Первый и наиболее фундаментальный результат: мы убедились, что материя везде одинакова. Более того, на нее везде действуют одни и те же законы.
Второе: мы обнаружили иерархическую структуру материи. Куда бы мы ни посмотрели, везде видны звезды. Обычно они стремятся собираться в галактики, содержащие от нескольких миллионов до нескольких миллиардов звезд. У нашей звезды, Солнца, есть «свита» из планет и лун, а также комет, астероидов, красивых колец Сатурна и всякого космического мусора. Юпитер — самая большая планета, вес которой порядка одной тысячной веса Солнца, тогда как вес Земли — примерно три миллионных веса Солнца. Хотя масса планет и лун весьма скромна, эти небесные объекты особенно дороги нашему сердцу. Ведь на одной из планет мы живем, а возможно, кто-нибудь живет и на других — если не в нашей Солнечной системе, то где-то еще. Астрономы давно предполагали, что планеты есть и у других звезд, но только недавно появилась аппаратура, помогающая их обнаружить. Уже открыты сотни планет вне Солнечной системы, и поступают сообщения о все новых и новых открытиях.
И наконец, третье: выяснилось, что вещество почти однородно распределено по пространству. По всем направлениям и на всех расстояниях мы обнаруживаем примерно одинаковую плотность галактик.
Ниже мы уточним и несколько расширим эти три фундаментальных вывода — главным образом, чтобы рассказать о Большом взрыве, темной материи и темной энергии. Но основная идея не меняется: одинаковая и одинаково организованная материя в невероятном изобилии распределена по всей видимой Вселенной.
Вероятно, теперь вам хочется узнать, как астрономы пришли к столь многообещающим выводам. Постараемся разобраться в этом, опираясь на некоторые методы определения размеров и расстояний.
Не сразу понятно, как измеряются расстояния до очень далеких объектов. Очевидно, что на небе нельзя приложить линейку или растянуть рулетку, не получится и снять показания с радиомаяков. Вместо этого астрономы используют бутстрап-метод[14], известный как шкала расстояний. Слово «шкала» происходит от латинского scala, что в переводе означает «лестница». Поднимаясь по ступенькам астрономической лестницы, мы переходим ко все большим расстояниям. Знания, приобретенные на одной ступеньке этой лестницы, готовят нас к переходу на следующую.
Начнем с изучения расстояний в непосредственной близости от Земли. С помощью похожих на систему GPS приборов — тех, которые отражают падающий на них свет (или радиосигналы) и измеряют время прохождения сигнала, — можно получить данные о расстояниях на Земле и расстояниях от нее до других объектов Солнечной системы. Для этого есть несколько изощренных, хотя и не очень точных методов, придуманных еще древними греками. Для наших целей достаточно сказать, что все они дают согласованные результаты. Сама Земля — почти идеальная сфера, радиус которой примерно 6400 километров. Сейчас, во времена воздушных путешествий, представить себе такое расстояние легко. Оно приблизительно равно расстоянию между Нью-Йорком и Стокгольмом или чуть больше расстояния между Нью-Йорком и Шанхаем.
Расстояния можно определять и по-другому — а именно через время, за которое световой луч их проходит. Для расстояния, равного радиусу Земли, это время составляет примерно одну пятидесятую секунды. Так что можно сказать, что радиус Земли равен одной пятидесятой световой секунды. Этот способ измерения очень подходит для астрономии и космологии и широко используется в этих науках.
На более высоких ступеньках астрономической лестницы-шкалы расстояния удобнее измерять не в световых секундах, а в световых годах. Для сравнения сначала скажем, что радиус Земли составляет около одной миллиардной светового года. Не забывайте это крохотное число, когда мы продвинемся дальше в изучении мира. Скоро он расширится до сотен, миллионов и, наконец, миллиардов световых лет.
Следующее важное для нас расстояние — от Земли до Солнца. Оно равно примерно 150 миллионам километров, что составляет восемь световых минут или 15 миллионных светового года. Примечательно, что расстояние от Земли до Солнца примерно в 24 тысячи раз больше радиуса Земли. Это впечатляющее число указывает, что даже внутри Солнечной системы Земля, не говоря уже о человеке, действительно «всего лишь песчинка»[15].
Поскольку размер орбиты вращения Земли вокруг Солнца известен, с помощью геометрии Евклида можно сразу определить расстояния до сравнительно близких звезд. Благодаря движению Земли вокруг Солнца эти звезды за год заметно меняют положение на небе. Этот эффект известен как параллакс. Наше бинокулярное зрение использует параллакс для оценки расстояния до существенно более близких объектов, которые наши два глаза видят под разными углами. Космический телескоп, установленный на спутнике Hipparcos[16] и действовавший с 1989 по 1993 год, использовал параллакс для каталогизации расстояний примерно до сотни тысяч близких звезд.
По меркам межзвездного пространства наша Солнечная система — маленькое уютное гнездышко. Расстояние до Проксимы Центавра примерно в полмиллиона раз превосходит расстояние от Земли до Солнца.
Основной метод, позволяющий продвигаться вверх по лестнице космических расстояний, опирается на упомянутый выше факт: куда бы мы ни посмотрели, везде обнаружим однотипные объекты и материю. Если удается выявить класс объектов с одинаковой истинной яркостью, мы говорим, что эти объекты дают нам в руки «стандартную свечу». Когда расстояние до одной стандартной свечи известно, расстояние до любой другой мы можем определить, просто сравнивая их наблюдаемые яркости. Например, если один из источников света в два раза дальше другого, нам будет казаться, что его яркость в четыре раза меньше.
Напрашивается вопрос: как убедиться, что объекты, которые мы видим в разных отдаленных местах, будут иметь ту же яркость, если к ним приблизиться? Основная идея состоит в том, что мы ищем класс объектов, обладающих большим числом общих свойств, и, надеясь на лучшее, проверяем их согласованность. Простой пример иллюстрирует этот подход и показывает подстерегающие нас ловушки.
В целом звезды слишком разные, чтобы служить стандартными свечами. Так, звезда Сириус A примерно в двадцать пять раз ярче нашего Солнца, а вот его звезда-компаньон, белый карлик Сириус B, примерно в сорок раз менее ярок, хотя обе звезды, с точки зрения астрономов, находятся приблизительно на одном расстоянии от Земли[17]. Гораздо правильнее сравнивать звезды одного цвета, или, точнее, звезды с одинаковым электромагнитным спектром[18]. Когда мы сравниваем идентичные звезды, разумно предположить, что их разная яркость связана с тем, что расстояния до них разные. Теория физики звезд, которая объясняет многие их наблюдаемые свойства, предсказывает именно это. Но как это проверить? Один из способов — найти компактную группу близких друг к другу звезд. Наглядный пример — скопление Гиады, где их сотни. Если звезды с похожим спектром обладают схожей истинной яркостью, то такие две звезды из одного скопления будут казаться одинаково яркими. Главным образом так и находят стандартные свечи.
Профессиональные астрономы должны учитывать и другие факторы — например, влияние звездной пыли. Эта пыль поглощает свет, вследствие чего объекты могут казаться более далекими, чем они есть. Надеюсь, коллеги простят меня за то, что я не останавливаюсь подробно на подобных технических деталях, не меняющих основную идею.
Можно продолжать подниматься по нашей «космической лестнице» и с помощью различных стандартных свечей добраться от ближайших объектов до границ видимой Вселенной. Некоторые из этих свечей больше подходят для сравнительно близких объектов, другие — для очень далеких. Главное проверять, все ли они дают согласующиеся результаты.
Упоминавшийся выше каталог Hipparcos — устойчивая ступенька, позволяющая сделать следующий шаг вверх. Поскольку мы знаем, что истинная яркость похожих звезд одинакова, теперь уже эти звезды можно использовать, чтобы определить расстояния до скоплений, расположенных так далеко, что их параллакс наблюдать не удается.
Так мы смогли исследовать собственную Галактику — Млечный Путь. Оказалось, что звезды Млечного Пути образуют довольно плоский диск с утолщением — балджем (от английского слова bulge, что значит выпуклость) — посередине. И мы измерили диаметр Млечного Пути, который равен примерно ста тысячам световых лет.
Цефеиды — пульсирующие яркие звезды. Генриетта Ливитт (1868–1921), много занимавшаяся изучением цефеид в Магеллановых Облаках, установила, что цефеиды, пульсирующие с одинаковой скоростью, имеют одинаковую яркость и, таким образом, могут служить стандартными свечами. Цефеиды относительно легко обнаружить. Расстояния до многих галактик астрономы измерили, используя именно их.
В распределении галактик нет регулярности. И все же типичное расстояние между галактикой и ее ближайшим большим соседом определить можно. В среднем межгалактические расстояния составляют порядка нескольких сотен тысяч световых лет. В отличие от звезд и планет, которые практически всегда удалены от соседей на расстояние, во много раз превышающее их размеры, характерное расстояние между галактиками не так уж велико в сравнении с размерами самих галактик.
Есть еще несколько полезных стандартных свечей, да и в структуре галактик гораздо больше интересных деталей. Это богатство астрономии добавляет глубины картине, нарисованной мною пунктиром, и подкрепляет концепцию, на которой она зиждется. Но поскольку моя цель — лишь рассказать об основах, нам пора двигаться вперед — к самым дальним границам Вселенной.
Космический горизонт
В своих первых исследованиях Эдвин Хаббл (1889–1953), основываясь главным образом на наблюдениях за цефеидами, сделал фундаментальное открытие, имевшее большие последствия. Изучая характер света, идущего от дальних галактик, он обнаружил, что их спектры сдвинуты в сторону б