По мере усовершенствования наблюдательной техники становится доступным измерение красных смещений спектров у все более слабых объектов. Список спектров, у которых Δƛ/ƛ>1, уже стал обширным, а самое большое обнаруженное красное смещение спектра соответствует Δƛ/ƛ=3,14

Согласно формуле υ / c = ((( Δƛ / ƛ)+1)2-1)/( (( Δƛ / ƛ)+1)2+1) это означает скорость удаления 270000 км/с. Примем как наиболее вероятное значение постоянной Хаббла равным 65 км/с • Мпс. Тогда расстояние до объекта по формуле υ=H*r составляет 4200 мегапарсеков.

Все более становится очевидным, что закон разбегания во все стороны галактик является универсальным, всеоб­щим законом. Происходит расширение, экспансия всей Вселенной в целом.

Раздел астрономии, изучающий свойства Вселенной как единого целого, называется космологией. Ее теоретиче­ские основы, заложенные Эйнштейном, опираются на два главных наблюдаемых явления. Первое из них состоит в том, что галактики и их скопления сравнительно равно­мерно распределены по небу, если не считать зоны избе­гания, вызванной поглощающей свет материей нашей Галактики. Второе важное наблюдаемое явление — закон разбегания во все стороны галактик со скоростями, про­порциональными их расстояниям. Сопоставление этих наблюдаемых явлений приводит к заключению, что Все­ленная, образовавшись в результате начального взрыва, подобна однородному расширяющемуся шару.

Каковы закономерности эволюции этого расширяюще­гося шара, в котором галактики и их скопления притяги­вают друг друга согласно закону всемирного тяготения? Что ждет Вселенную в будущем? Будет ли она безгра­нично расширяться, или взаимное тяготение отдельных ее частей, замедлив и остановив расширение, заставит Вселенную затем сжиматься?

Процесс расширения происходит согласно релятивист­ской механике Эйнштейна, но некоторые стороны процес­са понятны и в представлениях привычной нам ньютоновской механики.

Из того, что взаимное тяготение отдельных частей Вселенной замедляет ее расширение, следует, что расши­рение в прошлом происходило быстрее и, следовательно, в оценку возраста Вселенной нужно внести поправку — его нужно уменьшить. Величина поправки зависит от средней плотности материи во Вселенной. Чем плотность материи больше, тем сильнее замедление скорости и тем значительнее должна быть вносимая поправка.

Если при данной скорости расширения плотность мате­рии в шаре достаточно велика, то гравитационные силы будут в состоянии остановить расширение и сменить его сжатием. Если же плотность материи мала и гравитаци­онные силы, следовательно, слабы, процесс экспансии ни­когда не прекратится, Вселенная будет расширяться без­гранично и средняя плотность материи в ней будет стре­миться к нулю.

Существует, очевидно, некоторое критическое значе­ние средней плотности материи — ρ0. Если при действую­щем в настоящий момент значении постоянной Хаббла H средняя плотность материи во Вселенной больше ρ0, то в будущем расширение Вселенной прекратится и сменит­ся сжатием. Если же плотность равна ρ0 или меньше его, то экспансия Вселенной будет продолжаться без­гранично.

Справедливо и обратное утверждение. Когда задана средняя плотность материи во Вселенной, то существует некоторое критическое значение постоянной Хабла Н0. Если действительное Н меньше Н о, то расширение Все­ленной сменится сжатием, если же Н ≥ H0, то экспансия Вселенной будет безгранична.

Эти соотношения по смыслу близки к соотношениям, связывающим среднюю плотность Земли и критическую (вторую космическую) скорость, которую нужно придать какому-то телу, находящемуся на ее поверхности, чтобы оно бесконечно удалилось от Земли, не упав обратно на ее поверхность. Разница лишь в том, что у Вселенной происходит расширение в целом, всех ее частей, а не от­дельного ее элемента.

Согласно законам релятивистской теории относитель­ности, а именно ее законам подчиняется расширяющаяся Вселенная, процессу расширения свойственны непривыч­ные для нашего сознания соотношения между понятиями пространства, материи и времени. Если средняя плот­ность материи больше ρ 0 и расширение должно смениться сжатием, то гравитация материи замыкает пространство на само себя. Не существует пространства вне расширяю­щегося объема, содержащего материю. Такую Вселенную принято называть закрытой.

Пространство закрытой Вселенной ограничено. Но при этом Вселенная не имеет ни центра, ни граничных обла­стей, все точки в ней равноправны по занимаемому положению.

Чтобы попытаться понять, как это может быть с трех­мерным пространством, полезно рассмотреть ее двумер­ную аналогию — поверхность сферы. Поверхность сферы имеет ограниченную площадь, все точки на ней по зани­маемому положению равноправны, нет ни центральных ни граничных точек.

Так же непривычны нашим представлениям законы геометрии, действующие во Вселенной с плотностью ма­терии, большей критического значения ρ 0. Они отличаются от законов евклидовой геометрии, которой на нашей планете обучают в школах. В этой геометрии, называемой римановой, через точку вне прямой нельзя провести пря­мую, ей параллельную. Сумма углов в треугольнике –не равна двум прямым. Она тем больше двух прямых, чем больше площадь треугольника. Длина окружности в ри­мановой геометрии растет не пропорционально первой, степени радиуса, а медленнее. И площадь круга растет не пропорционально квадрату радиуса, а медленнее.

Чтобы помочь нашему сознанию поверить в возмож­ность осуществления в каком-то трехмерном пространстве таких закономерностей, обратимся снова к двумерной ана­логии — поверхности сферы. Кратчайшая линия на любой поверхности, соединяющая две точки, называется геоде­зической линией. На сфере кратчайшее расстояние между двумя точками определяется длиной дуги большого кру­га, т. е. круга, получаемого пересечением сферы плоско­стью, проходящей через ее центр. Поэтому аналогами прямых в пространстве, на сфере являются дуги больших кругов. Но всякий большой круг, проведенный через не­которую точку, пересекает другой фиксированный боль­шой круг. Сумма углов сферического треугольника, т. е. треугольника, составленного из трех дуг больших кругов, действительно больше двух прямых углов. Она тем боль­ше, чем больше площадь поверхности треугольника. И длина окружности на сфере, радиусом r которой явля­ется длина дуги большого круга, соединяющего центр окружности с точкой окружности, меньше, чем 2Πr. А площадь круга меньше, чем Πr2.

Только в том случае, когда рассматривается бесконеч­но малый сферический треугольник, сумма его углов равна двум прямым, и только у окружности бесконечно малого радиуса на сфере длина равна 2Πr, а у соответст­вующего круга площадь поверхности равна яг2.

В соответствии с релятивистской теорией человек в его обыденной жизни и даже при выполнении космических полетов наших дней не обнаруживает отклонений от законов, постулируемых евклидовой геометрией, только потому, что объем области пространства, в котором он оперирует, ничтожно мал в сравнении с объемом прост­ранства Вселенной в целом.

Если средняя плотность материи во Вселенной точно оказывается равной критическому значению ρ 0, то в этом случае (который нужно, конечно, считать крайне мало­вероятным) во всем трехмерном пространстве Вселенной действуют законы евклидовой геометрии. Двумерной ана­логией такого пространства является поверхность плос­кости.

Если же в природе осуществилась третья возможность, средняя плотность материи во Вселенной меньше крити­ческого значения ρ 0, то в пространстве бесконечно расши­ряющейся открытой Вселенной должны действовать законы еще одной геометрии — геометрии Лобачевского. В таком пространстве через точку, лежащую вне прямой, мож­но провести бесчисленное множество прямых, ей па­раллельных, сумма углов треугольника меньше двух прямых, а длина окружности и площадь круга больше, чем соответственно 2Πr и Πr2.

Некоторой двумерной аналогией такого пространства может служить гиперболический параболоид, имеющий седлообразную форму, на поверхности которого прямые, треугольники и окружности, построенные на основе гео­дезических линий, соответствуют свойствам геометрии Лобачевского. Данная двумерная аналогия, однако, не вполне отвечает безгранично расширяющейся Вселенной, так как гиперболический параболоид имеет центр, а рас­ширяющаяся Вселенная центра не имеет.

Интересно отметить, что когда Н. И. Лобачевский и немецкий математик Риман создали свои неевклидовы геометрии, многие их коллеги считали, что, хотя полу­ченные построения логически безупречны, они не могут найти какого-нибудь применения. Прошло несколько де­сятилетий и оказалось, что большой мир, в котором мы живем, подчиняется законам одной из этих двух геомет­рий. Только потому, что деятельность человека ограничена пока очень малой областью пространства, отклонения его закономерностей от геометрии Евклида ничтожны и не могут быть обнаружены.

В какой же Вселенной мы живем? В открытой или закрытой?

При значении постоянной Хаббла 65 км/с • Мпс кри­тическая плотность материи для Вселенной ρ 0 = 8 • 10-30 г/см3. Следовательно, нужно определить, боль­ше или меньше этой величины реальная средняя плот­ность материи в ней.

Оценка средней плотности материи во Вселенной одна из наиболее трудных задач. Необходимо, во-первых, как-то определять массы галактик, во-вторых, находить сред­нее число галактик в единице объема и, наконец, поста­раться учесть вклад в общую плотность материи диффуз­ного межгалактического вещества, а может быть, и твер­дых тел, подобных планетам и астероидам.

До последнего времени оценки, которые удается сде­лать, приводят к величинам, лежащим в пределах от 2 • 10-31 до 5 • 10-31 г/см3, т. е. к плотностям, более чем в десять раз уступающим критической плотности материи. Из этого следует, что Вселенная бесконечно расширяется, является открытой.
 

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.