Как быстро Земля мчится через Вселенную?

Пока вы читаете эти строки, вероятнее всего, вы сидите и считаете себя неподвижным. Но мы-то знаем, что на космическом уровне мы постоянно движемся. Земля вращается вокруг своей оси, пронося нас через космос на скорости 1700 км/ч, если измерять, находясь на экваторе. Но это не так-то много, если перевести скорость в км/с. Земля вращается вокруг оси со скоростью 0,5 км/с, что не так-то и много, если сравнить с нашими другими способами перемещения.

Как и все планеты в нашей Солнечной системе, Земля вращается вокруг Солнца намного быстрее, чем вокруг своей оси. Чтобы поддерживать нас на стабильной орбите, Земля должна двигаться со скоростью порядка 30 км/с. Внутренние планеты — Меркурий и Венера — движутся быстрее, а внешние миры — Марс и другие — движутся медленнее. Так было в прошлом и будет в будущем, еще много-много лет.

Но даже Солнце нельзя назвать неподвижным. Наша галактика Млечный Путь огромна, массивна и, что самое важное, пребывает в постоянном движении. Все звезды, планеты, газовые облака, песчинки и пылинки, черные дыры, темная материя и все остальное движется внутри галактики. Каждая частица материи и энергии вносит свой вклад в это движение и зависит от общей силы тяжести.

С нашей точки зрения, в 25 000 световых годах от центра галактики, Солнце движется по эллипсу, совершая полный оборот раз в 220-250 миллионов лет. Считается, что скорость Солнца во время этого путешествия составляет порядка 200-220 км/с, что довольно много, если сравнивать со скоростью вращения Земли и других планет вокруг Солнца. Тем не менее мы можем собрать все эти движения вместе и рассчитать наше движение через галактику.

Но неподвижна ли наша галактика сама по себе? Конечно, нет. Видите ли, в космосе постоянно присутствует сила притяжения массивных (и энергичных) объектов, с которой приходится считаться, и гравитация приводит к ускорению всех масс. Дайте нашей Вселенной достаточно времени — а у нас было 13,8 миллиарда лет — и все будет двигаться, дрейфовать и плыть в направлении наибольшего гравитационного притяжения. Вот так мы перешли от однородной Вселенной к клочковатой, сбитой в кластеры, богатой галактиками Вселенной в относительно короткие сроки.

Такова космическая история образования структур в нашей расширяющейся Вселенной. Что она означает для нас? Что Млечный Путь притягивается всеми другими галактиками, группами и скоплениями в наших окрестностях. Это означает, что самые близкие, самые массивные объекты на протяжении всей космической истории будут управлять нашим движением. И это означает, что не только наша галактика, но и все близлежащие галактики «собьются в поток» из-за этой гравитационной силы. Ученые составляют все более точную карту этого процесса, и мы постепенно приходим к пониманию нашего космического движения через космос.

Но пока мы полностью не поймем, как Вселенная на нас влияет, а именно:

• полный набор начальных условий, в которых родилась Вселенная;
• как каждая отдельная масса двигалась и развивалась со временем;
• как сформировались Млечный Путь и все сопряженные галактики, группы и кластеры;
• как все это происходило в каждой точке космической истории до текущего момента;

мы не сможем понять наше космическое движение по-настоящему. И уж точно без следующего трюка.

Куда мы ни посмотрим в космос, мы видим это: радиационный фон в 2,725 К, который остался от Большого Взрыва. В разных регионах встречаются крошечные несоответствия — на порядок в несколько сотен микрокельвинов или около того — но куда мы ни посмотрим (за исключением закрытой плоскости галактики, которую мы увидеть не можем), мы видим одну и ту же температуру: 2,725 К.

Причина этому в том, что Большой Взрыв произошел сразу везде в космосе, 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор Вселенная расширяется и остывает.

Во всех направлениях, когда мы смотрим на космос, мы видим одно и то же послесвечение события, когда нейтральные атомы сформировались впервые. До этого времени — 380 000 лет после Большого Взрыва — было слишком горячо, чтобы атомы могли сформироваться, поскольку фотонные столкновения мгновенно разбивали бы их на части, ионизируя их компоненты. Но по мере того, как Вселенная расширилась, а свет прошел через красное смещение (и потерял энергию), стало достаточно холодно, чтобы эти атомы могли образоваться.

И когда это произошло, фотоны, путешествующие беспрепятственно, наконец начали врезаться во что-то. Их осталось так много — больше 400 на кубический сантиметр — что мы с легкостью можем их измерить. Даже ваши антенны на старых телевизорах улавливали космический микроволновый фон. Порядка 1% серого шума, этого мельтешения серо-белых пикселей, на телеэкране — это послесвечение Большого Взрыва. И если убрать в стороны микрокельвины расхождений, оно равномерное по всем направлениям.

И все же мы не видим совершенно равномерного фона в 2,725 К, куда ни глянь. Имеются небольшие отличия от одной области неба к другой. Одна «сторона» кажется горячее, а другая кажется холоднее.

«Горячая» сторона — это 2,728 К, а «холодная» — порядка 2,722 К. Такой большой перепад превосходит все остальные в 100 раз и легко может озадачить. Почему флуктуации в таких масштабах такие большие, если сравнивать с остальными?

Разгадка в том, что это не флуктуация микроволнового фона.

Подумайте, что еще может заставить свет — а реликтовое излучение это просто свет — быть горячее (или более энергичным) в одном направлении и холоднее (или менее энергичным) в другом? Движение.

Когда вы движетесь в сторону источника света (или он движется по направлению к вам), свет смещается в сторону более высоких энергий (синее или фиолетовое смещение); когда вы удаляетесь от источника света, он смещается в сторону более низких энергий (красное смещение).

Происходящее с микроволновым фоном связано не с энергиями самого фона, а с нашим движением через космос. Из этого эффекта послесвечения Большого Взрыва мы можем выяснить, что Солнечная система движется относительно реликтового излучения на скорости 368 ± 2 км/с, и что вся местная группа — Солнце, Млечный Путь, Андромеда и остальные — движется на скорости 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Неточность этого значения обусловлена неопределенность касательно движения Солнца вокруг галактического центра, это самый сложный компонент для измерения.

Благодаря послесвечению Большого Взрыва мы не только знаем, что не находимся в особенном и привилегированном месте во Вселенной, но даже не неподвижны относительно главного события в нашем общем космическом прошлом. Мы движемся. И движение — это жизнь.