Расширение Вселенной можно проиллюстрировать замечательным примером. Представьте себе двумерных существ, двумериков, живущих на поверхности воздушного шарика. Нарисуем на нем галактики и поселим в них этих двумериков. Пусть они могут наблюдать в свои телескопы соседние галактики. Начнем теперь надувать шарик. Каждый двумерик-наблюдатель в своей галактике будет видеть, что другие галактики удаляются от него. Сам же центр расширения на поверхности шарика, то есть в Метагалактике двумериков, отсутствует.
Как уже говорилось, чем дальше находятся участки Вселенной, тем быстрее они от нас удаляются; галактики представляются нам такими, какими они были в далеком прошлом, поскольку свету, идущему от них, требуется время, чтобы до нас дойти. Таким образом, большие телескопы совершают, кроме всего прочего, путешествие в прошлое. Наблюдая все более далекие объекты, мы видим, как они разлетаются со скоростями, которые все ближе и ближе к непреодолимому барьеру - скорости света. Существуют квазары - объекты, крайне яркие и видимые на громадных расстояниях, - которые удаляются со скоростями в 285000 км/с, что лишь немного меньше скорости света, равной 300000 км/с.
Если бы мы могли увидеть какие-нибудь объекты, «приставленные к стенке скорости света», то они бы выглядели так же, как у истоков Вселенной. Но не все объекты, содержащиеся во Вселенной, можно будет когда-нибудь увидеть; свет от объектов, расположенных дальше определенного расстояния, так и не успевает дойти до нас, и они навсегда остаются скрытыми от наших взоров, так же как слишком далекое здание на поверхности Земли скрыто за горизонтом.
Но, если все галактики удаляются от нашей, не означает ли это, что Земля - центр Вселенной? Ответ по-прежнему отрицательный. Расстояния между любыми галактиками увеличиваются со скоростями, пропорциональными самим расстояниям, и человек, оказавшийся случайно в пределах другой галактики, обнаружит справедливость того же закона Хаббла. При этом его горизонт окажется смещенным, и он сможет увидеть то, что скрыто от нас, в то время как другие объекты, видимые с Земли, будут скрыты от него.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, присутствие вещества в пространстве приводит к искривлению последнего. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства, напоминающего искривленную поверхность Земли.
Передвигаясь на Земле в одном направлении, мы, в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх - вниз, или, точнее, зенит - надир. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения местоположения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. А можно ли взглянуть внутрь надувного шарика? Для этого пришлось бы выйти в четвертое измерение, чего никто делать не умеет и хотя можно использовать и шесть измерений, все мы, в конце концов, сходимся на том, что речь здесь идет лишь о некой игре слов, а всю физическую сторону этого вопроса вполне можно осознать, будучи, так сказать, нарисованными на поверхности такого воздушного шарика.
Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется; на шарике нет выделенных точек; площадь, на которой были выстроены солдаты, теперь представляет всю Вселенную; площадь эта весьма странная: выходим через калитку на север, а, возвращаясь, обнаруживаем, что появляемся на площади с южной стороны и т. д.
Рентгеновские лучи равномерно со всех сторон облучают Землю. Наблюдения показали, что они возникают всякий раз, как пыль, газ и звёзды, разрушенные гравитационными силами, поглощаются чёрной дырой. Чёрные дыры превосходят по массе все известные в мироздании тела. Из окружающей её окрестности чёрная дыра высасывает гигантские количества материи: в каждую минуту проглатывается масса, равная нашему земному шару. Столкновение частиц при этом рождает рентгеновское излучение. Почти все рентгеновские лучи приходят из далёкого прошлого, когда шло энергичное образование звёзд. Можно полагать, что чёрные дыры появились вскоре после первоначального взрыва, породившего нашу Вселенную, но до того как возникли первые звёзды. Вероятно, что сверхмассивные чёрные дыры стали в последующем центрами галактик. Уже определено более 30 галактик, заключающих в себе эти образования[i].
Мир галактик не только велик, но и разнообразен. Они резко различаются размерами, внешним видом и числом входящих в них звёзд, светимостью. Основоположником внегалактической астрономии, которая занимается этими вопросами, по праву считается американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953). Он доказал, что многие туманности на самом деле не что иное, как галактики, состоящие из множества звёзд. Он изучил свыше тысячи галактик и определил расстояние до некоторых из них. Среди галак галактик выделил три основных типа: спиральные, эллиптические и неправильные.
Более половины галактик - спиральные. В центре их находится яркое ядро (большое тесное скопление звёзд). Из ядра выходят спиральные, закручивающиеся вокруг него ветви, состоящие из молодых звёзд и облаков нейтрального газа. Все ветви лежат в плоскости вращения галактики. Поэтому она имеет вид сплющенного диска.
Эллиптические галактики на фотографиях выглядят как эллипсы с разной степенью сжатия. Примерно четверть из наиболее ярких галактик относится к их числу.
Неправильные галактики отличаются хаотической клочковатой структурой и не имеют какой-либо определённой формы. Хотя неправильные галактики самый немногочисленный класс галактик, исследование их очень важно. Астрофизика постоянно обнаруживает в них что-нибудь интересное: вспышка сверхновой в Большом Магеллановом облаке, открытия в туманности Тарантул.
Прокручивая ретроспективно киноленту о жизни Вселенной, мы могли бы увидеть, что было время, а именно около 25 млрд. лет тому назад, когда все галактики были собраны вместе в одной точке. Разумеется, к такой оценке нужно относиться с осторожностью и представлять, что она справедлива только по порядку величины. Во-первых, гравитационное притяжение непрерывно замедляет движение галактик; во-вторых, почти наверняка галактики сами образовались лишь примерно через миллиард лет после начала расширения. Но остается фактом, что Вселенная когда-то начинала свое развитие, будучи намного более плотной и, занимая область намного меньшую, чем в настоящее время; ее эволюцию можно сравнить разве что с гигантским взрывом глобального масштаба - с так называемым «Большим взрывом». Примечательно, что указанный масштаб времени, в общем, согласуется с результатами, полученными при исследовании эволюции звезд.
Наличие разбегания галактик в настоящее время требует предположения о том, что в прошлом вещество Вселенной было более плотным. Экстраполяция наблюдаемых скоростей на значительно более ранние периоды позволяет оценить время, когда это расширение началось в результате Большого Взрыва - около 25 млрд. лет назад. Известные на сегодняшний день законы физики позволяют воспроизвести достаточно правдоподобный сценарий расширения, начиная с нескольких тысячных секунды после Большого Взрыва (что происходило до этого, напр. предшествовало ли ему сжатие предыдущего цикла, на современном этапе развития естествознания не обсуждается, поскольку не может быть хотя бы косвенно проверено экспериментом).
Теория горячей Вселенной была первоначально разработана Г. А. Гамовым и др. для объяснения наблюдаемого химического состава Вселенной. Ведь первоначально все вещество представляло собой в основном водородную плазму, а затем, в эпоху так называемого нуклеосинтеза, образовались ядра более тяжелых химических элементов - различных изотопов гелия и лития. К ядрам водорода, которые представляют собой одиночные протоны, примешались также более сложные ядра дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Так в нашем мире появилось разнообразие химических элементов. Однако пройдет еще немало времени, прежде чем образуются первые звезды, в которых в процессе эволюции родится все многообразие химических элементов, наблюдаемых сегодня.
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Наш вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом, то есть к моменту времени, когда применение физических законов становится уже разумным. Спустя всего одну сотую секунды после начала космос занимал гораздо меньший объем, чем теперь, и был заполнен сжатым веществом при температуре в миллиарды градусов с плотностью в триллионы раз выше, чем плотность воды. В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы, которые были бы разрушены бурным тепловым движением. Расширение Вселенной происходило с очень большой скоростью. Через несколько минут расширение Вселенной и ее охлаждение достигли такой степени, что стало возможным образование атомных ядер. Спустя еще миллион лет температура упала ниже трех тысяч градусов, и началось образование атомов. Бросив взгляд вокруг себя в ту эпоху, мы увидели бы пространство, заполненное облаком из раскаленных газов и ослепляющим светом. Еще через миллиард лет началось образование галактик, звезд и стабильного вещества в современном виде.
Свет, излученный первоначальным газовым облаком, все еще бродит во Вселенной; претерпев сильные изменения при расширении Хаббла, он сейчас заметен только в виде микроволнового фона (так называемого «реликтового излучения»). Это самое древнее из всех известных свидетельств истории нашей Вселенной. Оно было обнаружено двумя астрофизиками из лаборатории фирмы «Белл телефон» Пензиасом и Уилсоном, удостоенными за свое открытие Нобелевской премии в 1978 г.