1. Системы галактик и крупномасштабная структура Вселенной. Галактики, подобно звездам, часто сгруппированы в кластеры. Например, можно рассматривать нашу Галактику, Магеллановы Облака и около 20 других небольших спутников как часть одной крупной системы. Также кратной оказалась и Туманность Андромеды, окруженная несколькими эллиптическими спутниками-галактиками.
В Местной группе галактик, в которую входят наша Галактика и Туманность Андромеды, размеры достигают сотен тысяч парсек. Это сравнительно небольшая система, по сравнению с крупными скоплениями, содержащими сотни и тысячи галактик. Ближайшее к нам скопление галактик расположено в созвездии Девы и содержит сотни крупных галактик. Расстояние до него составляет примерно 20 мегапарсек, а диаметр системы превышает 6 мегапарсек.
Существуют также крупные скопления галактик в созвездиях Волосы Вероники, Северная Корона, Геркулес и других. Важно спросить себя, входят ли эти скопления в состав еще более крупных систем? Согласно данным внегалактической астрономии, возможно существование Местного сверхскопления галактик, объединяющего примерно 10 тысяч галактик с диаметром около 50 мегапарсек. В его центре расположено скопление галактик в созвездии Девы, а также открыто несколько десятков других сверхскоплений, два из которых находятся на расстоянии около 100 мегапарсек.
Таким образом, Вселенная обладает структурностью на различных уровнях, начиная от ядер атомов и заканчивая гигантскими сверхскоплениями галактик. В конце 70-х годов XX века астрономы обнаружили, что галактики в сверхскоплениях распределены неоднородно, а сконцентрированы вблизи границ ячеек, где их практически нет. Это соответствует теоретическим предсказаниям и подтверждает ячеистую структуру Вселенной, которую можно увидеть на специально обработанных фотографиях участков небесной сферы, напоминающих паутинную сеть.
Мы можем представить себе большую «сеть», состоящую из множества ячеек. В крупных масштабах различные ее части выглядят сходным образом, если не обращать внимания на индивидуальные особенности каждой отдельной ячейки.
Ранее мы рассматривали распределение сверхскоплений галактик на небесной сфере. Но как они распределены в пространстве? Оказывается, существуют «пустоты» не только внутри ячеек, но и в пространстве в целом. Недавно были обнаружены огромные области пространства, где галактик пока не найдено (они названы «черными областями»).
С учетом этих открытий можно представить структуру Вселенной как кусок пемзы. В общем, она однородна, хотя в небольших объемах пемза может быть неравномерной (содержать вещество и пузырьки воздуха). Точно так же в Вселенной в небольших масштабах, например в рамках Солнечной системы или Галактики, вещество распределено неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик оно распределено практически равномерно. Таким образом, в крупномасштабной структуре Вселенной нет ничего, что выделяется или отличается от общего фона. В больших масштабах (более 100-200 мегапарсек) Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.
2. Метагалактика и ее расширение представляют собой удивительные явления в астрономии. Эта часть Вселенной, охваченная современными методами астрономических наблюдений, наполнена разреженным межгалактическим газом, пронизана космическими лучами и включает в себя гравитационные и электромагнитные поля. Возможно также наличие невидимых масс вещества, включая не только «обычное», но и состоящее из нейтрино.
Свет от самых далеких объектов метагалактики доходит до нас за миллиарды лет. Однако, несмотря на это, нет оснований считать Метагалактику исчерпывающим представлением всей Вселенной. В теории существование других метагалактик, пока неизвестных нам, вполне возможно.
В 1929 году американский астроном Эдвард Хаббл сделал важное открытие. Он обнаружил, что линии в спектрах большинства галактик смещены к красному концу, и что смещение увеличивается с удалением галактик от нас. Это интересное явление получило название «красное смещение».
Ученые объяснили это явление эффектом Доплера и пришли к выводу, что расстояние между нашей галактикой и другими галактиками постоянно увеличивается. Наша Галактика не представляет особого положения в Метагалактике, и все галактики взаимно удаляются друг от друга. Это означает, что наблюдателю в любой галактике также кажется, что все остальные галактики удаляются от него.
Таким образом, Метагалактика является нестационарной. Открытие расширения Метагалактики указывает на то, что в прошлом она имела другие характеристики, и в будущем она будет еще изменяться, проходя через эволюцию.
Используя красное смещение, ученые могут определить скорости удаления галактик. У некоторых галактик эти скорости очень велики, они приближаются к скорости света. Квазары, считающиеся самыми удаленными объектами Метагалактики, обладают невероятными скоростями, иногда превышающими 250 000 км/с.
Закон Хаббла описывается формулой v=Hr, где v — лучевая скорость галактики, r — расстояние до нее, а Н представляет параметр Хаббла. По современным оценкам, значение Н находится в пределах 50 км/(с·Мпк) < Н < 100 км/(с·Мпк). Следовательно, скорость расширения Метагалактики такова, что галактики, разделенные расстоянием в 1 Мпк (3,08 · 10^19 км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Вероятное значение параметра Хаббла составляет Н = 70 км/(с·Мпк).
***
Пример 12. На каком расстоянии от нас находится галактика, имеющая скорость удаления 1,5 * 104 км/с?
Для решения этой задачи мы можем использовать закон Хаббла:
где:
- v — скорость удаления галактики (1,5×104 км/с),
- H — параметр Хаббла (7070 км/(с∙Мпк) — среднее значение),
- r — расстояние до галактики (в мегапарсеках).
Мы хотим найти r, поэтому перепишем формулу с учетом этого:
Подставим известные значения:
Ответ: Галактика находится примерно на расстоянии 214,29 мегапарсек от нас.
***
Интересно отметить, что закон Хаббла наиболее точно выполняется для галактик, находящихся на расстояниях от 100 до 300 мегапарсек. Отклонения от этого закона в основном наблюдаются у относительно близких к нам галактик. Это связано с тем, что внутри скоплений галактик происходят ощутимые индивидуальные движения.
Кроме того, закон Хаббла нельзя считать точным для квазаров и других очень далеких внегалактических объектов, у которых скорость удаления превышает 100 000 км/с.
Мы живем в расширяющейся Метагалактике, и это обладает своими уникальными особенностями. Например, системы, аналогичные нашей Солнечной системе, или кратные системы звезд, не участвуют в этом расширении из-за сил тяготения, действующих внутри них. Это значит, что расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик.
Галактики в скоплениях можно сравнить с атомами в нагреваемом веществе. При нагревании объем вещества увеличивается, что приводит к увеличению расстояния между атомами, но это не влияет на размеры самих атомов.
Также важно отметить, что расширение Метагалактики не имеет центра, от которого галактики разбегаются. Это подтверждает как наблюдения (включая оптические и радиоастрономические), так и теоретические предсказания.
Ученые уже давно интересовались вопросом о природе этого явления. Открытие Хаббла свидетельствует о том, что Метагалактика расширяется. Если предположить, что в прошлом расширение происходило с тем же темпом, что и сейчас, то можно приблизительно рассчитать, когда оно началось. Отсюда следует, что это произошло примерно 13-20 миллиардов лет назад.
Расширение Метагалактики представляет собой одно из наиболее впечатляющих явлений в нашей Вселенной. Корректное толкование этого процесса имеет огромное значение для понимания нашего места в этом грандиозном космическом масштабе. Несмотря на разные точки зрения, важно помнить, что в природе существуют естественные процессы, способные вызвать наблюдаемое расширение.
3. Гипотеза «горячей Вселенной» предполагает, что в начальные моменты расширения Метагалактики, вещество имело высокую температуру и состояло из элементарных частиц и их античастиц. С течением времени, вместе с расширением, менялись и другие параметры, включая состав вещества, из-за аннигиляции многих частиц и античастиц, что приводило к выделению электромагнитных квантов. В настоящее время, эти кванты преобладают в Метагалактике над атомами, из которых состоят звезды и планеты.
Расчеты, основанные на законах физики, позволяют нам представить процессы, которые происходили миллиарды лет назад. Согласно гипотезе «горячей Вселенной», всего несколько минут потребовалось, чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с плотностью, близкой к плотности воды. С течением времени, плотность сравнивалась с плотностью воздуха, а в настоящее время она оценивается как 10^-28 кг/м³.
Экспериментальные подтверждения этой гипотезы появились с открытием реликтового излучения в 1965 году. Это излучение, с температурой 2,7 К, является остатком древних процессов в Метагалактике, когда там еще не существовало звезд и галактик. Однако, еще до открытия, существование реликтового излучения предсказывалось теоретиками, включая Дж. Гамова. Это подчеркивает удивительную способность науки предсказывать и понимать древние процессы Вселенной.
Исследование Вселенной основано на законах физики, которые действуют здесь, на Земле. Эти законы помогают нам понимать и объяснять множество космических явлений. Однако, несмотря на это, не исключено, что в будущем мы откроем новые явления и типы космических объектов. Одной из важных задач является понимание природы «темной» материи, которая составляет основную часть массы Вселенной.
4. Космологические модели Вселенной. Космология — это раздел астрономии, который исследует строение Вселенной в целом и происходящие в ней процессы. Одним из таких процессов является расширение Метагалактики, предсказанное А. А. Фридманом с использованием упрощенной математической модели Вселенной, называемой однородной и изотропной. Современные представления о структуре Вселенной не противоречат этой модели, хотя реальная структура Вселенной, вероятно, более сложна.
В настоящее время Метагалактика продолжает своё расширение, а будущее может представить различные сценарии в зависимости от средней плотности материи во Вселенной. Например, если плотность материи меньше 10^-26 кг/м³, то мы находимся в «открытом» мире, где галактики всегда будут удаляться друг от друга. Вероятно, данные о средней плотности (примерно 10^-28 кг/м³) указывают на этот вариант. Однако, если в галактиках и их скоплениях существует скрытая масса вещества (не исключается, что «невидимое вещество» составляет большую часть массы Вселенной), то средняя плотность может оказаться иной. В этом случае в далеком будущем расширение Метагалактики может смениться сжатием.
Даже в случае «закрытого» мира, Вселенная не имеет границ — она конечна, но безгранична из-за искривления пространства под воздействием гигантских масс вещества. Таким образом, Вселенная может быть конечной и безграничной одновременно в трехмерном пространстве.
