Как удалось установить возраст Земли, почему Вселенная убегает, что такое темная материя и как «общаются» галактики: прольем свет на некоторые сложные вопросы устройства мироздания
Ошибка Кельвина и возраст Земли
О возрасте Земли яростно спорили в XIX веке, а точно определили его в середине XX века, с развитием радиоизотопного датирования. Сегодня мы знаем, что нашей планете примерно 4 млрд 550 млн лет. А это значит, что главный спорщик — Уильям Томсон, лорд Кельвин — заблуждался в десятки раз.
Кельвин проводил расчеты остывания поверхности Земли из первоначально расплавленного состояния. Температуру ядра он оценил примерно в 6 тысяч градусов. Это близко к реальности и действительно: чем глубже, тем выше температура. В самой глубокой в мире Кольской скважине на глубине 12 километров инструментально зафиксированы 212 градусов Цельсия. По расчетам Кельвина выходило, что нашей планете — от 20 до 400 млн лет. Позже он ограничил возраст 40 млн.
Эти цифры совсем не бились с тем, что получали геологи и биологи. С высот физики всех несогласных Кельвин публично высмеивал. Его авторитет был так велик, что спорить с ним осмеливались немногие. Потом выяснилось, что расчеты были верными, а данные — не совсем: Кельвин не учел конвекции в расплавленных недрах Земли и радиоактивного нагревания.
В сегодняшних цифрах мы уверены с точностью в 1%, или около 50 млн лет. Известна скорость превращения радиоактивного урана в свинец. Сравнивая количество урана и свинца в образцах пород, мы можем датировать их. Исследовали и земные породы, и метеориты, в том числе обломки огромного астероида из Каньон Дьябло в Аризоне, и даже образцы лунного грунта. Все результаты совпали с высокой точностью.
Возраст Солнца и всей Солнечной системы — немногим более четырех с половиной млрд лет. Телескоп Джеймса Уэбба позволяет видеть объекты, удаленные от нас на 13 млрд световых лет и более. Возраст Вселенной с момента Большого взрыва определяют примерно в 13 млрд 800 млн лет.
Закон Хаббла и бегство Вселенной
Закон Хаббла о расширении Вселенной со все увеличивающейся скоростью неплохо вписался в современную картину мира. Именно он привел к модели Большого взрыва, которая сегодня рассматривается как самая вероятная версия начала Вселенной.
Эдвин Хаббл вывел его на основе наблюдений за далекими объектами в 1929 году. Первенство его иногда оспаривают, поскольку в 1922 формулу расширяющейся Вселенной вывел русский математик Александр Фридман на основе общей теории относительности, а чуть позже француз Жорж Леметр обнаружил прямую зависимость скорости убегания от расстояния и приблизительно рассчитал постоянную, которая известна как постоянная Хаббла.
Но даже современные телескопы не в силах решить проблему так называемого «хаббловского конфликта», при котором разные методы измерения дают, по сути, два разных значения. Постоянную Хаббла рассчитывают по несколько раз в год, но результаты в зависимости от метода отличаются друг от друга примерно на 10%. Это не простая погрешность, а серьезная проблема.
Возможных объяснений пока три: систематические ошибки, что было бы довольно странно, учитывая количество попыток; непостоянство самой постоянной, то есть предположение, что она может меняться со временем. И, наконец, потребность в новой физике за пределами стандартной модели. Изменить стандартную модель — не вопрос. Надо только предложить новую теорию для темной энергии и материи, найти дополнительный вид нейтрино,или сделать еще что-то, уму пока непостижимое… Но очень уж хорошо и привычно работает физика старая, почти везде.
Вселенная разбегается во все стороны, но не факт, что все пропало. Затормозит ли она или начнет сжиматься — это зависит от еще неизвестных нам свойств материи и энергии и от кривизны пространства-времени.
Вера Рубин и темная материя
Веру Рубин считают одной из самых недооцененных исследовательниц в астрономии. Именно ее наблюдения за галактиками дали практическую основу для теории темной материи во Вселенной.
В 60-е годы вместе с Кентом Фордом она изучала поведение ближайшей к нам галактики Андромеда и обнаружила, что скорость вращения звезд на ее периферии в десятки раз превышает значения, рассчитанные для Солнечной системы. Стало очевидно, что в галактиках все устроено немножко по-другому, так что ньютоновская динамика не работает. Объяснения стали искать в гипотезе Фрица Цвикки, который еще в 30-е годы предположил наличие во Вселенной «скрытой массы», или «темной материи».
Сама Вера Рубин говорила, что предпочла бы объяснить парадокс согласно бритве Оккама, модифицированной ньютоновской динамикой, чтобы не было необходимости допускать неизвестный вид элементарных частиц. Но более простого объяснения до сих пор не нашлось.
Одна из версий предполагает, что недостающая масса сконцентрирована в галактических гало — сферических скоплениях на периферии галактик — и состоит из горячего газа температурой свыше миллиона градусов.
Вере Рубин принадлежит открытие галактик, в которых звезды вращаются как по часовой, так и против часовой стрелки, галактик с полярным кольцом и сливающихся галактик. Ее достижения не были отмечены Нобелевской премией, но в 1996-м она получила почетнейшую золотую медаль Королевского астрономического общества. Именем Рубин названа строящаяся в чилийских горах обсерватория. Ее пуск намечен на 2025 год. Одной из задач комплекса будет поиск признаков темной энергии и темной материи. Их ищут также на Большом адронном коллайдере. По расчетам, они должны составлять более 95% от содержимого Вселенной. Надо найти, или придется менять всю гипотезу.
Фото: Евгений Ткачев / Фотобанк «Лори»
Войны галактик
Галактические войны за ресурсы Вселенной — а это газ, пыль, звезды, планеты и темная материя — ведутся уже миллиарды лет с короткими передышками. Впереди — неотвратимое нападение на наш родной Млечный путь со стороны Андромеды.
Предположение о том, что Млечный путь — это галактика в форме диска, а наблюдаемые туманности могут быть другими галактиками, высказал в середине XVIII века астроном Томас Райт, а развил несколько лет спустя Иммануил Кант. Но подтвердил это только в 1924 году Эдвин Хаббл.
Сегодня благодаря космическому телескопу имени Хаббла предполагают, что в видимой части Вселенной — около 200 млрд галактик.
И, как ни парадоксально, о других галактиках мы сегодня знаем в чем-то больше, чем о нашей собственной. Это эффект местоположения: из пассажирского кресла самолета проще рассмотреть пролетающие в отдалении лайнеры, чем свой собственный борт.
Млечный путь входит в местную группу примерно из 40 галактик на втором месте по размерам после Андромеды, которая содержит в несколько раз больше звезд и больше в диаметре, но массы сопоставимы — у каждой примерно триллион масс Солнца. Обе галактики сближаются со скоростью более 100 километров в секунду и почти точно столкнутся через 4 млрд лет.
Пока же они каннибализируют более мелких соседей. Млечный путь в настоящее время поглощает две карликовые галактики — Стрельца и Большого Пса: у них примерно полтора миллиарда звезд на двоих. Да и раньше мы не брезговали слияниями и поглощениями галактических масштабов, что и сделало Млечный путь таким большим и крутым. Ученые поняли это, изучая разнонаправленное движение звезд вокруг нас. Андромеда старше нашей галактики, но на нашей стороне молодость звезд и, возможно, перевес в топливе: межзвездном водороде. Делаем ставки на исход.
