Крупномасштабная структура Вселенной

 

С древнейших времен люди стремились понять строение Вселенной и природу возникновения небесных тел. На основе многочисленных наблюдений они строили различные теоретические схемы устройства космоса. Человек – часть космоса и этим, по-видимому, объясняется его постоянный интерес к космическим явлениям. Не случайно, что антропоцентризм, согласно которому человек есть центр и высшая цель мироздания, является основным положением многих космологических концепций. Сказанное, конечно, не исключает практической значимости астрономических исследований для навигации, предсказания солнечных магнитных бурь, погоды и т.д. По мере развития науки и технических средств наблюдения появлялись новые факты и новые концепции. Не всегда процесс познания окружающего нас мира носил кумулятивный характер. Возникали переломные моменты в истории науки, когда происходила революционная ломка старых представлений и на их место приходили новые.

Первая научная революция, связанная с именами Коперника, Кеплера, Галилея и Ньютона, утвердила гелиоцентрическую систему мира вместо господствовавшей 20 веков геоцентрической системы мироздания Аристотеля–Птолемея. Со временем пришло понимание об единстве и взаимосвязи явлений природы. Стало ясно, что одни и те же законы управляют движением как небесных тел, так и земных.

Новая научная революция, которая произошла в начале ХХ в., привела к созданию квантово-релятивистской картины Мира. На смену ньютоновской классической космологии пришла современная релятивистская космология, основанная на уравнениях общей теории относительности Эйнштейна.

Космология (от греч. kosmos – мир, Вселенная; logos – слово, учение) – учение о Вселенной, как едином целом, является разделом астрономии. Доступная астрономическим наблюдениям часть Вселенной называется Метагалактикой.

Теоретической основой современной космологии являются основные физические теории, такие как общая теория относительности, квантовая теория поля и другие. Важнейшим методологическим принципом современной космологии является постулат, согласно которому законы физики, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов, на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области и, в конечном счете, на всю Вселенную.

Эмпирический базис космологии в основном составляют результаты астрономических наблюдений. Все многообразие информации о природе звезд, туманностей и планет было в основном получено из анализа электромагнитного излучения, испускаемого небесными телами. До середины ХХ в. предметом исследования астрономов были только световые лучи, приходящие на Землю от удаленных космических объектов. Однако световые волны – это лишь очень узкий интервал шкалы электромагнитных волн, что сильно ограничивает получение информации о космических объектах. Радикальные изменения в
экспериментальной астрономии произошли в связи с прорывом в область невидимого излучения, приходящего из Космоса. Астрономия стала всеволновой. Методами радиоастрономии стало возможным принимать и измерять весьма слабое радиоизлучение удаленных космических объектов, для которого атмосфера Земли прозрачна. Радиоастрономия обогатила естествознание рядом открытий исключительной важности.

Настоящей революцией, происшедшей в астрономии, является ее выход в космическое пространство благодаря развитию ракетной техники. Использование космических средств исследования позволило получить изображение звездного неба в инфракрасном
и ультрафиолетовом диапазоне частот, в рентгеновском и гамма-излучениях. Были открыты множество не известных ранее космических объектов – квазары, нейтронные звезды, черные дыры и множество галактик; выявлены неожиданные свойства у многих уже
известных небесных тел. Многочисленные крупные открытия в астрономии существенно обогатили наши знания об окружающем мире и подняли их на качественно новый уровень.

Современная космология рассматривает Вселенную как развивающуюся систему взаимодействующих космических объектов. Согласно естественно-научной концепции глобального эволюционизма развитие Вселенной протекает в двух различных направлениях – самоорганизации и деградации.

Процесс самоорганизации в сложных открытых неравновесных системах протекает в два этапа: эволюционный, качественно не меняющий систему, и бифуркационный, когда система скачком переходит в новое устойчивое состояние с более высоким, чем прежде, уровнем упорядоченности. С момента возникновения и до настоящего времени во Вселенной постоянно создаются разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешней средой для подсистем меньшего масштаба служит система более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Внешней средой материальной Вселенной вероятно выступает физический вакуум. Любая подсистема Вселенной от газопылевых космических образований, имеющих очень малую плотность, до сверхплотных объектов, таких как черные дыры; от звезд и звездных образований до галактических скоплений обладает относительной автономностью своего развития и в то же время участвует в глобальной эволюции Вселенной. Процессы самоорганизации во Вселенной одновременно сопровождаются процессами деградации. Деградация является процессом, противоположным самоорганизации. Характерной особенностью деградации является распад и разложение системы, переход ее из упорядоченного состояния в хаотическое.

Современная космология установила, что вещество во Вселенной находится преимущественно в звездном состоянии. Звезды и другие космические тела обладают свойством объединяться в системы. Простейшими звездными системами являются кратные системы, состоящие из двух, трех и больше звезд, обращающиеся вокруг их общего центра масс. Кратные системы звезд в свою очередь, могут входить в состав крупных звездных скоплений или ассоциаций, связанных силами тяготения и движущихся в пространстве как единое целое.

Гигантские вращающиеся звездные системы образуют галактики, которые также редко бывают одиночными. Одной из многочисленных групп галактик является Местная Группа галактик, в которую входят две большие галактики: наша Галактика и Туманность Андромеды, а также 36 галактик меньших размеров. Как правило, каждая большая галактика имеет по несколько галактик-спутников. Например, у Туманности Андромеды имеется пять больших и пять малых спутников. У нашей Галактики крупнейшими спутниками являются Большое и Малое Магелановы Облака. Ближайшее к нам скопление галактик находится в созвездии Девы и насчитывает сотни крупных галактик. Расстояние до него порядка 20 Мпк, а его диаметр более 6 Мпк. Крупные скопления галактик обнаружены в созвездиях Волосы Вероники, Северная корона, Геркулес и др. Характерные размеры галактик от 1 до 100 кпк, а размеры скоплений галактик варьируются в пределах от 0,1 до
1 Мпк. Массы большинства галактик изменяются в пределах от 10⁹ до 10¹² М _s, где М _s – масса Солнца.

Галактики различаются как по структуре, так и по характеристикам. По своей форме галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные. Пространственное распределение звезд в эллиптических галактиках представляет собой эллипсоиды с разной степенью сжатия. Это наиболее простые по структуре галактики. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает от центра к периферии. Эллиптические галактики построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и небольшого числа белых звезд не очень высокой светимости.

Спиральные галактики – самый многочисленный тип галактик. К этому типу относятся наша Галактика и гигантская туманность Андромеды М31 (каталог массы), удаленная от нас примерно на 2,5 млн св. лет. Как правило, спиральные галактики имеют две и более спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра. На рисунке 95 помещена спиральная галактика туманность Андромеды со своими спутниками.

Имеется большое число галактик неправильной формы, не имеющих каких-либо закономерностей структурного строения. Эти галактики, по-видимому, не успели принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или вследствие их молодого возраста, либо искажение их формы произошло вследствие взаимодействия с другой галактикой.      К неправильным галактикам относятся Большое и Малое Магеллановы Облака, которые находятся сравнительно недалеко от нас, на расстоянии всего 150000 световых лет. Существуют и другие виды галактик, которые по своим свойствам отличаются от эллиптических, спиральных и неправильных. К таким галактикам относятся взаимодействующие галактики, которые, как правило, находятся на небольших расстояниях друг от друга. В настоящее время насчитывается около 10 млрд галактик и только три галактики, кроме нашей Галактики, – Млечного пути, можно наблюдать невооруженным глазом: Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако и туманность Андромеды.

Мир галактик весьма разнообразен. Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики. Одна из них находится в созвездии Лебедя (Лебедь А), находящемся от нас на расстоянии около 200 Мпк. Лебедь А такая же гигантская галактическая система, как и наша Галактика, и отличие ее от нашей заключается в том, что она излучает в радиодиапазоне больше энергии, чем в оптическом диапазоне. Обнаружено достаточно много радиогалактик, например, шаровая радиогалактика в созвездии Центавра и ближайшая к нам Дева А. Ядра радиогалактик проявляют высокую активность. В упомянутой радиогалактике Дева А из ядра устремляется газовая струя, длина которой достигает несколько тысяч световых лет. При этом потоки вещества составляют массу в миллионы солнечных масс. Причины активности ядер еще не выяснены.

Квазары. Другим источником радиоизлучения являются обнаруженные в 1963 году звездоподобные образования – квазары. Самый яркий квазар 3С 273, находящийся от нас на расстоянии около 3 млрд световых лет, излучает больше энергии в оптическом диапазоне, чем самые яркие галактики. В радиодиапазоне мощность его излучения сравнима с радиоизлучением Лебедя А. Кроме того, этот квазар является одним из самых мощных источников рентгеновского излучения. По современным оценкам размеры квазаров не превосходят одного светового года. Следовательно, они значительно превышают размеры звезд, но гораздо меньше размеров галактик. Вычисления показывают, что массы квазаров достигают многих миллионов солнечных масс. Свет от самых далеких из обнаруженных квазаров идет к нам более 10 млрд лет. Считается, что квазары представляют собой исключительно активные ядра очень далеких галактик.

Пространственное распределение галактик образует крупномасштабную структуру Вселенной, а сами галактики и их скопления являются наибольшими структурными единицами Вселенной. Если рассматривать малые (по космическим масштабам) области Вселенной, то распределение галактик (вещества) является неоднородным. Например, в масштабах Солнечной системы или Галактики, вещество распределено явно неравномерно. Но если выделить космические кубы, ребра которых составляют пк, то в каждом из них будет около 1000 скоплений галактик, в какой бы части Вселенной мы эти кубы ни выбирали. На рисунке 96 представлено распределение галактик во Вселенной, удаленных от нас на расстояния от 100 до 300 Мпк. Кажущееся отсутствие галактик в центре вызвано поглощением света в Млечном Пути.

Современное математическое моделирование Вселенной включает до миллиона галактик.

Таким образом, распределение галактик (вещества) в очень больших масштабах оказывается равномерным, а Вселенная однородной и изотропной. В конце 70-х гг. ХХ в. было обнаружено, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Следовательно, согласно современным представлениям, для Вселенной характерна ячеистая структура. Она напоминает «паутинную сетку» (рисунок 97).

 

Рисунок 95

Рисунок 96

 

Необходимо еще раз подчеркнуть, что в очень большом масштабе распределение галактик и вещества оказывается совершенно равномерным. Наша Галактика, называемая Млечный путь, – это гигантская звездная система, состоящая примерно из 200 млрд звезд, среди которых ближайшая к нам звезда, – Солнце. Галактика в переводе с греческого означает млечное (молочное) образование – Млечный путь. Кроме звезд, в галактики входит межзвездное вещество: газ, пыль, элементарные частицы и космическое излучение, планеты, астероиды и кометы. Составляя меньше 1 % массы межзвездной среды, пыль поглощает гораздо больше света, чем газ и генерирует инфракрасное излучение. Большая часть пыли, по-видимому, порождается при отделении вещества от холодных красных гигантов. По мере удаления газопылевого облака от звезды оно охлаждается и происходит конденсация твердых частиц. Многие галактики похожи на нашу Галактику как по строению, так и по ряду свойств. Наша Галактика по своей форме представляет достаточно тонкий диск с утолщением в центре, напоминающий линзу (рисунок 98).

 

Рисунок 97

Рисунок 98

 

Диаметр Галактики составляет примерно  пк и толщиной около пк(пк – Парсек) – расстояние, с которого большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1°. 1 пс = 3,26 световых лет = 206265 а.е. = км (све-товой год – расстояние, пройденное светом в течение года). На расстоянии пк от центра галактики находится наша Солнечная система, которая движется вокруг центра Галактики почти по окружности со скоростью 250 км/с. Орбита Солнца лежит в плоскости Галактики, и один оборот длится 230 млн лет.

В центре галактики расположено ядро, которое плохо изучено из-за сильного по-глощения оптического излучения в межзвездной среде. Исследования, проводимые в
последние годы в инфракрасном, радио- и рентгеновском диапазонах частот позволили установить, что его диаметр составляет около 1000–2000 пк. Плотность звезд в центральной части достигает звезд/пк³, тогда как вблизи Солнца – одна звезда на 10 пк³. В
состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид. Ядро полностью скрыто за мощными темными газопылевыми облаками общей массой масс Солнца, поглощающими видимое излучение, но пропускающие радио- и инфракрасное. В 400 световых годах от центра обнаружена мощная черная дыра массой около  масс Солнца, причем в непосредственной близости от нее обнаружена группа молодых звезд. Обнаружение в ядрах всех исследованных в последние годы галактик массивных черных дыр потребует пересмотра некоторых положений современной космологии, поскольку возникла проблема объяснения роли черных дыр в возникновении и образовании звезд и галактик. Звезды в галактиках имеют тенденцию к объединению в большие группы – звездные скопления, которые могут иметь рассеянную или шаровую структуру.

Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен отдельных звезд, а их размер составляет несколько парсек. Среди рассеянных скоплений встречаются как сравнительно старые, так и очень молодые. Примером рассеянных скоплений являются Глады и Плеяды в созвездии Тельца (рисунок 99).

 Шаровые же скопления состоят из многих сотен тысяч звезд (рисунок 100).

 

Рисунок 99

Рисунок 100

 

 Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Шаровые скопления – самые старые образования в Галактике, возраст которых оценивается в 10–15 млрд лет. Их массы варьируются в широких пределах от 10⁵ до 10⁷ М _s.  Общая масса нашей Галактики составляет примерно 10¹¹ масс Солнца (М _s), при этом 95 % этой массы сосредоточена в звездах. Следовательно, звезду можно рассматривать как структурную единицу галактик.