' rasstoyanie do kosmologicheskogo istochnika - eto uvidet', kak v nem dvizhetsya kakaya-nibud' detal', naprimer, uplotnenie v strue, b'yushei iz kvazara. Esli my znaem istinnuyu skorost' dvizheniya detali, to po vidimomu smesheniyu my poluchim rasstoyanie - rasstoyanie po sobstvennomu dvizheniyu. Vazhnoe svoistvo takoi velichiny - ee ravenstvo sobstvennomu rasstoyaniyu v nastoyashii moment. Eto i est' tot kosvennyi metod izmereniya sobstvennogo rasstoyaniya v nastoyashii moment, o kotorom my upominali vyshe. K sozhaleniyu, uznat' istinnuyu skorost' dvizheniya kakoi-nibud' detali v kosmologicheskom istochnike ochen' trudno. Poetomu vryad li v blizhaishee vremya takoi sposob izmereniya rasstoyanii v kosmologii budet ispol'zovat'sya.

Nakonec, dlya nas kraine vazhnym budet t.n. uglovoe rasstoyanie. Ostanovimsya na nem podrobnee. Obychno, esli my prikidyvaem rasstoyanie na glazok, my pol'zuemsya imenno im: znaya razmer ob'ekta, my ispol'zuem ego vidimyi razmer, chtoby ocenit', kak daleko on nahoditsya. Konechno, my ne prodelyvaem kazhdyi raz v ume raschet po trigonometricheskim formulam, no esli my hotim provesti tochnoe izmerenie, to sdelat' eto pridetsya. V zemnyh usloviyah nikakih tonkostei net. A vot v kosmologii nachinayutsya chudesa.

Vazhnyi fakt sostoit v tom, chto ugol mezhdu luchami sveta ne menyaetsya pri rasprostranenii v ploskoi vselennoi, dazhe pri ee rasshirenii s lyubym, v tom chisle izmenyayushimsya, tempom. V rezul'tate uglovoe rasstoyanie do kosmologicheskogo ob'ekta zavisit tol'ko ot togo, kak daleko on nahodilsya v moment izlucheniya. Na risunke pokazano, chto vidimyi razmer (i uglovoe rasstoyanie) dvuh galaktik mozhet byt' odinakovym, hotya v dannyi moment sobstvennoe rasstoyanie do nih budet sil'no razlichat'sya. Svet byl ispushen dalekoi galaktikoi, no skorost' kosmologicheskogo udaleniya etoi galaktiki ot nas v etot moment prevoshodit svetovuyu, poetomu vnachale svet takzhe budet ot nas udalyat'sya. Odnako pozzhe, hotya sama galaktika prodolzhaet udalyat'sya bystree skorosti sveta, svet popadaet v oblast', gde skorost' udaleniya men'she svetovoi, sootvetstvenno, luchi nachinayut priblizhat'sya k nablyudatelyu. Ugol mezhdu nimi pri etom ostaetsya prezhnim. Luchi sveta vyhodyat takzhe iz bolee blizkoi galaktiki, v etot moment svetovye luchi, ispushennye pervoi galaktikoi, nahodyatsya na takom zhe rasstoyanii ot nas. Odnovremenno, svet ot dvuh galaktik popadaet k nablyudatelyu, obe galaktiki imeyut odinakovyi vidimyi razmer (my predpolagaem, chto ih lineinye razmery ravny). Sootvetstvenno, nablyudatel' na Zemle opredelyaet, chto uglovye rasstoyaniya do dvuh galaktik ravny. Na dopolnitel'nom grafike vidno, chto galaktiki mozhno ob'edinit' v svoego roda pary otnositel'no maksimuma zavisimosti uglovogo rasstoyaniya ot krasnogo smesheniya. Po povodu svyazi s real'nymi nablyudeniyami mozhno otmetit' takoe lyubopytnoe sovpadenie: naimen'shii vozmozhnyi uglovoi razmer tipichnoi galaktiki poluchaetsya blizkim k odnoi uglovoi sekunde, to est' toi velichine, kotoruyu pozvolyaet uvidet' zemnaya atmosfera (men'shie uglovye razmery trudno nablyudat' iz-za neodnorodnostei nashei vozdushnoi obolochki). Eto znachit, chto v lyuboi dostatochno krupnyi nazemnyi teleskop galaktiki dazhe na samyh bol'shih rasstoyaniyah budut vidny kak protyazhennye, a ne tochechnye ob'ekty i ne mogut byt' sputany so zvezdami fona.

U mnogih lyudei est' takaya osobennost' (chasto ona poyavlyaetsya s vozrastom): sobytiya vcherashnego dnya pomnyatsya luchshe, chem dnya pozavcherashnego, nedel'nye - eshe huzhe.... Zato nekotorye vospominaniya detstva i yunosti siyayut, kak budto vse eto sluchilos' vchera. Esli my voz'mem galaktiku tipa nashei, to okazhetsya, chto vplot' do nekotorogo rasstoyaniya (napomnim, chto, glyadya na dalekie ob'ekty, my smotrim v proshloe!) galaktika budet vyglyadet' vse men'she i men'she. No potom - o chudo! - vidimyi razmer nachnet uvelichivat'sya (vo vselennoi, zapolnennoi pyl'yu, eto proizoshlo by na krasnom smeshenii z=5/4; v nashei vselennoi sootvetstvuyushee chut' bol'shemu krasnomu smesheniyu). Eto proishodit potomu, chto svet etoi galaktiki byl ispushen v molodosti vselennoi, kogda my nahodilis' gorazdo blizhe k nei. Sootvetstvenno, uglovoe rasstoyanie do dalekih ob'ektov menyaetsya takim zhe prichudlivym obrazom (sm. vrezku).

Vazhno, chto uglovoe rasstoyanie ravno sobstvennomu rasstoyaniyu v moment ispuskaniya izlucheniya. Poluchaetsya, chto s odnoi storony eta velichina sootvetstvuet ponyatnomu parametru v "kartine boga", a s drugoi - eto velichina, neposredstvenno svyazannaya s real'nymi nablyudeniyami. Dlya prakticheskogo ispol'zovaniya takogo rasstoyaniya neobhodima t.n. "standartnaya lineika", t.e. neobhodimo znat' istinnye razmery kakogo-nibud' kosmologicheskogo ob'ekta. Naprimer, mozhno ispol'zovat' masshtab t.n. barionnyh akusticheskih oscillyacii. Eto fluktuacii v raspredelenii veshestva v rannei vselennoi, kotorye zastyli v vide krupnomasshtabnoi struktury vselennoi. Teoriya pozvolyaet rasschitat' istinnyi masshtab etih neodnorodnostei. Izuchaya, kak raspredeleny galaktiki i ih skopleniya v bol'shom masshtabe (primerno 300 mln svetovyh let), mozhno opredelyat' rasstoyaniya do nih - eto budet uglovoe rasstoyanie. T.o., my mozhem neposredstvenno izmerit' sobstvennoe rasstoyanie do etih struktur na moment ispuskaniya nablyudaemogo signala. Krome togo, my umeem opredelyat' imenno uglovoe rasstoyanie na moment izlucheniya do t.n. poverhnosti poslednego rasseyaniya, otkuda k nam prihodit reliktovoe izluchenie

Grafiki skorostei dlya vselennoi, zapolnennoi pyl'yu. Vidno, chto grafik dlya "vidimoi skrosti" (nizhnyaya sinyaya krivaya) imeet maksimum. Verhnyaya (chernaya) krivaya sootvetstvuet skorosti na moment izlucheniya, rasschitannaya po "kosmicheskomu vremeni". Srednyaya (krasnyi punktir) - eto skorost' v nastoyashii moment vremeni.

(ono, kstati, nebol'shoe vsego lish' okolo 13 megaparsek, t.k. togda vselennaya byla gorazdo kompaktnee).

Teoriya govorit, kak razlichnye kosmologicheskie rasstoyaniya svyazany drug s drugom (dlya rascheta nekotoryh iz nih mozhno vospol'zovat'sya Kosmologicheskim kal'kulyatorom. T.o., opredeliv s dostatochnoi tochnost'yu odno iz nih, mozhno podschitat' i ostal'nye, esli u nas est' horoshaya kosmologicheskaya model'.

Gorizonty

Gorizont chastic - eto rasstoyanie do samogo dalekogo istochnika, v principe nablyudaemogo v dannyi moment vremeni (na vsyakii sluchai utochnim, chto rech' idet o sobstvennom rasstoyanii do ob'ekta v moment priema fotona, a ne v moment izlucheniya). Inogda radius gorizonta opredelyayut po-drugomu: rasstoyanie, kotoroe foton mozhet proiti ot "momenta nol'" do dannogo momenta (t.e. eto rasstoyanie, na kotoroe mozhno peredat' informaciyu za vremya, ravnoe vozrastu Vselennoi, razumeetsya, s uchetom rasshireniya). Oba opredeleniya ekvivalentny (sm. detali v stat'e "Za gorizontom vselenskih sobytii". V nerasshiryayusheisya Vselennoi konechnogo vozrasta (t.e. "s nachalom") etot radius lineino ros by so vremenem. Vo Vselennoi, rasshiryayusheisya s zamedleniem, radius ros by vsegda, no medlennee. Nu a vo Vselennoi, kotoraya nachala uskoryat'sya v kakoi-to moment svoei evolyucii, radius stremitsya k konechnomu znacheniyu (v soputstvuyushih koordinatah, t.e. v koordinatah na rasshiryayusheisya setke) pri stremlenii vremeni k beskonechnosti (t.e. est' ob'ekty, kotorye my nikogda ne uvidim, skol'ko by ni zhdali). Etot gorizont nel'zya opredelit' kak skorost' sveta, umnozhennuyu na vremya posle nachala rasshireniya, t.k. poka foton letit, vselennaya rasshiryaetsya. Obratite vnimanie, krasnoe smeshenie istochnikov na gorizonte chastic beskonechno. Formal'no, gorizonta chastic net vo vselennyh, vse vremya rasshiryayushihsya s uskoreniem (rasstoyanie v dannyi moment do ob'ekta s krasnym smesheniem ravnym beskonechnosti, budet stremit'sya k beskonechnosti). No, esli my govorim o chasticah, kak o galaktikah, kotorye voznikli v kakoi-to ne slishkom rannii moment zhizni vselennoi, to takoi gorizont budet i v uskoryayushihsya modelyah. Est' on i v nashei vselennoi.

Gorizont sobytii - dovol'no hitroe ponyatie (i ne vo vsyakoi kosmologicheskoi modeli on sushestvuet). Sobytiya vo vselennoi mozhno razdelit' na tri gruppy. Vo-pervyh, est' te, chto byli dostupny nam dlya nablyudeniya v proshlom, vo-vtoryh, est' takie, kotorye budut dostupny