В одной из прошлых статей мы с вами обсуждали так называемую космологическую Ось Зла — что это такое и почему физики говорят о ней так, как будто это что-то плохое. Словосочетание «пузырь Хаббла» звучит куда менее зловеще, однако на самом деле мысль о существовании этого самого пузыря пугает физиков не многим меньше.
Давайте же разберёмся, что это за пузырь и что в нём такого страшного. Правда, начать придётся немного издалека, но ничего страшного: в процессе мы с вами узнаем много интересного.
Если вы читаете эту статью, то вы, наверное, интересуетесь современной физикой, а значит, вероятно, знаете: современная физика считает, что Вселенная расширяется. И более того: мы думаем, что знаем, как именно она расширяется.
Это расширение описывает закон, который гласит: чем дальше от нас находится космический объект, тем быстрее он от нас удаляется. Причём зависимость эта имеет самый простой, линейный вид: скорость равна произведению расстояния до объекта на некий коэффициент пропорциональности, V=H x r.
Здесь необходимо сделать небольшое разъяснение. Когда мы говорим о скорости удаления от нас космических объектов в смысле вышеописанного закона, мы имеем в виду не совсем движение в классическом смысле — вроде того, как движется, удаляясь от нас, брошенный нами камень. Здесь имеет место другой процесс: объекты как бы удаляются, потому что «разбухает» пространство между ними. Грубо говоря, если мы поместим в двух точках космоса, удалённых друг от друга ровно на 1 световой год, два неких совершенно неподвижных друг относительно друга объекта, а затем через некий (весьма значительный) промежуток времени измерим расстояние между ними снова, то окажется, что расстояние стало, скажем, 1,1 светового года. То есть, объекты друг относительно друга не двигались, а расстояние всё равно выросло, как если бы они перемещались.
Однако абсолютно неподвижные объекты бывают лишь в мысленном эксперименте. В реальности тела движутся во вполне классическом понимании: Земля вращается вокруг Солнца, Солнце — вокруг центра Млечного пути, сам Млечный путь движется в направлении сверхплотного скопления галактик, известного как скопление Норма, расположенного в созвездии Наугольника (найти его на небе у большинства не получится, его видно только в Южном полушарии).
То есть, любой наблюдаемый нами астрономический объект участвует сразу в двух «движениях» — настоящем движении под действием гравитационных и иных сил, и космологическом «псевдодвижении» из-за разбухания пространства расширяющейся Вселенной. При этом космологическое убегание, как мы уже говорили выше, тем сильнее, чем больше расстояние до объекта (оно и понятно: чем больше пространства, тем быстрее оно «разбухает»).
К примеру, когда мы говорим о движении Луны вокруг Земли, Земли вокруг Солнца или даже Солнца относительно других звёзд, космологическое движение почти не проявляет себя, и видимые нами скорости движения тел — это практически полностью «настоящее» движение, скорость которого называют пекулярной (от английского peculiar — «своеобразный»). Чем дальше объект, тем большее значение в наблюдаемой нами его скорости играет именно космологические эффекты. И для наиболее удалённых галактик мы имеем дело почти полностью с их «космологической» скоростью.
Для промежуточных расстояний (больших, но не очень) пекулярная и космологическая скорости могут иметь близкий или почти равный вклад. Например, галактика Андромеды имеет пекулярную скорость, направленную в сторону Млечного пути, причём эта скорость превосходит скорость космологического разбегания. В результате эта галактика не удаляется от нас, а, наоборот, приближается.
А теперь важно: наблюдая за тем или иным объектом, мы в принципе не очень можем сказать, какая часть наблюдаемой скорости определяется пекулярным движением, а какая — космологическим убеганием.
Как же именно разделить два вида движения и определить скорость именно космологического расширения? Для этого нужно пронаблюдать не за одной, а за многими галактиками, измерить их скорость и расстояние до них (как это делают, я уже описывал тут), после чего сопоставить данные. Очевидно, что пекулярные скорости галактик являются величинами практически случайными, своего рода отклонениями от «нормального» значения. И математические методы позволяют исключить эти отклонения и выявить «чистую» картинку подобно тому, как очищают от помех некачественную видеозапись.
Впервые это проделал американский астроном Эдвин Хаббл, собрав и сопоставив данные о расстояниях до нескольких десятков ближайших галактик и расстояниях до них (как он их получил, можно почитать здесь). Это в свою очередь позволило определить, чему равен коэффициент пропорциональности между скоростью космологического убегания галактики и расстоянием до неё. Впоследствии этот коэффициент назвали постоянной Хаббла, а формулу, с которой мы начали наш рассказ — законом Хаббла.
Так как значение постоянной Хаббла определяется ничем иным, как абсолютными свойствами пространства-времени, она должна быть одинаковой во всех точках Вселенной (в скобках отметим, правда, что ряд теорий предполагает, что она может меняться с течением времени). А значит, измерив скорость удаления от нас даже самой удалённой галактики, мы можем подсчитать расстояние до неё!
Но это если мы подсчитали постоянную Хаббла правильно. И вот на этот счёт существуют определённые сомнения.
Мы знаем, что вещество во Вселенной распределено неравномерно. Звёзды собраны в галактики, галактики — в скопления и сверхскопления, а те, в свою очередь, в крупномасштабные структуры, например, так называемые галактические нити длиной в сотни и диаметром в десятки миллионов световых лет. Внутри этих структур концентрация материи существенно выше, чем в среднем по Вселенной. Их противоположностью являются войды — области пространства, где концентрация материи, напротив, значительно ниже средней. Размеры войдов составляют сотни миллионов световых лет. Иными словами, даже в масштабах сотен миллионов лет мы видим существенные отклонения от средних значений плотности материи во Вселенной.
Так вот, а постоянную Хаббла мы рассчитали, оперируя данными о галактиках, расположенных внутри «пузырька» радиусом всего в 2 миллиона световых лет (с Землёй в центре)! Разумеется, не будет ровным счётом ничего удивительного, если средняя плотность материи внутри этого пузырька окажется иной, нежели в среднем во Вселенной или по крайней мере в окрестностях этого самого пузырька.
И если это действительно так, то наши расчёты для постоянной Хаббла могут оказаться неверными.
Действительно, если внутри пузыря наблюдаемого пространства концентрация материи выше, чем в окружающей Вселенной, то галактики, скорость которых мы измеряли, обретут «общую» составляющую пекулярной скорости, направленную к центру пузыря. И так как эта составляющая уже не будет случайной, методы усреднения здесь уже не сработают, и мы не сможем окончательно «очистить» космологическое движение от пекулярного.
Если же внутри пузыря концентрация вещества, наоборот, меньше, то скорость убегания галактик будет выше, так как их будет притягивать к себе материя за границами пузыря.
Как вы уже наверное догадались, гипотетический пузырь пространства с иной плотностью вещества с Землёй в центре и называют пузырём Хаббла — в том смысле, что известная нам постоянная Хаббла имеет такое значение только внутри этого пузыря (если он существует).
Точнее, на самом деле постоянная Хаббла действительно одинакова для всей Вселенной. Просто то её значение, которое мы сегодня используем, неверно, ибо в своих расчётах мы не учли «пузыристость» нашей области Вселенной.
Какое это имеет значение? Огромное.
Как мы уже говорили, с помощью постоянной Хаббла вычисляются расстояния во Вселенной, и если на самом деле её значение не такое, как мы привыкли думать, то наши представления о масштабах пространства и времени, а также об истории и устройстве Вселенной придётся, быть может, подвергнуть серьёзному пересмотру.
А физики этого не любят.
Впрочем, есть и хорошие новости: возможно, найдётся простое и логичное объяснение разным аномалиям во Вселенной, которые мы обнаружили в последние 20 лет, и мы сможем отказаться от ряда не слишком изящных гипотез, придуманных нами для их объяснения — вроде гипотезы о «тёмной энергии». Но об этом мы поговорим в следующий раз.
Пока же отметим, что существование пузыря Хаббла является всего лишь гипотезой, которую ещё только надлежит подтвердить или опровергнуть: в настоящее время имеются научные работы, как подтверждающие наличие пузыря (согласно ним, плотность пространства в нём примерно на 20 % меньше, чем в окрестностях), так и опровергающие его существование.
В общем, процесс идёт.
