7.4. Третья тайна: Так что же всё-таки открыл Эдвин Хаббл в 1929 году?
Наверно, любой, кто интересуется астрономией, знает, что открыл Эдвин Хаббл в 1929 году. В 20-х годах двадцатого века Хаббл определил расстояния до галактик, расположенных в радиусе 50 миллионов световых лет от нас, и обнаружил, что величина красного смещения в спектре излучения галактики пропорциональна расстоянию до неё. В дальнейшем открытый Хабблом закон был полностью подтверждён и для более далёких галактик. В наше время общепринято, что красные смещения в спектрах излучения галактик есть результат доплеровского эффекта, вызванного расширением Вселенной. Таким образом, Хаббл открыл расширение Вселенной.
С одной стороны, галактики удаляются друг от друга вследствие расширения Вселенной. Но с другой стороны, благодаря закону Всемирного тяготения, галактики притягиваются друг к другу, образуя группы и скопления галактик. Если мы возьмём гравитационно связанное скопление галактик, то, естественно, внутри этого скопления никакого космологического расширения быть не должно. Например, наша Местная группа насчитывает около сорока галактик, находящихся в объёме с радиусом около 1,5 миллионов световых лет. И никакого космологического расширения внутри неё не наблюдается. Таким образом, космологическое расширение должно иметь место не в масштабе, охватывающем несколько галактик, а в гораздо бóльших масштабах, охватывающих хотя бы несколько крупных скоплений галактик. Крупные скопления галактик состоят из многих тысяч галактик и имеют размеры 50100 миллионов световых лет. Галактики внутри таких скоплений распределены очень неравномерно: вблизи центра концентрация галактик повышается, а на окраине – падает. Крупные скопления разделены пустотами, размеры которых, как правило, превышают размеры скоплений. Внутри таких пустот галактики и небольшие группы галактик встречаются крайне редко. Ближайшее к нам крупное скопление – скопление галактик в Деве. Его центр находится на расстоянии 50 миллионов световых лет от нас, и можно сказать, что наша Местная группа находится вблизи самой окраины этого скопления. И, конечно же, не следует ожидать, что гравитационно связанные между собой галактики, находящиеся внутри одного скопления, будут подчиняться закону, открытому Хабблом. Закон Хаббла должен действовать только на космологических масштабах, то есть на таких масштабах, на которых распределение материи становится более однородным. А однородное распределение материи начинается только на расстояниях порядка 300 миллионов световых лет и более.
Сделаем количественные оценки. Наша Местная группа галактик имеет диаметр около 3 миллионов световых лет. Относительные скорости галактик внутри неё порядка 100 км/с. Используя закон Хаббла, мы можем рассчитать хаббловскую скорость галактик, находящихся на расстоянии 3 миллиона световых лет. Она составляет примерно 70 км/с, что меньше, чем 100 км/с. Крупные скопления галактик имеют радиус до 50 миллионов световых лет, относительные скорости галактик внутри таких скоплений могут достигать 1000 км/с. Хаббловская скорость для галактик, находящихся на расстоянии 50 миллионов световых лет, также составляет приблизительно 1000 км/с. Ясно, что закон Хаббла будет выполняться с хорошей точностью только на расстояниях значительно бóльших, чем 50 миллионов световых лет, при условии, что хаббловская скорость галактики будет много больше её местной скорости внутри скопления.
Таким образом, закон, открытый Хабблом, может быть применим только на больших расстояниях – 300 миллионов световых лет и более. Что же касается расстояний в 50 миллионов световых лет и менее, то на таких расстояниях этот закон выполняться не будет.
А теперь вспомним, на каких расстояниях Хаббл открыл свой закон (рис. 27). Это расстояния в пределах 50 миллионов световых лет. А мы только что выяснили, что на таких расстояниях закон Хаббла действовать не может! Но если закон Хаббла не может действовать на таких расстояниях, то что же тогда открыл Хаббл?
Рис. 27. Оригинальная Хаббловская диаграмма 1929 года.
Галактики изображены маленькими кружочками. По горизонтали отложены расстояния до галактик в парсеках (1 пк 3,26 св. года). По вертикали скорости удаления галактик. Во времена Хаббла расстояния до галактик были занижены почти в 10 раз. Взято из [178,с.214].
Вспомним вкратце историю открытия расширения Вселенной. В 20-е годы двадцатого века Хаббл обнаружил, что красные смещения в спектрах галактик пропорциональны расстояниям до них. Это касалось всех галактик, находящихся вне нашей Местной группы галактики, то есть расположенных несколько далее Туманности Андромеды. Астрономов (да и вообще всех людей, интересующихся астрономией) настолько поразил этот факт, что в течение нескольких десятилетий велись ожесточённые споры о происхождении красного смещения. Кроме того, во времена Хаббла считалось, что галактики распределены в пространстве достаточно равномерно. Крупные скопления галактик, а тем более, гигантские пустоты между ними были открыты гораздо позднее. Теория расширяющейся Вселенной получила широкое распространение только после открытия реликтового излучения в 1965 году. А крупномасштабная структура Вселенной стала вырисовываться ещё позже, только в 80-х годах двадцатого века. Поэтому вполне понятно, почему астрономы в первой половине двадцатого века не задавали простого вопроса:
Начиная с каких расстояний должен выполняться закон Хаббла?
Этот вопрос стали задавать позднее, когда выяснили, что распределение материи в малых масштабах пространства очень неравномерно. И тогда же астрономы поняли, что в малых масштабах закон Хаббла выполняться не может. Но, тем не менее, он выполняется! Красные смещения в спектрах галактик, находящихся очень близко от нас, в пределах 5-50 миллионов световых лет пропорциональны расстояниям до них. И коэффициент пропорциональности тот же самый, что и для галактик, удалённых на космологические расстояния – на расстояния порядка 1 миллиарда световых лет и более.
Получается, наше Местное сверхскопление галактик расширяется по тому же самому закону Хаббла, что и вся Вселенная! Как такое может быть?
В виду особой важности этой проблемы приведу цитату из книги А. Чернина, ведущего сотрудника Государственного Астрономического института им. Штернберга [178,с.250,251]:
В ближайшей окрестности нашей Галактики, в объёме с радиусом в 20 Мпк, никакой однородности в распределении вещества нет. В мире галактик это свойство наблюдается лишь в масштабах 300 миллионов световых лет и более. Распределение же вещества в ближнем объёме, напротив, крайне неравномерно: здесь имеются группы галактик с размерами около 1 Мпк, все они входят в большое скопление галактик Вирго (т. е. Дева), центр которого лежит в направлении на одноимённое созвездие и находится от нас на расстоянии приблизительно в те же 20 Мпк, и т. п.
Как при таких условиях здесь возможен регулярный космологический поток расширения с линейной зависимостью скорости от расстояния? Ведь по теории Фридмана такое регулярное расширение возможно лишь в случае однородности вещества в пространстве!
Приглядимся снова к хаббловской диаграмме (рис. 27). Наименьшие скорости удаления у Хаббла составляют всего одну – две сотни км/сек; и это означает, что хаббловский поток берёт начало очень близко от нас, на расстояниях всего в несколько Мпк.
Но это катастрофически не тот, не космологический пространственный масштаб.
Остаётся лишь спросить: а имеет ли открытие Хаббла какое-либо отношение в космологии?
К настоящему времени наблюдениям стали доступны галактики со скоростями разбегания вплоть до сотни тысяч км/сек, что соответствует расстояниям в тысячи Мпк. Это бесспорно космологические масштабы. На таких масштабах линейный закон расширения надёжно и уверенно установлен, – в полном соответствии с теоретическими ожиданиями в духе фридмановской теории. Но что поразительней всего, для этих глобальных космологических масштабов постоянная Хаббла имеет практически то же самое численное значение, что и в локальном объёме до расстояний всего в 10-20 Мпк.
Согласно Алану Сэндиджу, космологическое расширение прослеживается вплоть до 1,5-2 Мпк от нас, и локальный темп подобен глобальному, если только он не совпадает с ним точно, на уровне 10%. Это данные из статьи Сэндиджа, опубликованной в 1999 г., ровно через 70 лет после первой космологической публикации Хаббла.
Говоря иными словами, общая картина расширения выглядит так, как если бы глобальный космологический поток и в самом деле начинался прямо вблизи нас и, простираясь далее чуть не до горизонта мира, сохранял всюду свою кинематическую идентичность. Как же это может быть?
Такова загадка, существующая в космологии со времён Хаббла. Сэндидж, один из самых крупных космологов-наблюдателей наших дней, прямо пишет в работе 1999 г.: «мы так и останемся с этой тайной».
Итак, Хаббл открыл не расширение Вселенной, а расширение Местного сверхскопления галактик. Но, как оказалось впоследствии, закон, по которому происходит расширение Вселенной, практически совпадает с законом, открытым Хабблом. Почему?