ВТІШНИЙ ПРОГНОЗ ДЛЯ ЗЕМЛЯН НА НАЙБЛИЖЧІ... П'ЯТЬ МІЛЬЯРДІВ РОКІВ
Ми живемо в епоху, коли астрономія як основоположна світоглядна наука переживає бурхливий розквіт. За допомогою потужних оптичних і радіотелескопів, цілого сімейства позаатмосферних приладів, що обертаються на навколосонячних та навколоземних орбітах і звідти передають на Землю унікальну астрофізичну інформацію, вчені здатні спостерігати космічні об'єкти і структури, що перебувають майже на межі Метагалактики (видимої сфери Всесвіту).
Так, у 2009 році група зарубіжних астрономів виявила на фотографіях, переданих орбітальним телескопом ім. Габбла, скупчення галактик, світло від яких летіло до нас понад десять мільярдів років. Це скупчення сформувалося в початковий період виникнення сущого, воно складається з галактик першого покоління. Тому такі об’єкти й структури надзвичайно цікаві для науки. Вони дають змогу зазирнути в далеке «дитинство» нашого Всесвіту.
Основні параметри Всесвіту
Новітні дослідження дозволили вченим розробити Стандартну модель світобудови, яка цілковито узгоджується із загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна (теорією гравітації). Основна фабула Стандартної моделі космології щоразу підтверджується результатами нових спостережень і розрахунків. 15–20 років тому вік сущого, тобто його виникнення внаслідок так званого Великого Вибуху (ВВ), визначався цифрами, м'яко кажучи, не надто точними: від дев'яти до 20 млрд років. Нині в Стандартній моделі — набагато конкретніші цифри.
Які оцінки інших основних параметрів Всесвіту? Таким, як і вік, є радіус видимої його сфери, себто Метагалактики,— 13,7 ± 0,2 млрд світлових років. Та оскільки всі ці майже 14 млрд років, поки до нас летів сигнал «з околиць» Метагалактики, Всесвіт розширювався з прискоренням, його фактичний розмір у нашу епоху, з урахуванням цього космологічного розширення, становить 93 млрд світлових років.
Наведемо уточнені дані й про «матеріальну базу» Всесвіту. Згідно зі Стандартною моделлю, кількість баріонної матерії (тобто звичної нам маси/енергії, що складається з протонів, нейтронів, електронів, інших відомих елементарних часток і випромінювання) становить приблизно 3,6% загальної маси/енергії. Кількість так званої темної маси, тобто такої, що не взаємодіє з відомою нам речовиною, тому не можемо її спостерігати,— 22%. Кількість так званої темної енергії, що прискорює розширення Всесвіту в нашу епоху,— 74%. Залишок (0,4%) належить реліктовому космічному випромінюванню, що залишилось після Великого Вибуху і проймає космічний простір у всіх напрямках.
Слід усвідомлювати, що ці параметри, напевно, не остаточні, їх прискіпливо перевіряють і уточнюють в міру розробки нових і вдосконалення вже діючих методик і технологій спостережень. Адже Космос ще не розкрив допитливим землянам своїх таємниць. І навряд чи коли-небудь усі розкриє... Але загальна картина світобудови за Стандартною моделлю виглядає стрункою і переконливою. Хоча тепер наука розглядає й інші нестандартні космологічні моделі.
Зупинімося на таких складових Стандартної моделі як темна маса і темна енергія, що утвердились в науці переважно у XXI ст.
Від гіпотези— до теорії
Ще на початку 30-х років минулого століття астрономи на підставі спостережень й математичних розрахунків дійшли висновку, що в природі, крім знаної нами речовини й енергії, має існувати певна невидима субстанція, котра виявляє себе лише тяжінням. Ця гіпотеза була підтверджена в 70-ті роки, а на початку XXI ст. одержала високий статус теорії. Астрономи підрахували, що вся матерія, з якої складаються галактики і зорі, планети і комети, інші космічні тіла, міжзоряні й міжгалактичні газопилові хмари, а також випромінювання,— все це становить, як було сказано, менш ніж 4% наявної у Всесвіті загальної маси/енергії.
До цих невеликих відсотків входить і так звана прихована маса, тобто баріонна речовина, яку вчені давно «взяли на облік», але яку ми не бачимо наявними приладами. До прихованої маси належать, приміром, залишки зірок, у яких після витрати запасів водню й інших «горючих» елементів припинилися реакції синтезу, й ці зорі «згасли», а також ще не видимі нами планети в інших зоряних системах й дрібніші об'єкти, так звані чорні діри й інші космічні тіла й випромінювання, що нині не доступні для спостережень. Проте вони складаються з відомої нам баріонної матерії й перебувають у процесі її загального всесвітнього кругообігу відповідно до фундаментального фізичного закону збереження і перетворення маси та енергії.
Темна маса — зовсім інша субстанція. Сучасні астрономи вважають, що окремі галактики, їхні групи і скупчення занурені в невидимі гало (як у своєрідні кокони), утворені загадковою темною масою. Повторимо: підраховано, що темної маси є 22% усієї маси/енергії Всесвіту, тобто більш ніж у п'ять-шість разів, ніж звичної баріонної матерії.
Як відомо, критерієм істини є практика. Подібні розрахунки недавно підтверджено. Міжнародна група астрономів дослідила унікальні фотографії надскупчення галактик у сузір'ї Лева — на відстані 2,6 млрд світлових років від нас. Знімки зроблено космічним телескопом ім. Габбла. Виявилось: наявна конфігурація галактик у надскупченні та характер їхньої взаємодії могли сформуватися лише під впливом тяжіння великої маси темної матерії. На жаль, ми не можемо її досліджувати, бо ця субстанція виявляє себе лише гравітаційно і у великих масштабах. Учені обґрунтовано припускають, що темна маса складається з не відомих до цього часу елементарних часток, які не беруть участі в сильній ядерній взаємодії. Вони вважають, що частки темної маси, напевно, мають бути стабільними, в усякому разі довговічними.
У попередній нашій публікації на астрономічну тему («Про «канали» на Марсі...» — «ДУ» від 13.11.2009 р.) ми розповіли про нову фізичну теорію суперструн (яку називають М-теорією), що тепер успішно розробляють. Нова теорія покликана справдити давню мрію фізиків про створення єдиної теорії поля і взаємодій, котра об'єднала б загальну теорію відносності Альберта Ейнштейна і квантову механіку Макса Планка.
Згідно з новою теорією, частки маси/енергії, які ми називаємо елементарними (тобто неподільними), насправді на ультрамікроскопічному рівні складаються із так званих суперструн — крихітних одновимірних петельок, що вібрують. Вид (тобто якість) елементарних часток залежить від форми петельок (вона може бути замкнутою і незамкнутою), амплітуди, частоти та інших характеристик вібрації. Новітні дослідження на Великому андронному колайдері, що на кордоні Франції та Швейцарії, ймовірно, зроблять вагомий внесок у з'ясування цієї складної наукової проблеми.
Виходячи з М-теорії, обґрунтованим є припущення, що фізичні характеристики суперструн, із яких складається темна маса, суттєво відрізняються від характеристик суперструн — складових відомих елементарних часток. Тому між ними не виникає взаємодії. Тобто вони для нас залишаються недоступними для спостереження.
Підсумуємо: загальної маси у Всесвіті (баріонної й темної) разом є близько 26%. Як бачимо, до 100 відсотків далеко... На початку наших міркувань було зазначено, що 74% наявної матерії становить так звана темна енергія. Спинімось на цій тезі детальніше.
Звідки виникає прискорення?
У перші десятиліття XX ст. учені виявили, що далекі галактики та їхні скупчення не стоять на місці, а «розбігаються», віддаляючись як від нас, так і одне від одного. Це свідчило про те, що Всесвіт не є стаціонарною системою, як до того вважалось багато століть, а безперервно і стрімко розширюється. Американський вчений Едвін Габбл у 1929 р. визначив закономірність розширення: чим далі від нас перебуває скупчення галактик, тим швидше віддаляється. Тобто в нашу епоху Всесвіт розширюється не з постійною швидкістю, а з прискоренням. Цей феномен названо Законом Габбла.
Який механізм цього найграндіознішого природного процесу? Яка сила прискорює рух груп і скупчень галактик, змушуючи їх «розбігатися» одна від одної? Чи завжди Всесвіт розширювався з прискоренням? На ці складні й світоглядні питання наука почала давати чіткі відповіді лише в останні десятиліття. Так, у 1998-1999 рр. було відкрито так звану темну енергію. Вчені з'ясували, що вона діє як антигравітація, тобто є силою, протилежною тяжінню,— силою відштовхування. Для виявлення і вивчення темної енергії було використано найбільші наземні рефлектори і знову-таки орбітальний телескоп «Габбл».
Річ у тім, що прискорення або уповільнення руху далеких космічних об'єктів і структур визначається за величиною зміщення спектральних ліній у спектрах випромінювання їхніх хімічних елементів. Якщо небесне тіло до нас наближається, спектральні лінії зміщуються у бік ультрафіолетового діапазону електромагнітних хвиль. Відповідно, коли об'єкт віддаляється, лінії зміщуються в протилежний бік — до інфрачервоного (теплового) діапазону. Такий ефект названо «червоним зміщенням». Одначе виміряти його сучасними приладами можна тоді, коли космічне тіло або складна структура (наприклад галактика або група чи скупчення галактик) рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Тоді зміщення ліній у спектрі є значним, і його можна виявити і більш-менш точно виміряти.
Об'єкти: галактики, групи і скупчення галактик, що віддаляються від нас із такими швидкостями, перебувають надзвичайно далеко, майже на межі видимого Всесвіту. Світло від них летить до Землі мільярди років. Спостерігати такі далекі небесні структури й вимірювати величину зміщення спектральних ліній в їхніх спектрах наука спромоглася лише останнім часом. Тому, власне, стало можливим виявити темну енергію, що своєю силою відштовхування (антигравітацією) прискорює «розбігання» груп і скупчень галактик.
З'ясовано: щільність темної енергії дуже мала. Наочно її можна уявити як п'ять атомів водню в одному кубічному метрі простору. Та маємо зауважити, що «матеріал» носія темної енергії, тобто її мікроскопічна структура, не відомі. Науці доведеться це з'ясувати. Але вже знаємо, що (на відміну від гравітаційної енергії) антигравітація прямо пропорційна відстані між об'єктами. Можна сказати, що властивості темної енергії є властивостями вакууму, який вважається найнижчим енергетичним станом квантових полів і часток.
Якщо пов'язати ці міркування з М-теорією, можна припустити, що темна енергія породжується на ультрамікроскопічному рівні вібрацією суперструн, яка (вібрація) характеризується найнижчими фізичними показниками. Як і належить вакууму. В такий спосіб нова теорія дає змогу зробити рішучий крок до об'єднання всіх матеріальних складових сущого в єдину теорію поля і взаємодій.
Учені виявили, що щільність темної енергії постійна. З цього випливає: чим більша відстань між космічними тілами, тим більша сила відштовхування, що чинить темна енергія. Це важливо для еволюції сущого. Виходить, що в сучасну епоху рухом галактик керує не їхнє взаємне тяжіння, як вважалось раніше, а протилежна сила — сила антигравітації темної енергії, в яку занурено всі тіла природи.
Варто нагадати, що можливість існування у Всесвіті такого феномена як антитяжіння Альберт Ейнштейн передбачав ще в 1917 р. Тому до своїх рівнянь загальної теорії відносності вніс окрему фізичну величину — космологічну постійну. Ця величина увійшла до Стандартної моделі еволюції Всесвіту.
Згідно з цією моделлю, темпи космологічного розширення Всесвіту не завжди були однакові. Перші приблизно сім мільярдів років розширення відбувалося «нормально», тобто так, як розлітаються осколки при будь-якому вибухові: чим далі летить осколок, тим повільніше. І справді, астрономічні спостереження наднових зірок, що спалахнули й зафіксовані в далеких галактиках, засвідчили, що в перші сім мільярдів років після ВВ швидкість розлітання галактик зменшувалася, бо спостерігалось гальмування гравітацією. Адже відстань між об'єктами була ще невеликою, і сили тяжіння переважали над силами відштовхування. Та оскільки, як було сказано, темна енергія має постійну величину, чим більшою ставала відстань між космічними тілами, тим сильнішим ставало відштовхування. В результаті сили тяжіння зменшувалися, а сили антитяжіння, що протилежно діяли, збільшувалися.
Приблизно через сім мільярдів років після ВВ ці сили зрівнялися. Далі все більше і більше переважала темна енергія. Повторимось: оскільки простір між тілами збільшувався, пропорційно зростали сили відштовхування. Тому Всесвіт почав розширюватися не з гальмуванням (уповільненням), як у перші сім мільярдів років існування, а з прискоренням. Темпи цього прискорення зростали і зростають у міру збільшення простору між галактиками та їхніми скупченнями. Цей процес спостерігається і в нашу епоху. Отже, згідно зі Стандартною космологічною моделлю, «розбігання» галактик триватиме надалі з усе більшим прискоренням, позаяк безперервно збільшується простір між ними і відповідно зростають пропорційно сили відштовхування.
Феномен має пояснення
Який вплив матиме подібне на земне життя? У найближчі кілька мільярдів років (поки наше Сонце світить і гріє стабільно) практично ніякий! Хіба що в перші мільйони і мільярди років унаслідок розширення Всесвіту з нашого небосхилу почергово «втікатимуть» за обрій видимої сфери нові й нові найвіддаленіші галактики та їхні групи і скупчення. Адже межа видимого Всесвіту (Метагалактики) є кордоном, за яким об'єкти віддаляються від нас зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Це означає, що жодний сигнал від галактик, які «полетіли» за цю межу, до нас ніколи не дійде.
Пояснимо цей феномен. Спеціальна теорія відносності А. Ейнштейна визначає, що ніякий об'єкт у природі не може рухатись швидше за світловий промінь. У цьому разі цей фундаментальний фізичний закон не порушується. Йдеться не про власну швидкість переміщення в просторі далеких галактик, а про наше взаємне відносне віддалення, яке може бути будь-яким.
Усередині галактик і надалі переважатиме гравітаційне тяжіння. Адже на відстанях, що існують між зірками й іншими тілами в окремих галактиках, сила антигравітації темної енергії набагато слабша, ніж сила тяжіння. Це збереже в найближчі мільярди років структури галактик, не дасть зорям та іншим тілам «розлетітися» в різні боки під дією відштовхування темної енергії. Що буде далі — то інша тема. Приблизно через п'ять мільярдів років наше рідне світило — лагідний жовтий карлик Сонце, вичерпавши запаси водню в процесі реакцій ядерного синтезу, роздується в непривітного червоного гіганта, котрий спалить Землю...
Але до того часу з нашою Галактикою нічого надзвичайного не станеться. Якщо врахувати, що всі зорі й планети, які бачимо вечорами на безхмарному небі, належать до Чумацького Шляху, вони сяятимуть на небосхилі й нашим далеким нащадкам. Тож люди зможуть, як ми, милуватися розмаїттям зоряних візерунків. Лише обриси звичних нам сузір'їв, у зв'язку з рухом зірок і обертанням Галактики навколо свого центру, поступово змінюватимуться.
Борис ГВАРДІОНОВ, заслужений працівник культури України
також у паперовій версії читайте:
назад »»»