Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

Не боги расширение вселенной наблюдают Не боги расширение вселенной наблюдают
9.04.2014 12:10 | С. Б. Попов, А. В. Топоренский

Стоит звезда на небе чистом.
За нею мгла, пред нею сонм.
И время ходит колесом
Преобразованное в числа
Дмитрий Пригов
Звезды - невод.
Рыбы - мы.
Боги - призраки у тьмы.
Велимир Хлебников

Вселенная расширяется. Это не только один из самых удивительных и важных научных фактов, установленных за последнюю сотню лет, а может быть и за всю историю человечества, - это и просто нечто грандиозное. Вся наблюдаемая вселенная эволюционирует. Существует огромное количество независимых наблюдательных подтверждений этого феномена. Однако в некотором смысле, расширение не наблюдается пока непосредственно: теоретики строят различные модели, позволяющие описать расширение вселенной, но мы не видим, как наблюдаемые объекты в реальном времени становятся дальше и дальше. Нам не хватает точности наблюдений, или же, с существующей техникой, нам придется ждать очень долго (века, или, по крайней мере, десятилетия), чтобы накопить данные.

Представим, что у нас есть возможность проводить наблюдения с гораздо более высокой точностью. Или что мы можем подождать несколько столетий, проводя наблюдения, а потом прокрутим пленку в ускоренном темпе. Имитацию последнего можно реализовать в виде компьютерной симуляции, например в планетарии. Чтобы мы увидели? Или иначе, как нам правильно сделать компьютерную модель, демонстрирующую расширение вселенной с точки зрения земного наблюдателя?

Обычно в популярной (и не только) литературе в качестве аналогии используют надувающийся воздушный шар или растягивающуюся плоскость. Это хороший пример. Однако он обладает важной особенностью. Он показывает нам некоторый взгляд со стороны (что, кстати, потом становится причиной недоразумений и неточного понимания). Мы как бы смотрим из лишнего измерения, да еще вдобавок видим все сразу, наблюдая процессы по единым космическим часам, т.е. разом охватываем всю вселенную, получая информацию с бесконечной скоростью. Этот "взгляд бога" недоступен обычному наблюдателю. Мы находимся на Земле, внутри вселенной. Сигналы приходят к нам с конечной скоростью - со скоростью света. Поэтому мы видим космологические объекты такими, какими они были в далеком прошлом. Кроме того, есть космологическое красное смещение, из-за которого сигнал, испущенный в течение какого-то интервала времени (скажем, минуты), будет регистрироваться нами в течение более длительного интервала (например, если источник наблюдается на красном смещении z=1, то в течение двух минут). Заметим, что красное смещение в космологии лучше всего определить именно через отношение интервалов времен в момент излучения и в момент приема сигнала (красное смещение, z, равно отношению интервалов минус единица). Поэтому "картина наблюдателя" будет сильно отличаться от "картины бога". Давайте разберемся, как они связаны.

Расстояния в космологии

Как бегущая вода
В гибком зеркале природы
Велимир Хлебников

В космологии существует несколько разных определений для расстояния и скорости. Кроме того, мы можем относить эти величины к разным моментам времени. Познакомимся с ними.

Для начала сделаем важное утверждение, отчасти противоречащее здравому смыслу. Надо отказаться от вопроса: "Какое же расстояние (и скорость) в космологии правильное на самом деле?" Правильных несколько. Часть определений расстояния связана с методами наблюдений, часть с теоретическими построениями.

В обычных ситуациях (например, на Земле) у нас есть разные методы определения расстояний, но все они должны давать один и тот же результат. Т.е., мы пытаемся измерить одну и ту же величину. Например, мы можем прямо добраться до объекта и измерить расстояние рулеткой. Можем использовать радар, чтобы, посылая сигнал и принимая отраженный, по времени распространения волны туда и обратно определить расстояние. Если мы знаем размер объекта, до которого измеряем расстояние, то, определив его видимый угловой размер, мы узнаем, используя несложные школьные тригонометрические формулы, как далеко он расположен. Наконец, если необходимо оценить удаленность источника света известной мощности, то мы измеряем поток излучения, и, проведя простые вычисления, немедленно получаем расстояние до него. Важно, что на Земле, в Солнечной системе, и даже в Галактике и ее окрестностях все подобные методы будут давать одинаковый результат. Расстояние не зависит от метода измерений, определение расстояния интуитивно ясно и единственно. В космологии все не так.

Представим себе такую ситуацию. В какой-то момент времени в далекой-далекой галактике вспыхивает сверхновая. Свет движется в нашу сторону, и достигает нас через 10 миллиардов лет. Соответственно, свет прошел путь 10 миллиардов световых лет. Однако в момент излучения расстояние между нами было гораздо меньше, чем 10 миллиардов световых лет. Сейчас расстояние между нами гораздо больше 10 миллиардов световых лет, т.к. вселенная расширяется, причем ускоренно. Расстояние сейчас мы можем только рассчитать или измерить косвенно, да и то нескоро (см. ниже). А вот расстояние в момент излучения (в момент взрыва сверхновой) мы в принципе, как это ни странно, сможем измерять в недалеком будущем (для некоторых объектов мы даже уже умеем это делать!). Это будет угловое расстояние (см. текст).
Проблем с расстоянием в космологии две: все быстро движется и все расположено далеко друг от друга. В итоге, пока свет дойдет от источника до наблюдателя, расстояния сильно изменятся (см. врезку). При этом расстояния "прямо сейчас" не поддаются прямому измерению, т.к. эта процедура занимает конечное (и, вообще говоря, довольно большое) время, связанное с распространением сигнала: мы просто не видим далекие объекты такими, каковы они в данный момент времени. Это все усложняет, т.к., пользуясь бытовым опытом, мы привыкли представлять себе все таким, каково оно есть сейчас, в настоящий момент времени. В космологии расстояния и скорости "прямо сейчас" мы можем только рассчитать, пользуясь какой-нибудь моделью, или же можем получить их косвенным методом, но не с помощью современных методов наблюдения.


Зачем космологам разные модели?

Читателя может удивить, что в статье упоминаются, то вселенная, заполненная пылью, то вселенная, заполненная излучением. Зачем все это, если мы знаем, что это не так? Причин несколько.

Во-первых, космологические модели современного типа строят уже почти сто лет, грубо говоря, с появления Общей теории относительности (точнее, с работ Александра Фридмана). И в 20-е гг. прошлого века мы были далеки от представлений о вселенной, заполненной темной энергией и холодной темной материей. Поэтому исторически возникали разные модели, связанные с разными гипотезами о том, чем же в основном заполнен наш мир.

Во-вторых, важно понимать, что ученые хотят именно понять, разобраться, а для этого нужны в том числе и достаточно простые модели - большое количество деталей затуманивает картину. При популярном или учебном изложении простые модели просто незаменимы. Именно на них, как на кошках в известном фильме, надо тренироваться.

В-третьих, простые приближения очень часто достаточно хорошо описывают реальную ситуацию, по крайней мере на каких-то этапах. Например, плотность энергии излучения спадает быстрее плотности вещества. Значит, в молодой вселенной (первые десятки тысяч лет расширения, когда стадия инфляции уже осталась в прошлом) вклад излучения в полную плотность был основным, все прочее было мелкой добавкой. И для этого периода расширения можно довольно успешно применять модель, в которой все заполнено излучением. Затем, плотность энергии излучения сильно падает, но, скажем, темная энергия все еще не вносит большого вклада, поэтому приближение вселенной, заполненной пылью будет неплохо работать. Пыль это просто вещество без давления, поэтому обычное барионное вещество или холодная темная материя с этой точки зрения пыль. Вселенная де Ситтера - это хорошее приближение для стадии инфляции. А также, возможно, для будущего нашей вселенной, если темная энергия никуда не денется, и расширение будет всегда идти с ускорением.

Т.о., применение простых моделей позволяет лучше разобраться в сложных процессах, имеет исторические основания, а для некоторых этапов прямо таки прекрасно описывает реальность.


Поскольку самым распространенным способом проиллюстрировать картину расширения является "взгляд бога", давайте обсудим расстояние, связанное с ним. Представим, что мы накинули на всю вселенную эластичную координатную сетку. У каждой галактики теперь появился свой "адрес" - номер ячейки в такой сетке. В процессе расширения сетка растягивается вместе с движением галактик, т.е. "адрес" не изменяется. Т.о., каждому объекту можно приписать постоянную координату, хотя расстояние между объектами растет. С другой стороны, зная, как меняется расстояние между двумя любыми объектами со временем, мы можем рассчитать расстояние между двумя любыми объектами по их адресам для любого момента времени. Это т.н. собственное расстояние.

Собственное расстояние в настоящий момент мы не можем измерить непосредственно. Обычно его рассчитывают, зная красное смещение и задаваясь какой-то космологической моделью. Это удобно для восприятия, поскольку "взгляд бога" крайне иллюстративен. Однако с точки зрения наблюдений важно иметь и другие подходы. Поэтому придумали еще несколько вариантов расстояния, связанные с разными способами измерения. Во-первых, это фотометрическое расстояние. Чтобы его определить, необходимо знать светимость источника - сколько энергии он излучает в секунду. Если есть целый класс источников, для которых можно узнать светимость, то их называют "стандартными свечами". Далее, измерив поток излучения от источника, мы немедленно по простой формуле получаем фотометрическое расстояние. Определяя именно эту величину по наблюдениям далеких сверхновых типа Ia, ученые смогли обнаружить ускоренное расширение вселенной, за что в 2011 г. им была вручена Нобелевская премия по физике.

Еще один способ определить расстояние до космологического источника - это увидеть, как в нем движется какая-нибудь деталь, например, уплотнение в струе, бьющей из квазара. Если мы знаем истинную скорость движения детали, то по видимому смещению мы получим расстояние - расстояние по собственному движению. Важное свойство такой величины - ее равенство собственному расстоянию в настоящий момент. Это и есть тот косвенный метод измерения собственного расстояния в настоящий момент, о котором мы упоминали выше. К сожалению, узнать истинную скорость движения какой-нибудь детали в космологическом источнике очень трудно. Поэтому вряд ли в ближайшее время такой способ измерения расстояний в космологии будет использоваться.

Наконец, для нас крайне важным будет т.н. угловое расстояние. Остановимся на нем подробнее. Обычно, если мы прикидываем расстояние на глазок, мы пользуемся именно им: зная размер объекта, мы используем его видимый размер, чтобы оценить, как далеко он находится. Конечно, мы не проделываем каждый раз в уме расчет по тригонометрическим формулам, но если мы хотим провести точное измерение, то сделать это придется. В земных условиях никаких тонкостей нет. А вот в космологии начинаются чудеса.

Важный факт состоит в том, что угол между лучами света не меняется при распространении в плоской вселенной, даже при ее расширении с любым, в том числе изменяющимся, темпом. В результате угловое расстояние до космологического объекта зависит только от того, как далеко он находился в момент излучения. На рисунке показано, что видимый размер (и угловое расстояние) двух галактик может быть одинаковым, хотя в данный момент собственное расстояние до них будет сильно различаться. Свет был испущен далекой галактикой, но скорость космологического удаления этой галактики от нас в этот момент превосходит световую, поэтому вначале свет также будет от нас удаляться. Однако позже, хотя сама галактика продолжает удаляться быстрее скорости света, свет попадает в область, где скорость удаления меньше световой, соответственно, лучи начинают приближаться к наблюдателю. Угол между ними при этом остается прежним. Лучи света выходят также из более близкой галактики, в этот момент световые лучи, испущенные первой галактикой, находятся на таком же расстоянии от нас. Одновременно, свет от двух галактик попадает к наблюдателю, обе галактики имеют одинаковый видимый размер (мы предполагаем, что их линейные размеры равны). Соответственно, наблюдатель на Земле определяет, что угловые расстояния до двух галактик равны. На дополнительном графике видно, что галактики можно объединить в своего рода пары относительно максимума зависимости углового расстояния от красного смещения.

По поводу связи с реальными наблюдениями можно отметить такое любопытное совпадение: наименьший возможный угловой размер типичной галактики получается близким к одной угловой секунде, то есть той величине, которую позволяет увидеть земная атмосфера (меньшие угловые размеры трудно наблюдать из-за неоднородностей нашей воздушной оболочки). Это значит, что в любой достаточно крупный наземный телескоп галактики даже на самых больших расстояниях будут видны как протяженные, а не точечные объекты и не могут быть спутаны со звездами фона.

У многих людей есть такая особенность (часто она появляется с возрастом): события вчерашнего дня помнятся лучше, чем дня позавчерашнего, недельные - еще хуже.... Зато некоторые воспоминания детства и юности сияют, как будто все это случилось вчера. Если мы возьмем галактику типа нашей, то окажется, что вплоть до некоторого расстояния (напомним, что, глядя на далекие объекты, мы смотрим в прошлое!) галактика будет выглядеть все меньше и меньше. Но потом - о чудо! - видимый размер начнет увеличиваться (во вселенной, заполненной пылью, это произошло бы на красном смещении z=5/4; в нашей вселенной соответствующее чуть большему красному смещению). Это происходит потому, что свет этой галактики был испущен в молодости вселенной, когда мы находились гораздо ближе к ней. Соответственно, угловое расстояние до далеких объектов меняется таким же причудливым образом (см. врезку).

Важно, что угловое расстояние равно собственному расстоянию в момент испускания излучения. Получается, что с одной стороны эта величина соответствует понятному параметру в "картине бога", а с другой - это величина, непосредственно связанная с реальными наблюдениями. Для практического использования такого расстояния необходима т.н. "стандартная линейка", т.е. необходимо знать истинные размеры какого-нибудь космологического объекта. Например, можно использовать масштаб т.н. барионных акустических осцилляций. Это флуктуации в распределении вещества в ранней вселенной, которые застыли в виде крупномасштабной структуры вселенной. Теория позволяет рассчитать истинный масштаб этих неоднородностей. Изучая, как распределены галактики и их скопления в большом масштабе (примерно 300 млн световых лет), можно определять расстояния до них - это будет угловое расстояние. Т.о., мы можем непосредственно измерить собственное расстояние до этих структур на момент испускания наблюдаемого сигнала. Кроме того, мы умеем определять именно угловое расстояние на момент излучения до т.н. поверхности последнего рассеяния, откуда к нам приходит реликтовое излучение
Графики скоростей для вселенной, заполненной пылью. Видно, что график для "видимой скрости" (нижняя синяя кривая) имеет максимум. Верхняя (черная) кривая соответствует скорости на момент излучения, рассчитанная по "космическому времени". Средняя (красный пунктир) - это скорость в настоящий момент времени.
(оно, кстати, небольшое всего лишь около 13 мегапарсек, т.к. тогда вселенная была гораздо компактнее).

Теория говорит, как различные космологические расстояния связаны друг с другом (для расчета некоторых из них можно воспользоваться Космологическим калькулятором. Т.о., определив с достаточной точностью одно из них, можно подсчитать и остальные, если у нас есть хорошая космологическая модель.

Горизонты

Снова летит домовой в погоне за небом.
Джордж Гуницкий

Горизонт частиц - это расстояние до самого далекого источника, в принципе наблюдаемого в данный момент времени (на всякий случай уточним, что речь идет о собственном расстоянии до объекта в момент приема фотона, а не в момент излучения). Иногда радиус горизонта определяют по-другому: расстояние, которое фотон может пройти от "момента ноль" до данного момента (т.е. это расстояние, на которое можно передать информацию за время, равное возрасту Вселенной, разумеется, с учетом расширения). Оба определения эквивалентны (см. детали в статье "За горизонтом вселенских событий". В нерасширяющейся Вселенной конечного возраста (т.е. "с началом") этот радиус линейно рос бы со временем. Во Вселенной, расширяющейся с замедлением, радиус рос бы всегда, но медленнее. Ну а во Вселенной, которая начала ускоряться в какой-то момент своей эволюции, радиус стремится к конечному значению (в сопутствующих координатах, т.е. в координатах на расширяющейся сетке) при стремлении времени к бесконечности (т.е. есть объекты, которые мы никогда не увидим, сколько бы ни ждали). Этот горизонт нельзя определить как скорость света, умноженную на время после начала расширения, т.к. пока фотон летит, вселенная расширяется. Обратите внимание, красное смещение источников на горизонте частиц бесконечно. Формально, горизонта частиц нет во вселенных, все время расширяющихся с ускорением (расстояние в данный момент до объекта с красным смещением равным бесконечности, будет стремиться к бесконечности). Но, если мы говорим о частицах, как о галактиках, которые возникли в какой-то не слишком ранний момент жизни вселенной, то такой горизонт будет и в ускоряющихся моделях. Есть он и в нашей вселенной.

Горизонт событий - довольно хитрое понятие (и не во всякой космологической модели он существует). События во вселенной можно разделить на три группы. Во-первых, есть те, что были доступны нам для наблюдения в прошлом, во-вторых, есть такие, которые будут доступны