В VI веке до н. э. Анаксимандр предложил теорию мироздания, в которой Земля представляла собой нечто вроде колонны, расположенной в центре всего сущего. Солнце, Луна и планеты представляли собой отверстия в невидимых колёсах, окружающих Землю. Через эти отверстия люди могли наблюдать так называемый «скрытый огонь».
Пифагор, живший примерно в то же время, придерживался иной точки зрения. Он считал, что Земля имеет форму шара, что было подтверждено наблюдением круглой тени, которую она отбрасывает на Луну. Однако Пифагор полагал, что Земля не находится в центре мироздания, а движется вокруг какого-то источника огня. Эти две теории со временем объединились, и с IV века до н. э. большинство образованных греков считали Землю шаром, расположенным в центре Вселенной.
Согласно этой модели, звёзды и планеты вращались вокруг Земли, каждая по своей сфере. Неподвижные звёзды находились на самой большой небесной сфере.
Позднее Аристотель, опираясь на теории Евдокса Книдского, более строго математически описал космос. Его модель предполагала, что Земля остаётся в центре Вселенной, а все другие небесные тела прикреплены к множеству прозрачных сфер, вращающихся вокруг неё.
Приверженность геоцентрической модели не была лишь результатом человеческого эгоцентризма. Древние учёные полагали, что звезды находятся гораздо ближе, чем это было на самом деле. Они ожидали, что с движущейся Земли можно будет наблюдать значительное смещение звёзд в течение года (параллакс). Однако, из-за огромного расстояния до звёзд и отсутствия телескопа (который был изобретён только в XVII веке), параллакс так и не был обнаружен до XIX века.
Ещё одно наблюдение, которое поддерживало геоцентризм, заключалось в постоянстве светимости Венеры. Это наблюдение указывало на то, что Венера обычно находится на одном и том же расстоянии от Земли. Однако это явление объясняется не стабильным расстоянием, а компенсацией потери света её фазами за счёт увеличения видимого размера, вызванного изменением расстояния до Земли.
В II веке н. э. Клавдий Птолемей окончательно утвердил геоцентризм. Он утверждал, что Земля является сферой в центре Вселенной, опираясь на простое наблюдение: половина звёзд видна над горизонтом, а другая половина — под ним. Птолемей также предположил, что все звезды находятся на относительно небольшом расстоянии от центра Вселенной. Если бы Земля находилась далеко от центра, то звёзды были бы видны неравномерно.
Модель Птолемея, основанная на деферентах и эпициклах, использовалась в астрономии в течение многих веков, несмотря на её несовершенство и незначительное расхождение с реальными наблюдениями.
Геоцентрическая модель Птолемея
Гелиоцентризм Коперника позволил исключить необходимость использования эпициклов, поскольку ретроградное движение планет стало объясняться как результат сочетания движений Земли и других планет.
Наука продолжала развиваться, и усовершенствование приборов способствовало большому прогрессу. Однако она развивалась спирально, повторяя этапы прошлого. Геоцентризм был заменён гелиоцентризмом, но вскоре стало ясно, что Солнце тоже не находится в центре Вселенной, а Солнечная система является лишь одной из множества звёздных систем, составляющих Галактику. Долгое время считалось, что наша Галактика — это вся Вселенная, вмещающая звёздные системы и «туманности».
Интересно, что несмотря на развитие науки, не все люди осознают эти достижения. Например, в 2014 году, согласно опросу, четверть американцев считала, что Солнце вращается вокруг Земли. В России ситуация была ещё более тревожной: в 2022 году треть россиян придерживалась аналогичного мнения. Тем не менее, наука продолжает развиваться, несмотря на такие заблуждения.
В начале XX века человечество совершило ещё один шаг в переосмыслении своего положения во Вселенной. Ключевую роль в этом сыграл астроном Эдвин Хаббл, а также значительный вклад внесли Генриетта Свон Ливитт и Харлоу Шэпли.
Генриетта Ливитт, работавшая в обсерватории Гарвардского колледжа, занималась анализом астрономических фотопластинок в роли «вычислителя». Её внимание было сосредоточено на изображениях звёзд в Магеллановых облаках. В результате кропотливой работы ей удалось идентифицировать около 1800 переменных звёзд. В двух публикациях — 1908 и 1912 годов — Ливитт выявила закономерность между периодом пульсации переменных звёзд и их светимостью. Эта зависимость стала основой для расчёта расстояний до таких звёзд, независимо от их удалённости от Земли.
Позже такие звёзды получили название цефеид. Благодаря обнаруженной зависимости между периодом пульсации и светимостью, стало возможным определять их абсолютную яркость, а затем, сравнивая её с наблюдаемой яркостью, вычислять расстояние до звезды. Это открытие оказалось фундаментальным для космологических измерений и остаётся актуальным в современной астрономии.
Харлоу Шэпли использовал открытие Ливитт для построения первой версии шкалы космических расстояний, стремясь определить масштаб и структуру Млечного Пути. Несмотря на то, что он не признавал существование объектов за пределами нашей Галактики, его работа оказала значительное влияние на развитие представлений о размерах Вселенной.
Шэпли начал с наблюдения цефеид в пределах Млечного Пути, затем перешёл к исследованию звёзд типа RR Лиры — другого вида переменных звёзд с аналогичной закономерностью. Он использовал RR Лиры для уточнения расстояний до более удалённых объектов в нашей галактике, включая яркие массивные звёзды на её периферии.
В своих расчётах он пришёл к выводу, что диаметр Млечного Пути составляет приблизительно 300 000 световых лет, а Солнечная система расположена на расстоянии около 50 000 световых лет от центра. Современные данные уточняют эти значения: примерно 100 000 световых лет в диаметре и 26 000 световых лет до центра. Тем не менее, даже такие неточные оценки сыграли важную роль в осознании того, что наша планетарная система не занимает центрального положения во Вселенной.
Существенные изменения в астрономической картине произошли после того, как в 1919 году Эдвин Хаббл присоединился к обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии. В его распоряжении оказался телескоп Хукера — на тот момент крупнейший в мире.
В 1923 году Хабблу удалось получить фотопластинку с изображением туманности Андромеды (Мессье 31), на которой он заметил переменную звезду и обозначил её на снимке пометкой «VAR!». Он идентифицировал её как цефеиду. Используя методику, основанную на трудах Ливитт и Шэпли, Хаббл впервые рассчитал расстояние до этого объекта — 930 000 световых лет.
Хотя эта оценка оказалась заниженной по сравнению с реальным расстоянием (около 2,5 миллиона световых лет), она позволила сделать однозначный вывод: туманность Андромеды находится за пределами Млечного Пути и представляет собой отдельную галактику. Таким образом, понятие «спиральных туманностей» было заменено понятием «галактик», что коренным образом изменило понимание структуры Вселенной.
Это открытие стало поворотным моментом в астрономии. Оно окончательно опровергло представление о нашей галактике как о центре Вселенной. Земля вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, находится на окраине Млечного Пути, а сама Галактика — лишь одна из множества подобных ей структур во Вселенной.
Однако даже после этого открытия оставался вопрос: может ли Галактика располагаться в центре Вселенной, образовавшейся в результате гипотетического Большого взрыва? Логика подсказывает, что у Вселенной должен быть центр, из которого всё начало своё расширение.
Современные наблюдения показывают, что в любом направлении и на любых масштабах Вселенная выглядит однородной. Распределение галактик, звёздных популяций, тёмной и обычной материи, а также параметры космического микроволнового фона остаются практически неизменными независимо от направления наблюдения. Статистические отклонения между различными регионами в пределах нескольких миллиардов световых лет не превышают 0,003%.
Основные различия, которые фиксируются при наблюдениях, связаны не с направлением, а с расстоянием. Чем дальше расположен объект, тем более молодую стадию Вселенной он отражает, и тем сильнее свет от него смещён в сторону красного конца спектра. Именно этот эффект используется при определении скорости удаления галактик и других космических структур.
Возникает вопрос: существует ли точка, относительно которой все объекты во Вселенной удаляются с одинаковой скоростью? На первый взгляд кажется, что такая точка могла бы быть центром Вселенной. Однако современная космология утверждает, что Вселенная расширяется равномерно во всех направлениях и не имеет выделенного центра в трёхмерном пространстве. Модель расширяющейся Вселенной предполагает, что каждая точка пространства участвует в этом расширении, и с любой из них можно наблюдать равномерное удаление объектов вокруг.
Не все галактики удаляются друг от друга. Гравитационно связанные системы,
напротив, со временем сближаются и могут сливаться, образуя более
массивные структуры. Примером сложного гравитационного взаимодействия
является феномен, известный как «Великий аттрактор» — область аномального
гравитационного притяжения, расположенная в межгалактическом пространстве.
Эта зона считается центральным элементом суперкластера Ланиакеа, в состав
которого входит галактика Млечный Путь и около 100 000 других галактик.
Наблюдательные данные подтверждают, что чем дальше от нас находится объект,
тем сильнее выражено его красное смещение. Однако это смещение не обязательно
означает движение самого объекта в пространстве относительно нас. Оно может
быть связано с расширением самой Вселенной, при котором волны света
растягиваются по мере прохождения через увеличивающееся пространство. В
действительности, оба этих эффекта имеют место. С одной стороны, пространство
расширяется, вызывая космологическое красное смещение. С другой — объекты
движутся сквозь пространство, что приводит к доплеровскому смещению.
Комбинация этих факторов формирует наблюдаемую картину. Возникает закономерный
вопрос: почему, исследуя далёкие участки космоса, мы видим более ранние и
менее развитые формы галактик и звёздных систем? Почему структура Вселенной
кажется одинаковой во всех направлениях при наблюдении на больших расстояниях?
Причина заключается не в том, что Земля занимает центральное положение.
Напротив, наблюдаемая однородность связана с временной природой границы
Вселенной — с моментом, когда началась фаза горячего Большого взрыва,
положившая начало нашей космической истории. На текущем этапе эволюции
Вселенной с момента Большого взрыва прошло 13,8 миллиарда лет. Это значение
будет одинаковым в любой точке пространства, если не изменять временные
координаты. Это объясняется тем, что Большой взрыв был не локальным событием в
определённой точке пространства, а глобальным явлением, произошедшим
одновременно во всех частях наблюдаемой Вселенной. Следовательно, утверждение
об однородности Вселенной требует уточнения: она однородна в пространственном,
но не во временном аспекте. По мере того как мы наблюдаем свет от удалённых
объектов, мы смотрим в прошлое, поскольку скорость распространения света
ограничена. Пространство, через которое проходит излучение, продолжает
расширяться, в результате чего световые волны растягиваются, вызывая красное
смещение. Таким образом, удалённые объекты мы видим не такими, какими они
являются сейчас, а такими, какими они были в момент испускания света,
достигшего нас только спустя миллионы или миллиарды лет. Такая картина
характерна не только для наблюдений с Земли. Например, самая удалённая из
известных галактик —
JADES-GS-z14-0
— видна нам в том состоянии, в каком она существовала всего через 285
миллионов лет после начала Большого взрыва, что составляет лишь 2,1% от
современного возраста Вселенной. Тогда расстояние между нами и этой галактикой
составляло около 7% от текущего, а плотность вещества была почти в 3000 раз
выше. Если бы наблюдатель находился внутри этой галактики (точнее, в том
космическом объекте, в который она эволюционировала), он увидел бы аналогичную
картину: удалённые объекты казались бы молодыми и менее развитыми.
Распространённое заблуждение о том, что Земля должна быть центром Вселенной,
опирается на два ошибочных предположения. Первое — что Большой взрыв произошёл
в определённой точке, откуда всё начало разлетаться. Второе — что поскольку мы
наблюдаем удаление объектов от нас во всех направлениях, значит, мы находимся
в центре этого расширения. Однако эти идеи не подтверждаются ни теоретически,
ни наблюдательно. Если бы Большой взрыв был классическим взрывом в
пространстве, то:
- мы наблюдали бы меньшее количество объектов на больших расстояниях, чего не происходит,
- плотность вещества уменьшалась бы с расстоянием, тогда как на самом деле она увеличивается,
- температура фонового излучения снижалась бы, а не возрастала с увеличением расстояния наблюдения.