Глава 1. Расширяющаяся Вселенная

§ 1. Крупномасштабная однородность и изотропия Вселенной

Любые попытки построения модели окружающего нас мира начинаются, конечно, с осмысливания наблюдений.

Что представляет собой наблюдаемая нами Вселенная?

В этом вводном параграфе мы ограничимся только самыми общими выводами из наблюдений, необходимыми для понимания дальнейшего. Более подробно с данными наблюдений мы познакомимся далее в § 8, 9 гл. 1.

До последнего времени астрономы могли наблюдать непосредственно лишь светящиеся тела, т. е. звезды, светящийся газ, звездные системы.

В сравнительно небольших масштабах звезды распределены в пространстве совершенно неравномерно. Это стало ясно с того времени, когда поняли, что Млечный Путь является гигантским скоплением звезд - Галактикой. По мере того, как сила телескопов возрастала и совершенствовались методы астрофизических исследований, выяснилось, что галактик много, что они распределены неравномерно, и что общая картина Вселенной представляется совокупностью отдельных скоплений галактик. Размеры скоплений и количество галактик в них бывают весьма различны. Большие скопления содержат тысячи галактик и имеют размеры в несколько мегапарсек (Мnс)^*.

^* (В астрономии используется единица длины парсек (nс): 1 парсек = 3,1*10¹⁸ см. В космологии употребляется единица длины Мегапарсек, равная 10⁶nс.)

Среднее расстояние между большими скоплениями около 30 Мnс, т. е. примерно в 10 раз больше, чем размеры скоплений. Это означает, что средняя плотность каждой структурной единицы в 100-1000 раз больше, чем та плотность, которая бы получилась, если бы все вещество равномерно "размазать" по всему пространству. Имеются и более крупные сгущения - сверхскопления. Таким образом, в масштабе 30 Мnс имеются отдельные структурные единицы, и, следовательно, Вселенная неоднородна. Если взять в 10 раз больший масштаб, то в таком кубе, где бы его ни помещать во Вселенной, будет примерно одно и то же количество скоплений галактик (примерно около 1000), т. е. в большом масштабе Вселенная приблизительно однородна. Пока исследовались скопления галактик с помощью оптических телескопов, мы не достаточно глубоко проникали в пространство, так как телескопы позволяют исследовать даже наиболее яркие объекты на расстояниях не более нескольких миллиардов парсек. Такой объем содержит порядка миллиона скоплений галактик. Точность оптических методов определений распределения галактик в пространстве не слишком велика и утверждение о том, что мир в среднем однороден, имело точность около 10-20%. За последнее десятилетие появились новые методы исследования крупномасштабной однородности и изотропии (так называют независимость свойств от направления в пространстве) Вселенной. Они связаны в первую очередь с измерением так называемого реликтового радиоизлучения, приходящего к нам с огромных расстояний. Мы подробно будем говорить дальше об этом излучении. Сейчас же отметим, что самые точные сегодняшние измерения не обнаружили отклонений в интенсивности этого излучения в разных направлениях на небе с относительной точностью в 10^-3÷10^-4*.

^* (Мы не касаемся здесь небольшой неодинаковости интенсивности реликтового излучения в двух противоположных направлениях на небе, вызванных движением Солнца со скоростью около 360 ^км/_сек относительно совокупности всех других галактик.)

Это свидетельствует о том, что свойства Вселенной одинаковы по всем направлениям, т. е., что Вселенная изотропна с высокой точностью. Но эти наблюдения, как мы увидим далее, свидетельствуют также и о том, что Вселенная с высокой точностью однородна. Отклонения в плотности распределения вещества от среднего значения в масштабах 1000 Мnс не превышают трех процентов, а в больших масштабах эти отклонения еще существенно меньше.

Таким образом, важнейшей наблюдаемой особенностью Вселенной является неоднородность, структурность в малом масштабе и однородность в большом масштабе.

В масштабах сотни мегапарсек вещество Вселенной можно рассматривать как однородную непрерывную среду, "атомами" которой являются галактики или скопления галактик.

В прошлом веке делались попытки построения так называемых иерархических моделей Вселенной. Согласно таким моделям во Вселенной имеется бесконечная последовательность систем все более высокого порядка: звезды объединены в галактики, галактики в скопления галактик, скопления образуют сверхскопления и т. д. до бесконечности. Наблюдения опровергают такое предположение.

При рассмотрении крупномасштабной структуры Вселенной надо исходить из свойств ее однородности и изотропии.