Среди всего прочего Лоуэлл интересовался спиральными туманностями – изумительными светящимися объектами в форме вертушки в небе, которые, как мы теперь знаем, являются далекими скоплениями сотен миллиардов индивидуальных звезд, как галактика Млечный Путь, в состав которой входит наше Солнце. Но в то время не было способа определить расстояние до этих туманностей, и Лоуэлл заинтересовался альтернативной гипотезой – что спиралевидные туманности были не огромными, далекими, многозвездными объектами, а малыми, близкими объектами, которые представляли собой ранние стадии уплотнения отдельной звезды из межзвездного газа и пыли. Поскольку такие газовые облака сжимаются под действием своей гравитации, сохранение момента импульса требует, чтобы они ускорились до быстрого вращения и сжались до тонкого диска. Быстрое вращение можно распознать астрономическим путем посредством спектроскопии, позволяя свету от дальнего объекта последовательно проходить через телескоп, узкую щель и стеклянную призму или другое устройство, которое расщепляет белый свет в стороны в виде радуги цветов. Повсюду в этой радуге, формируемой светом звезды, видны яркие и темные линии – изображения щели спектрометра. Например, ярко-желтые линии, испускаемые натрием, проявляются, когда мы бросаем небольшой кусочек натрия в пламя. У вещества, состоящего из множества разных химических элементов, будет много разных спектральных линий. Сдвиг длин волн этих спектральных линий относительно их положения в спектре неподвижного источника дает нам информацию о скорости движения источника по направлению к нам и от нас – явление, которое называется эффектом Доплера и знакомо нам по физике звука как увеличение или уменьшение высоты звучания гудка автомобиля, когда машина быстро приближается или удаляется.
Считается, что Лоуэлл попросил молодого ассистента, В. Слайфера, проверить большие спиральные туманности, чтобы определить, наблюдается ли смещение спектральных линий одного конца туманности в красную область, а другого – в голубую, из чего можно было бы определить скорость их вращения. Слайфер исследовал спектры ближайших спиральных туманностей, но обнаружил, к своему изумлению, что почти все они показывали красное смещение, а признаков голубого смещения практически не было. Он не обнаружил вращения, но обнаружил удаление. Складывалось впечатление, что все спиральные туманности удаляются от нас.
Гораздо более широкий ряд наблюдений был получен в 20-х гг. ХХ в. в обсерватории Маунт-Вилсон Эдвином Хабблом и Милтоном Хьюмасоном. Хаббл и Хьюмасон разработали метод определения расстояния до спиральных туманностей; стало очевидно, что это не уплотняющиеся газовые облака, находящиеся относительно близко в галактике Млечный Путь, а большие галактики на расстоянии миллионов или более световых лет. К своему удивлению, они также обнаружили, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Поскольку маловероятно, что у нас какое-то особое положение в космосе, это лучше всего объясняется общим расширением Вселенной: все галактики разбегаются друг от друга, так что астроном из любой галактики наблюдал бы, что все другие галактики явно удаляются.
Если мы экстраполируем такое разбегание в прошлое, мы обнаружим, что было время – возможно, 15 или 20 млрд лет назад, – когда все галактики должны были «соприкасаться», то есть были заключены в чрезвычайно малом объеме пространства. Материя в своей нынешней форме не могла бы пережить такое удивительное сжатие. На самых ранних стадиях такого расширения Вселенной должно было быть больше излучения, а не материи. Сейчас принято говорить об этом времени как о Большом взрыве.
Этому расширению Вселенной было предложено три объяснения: теория стационарной Вселенной, теория Большого взрыва и модель циклической Вселенной. Гипотеза стационарной Вселенной предполагает, что галактики разбегаются, дальние галактики двигаются с очень высокими кажущимися скоростями, спектр их света смещается под действием эффекта Доплера в сторону все более длинных волн. На каком-то расстоянии галактика будет двигаться так быстро, что пересечет так называемый горизонт событий и с нашей точки наблюдения исчезнет. Это расстояние так велико, что в расширяющейся Вселенной нет возможности получить информацию за его пределами. С течением времени, если ничего не помешает, все больше и больше галактик исчезнет из поля зрения. Но в космологии стационарной Вселенной материя, изчезнувшая за горизонтом, полностью компенсируется новой, повсеместно и постоянно создаваемой материей, которая в конечном итоге конденсируется в новые галактики. Благодаря скорости исчезновения галактик за горизонтом событий, которое уравновешивается только созданием новых галактик, Вселенная выглядит более-менее неизменной с каждого места и в каждую эпоху. В модели стационарной Вселенной нет Большого взрыва; сотню миллиардов лет назад Вселенная выглядела точно так же и через сотню миллиардов лет будет выглядеть так же, как сейчас. Но откуда берется новая материя? Как может материя создаваться из ничего? Сторонники космологической модели стационарной Вселенной отвечают, что она берется из того же места, откуда приверженцы Большого взрыва берут свой взрыв. Если мы можем представить, как вся материя во Вселенной возникла мгновенно из ничего 15–20 млрд лет назад, почему мы не можем представить, как она создается тонкой струйкой повсеместно, постоянно и непрестанно? Если гипотеза стационарной Вселенной верна, никогда не было такого времени, когда галактики находились гораздо ближе друг к другу. Таким образом, крупномасштабная структура Вселенной неизменная и бесконечно древняя.
Но, какой бы безмятежной и странным образом убедительной ни была космологическая модель стационарной Вселенной, существует веское доказательство, свидетельствующее против нее. Когда чувствительный радиотелескоп направлен куда-то в небо, можно обнаружить постоянный треск каких-то космических помех. Характеристика этого радиошума почти точно совпадает с тем, чего мы бы ожидали, если бы ранняя Вселенная была горячей и кроме материи заполнена еще излучением. Космическое излучение черного тела почти одинаковое по всему небу и выглядит очень похоже на отдаленный грохот Большого взрыва, охлажденного и ослабленного расширением Вселенной, но все еще мчащегося по коридорам времени. Можно наблюдать первозданный огненный шар, с которого началось расширение Вселенной. Приверженцы модели стационарной Вселенной вынуждены сейчас утверждать, что множество отдельных источников излучения в совокупности каким-то образом точно имитируют охлажденный первозданный огненный шар, или предполагать, что Вселенная далеко за горизонтом событий находится в стационарном состоянии, но по чистой случайности мы живем в своего рода расширяющемся пузыре – бурно развивающемся вздутии гораздо более обширной, но более мирной Вселенной. У этой идеи есть преимущество или недостаток, в зависимости от вашей точки зрения, – ее невозможно опровергнуть экспериментально, и практически все космологи отказались от гипотезы стационарной Вселенной.
Если Вселенная находится не в стационарном состоянии, тогда она меняется, и такие меняющиеся вселенные описываются космологическими моделями эволюции Вселенной. Они начинаются в одном состоянии и заканчиваются в другом. Какова потенциальная судьба Вселенной в космологических эволюционных теориях? Если Вселенная продолжает расширяться с текущей скоростью и галактики продолжают исчезать за горизонтом событий, в конечном счете в видимой Вселенной будет все меньше и меньше материи. Расстояния между галактиками увеличатся, и будет все меньше и меньше спиралевидных туманностей для наблюдения с Земли преемниками Слайфера, Хаббла и Хьюмасона. В конце концов расстояние от нашей галактики до ближайшей галактики превысит расстояние до горизонта событий, и астрономы больше не смогут увидеть даже ближайшую галактику, кроме как в (очень) старых книгах и фотографиях. Благодаря гравитации, которая удерживает вместе звезды нашей галактики, расширение Вселенной не рассеет ее, но даже здесь нас ожидает странная и безрадостная судьба. Во-первых, звезды эволюционируют, и через десятки или сотни миллиардов лет большинство нынешних звезд станут небольшими и темными карликами. Остальные превратятся в нейтронные звезды или черные дыры. Для активного молодого поколения звезд новой материи не будет. Солнце, звезды, целая галактика Млечный Путь медленно погаснут. Свет в ночном небе исчезнет.
