Космосът е невъобразим. И как тогава астрономите успяват да го измерят?
Живеем във Вселена, чиито мащаби не се поддават на човешкото въображение. Да се каже, че космосът е голям, значи нищо да не се каже. Да се опиташ да схванеш тези дистанции е все едно да се опиташ да побереш океана в дланта си. И въпреки всичко, когато прочетем вест за вселена, отдалечена от нас на 50 милиона светлинни години, я одобряваме като факт. Но от кое място идва тази убеденост? Как учените мерят това, което не можем да „ усетим “, и за какво можем да се доверим на техните способи, даже в случай че те опонират на интуицията ни?
За да разберем сложността на казуса, е задоволителна една елементарна прилика. Представете си, че Слънцето е мъничко топче с диаметър един сантиметър. В този мащаб най-близката до нас звезда, Проксима Кентавър, би била на разстояние повече от 200 километра. А нашата родна вселена, Млечният път, е на десетки милиони километри. Ясно е, че тук елементарната линийка е безсилна. Астрономите е трябвало да измислят нещо по-сложно.
Стълбата към небето: от съседите до края на Вселената
В основата на всички измервания на галактическите дистанции стои идея, известна като „ стълбата на галактическите дистанции “. Идеята е елементарна: всеки способ за премерване има своя лична граница на акуратност и обсег. Когато един способ спре да работи, той се „ поема “ от идващия, по-мощен способ. Всеки нов способ се калибрира и тества по отношение на предходния, като по този метод се основава непрекъсната и надеждна верига от измервания, водеща до най-дълбоките дълбини на космоса.
Първото ходило: Пулсиращите звезди цефеиди
Началото на тази стълба е сложено от променливите звезди цефеиди. Още при започване на XX век астрономът Хенриета Ливит открива поразителна причинност: интервалът на пулсация на тези звезди е директно обвързван с тяхната същинска бляскавост (светимост).
Представете си, че имате набор от електрически крушки с друга мощ. Знаейки същинската мощ на всяка от тях, можете да определите навръх какво разстояние се намира тя по нейната забележима мощ на светене. Цефеидите са се трансформирали в такива „ общоприети свещи “ за астрономите. Чрез премерване на интервала на вибриране можете да разберете същинската им бляскавост, да я сравните с забележимата им бляскавост и да изчислите дистанцията до тях. Този способ работи безотказно за премерване на дистанциите в границите на нашата вселена и до най-близките ни съседи, само че на по-големи дистанции цефеидите стават прекомерно слаби, с цел да бъдат видени.
Вторият стадий: Космическите маяци – свръхновите
След като цефеидите се изгубят от полезрението, на сцената излизат същинските тежки звезди – свръхновите от вид Ia. Това не са просто звезди, а резултат от величествен галактически прелом: детонация на бяло джудже, достигнало сериозната си маса. Тъй като този развой постоянно протича по еднакъв сюжет, оптималната бляскавост на детонацията е съвсем идентична.
Свръхнова от вид Ia е идеалната „ общоприета свещ “ за огромни дистанции. Тя избухва с яркостта на милиарди слънца и светлината ѝ може да се види на стотици милиони или даже милиарди светлинни години разстояние. Благодарение на тези галактически фарове успяхме да измерим дистанциите до най-отдалечените галактики и да създадем едно от най-великите открития в историята – Вселената е освен огромна, само че и се уголемява.
Движещата се цел: по какъв начин разширението на Вселената усложнява нещата
Тук идва най-забавната част. Ние не измерваме един неподвижен обект, а динамична, непрекъснато изменяща се система. Разширяването на Хъбъл – разтягането на самата тъкан на пространство-времето – отдалечава далечните галактики от нас. Това не значи, че те летят през пространството като коли по автомагистрала. По-скоро самата „ автомагистрала “ под тях се разтяга.
Важно е да се разбере, че гравитацията на локално равнище е по-силна от това уголемение. Ето за какво нашата Слънчева система не се разлетява, а Млечният път и прилежащата му Андромеда се устремяват една към друга, с цел да се слеят след 4,5 милиарда години в изящен галактически танц. Но в мащабите на галактическите купове разширението взема връх. Разстоянието до купа Дева, което през днешния ден е 50 милиона светлинни години, в бъдеще ще бъде доста по-голямо.
Този факт поражда няколко парадокса, които ни принуждават да погледнем законите на физиката под нов ъгъл.
Странностите на светлината: парадоксите на галактическите измервания.
Когато на светлината от далечна свръхнова ѝ трябват милиарди години, с цел да доближи до нас, тя пътува през разширяващото се пространство. Това води до събитие, известно като алено отместване: светлинната вълна се разтяга, дължината ѝ се усилва, а силата ѝ понижава. Червеното отместване е основен инструмент за астрономите, само че също по този начин повдига два комплицирани въпроса.
1. Парадоксът на „ изгубената “ сила. Ако силата на светлината е намаляла, къде е отишла тя? В познатата ни нютонова физика силата не може просто да изчезне. Тя би трябвало да отиде някъде. Но в галактически мащаб важат законите на общата доктрина на относителността на Айнщайн. Те споделят, че силата не се постанова да се резервира в разширяващата се Вселена. Можем да кажем, че светлината „ заплаща налог “ на самото пространство-време, като се отхвърля от част от силата си, с цел да го разтегне. Това, което наподобява като нарушаване на фундаментален закон, в действителност е негово проявяване в по-глобален и комплициран подтекст.
2. Парадоксът на “неразтеглената„ вселена. Ако пространството се уголемява толкоз пламенно, за какво на фотосите от телескопа „ Джеймс Уеб “ или от обсерваторията „ Вера Рубин “ виждаме ясни, а не размазани петна от галактики?
Отговорът се крие в голямата разлика във времевите мащаби. От човешка позиция разширението на Вселената е необикновено муден развой. Представете си съревнование от Формула 1, което лишава няколко милиарда години. За времето, през което пандизът на телескопа е отворен, или даже за цялата човешка история, изместването на галактиките би било толкоз нищожно, че би било невероятно да го видим като придвижване. Ние не виждаме „ размиването “ от придвижването, тъй като виждаме единствено един кадър от този безпределно дълъг филм. За скоростта на отдалечаване съдим не по забележимото придвижване, а индиректно – по самото алено отместване, което като пръстов отпечатък съхранява информацията за пътя, изминат от светлината.
Отвъд метафорите
Измерването на космоса е успех на човешката досетливост, построен върху косвени, само че неведнъж изпитани способи. „ Стълбата на дистанциите “ не е просто красива метафора, а строга научна система, в която всяко ходило надгражда предходното.
Парадоксите, с които се сблъскваме, не опровергават знанията ни, а в противен случай – задълбочават ги. Те демонстрират, че Вселената на фундаментално равнище е по-сложна и забавна, в сравнение с ни споделя нашият всекидневен опит. И всякога, когато задаваме въпроса „ Защо това е по този начин? “, ние не слагаме под въпрос науката, а по-скоро участваме в най-голямото интелектуално премеждие – опитваме се да разберем нашето място в този голям и хубав космос.
