В течение следующих десятилетий Сендидж и его коллеги работали с Паломарским 200-дюймовым телескопом и другими телескопами по всему миру, что позволило добиться невероятных успехов в понимании галактик. К началу 1970-х годов у Сендиджа оставался только один серьезный соперник, также занимавшийся определением расстояний до галактик и, следовательно, уточнением постоянной Хаббла: это был астроном из Техасского университета по имени Жерар де Вокулёр. В 1970-е годы и группа Сендиджа, и группа де Вокулёра выпустили по монументальной серии статей, где изложили свои «шаги к определению постоянной Хаббла». Сендидж привел результат 50 (км/c)/Мпк (в целых 10 раз меньше изначальной оценки Хаббла), а де Вокулёр – около 100 (км/c)/Мпк. Их выкладки абсолютно отличались и в деталях, и в шагах по лестнице космических расстояний. Все астрономическое сообщество крайне интересовалось результатами – ведь значение постоянной Хаббла задает масштабы нашей Вселенной. Красное смещение галактики легко измерить по ее спектру; зная постоянную Хаббла, мы могли бы преобразовать это красное смещение в меру расстояния.
Наконец, в 1980-е годы в это соревнование смело ввязались и различные молодые астрономы, введшие новые типы стандартных свечей и предложившие оптимизированные приемы наблюдения. Космический телескоп «Хаббл» разрабатывался отчасти и для того, чтобы дать ответы на эти вопросы: его работе не мешала атмосфера, поэтому аппарат, обладавший превосходной разрешающей способностью, позволял в точности измерять свойства переменных звезд-цефеид в галактиках, удаленных от нас на 30–40 миллионов световых лет. Команда под руководством Венди Фридман (которая много лет руководила обсерваториями Карнеги в Пасадене, там, где работал Сендидж) выполнила при помощи телескопа «Хаббл» исчерпывающую серию измерений. Ученые опубликовали результаты работы в 2001 году, сообщив, что H0 = 72 ± 8 (км/c)/Мпк, – это почти среднее значение между результатами Сендиджа и де Вокулёра. Интересно, что Рич Готт с коллегами в 2001 году оценили постоянную Хаббла, скомбинировав в своей статье все опубликованные к тому моменту измерения (полученные самыми разнообразными методами), и взяли медианное (среднее) значение: 67 (км/c)/Мпк. Медиана часто оказывается удивительно хорошим индикатором, поскольку она менее подвержена влиянию случайных значений, нежели простое среднее. Наилучшая оценка на сегодняшний день, полученная с использованием параметров реликтового излучения (РИ), найденных спутником «Планк», равна 67 ± 1 (км/c)/Мпк. Как будет рассказано в главе 23, эту цифру подтвердили и измерения в рамках Слоановского цифрового обзора неба, результат которых составил 67,3 ± 1 (км/c)/Мпк. В последнем случае комбинировались данные по РИ, сверхновым и скоплениям галактик.
Аллан Сендидж ушел из жизни в 2010 году в возрасте 84 лет, это был один из титанов в нашей научной сфере. В своей последней статье на рассматриваемую тему, написанной в 2007 году, он отметил, что значение постоянной Хаббла может лежать в диапазоне от 53 до 70 (км/c)/Мпк; то есть он хотел поддержать именно то значение, которое у нас получается сегодня.
Теперь, когда вопрос с постоянной Хаббла исчерпан, можно вернуться к обсуждению следствий закона Хаббла и расширению Вселенной.
Можно уподобить Вселенную колоссальному караваю хлеба с изюмом, который запекается в духовке. Галактики – это изюминки, а тесто – межгалактическое пространство. Когда хлеб поднимается (и тесто разбухает), все изюминки отодвигаются друг от друга, поэтому «с точки зрения» отдельной изюминки все остальные изюминки убегают от нее. Поэтому любая изюминка (галактика) может (ошибочно) заключить, что является центром всего пирога (Вселенной). Более того, некая изюминка, находящаяся на двойном расстоянии от первой изюминки, будет убегать от нее вдвое быстрее, чем ближняя, поскольку между ними будет нарастать вдвое больше мякиша. Изюмно-хлебная модель Вселенной подчиняется закону Хаббла.
Эта аналогия не идеальна. У хлеба с изюмом есть четко определенный центр (зная, где начинается корочка, можно найти и центр), а реальная Вселенная кажется бесконечной (насколько мы можем измерить) и у нее нет краев, ориентируясь на которые можно было бы найти ее центр. В главе 22 мы вернемся к вопросу о форме, или геометрии, Вселенной.
Согласно закону Хаббла, галактики, как правило, движутся прочь друг от друга – из этого следует вывод, что Вселенная расширяется. Означает ли это, что и отдельные галактики расширяются, и звезды в них удаляются друг от друга? Расширяется ли Солнечная система? Солнце? Сами наши тела? Люди, борющиеся с излишним весом, могли бы утвердительно ответить на последний вопрос, но на практике хаббловское расширение Вселенной прослеживается лишь в масштабе межгалактических расстояний. Галактики, как и изюминки, сами по себе не расширяются – расширяется именно пространство между ними. Те объекты, которые удерживаются в целости благодаря конкретным силам, например отдельные галактики, отдельные звезды, планеты и даже мы сами, не расширяются. На самом деле, даже Млечный Путь и галактика Андромеды связаны друг с другом силой гравитации, поэтому они летят навстречу друг другу, а не разлетаются. Именно поэтому галактика Андромеды – одна из немногих, которым присуще голубое смещение.
Мы уже упоминали, что Млечный Путь и галактика Андромеды столкнутся примерно через 4 миллиарда лет (еще до того, как наше Солнце сожжет весь водород в ядре и превратится в красный гигант). Однако расстояние между отдельными звездами в галактиках настолько огромно по сравнению с размерами самих звезд, что две галактики просто пройдут одна сквозь другую, и межзвездных столкновений при этом почти не будет. Поэтому в Голливуде вряд ли снимут блокбастер-катастрофу «Столкновение галактик» – хотя нет, эти могут. Сколько уже раз в фильмах устраивали форменное издевательство над научными фактами ради выразительных спецэффектов!
Если Вселенная в данный момент расширяется, а пространство между галактиками со временем увеличивается, это означает, что в прошлом галактики находились ближе друг к другу. Рассмотрим галактику, отстоящую от нас на расстояние d. Она удаляется от нас с некоторой скоростью в соответствии с законом Хаббла H0d. Если условно предположить, что эта скорость с течением времени не изменяется, то можно поставить вопрос: сколько времени потребуется галактике, чтобы преодолеть расстояние d? Иными словами, как давно эта галактика была прямо у нас над головой? Если я живу в 500 км от некоторого города и кто-то едет из этого города ко мне в гости со скоростью 50 км/ч, то он покроет это расстояние за время, вычисляемое про формуле 500 км/50 км/ч = 10 часов. В данном случае нас интересует, как давно галактика находилась прямо над нами. Промежуток времени t до этого момента времени равен расстоянию d, пройденному галактикой, деленному на ее скорость v (которая, по закону Хаббла, равна H0d):
t = d/v = d/(H0d) = 1/H0.
Этот результат кажется простым – на самом деле так и есть. Но он очень информативен. Обратите внимание: время t не зависит от расстояния d до галактики. Следовательно, для любой галактики мы получим один и тот же момент в прошлом, когда эта галактика должна была находиться прямо над нами. Кажется, что в какой-то давний момент все галактики были сосредоточены в одной точке. Но, исследуя этот вопрос подробнее, не будем забывать, что озвученный факт все равно не означает, что мы находимся в центре расширения; мы могли бы изложить точно такую аргументацию, но взять за «точку отсчета» любую другую галактику, и получили бы все тот же результат. Напрашивается вывод, что в какой-то момент истории Вселенной вся ее материя была сосредоточена в одной точке. Все «изюминки» были спрессованы воедино. И мы знаем, когда это было! 1/H0 времени назад. Вот еще одна причина, почему нас так интересует значение постоянной Хаббла. Эта постоянная позволяет узнать возраст Вселенной.
Давайте считать. Наилучшая оценка постоянной Хаббла, имеющаяся у нас сегодня, получена при помощи спутника Планк и составляет 67 (км/c)/Мпк, так что обратная величина 1/H0 равна 1/67 с х Мпк/км. Мегапарсек равен 3,086 × 1019 км, поэтому, подставив это значение для Мпк/км и разделив его на 67, находим, что 1/H0 равна 4,67 × 1017 с. Если перевести эту величину из секунд в годы, то получится, что все галактики были сосредоточены в одном месте примерно 14,6 миллиарда лет назад.
Этот момент времени называется «Большой взрыв». Сам термин предложил Фред Хойл в конце 1940-х годов. Хотя Хойл всю жизнь не признавал модель Большого взрыва и умер в убеждении, что идея ошибочна, термин с тех пор закрепился. В 1994 году Карл Саган, научный журналист Тимоти Феррис и телеведущий Хью Даунс, подобно Кальвину из приведенного ниже комикса, высказались, что концепция Большого взрыва настолько важная и основополагающая для современного понимания космологии, что она заслуживает более выразительного названия, чем «Большой взрыв». Они объявили международный конкурс, попросив зрителей предлагать альтернативные названия. Поступило более 13 000 версий, они рассмотрели все, а затем, совершенно сдавшись, признали, что «Большой взрыв» совсем неплох.
Закон Хаббла наводит на мысль, что когда-то давно, 14,6 миллиарда лет назад, вся Вселенная была сжата в одну точку и с тех пор расширяется. Расчеты времени, истекшего с момента Большого взрыва, были сделаны довольно грубо, и мы полагали, что каждая галактика движется с постоянной скоростью, но современная оценка, построенная на более сложных вычислениях, дает величину примерно 13,8 миллиарда лет. Есть ли смысл в этой оценке возраста Вселенной (ведь именно возраст нас и интересует)? Мы знаем возраст Солнечной системы в основном по измерению радиоактивного распада в лунных и метеоритных породах; он равен около 4,6 миллиарда лет. Это величина того же порядка, что и время расширения Вселенной, хотя она поменьше и поэтому звучит уютнее. Солнце и Солнечная система насыщены тяжелыми элементами, сформировавшимися при взрывах древних сверхновых, поэтому нельзя полагать, что Солнце сформировалось в числе первых звезд. Кроме того, мы рассказали, как можно определять возраст шаровых звездных скоплений, исходя из того, где на диаграмме Герцшпрунга – Рассела для этих скоплений находится точка ухода с главной последовательности: таким методом возраст древнейших шаровых скоплений оценивается в 12–13 миллиардов лет.