§30.  МЕТАГАЛАКТИКА

1. Системы галактик и крупномасштабная структура Все­ленной. Галактики, подобно звездам, наблюдаются груп­пами. Например, нашу Галактику, Магеллановы Облака и еще около 20 небольших спутников нашей Галактики можно рассматривать как кратную систему. Крат­ной оказалась и Туманность Андромеды, окруженная не­сколькими эллиптическими галактиками-спутниками.

Наша Галактика и Туманность Андромеды входят в Местную группу (систему) галактик, размеры которой достигают сотен тысяч парсек. Местная группа представляет собой сравнительно небольшую систему, так как существуют скопления, содержащие сотни и ты­сячи галактик.

Рис. 102. Центральная часть скопления галактик в созвездии Волосы Вероники.

Ближайшеек нам скопление галактик находится в со­звездии Девы и насчитывает сотни крупных галактик. Расстояние до него порядка 20 Мпк, это система диаметром более 6 Мпк. Крупные скопления галактик находятся в созвездиях Волосы Вероники, Северная Корона, Геркулес и др. (рис. 102).

Не входят ли скопления в состав еще больших систем? Данные внегалактической астрономии указывают на то, что, возможно, существует Местное сверхскопление галактик, на­считывающее примерно 10 тыс. галактик и имеющее диа­метр около 50 Мпк. В его центре расположено скопление галактик в созвездии Девы. Открыто несколько десятков других сверхскоплений (два ближайших находятся от нас на расстоянии 100 Мпк). Таким образом, Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от ядер атомов  до  гигантских  сверхскоплений  галактик.

В конце 70-х гг. XX в. астрономы обнаружили, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Теоретически предвидели возможность такого распределения галактик, а потому открытие не было неожиданным. Следовательно, согласно современным пред­ставлениям, для Вселенной характерна ячеистая (иногда говорят сетчатая, или пористая) структура, которую можно видеть на специально обработанных   фотографиях участков звездного неба. Она напоминает «паутинную сет­ку»  (рис.  103).

Рис. 103. Крупномасштабная структура Вселенной.

Вообразимсебе достаточно большую «сеть», содержащую множество ячеек. Если не обращать внимания на индивиду­альные особенности каждой отдельно взятой ячейки, то в больших масштабах ее различные части выглядят сходным образом.

Мы рассматривали картину распределений сверхскопле­ний галактик в проекции на небесную сферу. А каково их пространственное распределение? Оказывается, «пустоты» существуют не только внутри ячеек. Недавно они обнару­жены (и названы «черными областями») при исследовании распределения галактик в пространстве:  найдены огромные объемы  пространства  (порядка  миллиона кубических  мегапарсек),   в  которых   галактик   пока  не   обнаружено.

В свете этих открытий пространственной моделью струк­туры Вселенной может служить кусок пемзы. В целом она однородна, хотя в небольших выделенных объемах пемза неоднородна (в ней есть вещество и пузырьки воздуха). Так и во Вселенной: в небольших масштабах, например в масштабах Солнечной системы или Галактики, вещество распределено явно неравномерно, но в масштабах сверх­скоплений галактик вещество распределено практически равномерно. Итак, в крупномасштабной структуре Вселен­ной не существует каких-либо особых, чем-то выделяющих­ся мест или направлений, поэтому в больших масштабах (более 100—200 Мпк) Вселенную можно считать не только однородной,   но  и   изотропной.

2. Метагалактика и ее расширение. Вся охваченная со­временными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между галакти­ками заполнено чрезвычайно разреженным межгалактичес­ким газом, пронизывается космическими лучами, в нем су­ществуют гравитационные и электромагнитные поля, а возможно, и невидимые массы вещества (не только «обыч­ного», но и, например, состоящего из нейтрино).

От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас миллиарды лет. И все-таки нет оснований отож­дествлять Метагалактику со «всей Вселенной». В принципе возможно существование других, пока неизвестных нам ме­тагалактик.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл за­мечательную закономерность: линии в спектрах подавляю­щего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется  красным смещением.

Объяснив красное смещение эффектом Доплера, ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галак­тики, которая не занимает никакого особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галак­тик. Это означает, что наблюдатель, находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить красное сме­щение, ему казалось бы, что от него удаляются все галак­тики.

Таким образом, Метагалактика нестационарна.

Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т. е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизме­римы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превышающими 250 000 км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объек­тами Метагалактики.

Закон, согласно которому красное смещение (а значит, и скорость удаления галактик!) возрастает пропорционально расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно за­писать в виде:

 

v=Hr,                                                                                                                            (53)

 

где  v    лучевая  скорость галактики;  r  расстояние  до нее;   Н      постоянная  Хабблa   (Hubble),   точнее   параметр Хаббла.

По современным оценкам, значение Н заключено в пре­делах50 км(с·Мпк) < Н < 100 км(с·Мпк).Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (3,08 ·1019 км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики определена по формуле (44), то формула (53) дает возможность вычислить рассто­яние до далеких галактик. Наиболее вероятное значение параметра  Хаббла  Н = 70 км/(с·Мпк).

Пример  12. На каком расстоянии от нас находится га­лактика, имеющая скорость удаления 1,5 • 104 км/с?

 

 

Закон Хаббла наиболее точно выполняется для далеких галактик (и их скоплений), разделенных расстояниями 100—300 Мпк. Отклонения от этого закона наблюдаются прежде всего у относительно близких к нам галактик, у которых, как и у наиболее близких к нам звезд, весьма ощу­тимы индивидуальные движения внутри скоплений галак­тик. Кроме того, закон Хаббла нельзя считать точным для очень далеких внегалактических объектов, например кваза­ров, у которых > 100 000 км/с.

Рис. 104. «Разбегание» галактик.

Итак,мы живем в расширяющейся Метагалактике (рис. 104). Это явление имеет свои особенности. Например, системы, подобные нашей Солнечной системе, кратным системам звезд или даже отдельным галактикам, в расшире­нии Метагалактики не участвуют (этому препятствуют силы тяготения, действующие между Солнцем и планетами, звездами в кратных системах или между звездами, входящими в состав галактик). Следовательно, расширение Метагалак­тики проявляется только на уровне скоплений и сверх­скоплений галактик, т. е. систем, элементами которых яв­ляются галактики. Галактики в скоплениях иногда сравни­вают с атомами нагреваемого вещества. При нагревании объем вещества увеличивается, возрастает расстояние между атомами, что, конечно, не отражается на размерах самих атомов.

О другой особенности расширения Метагалактики вы уже знаете. Она заключается в том, что не существует цен­тра, от которого разбегаются галактики.

Альберт Эйнштейн (1879—1955)

РасширенияМетагалактики не только подтверждают на­блюдения (оптические и радиоастрономические), но и были предсказаны теорией. В России в1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, А. А. Фридман (1888—1925), основыва­ясь на теории относительности А. Эйнштейна (1879—1955), показал, что геометрические свойства Вселенной должны изменяться, т. е. расстояния между галактиками не могут ос­таваться постоянными. Открытие Хаббла, как вы знаете, сви­детельствует о расширении Метагалактики.

Если допустить, что в прошлом расширение Метагалак­тики происходило таким же темпом, что и сейчас, то можно рассчитать, когда началось расширение. Так как лю­бые две галактики, отстоящие друг от друга на 1 Мпк, уда­ляются со скоростью 50—100 км/с, то  — величина, обрат­ная постоянной Хаббла, — дает нам представление о проме­жутке времени от начала расширения Метагалактики. Этот промежуток времени, по разным оценкам, составляет 20— 13 млрд. лет.

Расширение Метагалактики самое грандиозное из из­вестных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоз­зренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философ­ских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Ме­тагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что рас­ширение Метагалактики подтверждает религиозное представ­ление о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные про­цессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое рас­ширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества («Большой взрыв»), обладавшего огромной температурой и плотностью.

3*. Гипотеза «горячей Вселенной». Расчеты, выполнен­ные астрофизиками, свидетельствуют о том, что вскоре по­сле начала расширения вещество Метагалактики имело очень высокую температуру и состояло из элементарных ча­стиц (например, нуклонов) и их античастиц. По мере рас­ширения изменялись не только температура и плотность ве­щества, но и состав входящих в него частиц, так как мно­гие частицы и античастицы аннигилировали, порождая элек­тромагнитные кванты излучения. Последних в современной нам Метагалактике оказалось неизмеримо больше, чем ато­мов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная мате­рия. Согласно этой гипотезе, нередко именуемой теорией «горячей Вселенной», потребовалось всего лишь несколько минут, чтобы сверхплотное вещество превратилось в веще­ство с плотностью, близкой к плотности воды. Через не­сколько часов плотность стала сравнимой с плотностью на­шего воздуха, а сейчас, по истечении миллиардов лет, оценка средней плотности вещества в Метагалактике приво­дит к значению порядка 10-28 кг/м3.

Выполненные расчеты основаны на законах физики (ме­ханики, термодинамики, ядерной физики). Оказывается, что знание этих законов и некоторые предположения о распре­делении вещества в пространстве позволяют получить пред­ставление о процессах, которые происходили миллиарды лет тому назад.

Существуют ли экспериментальные подтверждения ги­потезы «горячей Вселенной»? Сейчас мы можем ответить на этот вопрос положительно, так как в 1965 г. было сделано открытие, которое считается подтверждением идеи о том, что в прошлом вещество Метагалактики было очень плот­ным и горячим. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися по­сланцами той древней эпохи развития Метагалактики, когда еще не было никаких звезд, галактик, туманностей. Это электромагнитное излучение (его температура всего лишь 2,7 К) называется реликтовым. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участву­ет   в   расширении   Метагалактики.

Реликтовое излучение впервые было случайно открыто американскими учеными, изучавшими радиопомехи на вол­не 7,3 см. Очень важно, что, хотя это открытие сделано случайно, существование реликтового излучения было пред­сказано теоретиками. Одним из первых предсказал это из­лучение Дж. Гамов (1904—1968), разрабатывая теорию про­исхождения химических элементов, возникших в первые минуты после Большого взрыва. Предсказание существова­ния реликтового излучения и обнаружение его в космичес­ком пространстве (А.  Пензиас и Р.  Вильсон,  США) — еще один  убедительный  пример  познаваемости  мира  и  его  за­кономерностей.

Исследование Вселенной основывается на открытых в земных условиях законах физики. Эти законы позволили создать современные методы исследования Вселенной и объ­яснить подавляющее большинство известных в настоящее вре­мя космических явлений. Однако не исключено, что в про­цессе познания Вселенной будут открыты пока неизвест­ные нам новые явления и типы космических объектов. Важ­но узнать природу невидимой («темной») материи, состав­ляющей основную часть (!) массы нашей Вселенной.

4*. Космологические модели Вселенной. На стыке астро­физики, внегалактической астрономии, теоретической фи­зики и новейших областей математики находится раздел астрономии, который называется  космологией. Кос­мология изучает не отдельные небесные тела и их системы, а строение Вселенной в целом и происходящие в ней про­цессы. С одним из таких процессов — расширением Метага­лактики — мы уже познакомились и знаем, что, по суще­ству, открытие этого явления было предсказано А. А. Фрид­маном. Он использовал упрощенную математическую модель Вселенной, которая называется однородной и изотропной. Современные представления о крупномасштабной структуре Вселенной не противоречат такой модели. Структура (и эво­люция) Вселенной наверняка гораздо сложнее упрощенных математических схем и моделей.

Рис. 105. Две основные космологические модели.

СейчасМетагалактика расширяется (по некоторым дан­ным, даже с ускорением), а что будет с ней в дальнейшем? Теория А. А. Фридмана допускает различные возможности в зависимости от средней плотности  материи во Вселенной (рис.  105). Например, если плотность материи меньше, чем величина, порядок которой 10-26 кг/м3, то мы живем в «открытом»  мире,  т.  е.  в бесконечной Вселенной,  в  которой галактики всегда будут удаляться друг от друга. Данные о средней плотности (≈ 10-28 кг/м3) как будто бы указывают на этот случай. Но если, например, будет показано, что в галак­тиках и скоплениях галактик существуют какие-либо скры­тые массы вещества (а не исключено, что «невидимое ве­щество» составляет более 90% массы вещества, из которо­го состоит наша Вселенная), то иной окажется средняя плот­ность. Тогда в отдаленном будущем расширение Метагалакти­ки сменится сжатием. Однако даже в случае «закрытого» мира Вселенная не имеет никаких границ — она конечна, но и безгранична. Дело в том, что гигантские массы вещества искривляют пространство, оно перестает быть евклидовым, в нем лучи света не распространяются прямолинейно,  а пря­мая линия уже не будет кратчайшим расстоянием между двумя точками. В евклидовом пространстве бесконечность и безграничность совпадают, например плоскость (двухмерное евклидово пространство) бесконечна и безгранична. Пример двухмерного неевклидова, искривленного пространства — сфера. Сфера не имеет границ, она безгранична, но конечна, и ее площадь мы умеем вычислять. Трудно наглядно пред­ставить себе искривленное трехмерное пространство, но и оно, подобно двухмерному неевклидову пространству, может быть безграничным и конечным.