Такая она, Вселенная, все дороги которой ведут в никуда.
Пол Андерсон
Структура Вселенной в чем-то самоподобна. Так, звезды обращаются вокруг центра галактики. Планеты — вокруг звезд. А вокруг планет порой есть свои диски.
И это совсем не редкость, о чем свидетельствует кольцо Урана. У Земли можно заметить два кольца из спутников и их останков: на низкой и на геостационарной орбитах.
Измерения в разлетающемся мире
Нелегко построить карту мира, объекты которого находятся в постоянном движении — одновременно и перемещаются относительно друг друга, и разлетаются в разные стороны. “Не будем забывать, что на межзвездных расстояниях понятие одновременности далеко не очевидно”, — писал в одном из своих рассказах про вольных торговцев Пол Андерсон, и это обстоятельство сильно осложняет жизнь исследователям космоса. Вот, например, как определить расстояние до какой-нибудь далекой звезды? До ближней не очень сложно: нужно посмотреть, как она смещается на звездном небе при наблюдении с разных точек орбиты Земли. Измерив смещение, или, как называют его астрономы, параллакс, несложно рассчитать расстояние до звезды. Только это будет расстояние, на котором звезда располагалась в тот момент, когда она испустила свет, а не когда его поймал телескоп. События же эти порой разделяют миллионы или миллиарды лет. Собственно, тот самый парсек, которым меряют межзвездные просторы астрофизики и писатели-фантасты, как раз обозначает расстояние, которое приводит к параллаксу в одну секунду дуги небесной сферы. (Астрономы пользуются сферической системой координат, в которой положение объекта задано радиусом сферы и двумя углами — долготой и широтой. Древнейший способ использования этих координат — задать положение объекта относительно звезд какого-то созвездия.) В астрономических единицах, то есть радиусах орбиты Земли, длина парсека превышает 206 тысяч а. е; в СИ парсек обозначают пк. А расстояние до дальних звезд приходится высчитывать с помощью хитрых математических фокусов, причем заранее выбрав модель космологии. Изменится модель — и результат расчета может оказаться иным.
Большинство астрофизиков полагает, что мы живем в так называемой Фридмановской горячей Вселенной, которая расширяется из-за Большого взрыва, случившегося 13 с лишним миллиардов лет назад. Поведение такой Вселенной описывают уравнения, предложенные советским физиком А.А.Фридманом в начале 20-х годов XX века, когда он исследовал возможность существования нестационарной Вселенной. Некоторое время физики воспринимали расчеты Фридмана как одну из забавных возможностей описать наш мир. И так было до тех пор, пока в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл не обнаружил странную закономерность: чем дальше от нас находится звезда, тем сильнее в красную сторону смещаются линии ее спектра излучения. Именно уравнения Фридмана для расширяющейся Вселенной давали отличное объяснение этого факта.
Дальше в историю космологии мы забираться не станем — этому будет посвящена отдельная статья цикла, а сейчас обратим внимание на знаменитые уравнения. Точнее, на использованную в них систему координат. Чтобы дать описание странного, летящего и расширяющегося во все стороны мира, ученые придумали так называемые сопутствующие координаты. Хитрость в том, что в такой системе взаимное положение объектов не изменяется, а вот сама система координат расширяется. И это можно описать одним числом — параметром расширения, который зависит от того, сколько времени прошло с момента Большого взрыва.
Следующий математический фокус — связь между параметром расширения и красным смещением объекта. Оказывается, красное смещение какой-либо звезды связано простой формулой с двумя значениями параметра расширения: в тот момент, когда она испустила свет, и в тот момент, когда он долетел до глаза астронома, фотопластинки или ПЗС-матрицы телескопа. Значит, зная это смещение, можно рассчитать, сколь далеко мы заглянули одновременно в пространство и во время: чем больше красное смещение, тем более далекую от нас эпоху мы наблюдаем. Для этого пересчета и нужно задать космологическую модель и узнать параметры Вселенной, например плотность распределения материи, значение космологического члена, он же — плотность темной энергии, и прочие. Одни параметры поддаются измерениям, другие можно добыть только из теоретических расчетов. Вот так формула пересчета красного смещения в реальные координаты и оказывается связанной с теоретической моделью Вселенной.
Впрочем, все эти трудности не останавливают астрофизиков. Вот, например, в майском номере журнала “The Astrophysical Journal” за 2005 год группа американских ученых во главе с одним из пионеров вселенской картографии доктором Ричардом Готтом III из Принстонского университета опубликовала новую редакцию карты Вселенной, которая и послужила основой для этого рассказа. Ученые озабочены прежде всего тем, чтобы уменьшить искажения, возникающие при проецировании на плоскость разлетающегося трехмерного объекта, и по форме получившихся крупномасштабных структур Вселенной попытаться оценить справедливость той или иной космологической модели. Наша цель проще: показать, как выглядит Вселенная с учетом современного знания.
Масштаб
Изобразить на одном листе бумаги карту со столь большой разницей расстояний очень трудно. Однако в руках человеческих есть мощный инструмент – логарифмический масштаб: каждое новое деление на оси расстояний означает увеличение не на единицу, а на порядок, то есть в десять раз. В результате вдоль оси форма объектов искажается. Например, возникает иллюзия, что центр Млечного Пути сильно сдвинут в направлении от Земли. Но это всего лишь иллюзия, в чем можно убедиться, присмотревшись к значениям расстояний. Обосновывая такой выбор, авторы ссылаются на пример журнала “Нью-Йоркер”, на обложке которого 29 мая 1976 года была опубликована картина Саула Стейнберга “Вид на мир с 9-й авеню”. На переднем плане картины изображены в полный рост здания, которые стоят на этой улице. Далее расположена река Гудзон. На ее берегу в виде тонкого штриха показан Нью-Джерси. Скалистые горы выглядят небольшими холмами, а ширина Тихого океана не превышает ширины Гудзона. Именно такой геоцентрический вид — изображение все более крупных объектов во все уменьшающемся масштабе по мере удаления от нашей планеты — и получается при использовании логарифмической шкалы.
На карте есть и вторая координата — это угол окружности экватора Земли. Его измеряют в часах: они показывают время на той или иной широте в тот момент, для которого построена карта. А третьей координаты нет: иметь дело с плоскими картами гораздо привычнее, чем с объемными. Авторы карты выбрали для проецирования на плоскость область в 2 градуса небесной сферы вверх и вниз от экватора Земли. Впрочем, иногда они отступают от этого правила, показывая некоторые важные объекты, что лежат вне пределов этого слоя. В качестве даты, которой соответствуют изображенные на карте объекты, выбрали ночь полнолуния 12 августа 2003 года, 4 часа 48 минут универсального времени.
Околоземное пространство
Итак, самый ближний к нам внеземной объект — это Международная космическая станция. Фактически она летит в верхних слоях атмосферы, в пределах ионосферы. Чуть повыше расположен космический телескоп Хаббл. Далее под защитой внутреннего радиационного пояса (пояса Ван Аллена), который возникает из-за взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли, находятся многочисленные искусственные спутники и их обломки. Выше — спутники Глобальной системы навигации (GPS). Их количество велико: на карте появляется дзаметная линия.
Следующая линия — спутники связи и шпионские спутники на геостационарной орбите, то есть они вращаются с той же скоростью, что и Земля вокруг своей оси.
Всего приземная группировка спутников составляет 8420 объектов, объем же рукотворного космического мусора, по мнению специалистов, может достигать и миллиона кусочков.