Удивительные вселенные
Удивительные вселенные
Английские радиоастрономы из обсерватории Джодрелл Бенк обнаружили в районе созвездия Лебедь очередной пульсар, который вошел в астрономический каталог под индексом «Джи-Пи – 1953». Напомним, что первый пульсар – космический объект, являющийся источником необычайно стабильного импульсного радиоизлучения, в котором импульсы следуют один за другим через абсолютно одинаковые промежутки времени, – был открыт в 1967 году. Причем сперва его даже всерьез приняли за искусственный радиопередатчик какой-то инопланетной цивилизации. И только спустя некоторое время удалось установить, что пульсары на самом деле представляет собой не что иное, как быстро вращающиеся так называемые нейтронные звезды. Интересно заметить, что возможность существования этих удивительнейших представителей звездного мира была за много лет до этого – еще в 1930-е годы – теоретически предсказана выдающимся советским физиком-теоретиком Л.Д. Ландау.
Вследствие небольших размеров нейтронные звезды очень быстро вращаются. Благодаря этому радиолуч, исходящий из какой-либо точки или области поверхности такой звезды, будет описывать окружности в пространстве. И его периодические пересечения с антенной радиотелескопа будут регистрироваться как непрерывная серия следующих друг за другом радиоимпульсов.
Поскольку пульсар «Джи-Пи – 1953» был уже далеко не первым пульсаром, зарегистрированным астрономами, его открытие скорее всего прошло бы незамеченным, но вскоре выяснилось, что он обладает необычными свойствами, отличающими его от всех других подобных объектов.
У первого открытого пульсара временные интервалы между последовательными радиоимпульсами были настолько одинаковы, что по ним можно было проверять ход самых точных атомных часов. Однако теория говорит о том, что этот интервал изменяется с течением времени. Дело в том, что благодаря взаимодействию вращающейся нейтронной звезды с окружающей плазмой, скорость ее вращения постепенно уменьшается и соответственно растет период радиопульсаций, то есть промежуток времени между следующими друг за другом импульсами. «Часы» пульсара как бы замедляют свой ход. Зная это замедление, можно вычислить возраст нейтронной звезды. Оказалось, что средний возраст пульсаров в нашей Вселенной составляет около 10 миллионов лет.
Однако «часы», связанные с пульсаром в Лебеде, как выяснилось, «идут почти без «отставания». Иными словами, у пульсара «Джи-Пи – 1953», в отличие от его космических собратьев, период пульсации почти не менялся. К такому заключению пришли радиоастрономы, систематически наблюдавшие за этим объектом с помощью крупнейшего радиотелескопа в Аресибо на острове Пуэрто-Рико. Во всяком случае, изменения периода оказались настолько малы, что минимальная продолжительность существования пульсара «Джи-Пи – 1953», вычисленная упомянутым выше способом, должна составлять ни много ни мало… 45 миллиардов лет!
Но 45 миллиардов лет – это промежуток времени почти в три раза превосходящий принятый современной наукой возраст нашей Вселенной. Согласно существующим астрономическим данным, с момента начала расширения первоначального «сгустка» и до сегодняшнего дня прошло всего около 18 миллиардов лет. Как же совместить эти крайне противоречивые данные?
Рассказывают, что известный американский астроном, директор радиоастрономической обсерватории в Аресибо Ф. Дрейк сказал по этому поводу приблизительно следующее: «Очень возможно, что существует небольшая часть мирового пространства, преспокойно пережившая то начальное «раздувание», которое дало начало нашей Вселенной. Вероятно, в этой зоне материя по каким-то причинам сохранилась в своем первоначальном виде».
Предположение, прямо скажем, довольно экстравагантное! Но, может быть, в нем и нет такой уж необходимости? Ведь как мы определяем возраст Вселенной? На одном из отдаленных от нас этапов ее истории из расширяющегося вещества сформировались звездные системы – галактики, которые и по сей день продолжают разлетаться во все стороны. Мысленно обращая их движение вспять, можно определить промежуток времени, отделяющий современную эпоху от начала расширения.
Не слишком ли, однако, упрощен подобный метод? Ведь простота далеко не всегда свидетельствует о том, что мы находимся на правильном пути! Почему бы, например, не допустить, что Вселенная не всегда расширялась с одинаковой скоростью – в том же темпе, что и в наше время, что в ее истории были периоды замедления, а следовательно, ее возраст может оказаться больше того, который вычислен, исходя из идеи равномерного расширения?
И для такого предположения есть основания.
Когда астрономы занялись изучением квазаров, этих удивительных объектов, расположенных у границ наблюдаемой Вселенной и излучающих колоссальные количества энергии, примерно в сто раз превосходящие излучения энергии самых больших галактик, то обнаружилось, что на некотором расстоянии от нас их сконцентрировано особенно много.
Стоит еще раз напомнить, что в астрономии расстояние до того или иного космического объекта – это мерило его удаленности не только в пространстве, но и во времени. Чем дальше этот объект от нас находится, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Поэтому концентрация квазаров на некотором определенном расстоянии от нас, по-видимому, означает, что либо на определенном этапе эволюции Вселенной был период, когда этих объектов возникало особенно много, либо скорость разбегания галактик, то есть расширения Вселенной, в разные эпохи была неодинакова.
В свое время известные советские астрономы И.С. Шкловский и Н.С. Кардашев высказали гипотезу о том, что расширение Вселенной происходило не непрерывно, а с «остановками». Задержка произошла в тот момент, когда радиус расширяющейся Вселенной достиг как раз той области, где наблюдается концентрация квазаров. В течение последующих примерно 50 миллиардов лет Вселенная почти не расширялась, и за это время успело образоваться много квазаров. В этом случае возраст Вселенной может достигать 70 миллиардов лет, и в ней вполне могут существовать объекты и гораздо более старые, чем загадочный пульсар «Джи-Пи – 1953».
Таким образом, модель, предложенная И.С. Шкловским и Н.С. Кардашевым, снимает вопросы, возникшие при определении возраста упомянутого пульсара. Но одновременно снимается и уже известная нам проблема теории горячей расширяющейся Вселенной, связанная с отсутствием физических неоднородностей на расстоянии оптического горизонта, проблема, которая вместе с некоторыми другими привела к разработке теории инфляционной Вселенной. За время длительной «паузы расширения» световой луч успеет несколько раз обойти всю Вселенную, и, следовательно, взаимодействие между любыми ее объектами, даже самыми удаленными друг от друга, становится вполне возможным!
К сожалению, астрономические наблюдения некоторых выводов из модели Шкловского и Кардашева, увы, не подтверждают.
Как же тогда объяснить, не прибегая к теории «инфляционной Вселенной», фактически наблюдаемую однородность и изотропию Вселенной, означающую, что свойства ее любых достаточно больших областей приблизительно одинаковы, а любые направления равноправны?
Несколько лет назад советские теоретики В.А. Белинский, Е.М. Лифшиц и И.М. Халатников обнаружили неизвестное ранее решение уравнений Эйнштейна, согласно которому расширение Вселенной может носить колебательный характер, особенно бурный на самых ранних этапах. В тот период каждый элементарный объем вещества не только испытывал расширение, но, как говорят физики, «осциллировал» – то растягивался, то сжимался.
Опираясь на этот результат, американский ученый Мизнер предложил физическую модель Вселенной, в которой на раннем этапе отсутствует оптический горизонт и возможно перемешивание неоднородностей, а следовательно, и выравнивание физических условий. Эта модель получила название «модели перемешанного мира» или «модели миксмастера». По идее Мизнера, в рамках подобной модели свет успевает обойти мир большое число раз по всем направлениям.
В модели миксмастера процесс удаления Вселенной от начала расширения носит колебательный характер, причем любой момент мирового времени отделяет от начального момента бесконечное число колебаний.
Благодаря этому в модели миксмастера, хотя и существует начальный момент Т = 0, Вселенная все равно оказывается бесконечной во времени. Бесконечной в том смысле, что с начального момента в ней произошло бесконечное число событий.
Таким образом, в модели миксмастера мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией: с одной стороны, космологическое время имеет начало, а с другой – оно является бесконечным. И чем дальше мы углубляемся в бесконечное прошлое, тем медленнее оно «течет».
Характерно, что подобно Эйнштейну, Мизнер в своей модели связывает время с материей: «Материя не существует «в» пространстве и «во» времени, – подчеркивает он, – она сама формирует свое пространство и свое время».
Начиная с появления теории относительности и квантовой физики, мир физики приобретал все более непривычные с точки зрения классической науки черты и вполне заслужил название «все более странного мира». И в этот «все более странный мир» отлично вписались и квазары, и космические струны, и сетчатая структура Вселенной, и частицы с дробным электрическим зарядом – знаменитые кварки… И модель миксмастера так же весьма неплохо соответствовала бы этому «все более странному миру», если бы не одно «но». Последующие расчеты астрофизиков, главным образом советских, показали, что реальность мизнеровского «перемешивания мира» весьма и весьма проблематична. Для этого Вселенной нужно приписать такие физические характеристики, осуществление которых чрезвычайно маловероятно. При любых других условиях свет в лучшем случае успеет обойти мир самое большее один раз. Но для реализации мизнеровской идеи «перемешивания» этого заведомо недостаточно. А если не происходит перемешивание, то не работает и вся модель Мизнера – ведь реальная Вселенная все-таки однородна и изотропна. Поэтому в настоящее время теоретики склоняются к тому, что однородность и изотропия были присущи Вселенной уже с первых мгновений расширения.
Но если не годятся ни модель «с остановкой», ни модель «миксмастера», то как быть с возрастом «Джи-Пи – 1953»? Принять вариант, о котором говорил Дрейк? Он, разумеется, достоин «все более странного мира», и все же к подобным предположениям следует относиться с большой осторожностью. Тем более что Дрейк известен своей склонностью к фантастическим идеям. Естественнее предположить, что подсчет возраста загадочного пульсара связан с какими-то недоразумениями. Кстати, со временем выявилось именно такое отношение астрофизиков к этой проблеме…
В конце концов дело не только в таинственном пульсаре. И без него существуют и разрабатываются различные циклические модели Вселенной…
Здесь, однако, целесообразно сделать небольшое отступление. Поскольку речь зашла о возрасте небесных тел, то стоит сопоставить между собой данные, которыми располагают современные науки о возрасте различных космических объектов, в том числе и Земли. Ведь возраст небесных тел – это их положение на «оси времени»!