Большое космическое путешествие - страница 133
На этой карте есть Великая Слоановская стена галактик; когда мы с Марко Юричем измерили ее в 2003 году, оказалось, что длина ее составляет 1,37 миллиарда световых лет. На тот момент она считалась крупнейшей известной структурой во Вселенной. Она примерно вдвое длиннее Великой стены Геллер и Хукры. Но поскольку Великая стена Слоана втрое дальше, на карте она показана во втрое меньшем масштабе. Поэтому на карте Великая стена Слоана простирается примерно на две трети длины Великой стены Геллер и Хукры, тогда как на самом деле первая стена вдвое крупнее второй. В «Книге рекордов Гиннесса» за 2006 год Великая стена Слоана названа крупнейшей структурой во Вселенной. Я и не помышлял, что когда-нибудь найду собственное имя в «Книге рекордов Гиннесса», но мне даже не пришлось для этого съесть 68 хотдогов за 10 минут или скрутить самый большой клубок из бечевки! Рекорд продержался до 2015 года, когда при более глубоком обзоре удалось обнаружить еще более крупную стену.
На карте показан 3C 273 – первый квазар, расстояние до которого удалось измерить, об этом мы рассказывали в главе 16. Мы изобразили Субару – самую далекую галактику, известную на тот момент, а также GRB 090423 – источник гамма-всплесков, самый отдаленный объект, обнаруженный на тот момент (скорее всего, это сверхновая). В самом верху карты изображено реликтовое излучение, наиболее далекий феномен, который мы можем видеть. Я заинтересовался астрономией, когда мне было восемь. На тот момент не было известно ни одного тела из пояса Койпера (кроме Плутона), никаких экзопланет, пульсаров, черных дыр, гамма-всплесков, еще не было никаких наблюдений РИ. Эта карта демонстрирует, каких успехов достигла астрономия при жизни всего одного поколения.
Теперь давайте поговорим о крупномасштабной геометрии Вселенной. Когда Эйнштейн окончательно доработал уравнения общей теории относительности, он попытался применить их в космологии. Его уравнения описывают, как пространство-время искривляется под влиянием плотности энергии и давления. Одно из решений его уравнений – это плоское пустое пространство-время, но он хотел найти космологическое решение (такое, которое было бы применимо ко Вселенной в целом).
Рис. 22.3. Карта Вселенной. Иллюстрация сделана по материалам статьи J. Richard Gott, Robert J. Vanderbei, Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011
Рис. 22.3 (продолжение)
Рис. 22.3 (продолжение)
Существовала проблема: его уравнения не давали статического решения. Ньютон рассматривал стационарную Вселенную, где звезды заполняют бесконечное пространство более или менее однородно. Каждая звезда испытывает притяжение со стороны других звезд, но поскольку все эти силы одинаковы во всех направлениях, они компенсируются, и каждая звезда остается на своем месте. Получалась статическая модель, которую считали верным описанием Вселенной. Во времена Ньютона о галактиках ничего не было известно. Такая идея о разнонаправленных силах, которые действуют так, что гасят друг друга, могла работать в контексте абсолютного пространства, каким и представлял его Ньютон. Но если попытаться построить исходно статическую модель в теории Эйнштейна, взаимное притяжение всех галактик должно привести к коллапсу Вселенной. Но Эйнштейн также считал Вселенную статичной (как вы помните, Эйнштейн разработал общую теорию относительности в 1915 году, а работы Хаббла о природе галактик и расширении Вселенной появились лишь в следующем десятилетии). Эйнштейн знал лишь о звездах (из галактики Млечный Путь), а их скорости относительно скорости Солнца невелики по сравнению со скоростью света – и в первом приближении он считал их неподвижными. Чтобы решить эту проблему, Эйнштейн сделал крайне необычный шаг: добавил в свои уравнения дополнительный член! Он назвал его космологической постоянной, эта постоянная не дает Вселенной естественным образом схлопнуться под действием гравитации.
Сегодня физики бы сказали: Эйнштейн в данном случае предположил, что пустое пространство (вакуум) на самом деле обладает небольшой положительной энергией (впервые такое замечание сделал Жорж Леметр в 1934 году). Что это значит? Если убрать из вашей комнаты всю материю, которая там есть – людей, стулья, атомы воздуха, – а также избавиться от всех фотонов и других частиц, то в ней останется лишь пустое пространство, вакуум. Логично предположить, что плотность энергии вакуума должна быть нулевой. Но допустим, что пустое пространство обладает положительной плотностью энергии. В таком случае, если два астронавта, летящих на космических кораблях с разной скоростью, измерят плотность энергии и найдут, что она одинакова – ведь никакой привилегированной покоящейся системы отсчета существовать не должно, – то вакуум в таком случае также должен обладать отрицательным давлением, одинаково действующим по вес направлениям в пространстве. Такое давление вакуума должно иметь отрицательный знак (в противоположность плотности энергии). Напомню, что в уравнении ds = – dt + dx + dy + dz член, соответствующий времени (-dt), противоположен по знаку тем трем членам, которые обозначают три измерения пространства. Это уравнение для ds имеет такой же вид и для движущегося астронавта. Для него нет предпочтительной систем отсчета, соответствующей покою. Аналогично, нет ее и в вакууме, обладающем положительной плотностью энергии (которая в теории Эйнштейна связана с временным измерением) и равновеликим отрицательным давлением, действующим в направлениях x, y и z. Теперь, если бы удалось поместить немного такого вакуума в коробку, то его отрицательное давление тянуло бы стенки коробки друг к другу и она бы стремилась схлопнуться. Но при его однородном распределении этот эффект был бы незаметен. Метеорологи знают, что разница давлений создает тягу: поднимается ветер, опрокидывающий предметы. Но если давление однородно, это незаметно. Атмосферное давление у вас в комнате составляет примерно 760 мм рт. ст., но вы его не замечаете. Поскольку давление однородно, вас не носит по комнате. Аналогично, поскольку давление вакуума однородно во всем пространстве, оно не дает никаких гидродинамических сил, однако оказывает гравитационное воздействие.
