Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (18) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Големият взрив

Наистина защо съществуват толкова много бели джуджета? Защо само в нашата Галактика те са 4 милиарда?

В крайна сметка звездата не става бяло джудже, докато не изразходва изцяло ядреното си гориво, а нашето Слънце например все още има достатъчно от него, за да му стигне за още милиарди години. Това се отнася и за неизброимите 135 милиарда звезди, които влизат в състава на нашата Галактика. Защо тогава 4 милиарда от тези звезди са изчерпали горивото си, разширили са се и после са колапсирали?

Нека да погледнем нещата от друга страна. Защо белите джуджета са толкова малко? Ако няколко милиарда звезди са изчерпали ядреното си гориво и са колапсирали, защо това не са направили всички останали звезди?

За да си отговорим на тези въпроси, ние преди всичко трябва да знаем каква е възрастта на Вселената и оттам преди колко години са се образували звездите. Ние трябва да имаме представа колко време са протичали ядрените реакции и колко време те още ще протичат.

Но как е възможно да определим възрастта на Вселената?

Доста неочаквано отговорът дойде от изследванията на звездните спектри.

От спектрите на звездите можем да определим дали дадена звезда се приближава до нас или се отдалечава и с каква скорост става това. Ако спектралните линии се отместват към червения край на спектъра, това означава, че звездата се отдалечава от нас, а когато спектралните линии се отместват към виолетовия край — звездата се приближава.

Разбира се, бихме могли да се запитаме дали червеното отместване е предизвикано от отдалечаването на звездата или от действието на гравитацията, описано в предишната глава. Отговорът е, че повечето звезди нямат необходимата плътност, за да породят забележимо гравитационно червено отместване. Следователно можем да приемем, че всяко наблюдавано червено отместване се дължи на отдалечаване от нас.

Естествено е някои звезди да се отдалечават от нас, а други да се приближават, така че червените и виолетовите отмествания се срещат почти поравно.

От 1912 г. астрономите започнаха да изследват спектрите на галактиките (огромни отдалечени струпвания на милиони, милиарди или дори трилиони звезди, подобни на нашия Млечен път), които се намират извън нашата Галактика. През 1917 година се изясни, че всички галактики, с изключение на двете най-близки до нас, показват в спектрите си червено отместване и следователно се отдалечават от нас. Освен това тези червени отмествания са по-големи от тези на звездите в нашата Галактика.

След изучаването на спектрите на все повече и повече галактики стана ясно, че всички галактики (освен двете най-близки) имат червено отместване и то постоянно нараства с разстоянието.

Като взел под внимание всичко това, американският астроном Едуин Пауъл Хъбл (1899–1953) открил през 1929 г. това, което сега наричаме закон на Хъбл. Според този закон скоростта, с която дадена галактика се отдалечава от нас, е директно свързана с разстоянието до нея. Това означава, че ако галактиката A се отдалечава от нас със скорост 5,6 пъти по-голяма от скоростта на галактика B, то тогава галактиката A е 5,6 пъти по-отдалечена от нас от галактиката B.

Не е лесно да се определи темпът на увеличаване на скоростта на отдалечаващата се галактика с разстоянието. Отначало астрономите смятали, че скоростта нараства доста бързо, но по-новите данни показаха, че това увеличаване е много по-малко от първоначално предвижданото. Сега според пресмятанията на астрономите скоростта на отдалечаване достига 16 километра в секунда за всеки милион светлинни години разстояние. Например галактика, която се намира на 10 000 000 светлинни години, се отдалечава със скорост 160 km/s, друга галактика, която е на 20 000 000 светлинни години — със скорост 320 km/s, а трета галактика — на 50 000 000 светлинни години — с 800 km/s и т.н.

Но защо това е така? Защо трябва всички галактики да се отдалечават от нас и защо скоростта им на отдалечаване е пропорционална на разстоянието им до нас? Какво ни прави център на Вселената?

Ние не сме център!

През 1917 г. холандският астроном Вилем де Ситер (1872–1934) показал на базата на уравненията на общата теория на относителността, че от теоретична гледна точка Вселената трябва да се разширява. Естествено отделните галактики и куповете от галактики, в които влизат от дузина до няколко хиляди галактики, се управляват от гравитационното привличане. Но някои отделни галактики (или купове от галактики), които са отдалечени от съседите си на достатъчно големи разстояния и гравитацията не им оказва силно влияние, носят белега на общото разширяване на Вселената. Това означава, че всяка отделна галактика се движи, отдалечавайки се от всички други галактики с постоянна скорост.

От гледна точка на която и да е галактика би изглеждало, че всички други галактики (освен онези, които са членове на нейния куп, ако има такъв) се разбягват от нея. Нещо повече, постоянната скорост на разширяване зависи само от разстоянието, така че до закона на Хъбл ще достигнем без значение в коя галактика живеем.

Ако галактиките се разбягват все по-далеч една от друга и с времето Вселената става все по-стара, тогава като погледнем назад във времето (все едно да гледаме един филм отзад напред), ще видим как галактиките се приближават все повече една към друга. Вселената ще става все по-компактна, с други думи — по-млада. И ако се върнем далеч назад във времето, ще видим как всички галактики се концентрират в една огромна маса вещество.

През 1927 година белгийският астроном Жорж Льометр (1894–1966) изказал предположението, че всичко това е наистина така — че преди милиарди години цялото вещество на Вселената било локализирано на едно място и образувало структура, която той нарекъл първичен атом. Други я нарекли космическо яйце.

Колко дълго е просъществувало космическото яйце и как се е образувало, Льометр не се осмелил да предположи, но в един момент то трябва да се е взривило. Това е била най-голямата експлозия, която Вселената въобще е изпитала. Това е взривът, създал Вселената такава, каквато я знаем. Американският физик от руски произход Джордж Гамов (1904–1968) го нарекъл Големият взрив.

От големите разлитащи се фрагменти на космическото яйце се образували звездите и галактиките и поради все още чувствуващата се сила на Големия взрив, насочена навън, Вселената се разширява дори и днес. През последните 50 години от нашия век бяха натрупани все повече доказателства за Големия взрив и днес всички астрономи приемат, че началото на Вселената е било именно такова.

Обаче възниква големият въпрос — кога е станал този Голям взрив. Астрономите знаят (или мислят, че знаят) точно с каква скорост се разширява сега Вселената. Ако се приеме, че тя винаги е била една и съща и ще се запази такава, то като погледнем напред във времето, Вселената ще продължи да се разширява винаги, галактиките ще се раздалечават все повече и повече. Най-накрая астрономът, който наблюдава Вселената от Земята, ще вижда само нашата Галактика и онези галактики, които образуват една част от нашия локален куп от галактики (наречен Местна група). Всичко друго ще бъде твърде далеч, за да се наблюдава.

От друга страна, ако обърнем поглед назад във времето и приемем, че Вселената постепенно ще се свива с постоянна скорост, то тя ще достигне състоянието на първичния атом за 20 милиарда години.

Обаче отделните галактики си взаимодействуват гравитационно. Това може и да не е достатъчно, за да спре разширението, но е достатъчно, за да го забави. Тогава в бъдеще скоростта на разширяване ще става все по-малка и по-малка и ще мине повече време, отколкото досега предполагахме, преди всички далечни галактики извън Местната група да изчезнат от погледа ни. Също така това означава, че в миналото, когато галактиките са били по-близо една до друга, гравитационното привличане между тях е било по-голямо. Следователно изтеклото време от космическото яйце или Големия взрив трябва да е било по-малко от 20 милиарда години.

Ние не можем да сме сигурни в каква степен гравитационните сили във Вселената забавят темпа на разширяването. Всичко зависи от това, какво количество вещество има (средно) в единица обем от космическото пространство — с други думи, каква е средната плътност на материята във Вселената.

Ако плътността е достатъчно голяма, то тогава и ефектът на забавяне ще бъде достатъчен, за да сведе темпа на разширяване евентуално до нула. Разширяването на Вселената евентуално ще спре. Щом веднъж това се случи, Вселената под действието на собствената си гравитация ще започне да се свива — отначало много бавно, след това все по-бързо и по-бързо до образуването на ново космическо яйце, което отново ще се взриви. Това може да се случва многократно и такава Вселена ние наричаме пулсираща Вселена. Американският астроном Алън Рекс Съндидж (1928) изказал твърдението, че космическото яйце се образува и взривява всеки 80 милиарда години.

Ако плътността на материята във Вселената е достатъчно голяма, за да спре разширението на галактиките (тази плътност трябва да е 6 X 10^–30 g/cm³, или около един протон и един неутрон на всеки 350 000 кубически сантиметра пространство), то Големият взрив вероятно е станал преди около 13,3 милиарда години.

В действителност астрономите все още не са напълно сигурни каква точно е средната плътност на веществото във Вселената, затова ние не можем да знаем кога всъщност е станал Големият взрив и дали Вселената е пулсираща или не.

Днес общото мнение е, че средната плътност на веществото не е достатъчно голяма, за да пулсира Вселената, затова Големият взрив трябва да е станал в интервала преди 13,3÷20 милиарда години.

В тази книга ще направим разумното предположение (имаме допълнителни доказателства за това), че възрастта на Вселената е 15 милиарда години.

Ако Вселената има такава възраст, това означава, че и звездите не могат да бъдат по-стари.

Но те биха могли да бъдат по-млади. Слънцето например трябва да има възраст, по-малка от тази, защото в противен случай то би изразходвало вече ядреното си гориво, би се разширило до червен гигант и би колапсирало до бяло джудже.

Възможно ли е белите джуджета да са останки на много стари звезди, които са светили от момента на сътворението на Вселената, а звездите, които все още светят чрез ядрени реакции, да са се образували доста по-късно и да са доста по-млади?

Във всичкото това има нещо вярно, но то далеч не изчерпва пълния отговор. След Големия взрив трябва да са се образували много звезди и ако те всички бяха достигнали стадия на бяло джудже, то в нашата Галактика би имало много повече бели джуджета, отколкото са в действителност. Тогава да разгледаме отново Сириус A и Сириус B. Изглежда логично да предположим, че тази двойка звезди се е образувала по едно и също време (точно както сравнително едновременно са се образували Слънцето и планетите), но ето че едната е бяло джудже, а другата — не.

Възможно ли е възрастта да не е единственият фактор, който е от значение? Не изгарят ли някои звезди по-бавно ядреното си гориво в сравнение с другите? Или някои звезди имат повече гориво от другите в началния си стадий? Дали на някои звезди просто не им трябва повече време, за да стигнат до стадия на колапс?

Отговорът на тези въпроси дойде също от изследването на спектрите.