Есть еще методы определения возраста Вселенной, но они позволяют найти лишь возраст нашей Галактики, но т.к. хорошо известно насколько Вселенная старше Галактики то эти методы весьма надежны. В одном из методов используются гигантские скопления звезд, так называемые глобулярные скопления, которые окружают нашу Галактику. Ученые Герцшпрунг и Рессел создали график зависимости абсолютной яркости от температуры поверхности звезд и на этом основании сделали вывод, что возраст глобулярных скоплений от 8 до 18 млрд. лет, значит Вселенной должно быть не больше 10 млрд. лет.
Есть метод, заключающийся в наблюдении скоростей распада различных радиоактивных веществ. Мерой скорости этого процесса служит так называемый период полураспада – время, течение которого распадается половина ядер данного вещества. Измеряя периоды полураспада атомов радиоактивных элементов в Солнечной системе, можно определить ее возраст, а на его основе – возраст нашей Галактики, и вновь результаты указывают, что Галактике больше 10 млрд. лет. Сотрудник Чикагского университета Дэвид Шрамм и некоторые другие ученые применили ряд методов определения возраста Галактики, а затем обработали результаты для получения наиболее вероятного значения. Таким образом, они получили оценку 15-16 миллиардов лет. Но и это убедило отнюдь не всех. Гарри Шипмен из университета Делавэра недавно провел исследование эволюции белых карликов и определил их число в нашей Галактике; теперь он утверждает, что Млечному Пути не более 11 миллиардов лет. С его выводами согласны Кен Джейнс из Бостонского университета и Пьер де Марк из Йеля. Они внимательно изучили методику определения возраста глобулярных скоплений на основе графиков зависимости светимость — температура и пришли к выводу, что учет погрешностей в наблюдениях звезд, а также некоторых теоретических допущений позволяет снизить оценку их возраста до 12 миллиардов лет.[5]
Сегодня ученые с уверенностью могут утверждать лишь то, что возраст Вселенной составляет от 10 до 20 миллиардов лет. Это значит, что около 10-20 миллиардов лет назад произошел колоссальный взрыв, в результате которого произошло рождение нашей Вселенной.
Большой Взрыв
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Этот вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом, т.е. к моменту времени, когда применение физических законов становится уже разумным.
Спустя всего одну сотую секунды после начала, космос занимал гораздо меньший объем, тем 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. Итак, если отправной точкой мы будем считать десятитысячную долю секунды после самого начала, то из проделанных вычислений следует, что радиус кривизны Вселенной в этот момент равнялся примерно одной тридцатой части светового года, т.е. 300 миллиардов километров, что в 1000 раз превышает размеры Солнечной системы.[6] Хотя это и колоссальная величина, но она ничтожна по сравнению с размерами современной Вселенной, таким образом вещество находилось в крайне сжатом состоянии с плотностью в тысячи миллиардов раз больше, чем плотность воды и при чрезвычайно высокой температуре порядка одного триллиона градусов. Чем же был заполнен космос в эти мгновения? Напомним, что температура газа представляет собой не что иное, как меру средней энергии составляющих его частиц. Если эти частицы попытаться нагреть до триллиона градусов, то они будут сталкиваться друг с другом с такой силой, что атомы разобьются на ядра и электроны; в свою очередь ядра разобьются на нейтроны и протоны, из которых они состоят. Более того, энергия разлетающихся частей будет столь высока, что сможет материализоваться согласно формуле E= mc2 и привести к появлению вещества – антивещества (пар мюонов и электрон-позитных пар).
Космические соударения сначала происходят в неистовом ритме, который со временем затихает; в конце концов, столкновения становятся совсем редкими. Расширяясь, Вселенная охлаждается со скоростью, обратно пропорциональной ее радиусу. В свою очередь радиус Вселенной увеличивается как корень квадратный из прошедшего времени; так, например, при увеличении времени от одной до четырех секунд радиус Вселенной увеличится в два раза, в то время как температура уменьшится вдвое. По прошествии одной секунды после начала пропадают мюоны, и начинается образование более стабильных ядер (главным образом ядер гелия, или a-частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов). В течение последующих трех минут нуклеосинтез по существу заканчивается. Спустя четверть часа после начала радиус вселенной достигает 100 световых лет, а температура равна 300 млн. градусов, что сравнимо с температурой наблюдаемой при термоядерных взрывах. С этого момента наблюдается более медленное охлаждение Вселенной наряду с ее расширением, и пройдет еще миллион лет, прежде чем произойдет новый качественный скачек в картине развития Вселенной. Температура при этом упадет до четырех тысяч градусов, и свободные электроны начнут рекомбинировать с ядрами, образуя атомы, которые, наконец, будут способны противостоять уменьшившемуся уровню тепла.
Что бы мы увидели, если бы могли окинуть взглядом пространство в ту далекую первоначальную эпоху? Яркость равномерного свечения неба всего в десять раз меньше, чем у поверхности Солнца (что очень близко к яркости свечения солнечных пятен, в сою очередь сравнимой с яркостью дуговой лампы). Жара, как в аду, поддерживает вещество в возбужденном состоянии, не давая ему конденсироваться. После образования атомов вещество становиться прозрачным для света, и свет блуждает в течение миллиардов лет по всей Вселенной вплоть до наших дней. Почему же мы его не видим? Ответ состоит в том, что его все-таки удалось увидеть, хотя и не в виде света в обычном смысле, о чем мы уже говорили ранее, речь идет о так называемом реликтовом излучении. Оно представляет собой самое древнее из имеющихся свидетельств нашей эволюции; оно было испущено, когда прошло менее одной тысячной доли всей жизни Вселенной.
Существуют ли причины, кроме простого любопытства, по которой следует определять различные численные характеристики «сверхварева» вещества, появившегося вслед за Большим Взрывом? Вот одна из них.
Из вычислений следует, что оставшийся «пепел» должен был состоять примерно на три четверти из водорода; остальная часть – это гелий и очень малые примеси более тяжелых элементов. Не случайно, что такой же начальный состав галактического вещества получается и из данных об эволюции звезд. Кроме того, в этом месиве должен был присутствовать тяжелый изотоп водорода – дейтерий, относительно легкий по сравнению с другими ядрами. По всей видимости, дейтерий не может создаваться в горниле звездных печей, где он бы сразу превращался в гелий или, так или иначе, разрушался. Поэтому встречающийся в настоящее время дейтерий (даже в стенах домов) должен был сохраниться со времени Большого Взрыва. Если Вселенная действительно была тогда очень плотной (настолько, чтобы быть замкнутой), то, как показывают расчеты, частные столкновения дейтронов (ядер дейтерия) с другими ядрами чрезвычайно быстро привели бы к их разрушению.
Таким образом, обнаружение значительного количества дейтерия в нынешней Вселенной указывало бы на малую плотность вещества в ней, т.е. на то, что Вселенная открыта. Наблюдения нашей Галактики, судя по всему, подтверждают существование межзвездных облаков, состоящих из дейтерия, что говорит в пользу модели открытой Вселенной, по крайней мере, временно, поскольку не исключена возможность, что будет обнаружен способ образования дейтерия в звездах, противоречащий нашим рассуждениям.
Когда же появились Галактики? После отрыва излучения от вещества Вселенная по-прежнему состояла из довольно однородной смеси частиц и излучения. В ней уже содержалось вещество, из которого впоследствии образовались галактики, но пока его распределение оставалось в основном равномерным. Известно, однако, что позже наступил этап неоднородности, иначе сейчас не было бы галактик. Но откуда же взялись флуктуации, приведшие к появлению галактик?
Астрономы полагают, что они проявились очень рано, практически сразу же после Большого взрыва. Что их вызвало? Точно неизвестно и, может быть, никогда не будет известно наверняка, но они каким-то образом появились практически в самый первый момент. Возможно, поначалу они были довольно велики, а затем сгладились, а может быть, наоборот, увеличивались с течением времени. Известно, однако, что по окончании эпохи излучения эти флуктуации стали расти. С течением времени они разорвали облака частиц на отдельные части. Эти гигантские клубы вещества расширялись вместе с Вселенной, но постепенно стали отставать. Затем под действием взаимного притяжения частиц начало происходить их уплотнение. Большинство этих образований поначалу медленно вращалось, и по мере уплотнения скорость их вращения возрастала.
Турбулентность в каждом из фрагментов была весьма значительна, и облако дробилось еще больше, до тех пор, пока не остались области размером со звезду. Они уплотнялись и образовывали так называемые протозвезды (облако в целом называется протогалактикой). Затем стали загораться звезды и галактики приобрели свой нынешний вид.
Эта картина довольно правдоподобна, но все же остается ряд нерешенных проблем. Как, например, выглядели ранние формы галактик (их обычно называют первичными галактиками)? Так как пока ни одна из них не наблюдалась, сравнивать теоретические построения не с чем.