Аналогично, если звезда приближается к вам, наблюдаемые световые волны «уплотняются» и мы видим свет более высокой частоты, соответствующей чуть более голубому цвету. Если та же звезда удаляется от нас, частота кажется нам более низкой, цвет – красноватым. Из наблюдения крохотного сдвига цвета можно вывести скорость звезды, даже если вы не знаете, на каком она расстоянии.
К началу XX в. астрономы поставили много экспериментов по измерению так называемых лучевых скоростей звезд (скоростей сближения с нами или удаления от нас вдоль линии взгляда). В случае спиральной туманности это гораздо более сложная задача. Туманность не является четко ограниченной крапинкой света, как звезда. Это размытая клякса – причем довольно бледная. Однако Слайфер справился с задачей. Астрономы в других обсерваториях последовали его примеру.
Если бы вы могли измерить скорости всех неотложек в окрестностях, то ожидали бы, что примерно половина из них будет сближаться с вами и другая половина удаляться от вас. В противном случае пришлось бы сделать вывод, что вы находитесь в нестандартной ситуации. Например, на месте крупной аварии большинство машин скорой помощи будут ехать к вам (согласно вашим расчетам). Но в произвольном положении вы должны будете слышать столько же высоко звучащих сирен, сколько и низко звучащих.
Можете представить, как удивились Слайфер и его коллеги, обнаружив, что все спиральные туманности, которые им удалось наблюдать, удаляются (за одним исключением, к которому я еще вернусь). Во всех случаях свет, наблюдаемый с Земли, имел более низкую частоту, соответствующую более красному цвету. Иначе говоря, все туманности имели красное смещение. Это было совершенно невероятно – напрашивался вывод, что Земля занимает какое-то особое положение во Вселенной.
Прежде чем мы двинемся дальше, вам следует понять, что красное смещение – чрезвычайно слабый эффект. Туманность Водоворот не имеет багряного оттенка. Частотный сдвиг и соответствующий сдвиг длины волны (или цвета) слишком малы, чтобы их можно было различить на глаз. Астрономам приходится с высокой точностью измерять определенные характеристики света туманности. Например, горячий водород, как известно, излучает красный свет длиной волны 656 нм (0,000656 мм), а в некой спиральной туманности эта эмиссия может наблюдаться, скажем, на 658 нм. Однако это крохотное смещение свидетельствует о скорости удаления порядка 900 км/с.
Итак, загадка: все спиральные галактики удаляются, причем быстро. Никто не мог найти объяснение вплоть до конца 1920-х гг., когда его предложил американский космолог Эдвин Хаббл. Вам наверняка знакомо это имя – космический телескоп «Хаббл» назван в его честь.
Ранее, в 1924 г., Хаббл доказал, что спиральные туманности не являются частями Млечного Пути. Это «острова Вселенной» – как говорили астрономы в те времена – самостоятельные галактики, вмещающие миллиарды звезд. И вот в 1929 г. Хаббл совершил поразительное открытие. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути. Соседние галактики улетают от нас со средними скоростями, далекие – с гораздо более высокими.
Разумеется, у Хаббла не было достаточно точных данных о расстояниях до других галактик, но он выдвинул обоснованные предположения. Если звезды (или светящиеся облака газа) кажутся более яркими в галактике А, чем в галактике Б, есть все основания полагать, что галактика Б находится дальше. Тенденция ясна: более дальняя галактика – более высокая скорость удаления, очень далекая галактика – очень высокая скорость удаления.
В 1927 г. бельгийский священник-иезуит и астроном Жорж Леметр первым сделал верный вывод. Занимаем ли мы совершенно особое положение во Вселенной? Нет. Другие галактики загадочным образом разлетаются от Млечного Пути? Нет. Мы действительно измеряем скорости удаления? Нет. В действительности само пространство расширяется в соответствии с одним частным решением релятивистских уравнений Альберта Эйнштейна. Леметр справедливо считается отцом теории Большого взрыва.
Я попробую объяснить происходящее на примере кекса с изюмом. Это хорошо известное и широко используемое сравнение, я даже не смог выяснить, кто его автор. Итак, поставим мысленный эксперимент (вы, конечно, можете провести его на самом деле, но это необязательно, разве что вы большой любитель кексов с изюмом).
Прежде чем поставить кекс в духовку, приготовим его особым образом – так, чтобы все изюминки располагались в тесте строго равномерно, каждая на расстоянии 1 см от ближайших. Это означает, что все изюминки находятся в вершинах воображаемой пространственной решетки, состоящей из кубиков размером 1×1×1 см каждый. Убедитесь, что ясно представляете себе эту картину.
Теперь включаем духовку. Поскольку мы используем супертесто (это же мысленный эксперимент), кекс бурно поднимается. Всего за час выпекания его размер увеличивается в два раза. Таким образом, через час каждая изюминка оказывается в 2 см от соседних.
Представьте, что вы находитесь в одной из изюминок. Сначала до вашей соседки 1 см, но после выпекания расстояние составляет уже 2 см. За один час оно увеличилось с 1 см до 2 см. Иными словами, во время пребывания в духовке вы наблюдаете, как ближайшая изюминка удаляется от вас со скоростью 1 см/ч.
Однако следующая изюминка в ряду первоначально была от вас в 2 см, а оказалась в 4 см. Кажется, что она перемещается на 2 см в течение часа. Аналогично более удаленная изюминка, до которой было 10 см, также окажется в два раза дальше – вы увидите, что она проходит 10 см за час.
Соседняя изюминка: малая скорость удаления. Более дальняя изюминка: более высокая скорость удаления. Очень далекая изюминка: очень высокая скорость удаления. Именно то, что обнаружил Хаббл.
Необходимо понять одну вещь. Совершенно не важно, в какой изюминке вы находитесь. Картина одинакова, из какой точки кекса на нее ни смотри. Никакая изюминка не занимает особого положения. Все и каждая «видят», как остальные улетают от них. Аналогично галактика Млечный Путь не занимает особого положения во Вселенной. В любой другой галактике, будь то Андромеда, Водоворот или NGC 474, инопланетные астрономы наблюдали бы точно такую же картину.
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.