Чтение онлайн

Библейская картина мира была построена вокруг человека. Человек находился в центре Вселенной — на Земле, вокруг которой обращались планеты, Солнце и Луна, а снаружи все это замыкалось сферой божественного. Коперник передвинул Землю из центра Солнечной системы, затем Диггес и Бруно убрали ограничивающую нашу планетную систему внешнюю сферу, сделав Солнце рядовой звездой среди множества подобных. Вильям Гершель открыл нашу Галактику в виде гигантского уплощенного скопления звезд. Солнце по Гершелю находилось вблизи центра Галактики. В XX веке, в первую очередь усилиями Хаббла, было доказано, что Галактика — рядовой объект среди множества других. Кроме того, Солнце было передвинуто на периферию нашей звездной системы. Окружающая Солнце планетная система тоже не уникальна — планеты присутствуют, по-видимому, у большинства звезд. И вот, на рубеже XX и XXI веков, начало формироваться представление, что очередная «черепаха» — наш заполненный галактиками расширяющийся пузырек пространства-времени — не последняя и за ее пределами уже маячит следующая — Мультивселенная. Удастся ли нам когда-нибудь найти и понять последнюю «черепаху», если она, конечно, существует?

В предыдущей главе я описал несколько основных наблюдательных фактов, на которых базируется наше представление о Вселенной. Получившаяся картина Вселенной делает решение фотометрического парадокса почти тривиальным — наша Вселенная конечна во времени и в пространстве, содержит конечный запас энергии и, естественно, в таких условиях парадокс не может возникнуть. Однако темнота ночного неба сама по себе является важным космологическим наблюдательным фактом и содержит полезную информацию о Вселенной. Эта — самая короткая — глава посвящена подробному описанию фона ночного неба и тому, что можно из него извлечь.

Поговорим теперь о наблюдаемом фоне ночного неба, то есть о том, что виднеется между звездами. Нашим глазам этот фон кажется совершенно темным, но на самом деле это, конечно, не так — фон и не пуст, и не темен.

Рассмотрим повнимательней какой-либо участок ночного неба. На рис. 45 показано изображение участка неба в направлении созвездия Большая Медведица (левый рисунок). Размер этой площадки примерно равен диаметру полной Луны и в этой области неба видна лишь россыпь неярких звезд. В центре изображения многоугольником выделена небольшая площадка, которую в декабре 1995 года наблюдал космический телескоп «Хаббл». Форма области соответствует полю зрения так называемой Широкоугольной и планетарной камеры космического телескопа. Наблюдения этого участка неба (он получил название Северного глубокого поля телескопа «Хаббл» или HDF-N) проводились почти непрерывно в течение двух недель. На итоговом изображении (средний рисунок) видно около 3000 галактик и всего лишь несколько звезд нашей Галактики. Это, конечно, не случайно. Целью наблюдений HDF-N было изучение далеких галактик, и поэтому область поля была выбрана далеко от плоскости Млечного Пути, где спроецированная плотность звезд относительно невелика.

Самые слабые из галактик в HDF-N имеют видимую звездную величину ~ 29m, то есть они более, чем в миллиард раз тусклее самых слабых звезд, доступных человеческому глазу. При увеличении любого из фрагментов HDF-N в кажущейся пустоте между яркими объектами появляются более слабые (см. правую часть рис. 45). В итоге, если посчитать, сколько галактик приходится на единицу площади в глубоких полях, подобных HDF-N, то оказывается, что каждый квадрат небесной сферы со стороной 2''–3'' содержит галактику.

Рис. 45. Слева: участок неба размером 0.°5 x 0.°5 в области созвездия Большая Медведица. Многоугольником указана область Северного глубокого поля космического телескопа «Хаббл» (HDF-N). В центре: репродукция HDF-N (размер изображения — 2.’7 x 2.’7). Справа: фрагмент изображения HDF-N размером 25'' x 29''.

Из приведенного примера становится понятно, что фон ночного неба складывается из свечения слабых звезд нашей Галактики и из излучения далеких галактик. Кроме того, на наблюдаемый фон ночного неба очень сильно влияет атмосфера Земли — она сама по себе немножко светится из-за фотохимических процессов в ее верхних слоях. Заметный вклад в наблюдаемый фон дает и межпланетная пыль, подсвечиваемая Солнцем — зодиакальный свет, и межзвездная пыль, подсвечиваемая звездами Галактики. Есть и другие факторы, влияющие на фон неба, но их вклад менее значителен.

Суммарный фон ночного неба при наблюдениях с Земли довольно ярок, хотя и уступает примерно в 10 миллионов раз яркости дневного неба. Например, на высокогорных обсерваториях, удаленных от яркой подсветки городов и находящихся выше приземного слоя воздуха, одна квадратная секунда безлунного ночного неба в зените светит в видимом диапазоне примерно как звезда 22 звездной величины. Один квадратный градус неба светит уже как звезда 4m (такая звезда уже легко различима глазом), а вся полусфера ночного неба излучает как объект –6m или –7m. Это означает, что ночное небо как целое светит ярче любой звезды или планеты, и уступает лишь Солнцу и Луне!

Вклад разных факторов в итоговую яркость ночного неба варьируется со временем (например, свечение атмосферы усиливается в периоды максимума солнечной активности) и в зависимости от положения относительно плоскостей Солнечной системы и Галактики. В оптическом диапазоне этот вклад в среднем выглядит примерно так [35] :

свечение атмосферы — 145 N 10,

зодиакальный свет — 60 N 10,

интегральный свет слабых звезд Галактики — < 5 N 10,

свет звезд, рассеиваемый межзвездной пылью, — 10 N 10,

диффузное излучение внегалактических объектов ~ 1 N 10.

Итак, оказывается, что оценить реальный фон ночного неба, создаваемый далекими внегалактическими объектами, совсем непросто. Этот фон заслоняется «передним планом» — земной атмосферой, межпланетной и межзвездной средой, звездами Млечного Пути. Если учесть все эти помехи, то остающийся внегалактический фон выглядит примерно так, как показано на рис. 46. Природа этого фонового свечения в разных спектральных диапазонах сильно отличается. В области самых высоких энергий источник фона не вполне ясен, хотя заметный вклад в него, по-видимому, должно вносить излучение активных ядер галактик (квазаров, блазаров и др.). В оптическом и инфракрасном диапазонах фоновое излучение — это интегральный свет звезд и пыли, нагретой молодыми звездами, от галактик на разных красных смещениях. В миллиметровом диапазоне, как видно на рис. 46, доминирует вклад реликтового излучения (раздел 2.4). В радиодиапазоне за фон, по-видимому, отвечают радиоисточники — радиогалактики, радиоизлучающие квазары и другие подобные объекты.

Рис. 46. Интенсивность космического фонового излучения в разных спектральных диапазонах. Вдоль нижней горизонтальной оси отложена длина волны излучения в микронах, вдоль верхней — соответствующие энергии квантов в электронвольтах.

Итак, внегалактическое фоновое излучение — это дошедший до нас интегральный свет от всех звезд, галактик и активных ядер галактик, родившихся и эволюционирующих во Вселенной. Поэтому анализ этого излучения может дать информацию об истории звездообразования во Вселенной и даже о ее возрасте.

Рассмотрим простой случай. Пусть мы находимся в центре сферы, равномерно заполненной светящимся веществом (звездами и галактиками) и пусть радиус этой сферы равен R, а плотность светимости вещества — L (r) = L0. Тогда наблюдаемая освещенность, создаваемая всем излучением от нас и до границы сферы, может быть найдена суммированием от r = 0 до r = R : Q = ct0L0 , где R = ct0 , с — скорость света, a t0 — возраст нашей модельной Вселенной. Из этого выражения сразу видно, что величина фонового излучения (Q) определяется временем, в течение которого светили звезды и галактики, то есть, в конечном счете, возрастом Вселенной.

Чему равны значения Q и L0 в нашей Вселенной? Q — это поток энергии, проходящий за единицу времени через единицу площади от всех излучающих источников. Q может быть найдено суммированием фонового излучения по всем длинам волн. По современным данным Q ~ (5–10) x 10– 4 эрг/с·см2). Среднюю плотность светимости L0 можно грубо оценить, используя в качестве своего рода стандарта энерговыделения наше Солнце. Интегральная светимость Солнца Lo = 4x1033 эрг/с, масса Mo=2x1033 г и, следовательно, энерговыделение единицы массы Солнца: еo = Lo/ Mo = 2 эрг/с·г). Плотность «светящегося» вещества Вселенной составляет примерно 0.003 c = 3 x 10– 32 г/см3 (0,3 % критической плотности, см. раздел 2.5 предыдущей главы). Умножаем плотность на еo и получаем следующую оценку плотности светимости: L0 ~ 6 x 10– 32 эрг/с·см3). Подставляем эти значения в формулу для Q и получаем оценку времени, в течение которого должны были излучать звезды и галактики для того, чтобы обеспечить наблюдаемую яркость ночного неба, — t0 = Q/ (c x L0) ~ 10–20 млрд лет. Замечательный результат! Яркость ночного неба не только говорит нам о том, что был Большой взрыв, то есть было некое событие, приведшее к появлению звезд и галактик, но и о том, когда он произошел.