К У Р С О В А Я Р А Б О Т А
по дисциплине «Концепция современногоестествознания»
Тема: «Разбегание» галактик. Роль этого в эволюции Вселенной
Оглавление
1.Введение ………………………………………………………….3-4стр.
2.I. Так, что же есть Вселенная? ………………………………….5-8стр.
3.II. Закон всеобщего «разбегания Галактик»…………..............9-22 стр.
4.III. Космические монстры ……………………………………23-26стр.
5.IV. Что же ждет Вселенную в будущем?….…………………27-29 стр.
6.Заключение ………………………………………………………30стр.
Введение
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель…
(А.С. Пушкин)
В природеочень много удивительного, и пытаться выделить самое главное занятие неблагодарное.Кто-то полагает, что Жизнь — самое удивительное в Природе, кто-то — что Разум. Еслиобратиться к неживой природе, то кто-то скажет об удивительных законах микромира,кто-то о процессах самоорганизации и хаосе. Но, наверное, если составлять список,то всегда в десятку самых удивительных феноменов будет попадать расширение Вселенной(«разбегание» Галактик[1]).
Нет человека,который бы в ясную, безлунную ночь, да ещё где-нибудь подальше от больших городов,не испытывал благоговейного восхищения, всматриваясь в бездонную пропасть Вселенной[2],усеянную мириадами звёзд. Кажется, что картина эта вечна и неизменна. Но на самомделе Вселенная живёт своей таинственной, но бурной, а иногда и драматичной жизнью.
Открытияпоследних десятилетий позволяют нам более-менее полно представить картину мироздания.Итак, мы живём на планете Земля. Она входит в систему планет, обращающихся вокругСолнца. Солнце – одна, и в общем то, рядовая звезда, которая входит в число звёзд,составляющих местную систему звёзд, образующих галактику Млечный путь. Таких (даи не только таких) галактик много. Одна из ближайших к нам – галактика ТуманностьАндромеды. Названа она так потому, что когда галактики ещё не были открыты, онисчитались туманностями. И находится она в созвездии Андромеды. Наша галактика игалактика Туманность Андромеды относятся к спиральным галактикам (Фото 1). Глядяна Туманность Андромеды, можно представить, что это наша галактика. Несколько десятковближайших галактик составляют местную систему. Затем огромные просторы пустоты.Дальше обнаружены другие системы галактик. Размещены они как бы по пчелиным сотам.На фото 2 показан снимок, буквально усеянный галактиками. И так до предела возможностейнаших астрономических инструментов.
Говорят,что пространство, а значит и Вселенная, бесконечны. И время не имеет ни начала,ни конца. Трудно здесь что либо возразить. Наверное, так оно и есть. В этом случаеи число цивилизаций бесконечно. А здесь как бы и говорить не о чём. Тем не менее,есть основания поискать некоторые пределы в пространстве и времени, которые позволятговорить по крайней мере о нашей Вселенной. И такие пределы есть.
I. Так, что же есть Вселенная?
Вселенная- весь существующий материальныймир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам,которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная, изучаемая астрономией,- часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами,соответствующими достигнутому уровню развития (эту часть Вселенной называют Метагалактикой)(Советский энциклопедический словарь, издание 1990 года).
Ранееученые полагали, что пространство, в котором находятся звезды, есть абсолютная пустота.Лишь отдельные астрономы время от времени поднимали вопрос о возможном поглощениисвета в межзвездной среде. И только в самом начале XX столетия немецкий астрономГартман убедительно доказал, что пространство между звездами представляет собойотнюдь не мифическую пустоту. Оно заполнено газом, правда, с очень малой, но вполнеопределенной плотностью. Это выдающиеся открытие, так же как и многие другие, былосделано с помощью спектрального анализа.
Почтиполовину столетия межзвездный газ исследовался главным образом путем анализа образующихсяв нем линий поглощения. Выяснилось, например, что довольно часто эти линии имеютсложную структуру, то есть состоят из нескольких близко расположенных друг к другукомпонент. Каждая такая компонента возникает при поглощении света звезды в каком-нибудьопределенном облаке межзвездной среды, причем облака движутся друг относительнодруга со скоростью, близкой к 10 км/сек.
Химическийсостав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно близким к химическомусоставу звезд. Преобладающими элементами являются водород и гелий, между тем какостальные элементы можно рассматривать как «примеси».
Межзвездныйгаз в галактиках обычно составляет несколько процентов от полной массы звезд. Большевсего газа встречается в неправильных галактиках (иногда до 50%) и меньше всегов эллиптических галактиках.
Межзвезднаяпыль лучше всего заметна в галактиках, диск которых виден нам с «ребра». Межзвезднаяпыль, находящаяся в плоскости диска, поглощает свет звезд, и галактика из-за этогокажется пересеченной темной полосой. Межзвездная пыль — это твердые микроскопическиечастицы вещества размером меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав.Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени «ориентируются»,то есть направления их вытянутости имеют тенденцию «выстраиваться» в данном облакеболее или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездныйсвет становится частично поляризованным.
Если посвоему составу галактики сходны, то структура наблюдаемых галактик различна. Галактики,в основном, бывают трёх видов: эллиптические (E), спиральные (S) и неправильнойформы (Ir), показанные на фото 3, 4 и 5. Бываютгалактики и весьма причудливых форм (Фото 6).
Прощевсего выглядят эллиптические галактики: они ровные, однородные по цвету и симметричные.Их почти совершенное строение наводит на мысль об их существенной простоте, и действительно,параметры эллиптических галактик оказалось легче измерить и подыскать под них теоретическиемодели, чем сделать это для более сложных родственников этих объектов.
Рассмотрим,например, строение типичной эллиптической галактики. В ее центре находится яркоеядро, окруженное размытым сиянием, яркость которого падает по мере удаления от центра.Как и у всех эллиптических галактик, падение яркости описывается простой математическойформулой. Форма контура галактики тоже остается почти одинаковой на всех уровняхяркости. Все изофоты представляют собой почти идеальные эллипсы, центрированныев точности на ядро галактики. Направления больших осей и отношения большой оси кмалой почти одинаковы у всех эллипсов.
Фундаментальнаяпростота эллиптических галактик согласуется с предположением о том, что они управляютсянебольшим числом сил. Орбиты звезд гладкие и хорошо перемешаны и ничто, кроме гравитации,не влияет на их расположение, и никакое непрерывное звездообразование не разрушилоих правильности.
В отличиеот эллиптических галактик для спиральных характерно наличие диска и балджа (утолщения).Спиральные рукава уступают диску и балджу по количеству содержащихся в них звезд,хотя и являются важными и выдающимися частями галактики. Диск спиральной галактикидовольно плоский. Видимые с ребра галактики говорят о том, что толщина типичногодиска составляет около 1/10 его диаметра.
С помощьюметодов моделирования на ЭВМ было доказано, что спиральные галактики представляютсобой быстро вращающиеся звездные системы. Причиной образования балдж, которые обладаютбольшинством структурных свойств эллиптических галактик, является то, что звездыначинают образовываться сначала в центральных областях галактик, где плотность самаявысокая.
Спиральнаяструктура спиральных галактик возникает из-за того, что внутренняя часть галактикивращается со скоростью, отличной от скорости внешней части и рукава постепенно закручиваютсяв спиральный узор. Для галактик с возрастом, характерным для окружающих нас галактик,число оборотов узора должно быть очень большим — примерно равным возрасту, деленномуна средний период вращения — около 100. Однако у реальных спиральных галактик — по крайней мере у тех, что имеют четкие непрерывные спиральные ветви, наблюдаемаязакрутка спирального узора составляет лишь на один-два оборота. Встает вопрос: какэто объяснить? Проблема до настоящего времени не разрешена. Ученые отдают предпочтениемагнитной, волновой и взрывной гипотезам, учитывающим астрофизическую сторону проблемы.
У многихспиральных галактик есть еще одна замечательная структурная особенность — концентрациязвезд в форме бруска (бара), пересекающая ядро и простирающаяся симметричным образомв обе стороны. Данные измерений скоростей в них показывают, что бары вращаются вокругядра как твердые тела, хотя, разумеется, они на самом деле состоят из отдельныхзвезд и газа. Бары, встречающиеся в галактиках типа S0 или Sa, более ровные и состоятисключительно из звезд, в то время как бары в галактиках типов Sb, Sc и Irr частосодержат много газа и пыли. Все еще идут споры о движениях газа в этих барах. Некоторыеданные свидетельствуют о том, что газ течет наружу вдоль бара, а по другим данным,он течет внутрь. В любом случае, существование баров не удивляет астрономов, изучающихдинамику галактик. Численные модели показывают, что неустойчивости в диске вращающейсягалактики могут проявляться в форме бара, напоминающего наблюдаемые.
Одна иззадач современной астрономии — понять, как образовались галактики и как они эволюционируют.Во времена Э.Хаббла и Х.Шепли было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуютразным стадиям их развития. Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкцииисторий жизни галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначальноговозникновения галактик.
Большинствопринятых в настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение,начиная с нулевого момента времени, который называют «большим взрывом» или английскимтермином Big Bang (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокиеплотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этихмоделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температурастановятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик. Примерно1 миллион лет потребовался для того, чтобы Вселенная расширилась и остыла настолько,что вещество стало играть в ней важную роль. До этого преобладало излучение, и сгусткивещества, такие как звезды или галактики, не могли образовываться. Однако, когдатемпература стала равной примерно 3000 К, а плотность — около 10-21 г/см3вещество, наконец, смогло формироваться.
II. Закон всеобщего «разбегания» галактик
В 1929году астроном Эдвин Хаббл сформулировал закон всеобщего «разбегания» галактик, получившийзатем его имя: чем дальше от нас звезда, тем быстрее она удаляется.
В математическоевыражение закона входит постоянная Хаббла, коэффициент, связывающий расстояние дообъекта со скоростью его удаления. Впоследствии различные исследователи корректировализначение постоянной, но с 50-х годов до настоящего времени она оставалась неизменной.Однако недавно астрономы из Университета Огайо вновь подвергли сомнению значениекоэффициента, подсчитав по разработанной ими новой методике расстояние до спиральнойгалактики в созвездии Треугольник, которое оказалось несколько большим, чем показывалипредыдущие расчеты. Таким образом, результаты исследования указывают, что постояннаяХаббла должна быть на 15% меньше утвердившегося значения.
Остановимся ирассмотрим данный вопрос более подробно.
Если вясную безлунную ночь посмотреть на небо, то самыми яркими объектами будут планетыВенера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, мы увидим огромное количество звезд,похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При обращении Земливокруг Солнца некоторые из этих «неподвижных» звезд чуть-чуть меняют свое положениеотносительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны! Дело в том,что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца,близкие звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаряэтому можно непосредственно измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе,тем сильнее заметно их перемещение. Самая близкая звезда, называемая Проксимой Центавра,находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет (т. е. свет отнее идет до Земли около четырех лет), или около 37 миллионов миллионов километров.Большинство звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотенсветовых лет. Сравните это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим всего восемьсветовых минут! Видимые звезды рассыпаны по всему ночному небу, но особенно густов той полосе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г. некоторые астрономывысказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большаячасть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию — пример того, чтосейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астрономУильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу по составлениюкаталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже послеэтого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашеговека.
Современнаякартина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хабблпоказал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много другихгалактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Для доказательстваХабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики,что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительноне меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвеннымметодам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количествосвета излучает звезда (ее светимости), и от того, где она находится. Яркость близкихзвезд и расстояние до них мы можем измерить; следовательно, мы можем вычислить иих светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бывычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость, Хаббл заметил, что светимостьнекоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близкодля того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл,если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую жесветимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчетыдля нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, тополученную оценку расстояния можно считать надежной.
Такимпутем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, чтонаша Галактика — одна из нескольких сотен тысяч миллионов галактик, которые можнонаблюдать в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь содержитсотни тысяч миллионов звезд.
Наша Галактикаимеет около ста тысяч световых лет в поперечнике. Она медленно вращается, а звездыв ее спиральных рукавах каждые несколько сотен миллионов лет делают примерно одиноборот вокруг ее центра. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду среднейвеличины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.
Звездынаходятся так далеко от нас, что кажутся просто светящимися точками в небе. Мы неразличаем ни их размеров, ни формы. Как же можно говорить о разных типах звезд?Для подавляющего большинства звезд существует только одно характерное свойство,которое можно наблюдать — это цвет идущего от них света. Ньютон открыл, что, проходячерез трехгранный кусок стекла, называемый призмой, солнечный свет разлагается,как в радуге, на цветовые компоненты (спектры). Настроив телескоп на какую-нибудьотдельную звезду или галактику, можно аналогичным образом разложить в спектр свет,испускаемый этой звездой или галактикой. Разные звезды имеют разные спектры, ноотносительная яркость разных цветов всегда в точности такая же, как в свете, которыйизлучает какой-нибудь раскаленный докрасна предмет. (Свет, излучаемый раскаленнымдокрасна непрозрачным предметом, имеет очень характерный спектр, зависящий толькоот температуры предмета — тепловой спектр, поэтому мы можем определить температурузвезды по спектру излучаемого ею света). Кроме того, мы обнаружим, что некоторыеочень специфические цвета вообще отсутствуют в спектрах звезд, причем отсутствующиецвета разные для разных звезд. Поскольку, как мы знаем, каждый химический элементпоглощает свой определенный набор характерных цветов, мы можем сравнить их с темицветами, которых нет в спектре звезды, и таким образом точно определить, какие элементыприсутствуют в ее атмосфере.
В 20-хгодах, когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилосьнечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самые характерныенаборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и туже величину к красному концу спектра. Чтобы понять смысл сказанного, следует сначаларазобраться с эффектом Доплера. Как мы знаем, видимый свет — это колебания электромагнитногополя. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока- от четырехсот до семисот миллионов миллионов волн в секунду. Человеческий глазвоспринимает свет разных частот как разные цвета, причём самые низкие частоты — соответствуют красному концу спектра, самые высокие — фиолетовому. Представим себеисточник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду),излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящихволн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное полегалактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, что источникначинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волны источник окажетсяближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны до нас дойдет, будетменьше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедшихволн будет меньше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т.е. частота),будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частотаприходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будутсдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должныиспытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называетсяэффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Прислушайтеськ тому, как идет по шоссе машина: когда она приближается, звук двигателя выше (т.е. выше частота испускаемых им звуковых волн), а когда, проехав мимо, машина начинаетудаляться, звук становится ниже. Световые волны и радиоволны ведут себя аналогичнымобразом. Эффектом Доплера пользует милиция, определяя издалека скорость движенияавтомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них.
Доказав,что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлениюкаталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинствоученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров,смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенныхв фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилоськрасное смещение[3] спектров, т. е. оказалось,что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие,опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещенияне случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами,чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселеннаяне может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяетсяи расстояния между галактиками все время растут.
Открытиерасширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов двадцатоговека. Задним числом мы можем лишь удивляться тому, что эта идея не пришла никомув голову раньше. Ньютон и другие ученые должны были бы сообразить, что статическаяВселенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим,что Вселенная, наоборот, расширяется. Если бы расширение происходило достаточномедленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось быи перешло в сжатие. Однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическоезначение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение,и оно продолжалось бы вечно. Все это немного напоминает ситуацию, возникающую, когдас поверхности Земли запускают вверх ракету. Если скорость ракеты не очень велика,то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Еслиже скорость ракеты больше некоторой критической (около одиннадцати километров всекунду), то гравитационная сила не сможет ее вернуть и ракета будет вечно продолжатьсвое движение от Земли. Расширение Вселенной могло быть предсказано на основе ньютоновскойтеории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. Однако вера в статическуюВселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале XX века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности,был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью,Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическуюпостоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от другихсил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени.Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этимрасширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной,так что в результате Вселенная оказывается статической. По-видимому, лишь один человекполностью поверил в общую теорию относительности: пока Эйнштейн и другие физикидумали над тем, как обойти нестатичность Вселенной, предсказываемую этой теорией,русский физик и математик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.
Фридмансделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково,в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и, во-вторых, это утверждение должнооставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудьдругого места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, чтоВселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла,Фридман в точности предсказал его результат!
Предположениеоб одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, не выполняется.Как мы, например, уже знаем, другие звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюсясветлую полосу, которая идет по всему небу ночью — Млечный Путь. Но если говоритьо далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно,Вселенная действительно «примерно» одинакова во всех направлениях — при наблюдениив масштабе, большем по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываютсямелкомасштабные различия.
Долгоевремя это было единственным обоснованием гипотезы Фридмана как «грубого» приближенияк реальной Вселенной. Но потом по некой случайности выяснилось, что гипотеза Фридманаи в самом деле дает удивительно точное описание нашей Вселенной.
В 1965г. два американских физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работавших на фирме BellLaboratories в штате Нью-Джерси, испытывали очень чувствительный «микроволновый»,т. е. сверхвысокочастотный (СВЧ), детектор. (Микроволны — это то же, что и световыеволны, но их частота всего лишь десять тысяч миллионов волн в секунду.) Пензиаси Вильсон заметили, что уровень шума, регистрируемого их детектором, выше, чем должнобыть. Этот шум не был направленным, приходящим с какой-то определенной стороны.Сначала названные исследователи обнаружили в детекторе птичий помет и пытались объяснитьэффект другими причинами подобного рода, но потом все такие «факторы» были исключены.Они знали, что любой шум, приходящий из атмосферы, всегда сильнее не тогда, когдадетектор направлен прямо вверх, а когда он наклонен, потому что лучи света, идущиеиз-за горизонта, проходят через значительно более толстые слои атмосферы, чем лучи,попадающие в детектор прямо сверху. «Лишний» же шум одинаков, куда бы ни направлятьдетектор. Следовательно, источник шума должен находиться за пределами атмосферы.Шум был одинаковым и днем, и ночью, и вообще в течение года, несмотря на то, чтоЗемля вращается вокруг своей оси и продолжает свое вращение вокруг Солнца. Это означало,что источник излучения находится за пределами Солнечной системы и даже за пределаминашей Галактики, ибо в противном случае интенсивность излучения изменялась бы, посколькув связи с движением Земли детектор меняет свою ориентацию. Как мы знаем, по путик нам излучение проходит почти через всю наблюдаемую Вселенную. Коль скоро же оноодинаково во всех направлениях, то, значит, и сама Вселенная одинакова во всех направлениях,по крайней мере в крупном масштабе. Теперь нам известно, что, в каком бы направлениимы ни производили наблюдения, этот шум изменяется не больше, чем на одну десятитысячную.Так Пензиас и Вильсон, ничего не подозревая, дали удивительно точное подтверждениепервого предположения Фридмана.
Приблизительнов это же время два американских физика из расположенного по соседству Принстонскогоуниверситета, Боб Дикке и Джим Пиблс, тоже занимались исследованием микроволн. Онипроверяли предположение Джорджа Гамова (бывшего ученика А. А. Фридмана) о том, чторанняя Вселенная была очень горячей, плотной и раскаленной добела. Дикке и Пиблсвысказали ту мысль, что мы можем видеть свечение ранней Вселенной, ибо свет, испущенныйочень далекими ее областями, мог бы дойти до нас только сейчас. Но из-за расширенияВселенной красное смещение светового спектра должно быть так велико, что дошедшийдо нас свет будет уже микроволновым (СВЧ) излучением. Дикке и Пиблс готовились кпоиску такого излучения, когда Пензиас и Вильсон, узнав о работе Дикке и Пиблса,сообразили, что они его уже нашли. Зa этот эксперимент Пензиас и Вильсон были удостоеныНобелевской премии 1978 г. (что было не совсем справедливо, если вспомнить о Диккеи Пиблсе, не говоря уже о Гамове!).
На первыйвзгляд, тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, можетговорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. В частности,раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимсяв центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаковово всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другойгалактики. Это вторая гипотеза Фридмана. Нет научных доводов ни за, ни против этогопредположения, и его приняли, так сказать, из скромности: было бы крайне странно,если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, ав других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются другот друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его всебольше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни однуиз них нельзя назвать центром расширения. Притом, чем больше расстояние между точками,тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которойлюбые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними.Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смещение галактики должнобыть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытиемХаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениямиХаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на западе, и лишь в 1935 г. американскийфизик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные моделив связи с открытием Хаббла.
Сам Фридманрассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которыхвыполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа (открытойсамим Фридманом) Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силугравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялосьи в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться другк другу, и Вселенная начинает сжиматься. Расстояние возрастает от нуля до некоегомаксимума, а потом опять падает до нуля.
В моделивторого типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение,хоть и замедляет расширение, но не может его остановить. Галактики удаляются другот друга с постоянной скоростью.
И модельтретьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточнадля того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние междугалактиками тоже сначала равно нулю, а потом все время возрастает. Правда, галактики«разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.
МодельФридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселенная не бесконечна в пространстве,хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство,искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. Ведь, перемещаясьв определенном направлении по поверхности Земли, вы никогда не натолкнетесь на абсолютнонепреодолимую преграду, не вывалитесь через край и, в конце концов, вернетесь вту же самую точку, откуда вышли. В первой модели Фридмана пространство такое же,но только вместо двух измерений поверхность Земли имеет три измерения. Четвертоеизмерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно подобно отрезку прямой,имеющему начало и конец. При объединении общей теории относительности с квантовомеханическимпринципом неопределенности, оказывается, что и пространство, и время могут бытьконечными, не имея при этом ни краев, ни границ.
Мысльо том, что можно обойти вокруг Вселенной и вернуться в то же место, годится длянаучной фантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать,Вселенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться в исходнуюточку до наступления конца Вселенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающейскорость света, а это невозможно!
В первоймодели Фридмана (в которой Вселенная расширяется и сжимается) пространство искривляется,замыкаясь само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второйже модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе,как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространство бесконечно.Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространствоплоское (и, следовательно, тоже бесконечное).
Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселеннаянаконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответитьна этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднююплотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего отскорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановитьрасширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущемиз-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.
Сегодняшнююскорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скоростиудаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить очень точно. Норасстояния до других галактик нам плохо известны, потому что их нельзя измеритьнепосредственно. Мы знаем лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионовлет на 5-10%. Однако неопределенность в современном значении средней плотности Вселеннойеще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и в других галактиках,то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше однойсотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось.Однако и в нашей, и в других галактиках должно быть много «темной материи», которуюнельзя видеть непосредственно, но о существовании которой мы узнаем по тому, какее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактикив основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделатьвывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этихскоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мыполучим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения.Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределеннойравномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довестисреднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановитьрасширение.
Такимобразом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширятьсявечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что еслисжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысячмиллионов лет, ибо по крайней мере столько времени она уже расширяется. Но это недолжно нас слишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределыСолнечной системы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем!
Все вариантымодели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять- двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должнобыло равняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотностьВселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. Посколькуматематики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает,что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана),во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точкав математике называется особой (сингулярной). Все наши научные теории основаны напредположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все этитеории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-временибесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудьсобытия, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большоговзрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то,что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать,что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могутиметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научноймодели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началомотсчета времени момент большого взрыва.
Мысльо том, что у времени было начало, многим не нравится, возможно, тем, что в ней естьнамек на вмешательство божественных сил[4]. В связи с этим известно несколькопопыток обойтись без большого взрыва. Наибольшую поддержку получила модель стационарнойВселенной. Ее авторами (1948) были X. Бонди и Т. Гоулд, бежавшие из оккупированнойнацистами Австрии, и англичанин Ф. Хойл, который во время войны работал с ними надпроблемой радиолокации. Их идея состояла в том, что по мере «разбегания» галактикна освободившихся местах из нового непрерывно рождающегося вещества все время образуютсяновые галактики. Следовательно, Вселенная должна выглядеть примерно одинаково вовсе моменты времени и во всех точках пространства. Конечно, для непрерывного «творения»вещества требовалась некоторая модификация теории относительности, но нужная скоростьтворения оказывалась столь малой (одна частица на кубический километр в год), чтоне возникало никаких противоречий с экспериментом. Стационарная модель — это примерхорошей научной теории: она простая и дает определенные предсказания, которые можнопроверять путем наблюдений. Одно из ее предсказаний таково: должно быть постояннымчисло галактик и других аналогичных объектов в любом заданном объеме пространстванезависимо от того, когда и где во Вселенной производятся наблюдения.
В конце50-х — начале 60-х годов астрономы из Кембриджского университета под руководствомМ. Райла (который во время войны вместе с Бонди, Гоулдом и Хойлом тоже занималсяразработкой радиолокации) составили каталог источников радиоволн, приходящих извнешнего пространства. Эта кембриджская группа показала, что большая часть этихрадиоисточников должна находиться вне нашей Галактики (многие источники можно былоотождествить даже с другими галактиками) и, кроме того, что слабых источников гораздобольше, чем сильных. Слабые источники интерпретировались как более удаленные, асильные — как те, что находятся ближе. Далее, оказалось, что число обычных источниковв единице объема в удаленных областях больше, чем вблизи. Это могло означать, чтомы находимся в центре огромной области Вселенной, в которой меньше источников, чемв других местах. Но возможно было и другое объяснение: в прошлом, когда радиоволныначали свой путь к нам, источников было больше, чем сейчас. Оба эти объяснения противоречатпредсказаниям теории стационарной Вселенной. Кроме того, микроволновое излучение,обнаруженное в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном, тоже указывало на большую плотностьВселенной в прошлом, и поэтому от модели стационарной Вселенной пришлось отказаться.
В 1963г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попыткуисключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказалипредположение, что большой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые, вконце концов, дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено,что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярностьв точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману,все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому нет ничегоудивительного в том, что когда-то в прошлом все они находились в одном месте. Однако,в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой:обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом.Поэтому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте — достаточно,чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаясяВселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудьболее ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другомне все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтисьв разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной.Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатниковзанялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана,но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайныйхарактер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатниковпоказали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в томслучае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, но это могло выполнятьсялишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходитопределенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большойвзрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшици Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднееони нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержатсингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-тоособым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.
Тем не менее, их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если вернаобщая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв.Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности,что у Вселенной должно было быть начало времени — большой взрыв?
Ответна этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г.английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световыхконусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являютсясилами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственныхсил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой, в конце концов,сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самоедолжно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме,так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Инымисловами, возникнет сингулярность в некой области пространства-времени, называемаячерной дырой[5].
Несмотряна то, что теорема Пенроуза относилась, на первый взгляд, только к звездам, С. Хокинг,автор книги «От Большого Взрыва до черных дыр», прочитав в 1965 г. о теореме Пенроуза,согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в конце концовсжаться в сингулярную точку, понял, что если в этой теореме изменить направлениевремени на обратное, так чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тожебудет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается вкрупном масштабе моделью Фридмана. По соображениям технического характера в теоремуПенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечнав пространстве. Поэтому на основании этой теоремы Хокинг мог доказать лишь, чтосингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточнобыстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские моделибесконечны в пространстве). Потом Хокинг несколько лет разрабатывал новый математическийаппарат, который позволил бы устранить это и другие технические условия из теоремыо необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Хокинг с Пенроузом написали совместнуюстатью, в которой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должнасуществовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и чтово Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим.
Красноесмещение, обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когда движениеисточника света относительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния междуними. В релятивистском случае, когда скорость движения источника сравнима со скоростьюсвета, красное смещение может возникнуть и в том случае, если расстояние между движущимсяисточником и приёмником не изменяется (поперечный эффект Доплера). Красное смещение,возникающее при этом, интерпретируется как результат релятивистского «замедления»времени на источнике по отношению к наблюдателю. Гравитационное красное смещениевозникает, когда приёмник света находится в области с меньшим (по модулю) гравитационнымпотенциалом, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряютчасть энергии на преодоление сил гравитации. В результате характеризующая фотончастота уменьшается, а длина волны излучения растёт. Примером гравитационного красногосмещения может служить наблюдаемое смещение линий в спектрах плотных звёзд – белыхкарликов. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактическихобъектов — галактик и квазаров[6] — и интерпретируются как следствиерасширения Вселенной.
При проведенииспектральных исследований (в 1912 году) спиральных и эллиптических «туманностей»ожидалось, что если они действительно расположены за пределами нашей Галактики,то они не участвуют в её вращении и поэтому их лучевые скорости будут свидетельствоватьо движении Солнца. Ожидалось, что эти скорости будут порядка 200 – 300 км/с, т.е. будут соответствовать скорости движения Солнца вокруг центра Галактики.
Однаколучевые скорости Галактик оказались гораздо больше, они составляли от 1200 км/сдо 60900 км/с. В 1929 году Э. Хаббл уже имел возможность сопоставить скорость движениягалактики V с расстоянием до неё r для 36 объектов. Оказалось, что эти две величины связаны условиемпрямой пропорциональности:
V= Hr
Это выражениеполучило название закона Хаббла, а постоянная H — постоянной Хаббла. Её численное значение Хаббл в 1929 году определилв 500 км/(с*Мпк). Однако он ошибся. После многократных исправлений и уточнений этихрасстояний значение постоянной Хаббла сейчас принимается равным 50 км/(с*Мпк). ЗаконХаббла используется для определения расстояний до далёких галактик и квазаров.
Если галактикиразбегаются, то это значит, что раньше они были ближе друг к другу, иначе вся Вселеннаявообще была сжата если не в точку, то в нечто очень маленькое, а потом последовал«большой взрыв». Зная скорость разбегания галактик после «большого взрыва», можноподсчитать и время, которое прошло со времени «взрыва». Проблема подсчёта этоговремени не так уж и проста. Несмотря на очень сложные подсчеты никто до сих порточного ответа не дал, однако в общем учёные сходятся на времени от 13 до 20 миллиардовлет.
III. Космические монстры
Зная примерновозраст нашей Вселенной, мы можем определить и её примерные размеры.
После второй мировой войны,когда уже были изобретены радиолокаторы, в астрономии стали использоваться радиотелескопы.С их помощью были открыты различные радиоисточники, в том числе к 1963 г. сталиизвестны пять точечных источников космического радиоизлучения, которые сначала назвали«радиозвёздами». Но вскоре этот термин был признан не очень удачным, и эти источникирадиоизлучения были названы квази-звёздными радиоисточниками, или, сокращённо, квазарами.
Исследуя спектр квазаров,астрономы выяснили, что квазары вообще самые далёкие из известных космических объектов.Сейчас известно около 1500 квазаров. Самый далёкий из них удалён от нас примернона 15 миллиардов световых лет[7]. Одновременно он и самый быстрый.Он убегает от нас со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому размеры нашейВселенной ограничиваются радиусом в 15 миллиардов световых лет, или 142.000.000.000.000.000.000.000километра.
Квазар излучает свет в десяткии сотни раз сильнее, чем самые крупные галактики, состоящие из сотен миллиардовзвёзд. Квазары излучают во всём электромагнитном диапазоне от рентгеновских волндо радиоволн. Даже средний квазар ярче 300 миллиардов звёзд, а блеск квазаров меняетсяс очень маленькими периодами – недели, дни и даже минуты. Поскольку в мире нет ничегобыстрее света, то это значит, что размеры квазаров очень малы. Раз весь квазар меняетсвою яркость, значит это единый процесс, который по квазару не может распространятьсясо скоростью большей скорости света. Например, квазар с периодом изменения яркостив 200 секунд должен иметь поперечник не более радиуса земной орбиты и при этом излучатьсвета больше чем 300 миллиардов звёзд.
Единого мнения о природе квазаровещё нет. Однако, они находятся от нас на таком расстоянии, что свет до нас доходитза время до 15 миллиардов световых лет. А значит, мы видим процессы, которые у наспроисходили примерно 15 миллиардов лет назад, то есть после «большого взрыва».
Вот теперь мы можем сказать,что радиус нашей Вселенной примерно 15 миллиардов световых лет. Как мы отмечаливыше, возраст её примерно и составляет 15 миллиардов световых лет.
Однако, на этот счет естьопределённые сомнения. Действительно, квазар, чтобы послать нам луч света, уже долженбыть там, где мы его видим. Поэтому, если сам он двигался со скоростью света, отточки «большого взрыва» должен лететь в течение тех же 15 миллиардов лет. Поэтомувозраст вселенной должен быть, по крайней мере вдвое больше, то есть – 30 миллиардовлет.
Нельзя не отметить, что измеренияхарактеристик объектов, находящихся на краю Вселенной, производится на пределахвозможности астрономических инструментов. Кроме того, споры между учёными ещё далекиот завершения. Поэтому точность приведенных цифр весьма относительна. В связи сэтим, я использую цифры, которые упоминаются в большинстве публикаций.
Что дальше за этими пределами,мы не знаем. Возможно, не узнаем никогда. И можно считать, что нет ничего. Поэтомунаша Вселенная и есть Вселенная вообще.
Посмотрим, что же наполняетнашу Вселенную.
В общем, она почти пуста.В невероятно огромном пустом пространстве изредка вкраплены скопления галактик (фото2). Сегодня крупнейшие телескопы позволяют зарегистрировать галактики по всей Вселенной,и подсчитано, что в ней около двухсот миллионов (некоторые полагают, что до полуторамиллиардов) галактик, каждая из которых состоит из миллиардов звёзд. Группы скопленияи сверхскопления галактик расположены главным образом в сравнительно тонких слояхили цепочках. Слои и цепочки пересекаются, соединяются друг с другом и образуютколоссальные ячейки неправильной формы, внутри которых галактик практически нет.
Понятие «чёрные дыры» во многомбазируется на теории относительности Эйнштейна. Но теория эта не так уж и проста,поэтому попытаемся объяснить это понятие более понятно для непрофессионалов.
Прежде всего, мы знаем, чтотакое гравитация. По крайне мере знаем, что если бросить стакан, то он упадёт наземлю. Земля его притягивает. Вообще все тела, обладающие массой, притягиваютсядруг к другу. Свет тоже обладает массой. Ещё Столетов определил, что свет давитна освещённое тело. Действительно, свет это электромагнитная волна, которая обладаетэнергией. А энергия, согласно уравнению Энштейна — Е = mс2, обладаетмассой m. Поэтому свет также притягивается массой. Например, если луч света пролетаетмимо планеты или звезды, то он отклоняется в её сторону. Причём, чем больше звездапритягивает свет, тем больше он отклоняется.
Может быть, такое сильноегравитационное притяжение, что свет не только упадёт на звезду, но даже квант световогоизлучения не сможет её покинуть. И не только свет, но и вообще ничего не сможетпокинуть тело с такой мощной гравитацией. Всё на неё будет только падать. Это называетсягравитационный коллапс. Тело такое называется отон (от аббревиатуры ОТО – общаятеория относительности) или попросту — «Чёрная дыра».
Тем не менее есть, всё-таки,процессы при которых что-то чёрную дыру покидает. Здесь мы уже вторгаемся в областьквантовой механики. Вообще говоря, квантовая механика это набор формул, которыепозволяют математически описать некоторые не очень понятные физические явления вобласти физики элементарных частиц. Сама же природа этих явлений не очень понятнаи самим физикам.
В принципе, эффекты квантовоймеханики происходят из-за того, что элементарные частицы являются как бы одновременнои частицами, и волнами. Причём, чем меньше частица, тем больше она проявляет волновыесвойства. Мало того, очень маленькие частицы вовсе не похожи на маленькие шарики.Они как бы могут с определённой вероятностью быть в разных местах. Причём, никакиепреграды их не останавливают. Но чаще всего они находятся в некотором одном месте.Этот эффект, называемый «Туннельный эффект», используется в технике. Например, встабилитронах, это специальный полупроводниковый диод, применяемый часто в стабилизаторахнапряжения, есть в блоке питания любого компьютера или телевизора. Так вот, размерычёрной дыры сравнительно небольшие, а масса там огромная. Поэтому очень маленькиеэлементарные частицы в силу своей квантовой природы могут оказаться вне чёрной дырыи больше туда не возвращаются. Это называется испарение чёрной дыры. Поскольку чёрнаядыра имеет своё гравитационное поле, а также магнитное и электрические поля и быстровращается, то испаряющиеся частицы не образуют сферически симметричной оболочкивокруг чёрной дыры, а формируют как бы струи в двух противоположных направлениях.
Если чёрная дыра небольшая,то испаряется она очень быстро. Если же очень большая, и приток новой падающей начёрную дыру массы (это называется – аккреция) компенсирует испарение, то чёрнаядыра может существовать очень долго. При этом, масса вещества, появляющегося вокругчёрной дыры за счёт её испарения, в свою очередь компенсирует массу, падающую начёрную дыру. Именно огромные чёрные дыры и являются основой галактик.
Галактики мы видим потому,что они излучают свет, то есть энергию. Поэтому, теряя всё больше энергии и вещества,галактики стареют. Со временем баланс падающего на чёрную дыру вещества и испарившегосянарушается. Чёрная дыра теряет массу, со временем испаряется полностью, и тогдамы видим галактику неправильной формы. Галактика умирает.
IV. Что же ждёт Вселенную в будущем?
Несмотря на ускоренное расширениеВселенной, наша Галактика Млечный Путь неуклонно сближается со своей соседкой — Туманностью Андромеды. Их столкновение должно произойти еще до гибели Солнца и дажеЗемли. Американские астрономы построили компьютерную модель этого столкновения,чтобы понять, чем же оно грозит нашей Солнечной системе.
Поскольку Вселенная расширяется,мы видим «разбегание» галактик. Каждая галактика, которую мы наблюдаем, удаляетсяот Земли, Солнца, нашей Галактики. Чем дальше от нас галактика, тем больше скоростьее удаления, и эта зависимость описывается законом Хаббла, впервые обнаружившегосам факт расширения Вселенной. Но и из правил есть исключения. Наша соседка, огромнаягалактика в созвездии Андромеды (также известная как M31) не удаляется, а приближаетсяк нам со скоростью 120 километров в секунду! Это означает, что через несколько миллиардовлет две галактики — Туманность Андромеды и Млечный Путь — достигнут друг друга,и начнется долгий процесс слияния двух звездных островов.
Это слияние будет катастрофичнымдля обеих галактик: они до неузнаваемости изменят свою форму, спиральные рукаваразорвутся под действием гравитации, а траектории движения звезд в галактиках изменятся.Так что же тогда произойдет с нашей Солнечной системой?
К счастью, ничего страшного,утверждают астрономы Томас Кокс и Абрахам Лоуб из Гарвард-Смитсоновского астрофизическогоцентра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Кембридж, штат Массачусетс,США). Они провели детальное математическое исследование, итогом которого стала статьяв которой они приводят результаты моделирование катастрофы космического масштабаи оценивают варианты будущего для нашей Солнечной системы.
Наша Галактика (Млечный Путь)и галактика в созвездии Андромеды (Туманность Андромеды) вместе с 40 меньшими звезднымиостровками входят в Местное скопление галактик в качестве двух самых крупных членовэтой группы. Тогда как большинство галактик удаляются прочь от нас, повинуясь расширениюВселенной, Местное скопление галактик связано гравитационным взаимодействием, котороене дает его составляющим разбегаться.
4,7 миллиарда лет тому назад(когда образовалось наше Солнце) Туманность Андромеды и Млечный Путь находилисьна расстоянии 4,2 миллиона световых лет друг от друга. Но поскольку галактики сближаются,к настоящему времени это расстояние сократилось до 2,6 миллионов световых лет. Сближениепродолжается и приведет в конце концов к столкновению. Тем не менее расчеты показывают,что столкновение не будет «лобовым». Через 2 миллиарда лет две галактики лишь «зацепятся»спиральными рукавами: их ядра пройдут друг от друга на расстоянии пары сотен тысячсветовых лет. Тем не менее, этого расстояния будет достаточно, чтобы галактики закрутилисьв смертельной гравитационной спирали.
Во время этого первого взаимодействия,с вероятностью 12%, Солнечная система будет вышвырнута из галактического диска МлечногоПути и попадет в приливной хвост, который начнет истекать из нашей Галактики. Ас вероятностью менее 3% Солнце наберет такую скорость, что перейдет в галактикуМ31, покинув Млечный Путь (но, останется в общей звездной системе).
Ко времени начала столкновенияЗемля еще будет обращаться вокруг Солнца по своей орбите. Но через 2 миллиарда летвозрастающее излучение Солнца будет угрожать жизни на Земле больше, чем космическоестолкновение. Чтобы сохранить жизнь на нашей планете, будущим ученым придется найтиспособ перемещения голубой планеты на безопасное расстояние от разбушевавшегосясветила.
После первичной зацепки рукавамигалактики создадут своей гравитацией общий центр тяжести и начнут обращаться вокругнего по странной, изменяющейся орбите. Завернув под действием притяжения друг кдругу, галактики вновь «зацепятся» уже изрядно «потрепанными» спиралями. Затем борьбапродолжится, и галактики, немного отдаляясь и вновь сталкиваясь, будут «дергать»друг друга за бока еще и еще, пока в конце концов из обеих систем не образуетсягигантский рой звезд, который также будет двигаться вокруг общего центра тяжести.
Но в центрах обеих галактикимеются супермассивные черные дыры, которые в этом катаклизме должны будут сблизитьсядруг с другом по спирали и соединиться в одну еще более массивную черную дыру. Насегодняшний день известно, что двойные супермассивные черные дыры могут стать весьмаактивными галактическими «печками», способствующими активизации окружающего их газаи пыли для последующего бурного звездообразования. По всей вероятности, такие взаимодействиявытолкнут Солнце во внешний ореол новой галактики на расстояние по крайней мере100 000 световых лет от центра, что, впрочем, благополучно позволит избежать участибыть проглоченным черной дырой.
Через 7 миллиардов лет, когданаше Солнце будет находиться на последнем этапе своей жизни, превратившись в красныйгигант, а Земля (если не переместится на другую орбиту) будет представлять из себяраскаленный шар, галактики сольются окончательно, и во Вселенной появится новаягалактика — Milkomeda (Млечномеда), как назвали ее авторы статьи.
Млечномеда будет огромнойэллиптической галактикой, без какого-либо намека на спиральные рукава, которые когда-тоукрашали обе исходные галактики. Далее новую звездную систему ждет спокойная и размереннаяжизнь, лишенная навсегда эксцессов, связанных со столкновениями. Бурное звездообразованиеуступит место равномерному и медленному образованию новых звезд из оставшегося газаи пыли.
Через 100 миллиардов лет всеокружающие Млечномеду галактики (за исключением гравитационно-связанных), повинуясьзакону Хаббла, исчезнут из поля зрения ее жителей. Это не значит, что галактикииспарятся. Просто они удалятся настолько, что достигнут в своем разбегании скоростисвета, поэтому испущенные звездами этих галактик фотоны уже не смогут достичь Млечномеды.Внегалактическая астрономия утратит свой смысл и закончится, а Млечномеда будетпредставлять из себя всю видимую Вселенную.
Через 100 миллиардов лет...
Заключение
Я постарался выяснитьнекоторые моменты, связанные с «разбеганием» Галактик (расширением Вселенной). Мыможем наблюдать (и наблюдаем) источники, которые и в момент излучения, и сейчасимеют скорость убегания, превышающую скорость света. Расстояния до далеких объектовпревышают произведение скорости света и возраста Вселенной. Расстояние, на которомскорость убегания сравнивается со световой, не является горизонтом (т.е. границейвидимой части Вселенной), и вообще не является физически выделенным расстоянием(объекты прямо перед этой границей и прямо за ней ничем не отличаются принципиально,как не отличаются и условия их наблюдений). Горизонтом наблюдаемой Вселенной являетсягоризонт частиц, на нем источники имеют бесконечные красные смещения.
Российские астрономыпроводят наблюдения на многих телескопах России, ближнего и дальнего зарубежья:на 6-метровом оптическом телескопе и на 600-метровом радиотелескопе Специальнойастрофизической обсерватории Российской Академии наук, на телескопах Пулковскойи Крымской обсерваториях, а также на некоторых крупных телескопах во Франции, Испаниии даже на Гавайских островах.
Современная астрономияизучает самые разнообразные объекты — от близких к нам планет и их спутников додалеких галактик, квазаров и скоплений галактик. Вот некоторые из их основных тем,над которыми работают российские ученые:
— фрактальнаяструктура Вселенной;
— галактики насверхбольших расстояниях;
— наблюдения галактикс активными ядрами;
— теория образованиягалактик;
— скрытая массав галактиках;
— исследованиеспиральной структуры нашей Галактики;
— обработка сверхточныхданных о положениях звезд со спутника;
— процессы взаимодействияизлучения и вещества в различных космических объектах;
— наблюдения рентгеновскихисточников;
— синтез химическихэлементов в звездах;
— изучение звездс протопланетными системами;
— новые математическиеметоды обработки астрономических наблюдений;
— расчет конструкциии оптики телескопов.
Список литературы:
И. Климишин «Элементарная астрономия».
С. Хокинг «От Большого Взрыва до черныхдыр». Физика космоса: маленькая энциклопедия.
Интернет-сайт www.sciam.ru.