Другой способ датирования Млечного Пути основан на оценке возраста составляющих его старейших звезд и звездных скоплений. Этот метод основан на теории звездной эволюции, хорошо подтвержденной разнообразными наблюдениями. Результат этого подхода — возраст различных объектов Галактики (звезд, шаровых скоплений, белых карликов и пр.) не превышает ~10–15 млрд лет, что согласуется с современными представлениями о времени начала космологического расширения.

Возраст других галактик определить, конечно, сложнее, чем возраст Млечного Пути. У далеких объектов мы не видим отдельные звезды и вынуждены изучать лишь интегральные характеристики галактик — спектры, распределение яркости и пр. Эти интегральные характеристики складываются из вкладов огромного числа составляющих галактики звезд. Кроме того, наблюдаемые характеристики галактик сильно зависят от наличия и распределения в них межзвездной среды — газа и пыли. Все эти трудности преодолимы и современные астрономы научились восстанавливать истории звездообразования, которые должны были привести к наблюдаемым в настоящее время интегральным характеристикам галактик. У галактик разных типов эти истории различны (например, эллиптические галактики возникли в ходе мощной одиночной вспышки звездообразования много миллиардов лет назад, в спиральных галактиках звезды рождаются и в настоящее время), однако не обнаружено галактик, начало звездообразования в которых превышало бы возраст Вселенной. Кроме того, наблюдается вполне определенный, ожидаемый для реально расширяющейся Вселенной, тренд — чем дальше по z мы забираемся во Вселенную, то есть переходим к все более ранним этапам ее эволюции, тем, в среднем, более молодые объекты мы наблюдаем.

Важными аргументами, поддерживающими расширение Вселенной, являются также существование реликтового излучения, наблюдаемое увеличение его температуры с ростом красного смещения, а также содержание элементов во Вселенной, но об этом я расскажу чуть позже. Закончить же свой рассказ я хочу, быть может, самым наглядным свидетельством расширения Вселенной — изображениями далеких галактик (см. пример на рис. 24).

Одними из самых эффектных результатов работы космического телескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope), несомненно, являются замечательные картинки разнообразных космических объектов — туманностей, звездных скоплений, галактик и пр. Наблюдениям из космоса не мешает земная атмосфера, размывающая изображения, и поэтому снимки HST примерно в десять раз более четкие, чем наземные. На этих очень четких снимках (их угловое разрешение составляет около 0.''1) в 1990-х годах впервые удалось детально рассмотреть структуру далеких галактик. Как оказалось, далекие галактики не похожи на те, что мы наблюдаем около нас. С ростом красного смещения увеличивается доля асимметричных и неправильных галактик, а также галактик в составе взаимодействующих и сливающихся систем: если при z = 0 к таким объектам можно отнести лишь несколько процентов галактик, то к z = 1 их доля возрастает до ~ 30–40 %.

Рис. 24. Фрагмент Сверхглубокого поля космического телескопа «Хаббл» (размер изображения 30'' x 30'')· Большинство видимых на рисунке галактик имеют z ~ 0.5 : 1, то есть они относятся к эпохе, когда Вселенная была примерно вдвое моложе.

Почему это происходит? Простейшее объяснение связано с расширением Вселенной — в более ранние эпохи взаимные расстояния между галактиками были меньше (при z = 1 они были в два раза меньше) и, следовательно, галактики должны были чаще возмущать друг друга близкими прохождениями и чаще сливаться. Этот аргумент не является столь однозначным, как упомянутые раньше, однако он наглядно свидетельствует о вполне определенной, соответствующей картине расширяющейся Вселенной, эволюции свойств галактик со временем. Итак, расширение Вселенной подтверждается разнообразными, совершенно не связанными друг с другом, независимыми наблюдательными тестами. Кроме того, нестационарность Вселенной неизбежно возникает и при теоретических исследованиях ее структуры и эволюции. Все это позволило знаменитому советскому физику-теоретику Якову Зельдовичу еще в начале 1980-х годов заключить, что теория Большого взрыва, основой которой является расширение Вселенной, «столь же надежно установлена и верна, сколь верно, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий».

Итак, наша Вселенная расширяется. Однако что это означает? Есть ли центр, из которого началось расширение, и где он находится? Что было до начала этого расширения? Что находится вне Вселенной — ведь она должна расширяться во что-то? Эти и подобные им вопросы часто возникают при первом знакомстве с космологией.

Скажу сразу, что такие вопросы в их простейшей формулировке лишены смысла и они, как правило, основаны на сравнении процесса расширения Вселенной с обычным взрывом. Стивен Хокинг предложил такую аналогию: почти в любом месте на Земле вопрос о том, что находится к северу от него, имеет смысл, но в точке Северного полюса этот вопрос становится бессмысленным. Так и разговор о структуре и рождении Вселенной в терминах непосредственного житейского опыта также не имеет смысла.

Слово «взрыв» появилось в названии стандартной космологической модели уже довольно давно. Весной 1949 года знаменитый английский астрофизик Фред Хойл выступил на радио ВВС с серией научно-популярных передач об астрономии и, рассказывая о модели расширяющейся Вселенной, впервые назвал ее знаменитым сейчас термином «Большой взрыв» — «Big Bang». (На самом деле слово «Bang» правильнее переводить с английского как «удар», «стук», звук удара или взрыва — «бац», «бабах».) Возможно, Хойл вложил в эти слова иронический смысл, так как он был противником стандартной космологии и автором собственной теории стационарной Вселенной, возможно, он просто хотел, чтобы слушатели лучше представили себе эту модель, но, как бы то ни было, вскоре это название стало практически синонимом теории расширяющейся Вселенной. Не исключено, что не вполне корректный перевод введенного Фредом Хойлом термина нанес больше вреда пониманию модели расширяющейся Вселенной для русскоязычных любителей астрономии, чем его — Хойла — критика теории Большого взрыва!

Дело в том, что расширяющаяся Вселенная не является результатом «взрыва» в обычном понимании. Расширение при взрыве любого взрывчатого вещества происходит из-за разности давления продуктов взрыва и окружающей среды (например, воздуха). В эволюционирующей Вселенной никаких градиентов давления нет. При обычном взрыве всегда можно локализовать его центр, кроме того, всегда можно указать, куда разлетаются остатки взрыва. В расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни стандартно трактуемого окружающего пространства. Эдвард Харрисон сформулировал это так: «вселенная не в пространстве, она содержит пространство». Так как можно представить себе расширение Вселенной? [14]

По-видимому, самая популярная аналогия, хотя, как и любая аналогия, не вполне точная, была предложена еще в 1930 году Артуром Эддингтоном. В статье, посвященной обсуждению устойчивости замкнутой космологической модели Эйнштейна, он сравнил процесс расширения с раздуванием резинового шара, причем галактики и все другие объекты находятся на поверхности этого шара (рис. 25). Очевидно, что по мере раздувания шара галактики будут удаляться друг от друга, причем в каждой точке поверхности шара будет казаться, что все объекты удаляются именно от этого места. Тем самым, центр расширения резинового «пространства» будет находиться вне этого «пространства».

Рис. 25. Модель расширения Вселенной в виде раздувающегося воздушного шарика. При раздувании шара расстояния между галактиками увеличиваются, хотя сами галактики остаются неподвижными по отношению к сопутствующей, расширяющейся вместе с шариком, системе координат (вертикальные и горизонтальные линии на шарах). Размеры самих галактик также не меняются в ходе расширения Вселенной (рисунок из статьи Линевивера и Дэвис (2005))

Другая наглядная модель расширения Вселенной — это кусок обыкновенного теста с вкрапленными в него изюминками. По мере разбухания теста изюминки (галактики) начинают удаляться друг от друга, однако по отношению к окружающему тесту (пространству) изюминки никуда не двигаются. Отсутствует и центр расширения — если не рассматривать области вблизи границы куска, то «разбегание» изюминок можно обнаружить в каждой точке теста. По-другому представил себе расширяющуюся Вселенную американский художник Джосайя Мак-Илхени (рис. 26). В его скульптуре (!), вдохновленной беседами с известным космологом Девидом Вайнбергом, сам момент начала космологического расширения скрыт центральной алюминиевой сферой. Эта сфера изображает так называемую поверхность последнего рассеяния (см. следующий параграф), из которой в разных направлениях торчат стержни. Стержни — это не траектории частиц, это визуализация времени: длина стержней служит мерой времени, прошедшего после начала расширения. Стержни имеют разную длину, и их концах закреплены стеклянные диски, изображающие галактики и их скопления, а также лампочки (квазары). При продвижении от центра скульптуры к ее краям происходит эволюция свойств космических объектов — растут размеры галактик и скоплений, появляются эллиптические галактики (стеклянные шарики), яркость и частота встречаемости лампочек меняются в соответствии с наблюдаемой эволюцией свойств квазаров. Стоя возле этой скульптуры, можно читать лекции по космологии и эволюции галактик!