В 1868 г. еще один ученый обнаружил две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствовали никаким известным на Земле элементам. Он решил, что это, наверное, след какого-то нового элемента, который назвал «гелий»[7]. Спустя поколение гелий нашли и на Земле.
Изучение спектров излучения, приходящего от других звезд, – важный инструмент, позволяющий многое узнать об их составе, температуре и эволюции. Начиная с 1912 г. Слайфер наблюдал спектры света, исходящего от различных спиральных туманностей, и обнаружил, что они похожи на спектры близких звезд, с тем лишь исключением, что все линии поглощения сдвинуты на одну и ту же длину волны.
К тому времени стало понятно, что это вызвано всем известным эффектом Доплера: он назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который в 1842 г. объяснил, что волны, приходящие от движущегося источника, растягиваются, если источник удаляется, и сжимаются, если он приближается. С проявлением этого эффекта мы все прекрасно знакомы, и мне всегда вспоминается карикатура Сидни Харриса: два ковбоя в прерии глядят на проезжающий вдали поезд, и один говорит другому: «Ах, как я люблю слушать этот одинокий гудок паровоза, когда величина его частоты меняется из-за эффекта Доплера!» В самом деле, и гудок поезда, и сирена скорой помощи звучат выше, когда поезд или машина приближаются, и ниже, когда они удаляются.
Оказывается, то же самое происходит не только со звуковыми волнами, но и со световыми, хотя и по несколько иным причинам. Световые волны от удаляющегося источника – вследствие его локального движения в пространстве или же расширения пространства, разделяющего источник и наблюдателя, – растягиваются и поэтому кажутся боле красными (поскольку красный цвет расположен на длинноволновом краю видимого спектра), а волны из приближающегося источника сжимаются и кажутся более синими.
В 1912 г. Слайфер заметил, что линии поглощения от света, исходящего от спиральных галактик, почти всегда систематически сдвинуты в сторону более длинных волн (но у некоторых галактик, в том числе и той, что в Андромеде, свет сдвинут в сторону более коротких волн). Он сделал совершенно правильный вывод, что большинство этих объектов удаляются от нас, причем со значительной скоростью.
Хаббл сумел сравнить свои данные о расстояниях до этих спиральных галактик (именно так их теперь приходилось классифицировать) с данными Слайфера о скоростях, с которыми они удаляются. В 1929 г., при содействии сотрудника обсерватории Маунт-Вилсон Милтона Хьюмасона (наделенного такими инженерными талантами, что его приняли на работу в обсерваторию, хотя у него не было даже аттестата о среднем образовании), он объявил об открытии примечательного эмпирического соотношения, которое теперь носит название «закон Хаббла»[8] – линейной зависимости между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. Таким образом, чем дальше от нас галактики, тем быстрее они удаляются!
Когда впервые сталкиваешься с этим удивительным фактом – что почти все галактики удаляются от нас, и те, которые в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, а те, которые в три раза дальше, в три раза быстрее, – вывод, казалось бы, напрашивается сам собой: мы – центр Вселенной!
Как говорят некоторые мои друзья, хорошо бы, чтобы лично мне кто-нибудь ежедневно напоминал, что это не так. И в то же время результат Хаббла в точности совпал с соотношением, которое предсказал Леметр. Наша Вселенная и правда расширяется.
Я пытался объяснить этот процесс разными способами и, честно говоря, думаю, что понять его все равно не получится, если не умеешь смотреть на все снаружи – снаружи во вселенском масштабе. Чтобы понять, о чем говорит закон Хаббла, нужно скинуть шоры нашей Галактики и взглянуть на Вселенную извне. Посмотреть снаружи на трехмерную Вселенную трудно, а на двумерную – уже проще. Ниже я нарисовал расширяющуюся Вселенную в два разных момента времени t1 и t2. Как видно, что на второй картинке галактики находятся друг от друга дальше.
А теперь представьте себе, что вы живете в одной из галактик со второго рисунка – я отметил белым – в момент времени t2.
Чтобы увидеть, как будет выглядеть эволюция Вселенной с точки зрения этой галактики, я просто наложил правую картинку на левую, совместив «нашу» галактику на обеих картинках.
Вуаля! С точки зрения этой галактики все остальные удаляются от нее, причем те, которые в два раза дальше, удаляются в два раза быстрее, а те, которые дальше в три раза, – в три раза быстрее, и т. д. Если у Вселенной нет границ, обитателям галактики кажется, что в центре расширения находятся именно они.
Какую именно галактику при этом выбрать, неважно. Возьмем другую галактику и повторим операцию:
Таким образом, все зависит от точки зрения: или каждая точка – центр Вселенной, или же ни одна из них не центр Вселенной. Это неважно: закон Хаббла соответствует картине расширяющейся Вселенной.
Так вот, когда в 1929 г. Хаббл и Хьюмасон опубликовали результаты своего анализа, они не только сообщили, что обнаружили линейную зависимость между расстоянием и скоростью разбегания, но и сделали количественную оценку темпа расширения. Вот данные, которые они тогда представили:
Как видите, идея провести на графике с такой совокупностью данных прямую линию представляется лишь относительно удачной догадкой Хаббла. Очевидно, что какая-то зависимость есть, но на основании одних только этих данных далеко не очевидно, что именно прямая линия лучше всего ее описывает. Числа, которые получили Хаббл и Хьюмасон и которые отражены на графике, показывают, что галактика на расстоянии в 1 млн парсек от нас (3 млн световых лет с лишним) – а именно таково среднее расстояние между галактиками – удаляется от нас со скоростью 500 км/с. Однако эту оценку удачной не назовешь.
Почему – более или менее понятно. Если в наши дни все разбегается в стороны, значит, в прошлом все было ближе друг к другу. А если на все действует сила притяжения, она должна замедлять расширение Вселенной. Это значит, что галактика, которая, как мы наблюдаем сегодня, удаляется от нас со скоростью 500 км/с, раньше должна была двигаться быстрее.
Но, если мы на секунду допустим, что галактика всегда уносилась прочь с такой скоростью, можно посчитать все «в обратном порядке» и выяснить, как давно она занимала то же положение, что и наша Галактика. Поскольку галактики, расстояние до которых вдвое больше, движутся вдвое быстрее, расчеты покажут, что они все одновременно окажутся там же, где и мы. И правда: вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в одной точке в момент Большого взрыва, а когда именно, мы как раз и оцениваем.
Понятно, что такая оценка – верхний предел возраста Вселенной, поскольку если галактики когда-то двигались быстрее, то оказались бы там, где находятся сейчас, скорее, чем показывает эта оценка.
Так вот, такая оценка на основании расчетов Хаббла показывала, что Большой взрыв произошел примерно 1,5 млрд лет назад. Но даже в 1929 г. накопилось достаточно данных, чтобы было очевидно всем (кроме разве что сектантов, буквально понимающих Священное Писание, – они еще сохранились в Теннесси, в Огайо и в нескольких других штатах), что Земля старше 3 млрд лет.
Конечно, когда ученые устанавливают, что Земля старше Вселенной, получается как-то неловко. А главное, становится очевидно, что в анализе что-то не так.
Причина путаницы оказалась проста: оценки расстояний Хаббл делал по соотношениям для цефеид в нашей Галактике, и эти оценки имели систематическую ошибку. Шкала расстояний, основанная на том, что по данным ближних цефеид оценивалась дистанция до дальних, а затем – до галактик, в которых наблюдались еще более далекие цефеиды, оказалась неверной.
История о том, как исправляли эти систематические эффекты, слишком длинна и запутанна, чтобы излагать ее здесь, – впрочем, это уже неважно, потому что теперь у нас есть куда более точный механизм оценки расстояний.
Приведу одну из моих любимых фотографий, сделанных космическим телескопом «Хаббл»[9].
На ней изображена одна прелестная спиральная галактика далеко-далеко отсюда (и так выглядела она давным-давно, потому что свет от нее добирался до нас довольно долго, более 50 млн лет). В подобной спиральной галактике, похожей на нашу, насчитывается около 100 млрд звезд. В ее ярком ядре, наверное, около 10 млрд звезд. Обратите внимание на звезду внизу слева: она сияет почти так же ярко, как и эти 10 млрд звезд. На первый взгляд резонно предположить, что это просто звезда из нашей собственной Галактики, расположенная гораздо ближе и случайно попавшая в кадр. Но на самом деле это звезда из той самой далекой галактики, до которой более 50 млн световых лет.
Разумеется, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, – сверхновая, чуть ли не ярчайший фейерверк во Вселенной. Когда звезда взрывается, она ненадолго – примерно на месяц – начинает сиять в видимом свете с яркостью в 10 млрд звезд.
К счастью для нас, взрываются звезды не очень часто – в каждой отдельно взятой галактике примерно раз в 100 лет. Однако нам повезло, что это все-таки случается: если бы не сверхновые, нас бы с вами не было. То, что каждый атом в наших организмах когда-то был частью взорвавшейся звезды, – едва ли не самый романтичный факт, касающийся Вселенной. Более того, атомы правой руки, возможно, происходят не из тех же звезд, что атомы левой. Все мы буквально дети звезд, и тела наши созданы из звездной пыли.
Откуда мы это знаем? Дело в том, что картину Большого взрыва можно экстраполировать в прошлое до того времени, когда Вселенной было около секунды от роду, и мы подсчитали, что все наблюдаемое вещество было сжато в плотную плазму, температура которой насчитывала тогда около 10 млрд градусов по шкале Кельвина. При такой температуре легко идут ядерные реакции между протонами и нейтронами, они то соединяются, то распадаютс