Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной

Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной

Как
же выглядит Вселенная в настоящий момент? Практически все видимое вещество
заключено в галактиках —
гравитационно связанных звездных системах размерами в десятки и сотни тысяч
световых лет (5-50 кпк, где кпк — килопарсек, парсек равен около 3,26 световых года или 10¹³ км), содержащих от 10⁶
до 10¹³ звезд (в среднем около 100 млрд звезд), а также
облака газа и пыли. Современной астрономии доступно для изучения более

10
млрд галактик. Галактики объединяются в группы
галактик (с числом менее 100 галактик), скопления и сверхскопления.
Встречаются также одиночные, двойные и кратные галактики. Средние
расстояния между галактиками в группах (например, наша Галактика находится в
Местной группе галактик) и в скоплениях составляют 100-500 кпк, что в 10-20 раз
больше размеров крупнейших галактик. Расстояния между одиночными, кратными
системами и группами галактик составляют 1-2 Мпк (Мпк — мегапарсек). Таким
образом, галактики заполняют внут-ригалактическое пространство с большей
относительной плотностью, чем звезды, так как расстояния между звездами в
среднем в 20 миллионов раз больше их диаметров.

Сверскопления или
суперкомплексы галактик — крупнейшие неоднородности во Вселенной, расположенные
обычно в узлах ее ячеистой крупномасштабной структуры, в которых
сходятся по несколько цепочек сверхскоплений галактик. Их размер может
достигать порядка десятков-сотни миллионов световых лет (15-80 Мпк). В
масштабах многих сотен миллионов и миллиардов световых лет Вселенная ячеисто-однородна. Средние расстояния между
сверхскоплениями составляют сотни мегапарсек; на сегодняшний день известно около 50 сверхскоплений.
Местное сверхскопление, в которое входит и наша Галактика, имеет размер
около 60 Мпк и содержит около двадцати тысяч галактик (исключая карликовые).
Следующий структурный элемент галактик — скопления
галактик, плотные супергалактические образования, в которых
выделяют, помимо собственно галактик, еще диффузную компоненту — горячий
ионизированный газ и невидимое вещество (вещество ли?), или так называемую скрытую массу. Размеры скоплений галактик
— от 1,5 до 3 Мпк — отвечают размерам первичных
неоднородностей, способных эволюционировать

в космические объекты согласно
существующим теориям. Скопления галактик содержат от сотен до десятков тысяч
галактик. Расстояния между скоплениями — десятки мегапарсек. Кроме галактик, во
Вселенной присутствует равномерно заполняющее ее реликтовое электромагнитное
излучение, небольшое количество очень разреженного меж-галактичекого обычного
вещества и неизвестное количество пока не поддающейся наблюдению, но
проявляющей себя в некоторых гравитационных эффектах субстанции, называемой скрытой массой и скрытой энергией. Их доля
в космосе сейчас оценивается в 95-97%!

Основной
элемент Вселенной — галактика. Основной
элемент галактики — звезда —
массивный плотный газовый (точнее, плазменный) очень горячий шар (с
температурами внутри до миллиардов градусов), излучающий в окружающее
пространство огромную энергию в основном в виде электромагнитного излучения. Во
всех галактиках большая часть вещества заключена в звездах — в крупнейших, так
называемых эллиптических, галактиках на звезды приходится свыше 95 процентов
массы. В спиральных галактиках, таких, как наша (точнее, Млечный путь является
типичным представителем спиральных галактик с перемычкой, или пересеченных
галактик — класс SB), доля газа и
пыли значительно больше 5%, но все же гораздо меньше, чем доля звезд.

Изучение
состава близких к нам галактик показало, что они, как и наша Галактика, состоят
из таких же объектов — звезд, звездных скоплений, туманностей. Это под-

тверждает
вывод, что в «малых» масштабах физические законы, управляющие
развитием звезд и звездных систем, в наблюдаемой части Вселенной одинаковы. К
тому же, на каждом этапе своего развития, наука просто не может обойтись без
определенных «рабочих» моделей (которые всегда подлежат уточнению и заменам),
независимо от того, идет ли речь о Вселенной, квазарах или обычных
звездах. ‘

Общие
закономерности развития и структуры Вселенной изучаются путем построения
космологических моделей. Это делается на основании общей теории
относительности, созданной Эйнштейном в 1915 г., основные принципы (постулаты)
и положения которой были рассмотрены нами в п. 4.2. Впрочем, позже было
установлено, что основные характеристики
космологических моделей можно получить, исходя из ньютоновых
классических представлений (это в наше время показали космологи Э. Милн и В.
Маккри).

Построить
или создать космологическую модель Вселенной, полагая, что это некоторое
геометрическое размерное пространство, — значит получить зависимость для так называемого масштабного фактора от времени, т. е.
выяснить, как зависит от времени расстояние (масштаб) между двумя его точками
(например, между галактиками). При постановке этой задачи обычно исходят из
предположения, что свойства Вселенной для каждого заданного момента времени
одинаковы во всех ее точках (свойство однородности пространства) и во всех
направлениях (свойство изотропии пространства). Этот космологический принцип
однородности и изотропии Вселенной подтверждается наблюдениями: в сверхбольших
масштабах в распределении сверхскоплений галактик и в самом деле не обнаружено
отклонений от однородности и изотропии.

Итак, в начале прошлого века, после того
как Эйнштейн создал теорию тяготения, родилась современная космология, первым
автором которой безоговорочно признается наш великий соотечественник Александ Александрович Фридман (1888-1925),
а дата отсчитывается от времени публикации первой статьи Фридмана «О кривизне
пространства» в 1922 году. В статьях (1922-1924) гг. Фридманом была показано,
что наблюдаемая Вселенная в принципе не может быть стационарной — составляющая
ее материя при бесконечном времени существования должна была либо разлететься,
либо собраться в одном месте. Этот вывод был получен в науке так поздно только
из-за глубокой подсознательной убежденности всех исследователей в
«неизменности» существующего мира (как уже отмечалось, все великие ученые
прошлого — Аристотель, Ньютон, даже Эйнштейн, который сначала не признал работу
Фридмана, верили в стационарность мира). В этом были убеждены и материалисты,
отрицавшие акт творения, и верующие, считавшие, что мир был сотворен Богом, но
такое убеждение не было основано на фактах.

Темп
удаления галактик друг от друга, как показывает решение Фридмана, может
меняться с течением времени (правда, заметить это на наших «земных» промежутках
времени практически невозможно, заметное изменение скорости разбегания галактик
происходит за миллиарды лет). Возможны несколько вариантов моделей расширения
Вселенной, но пока представим три наиболее характерных варианта расширения
Вселенной.

Первые
две модели описывают неограниченное во времени расширение Вселенной, и разница
между ними в названии кривых, которыми описываются законы этих расширений: первая — гипербола, вторая — парабола.
Третья модель расширения соответствует циклоиде. Эти ва-

рианты эволюции
Вселенной обусловлены соотношением между средней плотностью Вселенной ‘р и
некоторой критической плотностью р которая впервые была определена Фридманом.
Если ‘р < р_кр, то расширение идет по закону, описываемому
гиперболой, если ‘р = р_кр, получим параболу, и если ‘р > р_кр,
то процесс расширения когда-то (через два — три десятка миллиардов лет)
сменится сжатием, это описывается циклоидой. Как замечаем, фундаментальное значение имеют две величины — средняя
плотность Вселенной ‘р и некая критическая плотность р_кр .
Как показали многочисленные измерения внутри- и межгалактической плотности, средняя плотность ‘р = 10^-30 г/см³.
Что касается критической плотности р_кр, то мы к ней вернемся
после освещения истории экспериментального открытия расширения Вселенной в 1929
году Эдвином Хабблом. Наиболее полно характерные космологические модели,
которые в различное время предлагались для объяснения свойств нашей Вселенной,
представлены ниже:

1. Пульсирующая модель. В
   этой модели в некоторый «нулевой» момент
   космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная
   представляет собой некоторую сингулярную точку. С нулевого момента он начинает
   возрастать, достигает максимального значения и снова уменьшается до нуля. Так
   же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой
   модели.
2. Закрытая
   модель: масштабный
   фактор увеличивается от нуля до определенного максимального значения,
   достигаемого в бесконечно удаленном будущем.
3. Модель Лемэтра:
   масштабный фактор увеличивается
   от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти
   постоянным.

4. Модель Эйнштейна — де Ситтера: начавшееся
однажды расширение продолжается неограниченно (это
расширение происходит с замедлением).

• Замкнутая Вселенная, в
  которой возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный
  мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона-Леметра, масштабный фактор которой равен
  определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно
  возрастает в будущем.
• И, наконец, отметим еще так называемую модель де Ситтера: в данном случае
  масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель
  «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность
  поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого
  «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским
  астрофизиком Фредом Хойлом.

Теоретически,
на основании уравнений теории Эйнштейна, можно построить около двух десятков
моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется,
астрофизикам пока не удалось выснить. Но история этого вопроса уже почти
столетняя по времени. В 1912 г. американский астроном Весто Слайфер начал измерять лучевые
скорости спиральных туманностей, руководствуясь следующими соображениями. Если
эти туманности находятся за пределами Галактики, то они не принимают участия в
ее вращении, а поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении
Солнца в Галактике. На протяжении нескольких лет Слайфером и тоже американским
астрономом Эдвином Хабблом, проводившим
независимые измерения, были получены спектры 41 объекта. Оказалось, что в 36
случаях линии в спектрах туманностей смещены
в красную сторону.

Представлялось
наиболее естественным (это была мысль Хаббла) объяснить этот сдвиг эффектом Доплера — движением туманностей от наблюдателя. В
самом деле, в данном случае отношение прироста длины волны к самой длине волны
связано со скоростью движения туманности. Следовательно, туманности удаляются
от наблюдателя и их скорости, измеряемые тысячами и десятками тысяч км/с,
значительно превышают скорость Солнца вокруг центра Галактики, равную всего 250
км/с. Хотя этот факт наблюдают асторономы на нашей Земле, в нашей Солнечной
системе, в нашей Галактике, но это вовсе не значит, что мы расположены в центре
Вселенной — от любой другой точки Вселенной галактики разбегаются точно так же.
Разбегание — результат общего расширения Вселенной.
Убедиться в этом можно на весьма простом примере. Возьмем резиновую нить и
завяжем на ней узлы. Растянем нить вдвое. В результате этого и расстояния между
каждыми соединенными узлами также увеличится вдвое. При этом каждый из узлов
является равноправным, и по отношению к нему скорость других узлов при
растягивании нити была бы тем больше, чем дальше они находились бы друг от друга. Другой пример — с раздувающимся
резиновым шариком, на поверхность которого равномерно нанесены
выделяющиеся на его фоне точки. При разрастании объема шарика скорость
разбегания точек друг от друга будет тем больше, чем больше между ними
расстояние. Кстати, на поверхности такого шарика, как модели Вселенной,
невозможно найти и центр, его попросту нет. Аналогичным образом ведет себя и мир галактик. Разница лишь в том,
что он трехмерный, тогда как нить или поверхность шарика имеет всего одно или
два измерения.

Теперь
можно снова вернуться к возможному сценарию дальнейшей судьбы нашей Вселенной,
которая зави-

сит от величины средней плотности
вещества во Вселенной и которую оказалось возможным оценить после открытия
Хабблом закона разбегания галактик. Им
был установлен следующий закон, связывающий скорости и расстояния между
галактиками: v = HR. В этом законе и
— скорость разбегания галактик, R —
расстояние между галактиками, коэффициент пропорциональности между ними Н принято называть постоянной Хаббла. Ее
современное среднее значение Н 65 км/с/Мпк. Численная
величина постоянной Хаббла имеет принципиальное значение для определения
критической плотности вещества и при указанной выше величине она оказывается
равной

Видим,
что средняя плотность вещества во Вселенной численно меньше критической, так
что, если бы не существало никаких не обнаруженных форм материи во Вселенной, а
о них мы сегодня говорим, тогда «наш сценарий» эволюции Вселенной определялся
бы гиперболой, т. е. Вселенная расширялась бы неограниченно долго. Но сейчас
следует воздержаться от таких категоричных заявлений.

Парадокс красного смещения. На
протяжении нескольких десятилетий во второй половине XX века
некоторые астрономы и физики стремились найти какое-то другое объяснение
красному смещению. В частности, они усматривали в этом проявление каких-то еще
неизвестных сегодня закономерностей. Так, отец антимира Поль Дирак предположил,
например, что эффект красного смещения мог бы иметь место, если бы во Вселенной
существовало вековое изменение абсолютной длительности единицы времени. Речь
идет, конечно, не об изменении длительности привычной для нас секунды,
связанной со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Имеется в виду изменение ритма всех процессов во Вселенной
— скоростей

термоядерных
реакции в звездах, радиоактивного распада и т. д. Красное смещение в спектрах
галактик могло бы иметь место и при изменении со временем величины скорости
света, а также при уменьшении энергии кванта в процессе его путешествия в
межгалактическом пространстве. Но если энергия кванта в процессе этого движения
не передается ничему, то ее уменьшение (увеличение длины волны) может иметь
место лишь при нарушении закона сохранения энергии. Если же квант теряет часть
своей энергии, передавая ее другим фотонам или частицам среды, то при этом акте
направление его движения изменится. Поэтому изображения других галактик должны
быть тогда размытыми (расплывчатыми), и тем более размытыми, чем дальше эта
галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких
галактик достаточно четкие. Поэтому гипотеза «старения
квантов» была отвергнута (вспомним, что, согласно Попперу, наука это
исключение фальшивых гипотез). Упомянутые
две другие возможности (изменение ритма времени или скорости света) вообще не
могут быть проанализированы всерьез в рамках сегодняшней теоретической физики.
Что есть или что такое время? Почему скорость света в вакууме является
постоянной и максимальной из всех возможных? Существует ли какая-нибудь связь
между гравитацией и электромагнитными свойствами вещества? Это все глобальные
проблемы современности. Все они, очевидно, будут решены лишь в будущих, более
совершенных теориях пространства, времени и взаимодействий.

Сегодня
«разбегание» галактик принимается как реальный факт. На этой основе можно
построить общую картину развития
наблюдаемой Вселенной. Огромное большинство галактик светит настолько
слабо, т. е. они так далеки, что никаких отдельных объектов в них разли-

чить нельзя. Но наблюдения показывают,
что увеличение красного смещения галактик
сопровождается уменьшением их яркости. Это является доказательством
того, что в действительности происходит расширение наблюдаемой нами Вселенной.
Но здесь речь идет, скорее, не о движении галактик в пространстве, а о
расширении, творении самого пространства. Расстояния до галактик измеряются
миллионами и миллиардами световых лет. Это значит, что мы видим их не такими,
какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад.
Углубляясь все дальше и дальше в пространство Вселенной, астрономы тем самым
встречаются с все более и более молодыми объектами! Мы тем самым, по существу,
видим прошлое вещества, прошлые эпохи Вселенной.

Парадоксы расширяющейся Вселенной. Парадоксальным
является, прежде всего, само красное смещение, так как его космологическая
природа не столь очевидна, какой она представляется в земных условиях. Выше
указывались возможные причины объяснения этого интересного эффекта, но они
обычно отвергаются на том основании, что их природа физически гипотетична, как
и сам феномен взаимодействия космологического излучения с другими видами
материи.

Так,
по данным наблюдения квазаров, красное
смещение, выражаемое в относительной величине, достигает аномально высоких
значений (2,5-2,8), хотя, по сути, оно не могло бы быть больше 1. Это потому,
что если эту аномалию объяснять только эффектом Доплера, то скорость квазаров
превосходит скорость света на указанные величины. Ясно, что это вступает в
противоречие с постулатами специальной теории относительности. Чтобы исключить
его, часть красного смещения надо списать на
гравитацию (а гравитация, как мы видели в п. 4.2, обеспе-

чивает красное смещение тоже). Однако
здесь не ясно, на какую из возможных гравитаций — либо на локальную (т. е.
гравитацию самого квазара), либо на вселенскую, встречающуюся на пути луча к
нам, или на ту и другую вместе следует ориентироваться в этом вопросе.
Безупречных теоретических подсказок здесь нет. А сами галактики, обнаруженные в
глубинах Вселенной, движущиеся со скоростями около половины Скорости света и
более, откуда они приобрели такую чудовищную кинетическую энергию, сопоставимую
с энергией их массы покоя, рассчитываемую по эйнштейновской формуле Е = тс²?

Не столь физически прозрачен и феномен перехода всей материи
в единственную точечную сингулярность, из которой якобы произошел «большой
взрыв». Кроме того, английский физик и космолог Стивен Хокинг в 1974 г. показал
возможность «испарения» черных дыр в результате туннельного просачивания
(туннелирования) частиц во внешнее
пространство через потенциальный барьер. Возникают противоречия при
объяснении самого феномена расширения Вселенной, о котором мы уже знаем. Если
расширение — действительный физический процесс (т. е. наглядный, как бы нам
хотелось), то оно происходит либо за счет «вторжения» в вакуум типа
псевдоевклидова пространства Минковского, либо в пространство других
космических систем Вселенной (мы-то свою наблюдаемую Вселенную называем
Метагалактикой). Существование абсолютного
вакуума (не физического вакуума, понятие о котором мы обсуждали
ранее) нельзя допускать, ибо пространство есть атрибут (неотъемлемая
принадлежность) материи и вне нее не
существует. Остается допустить вторжение во внутренние пространства
других систем, которые сами могут как сжиматься, так и расширяться, развиваясь
по собственным законам.

Если же встать на точку зрения, что само
пространство как бы создается в процессе
расширения (процессе «разбухания»,
как иногда говорят и пишут), в том смысле, что с течением времени увеличивается расстояние между любыми
точками и изменяется геометрия
пространства, то мы опять приходим к
противоречию. Именно все это должно было бы сопровождаться увеличением размеров
всех материальных систем: элементарных частиц, атомов, планет, звезд, галактик,
всех в равных пропорциях. Вот
этого-то и не замечено пока экспериментально, слишком малы эффекты. Так
что проблемы есть, не разрешены современной наукой и остаются как «подарок» будущим поколениям ученых.