§ 3. Концепция крупномасштабной ячеистой структуры Вселенной в XX в. От Ф. Цвикки до наших дней
1. Возрождение иерархической концепции Вселенной. Создание первой строгой математической космологической теории (Эйнштейн), прогресс наблюдательной астрономии и, наконец, установление внегалактической природы спиральных туманностей (Хаббл, 1924) — все это вновь привлекло внимание астрономов г. проблеме строения, структуры Вселенной в целом. Наблюдательное решение проблемы виделось в изучении распределения галактик.
На первых порах результаты оказались диаметрально противоположными выводам В. Гершеля о крупномасштабной структурности Вселенной. Попытка глобального обзора гершелевым методом черпков (теперь уже не звезд, а галактик), предпринятая Хабблом в 20-е гг., показала в целом равномерное их распределение и, следовательно, бесструктурность, однородность Вселенной.
Несколько ранее Рейнолдс вновь выявил таинственный пласт туманностей, пересекающий все небо перпендикулярно Млечному Пути. Однако обнаруживался этот пласт более четко лишь по ярким туманностям-галактикам. Переход и других астрономов к такому дифференцированному (по яркости) изучению распределения галактик привел к иной, по сравнению с их же первыми результатами, картине. Оказалось, что мир галактик, подобно миру звезд, имеет все же крупномасштабную структуру. Галактики обнаружили тенденцию к скучиванию. Они образовывали и небольшие скопления (вроде нашей Местной группы), и колоссальные «метагалактические» системы-скопления. Установить это удалось по распределению галактик ярче 14 m (каковая, кстати, была предельной рабочей величиной и для телескопов Гершеля).
Первое такое сверхскопление галактик обнаружил Ж. де Вокулер на основании изучения каталога галактик, составленного Х. Шепли и А. Эймз. Экваториальная область этой сверхсистемы в точности совпала с «пластом Волос Вероники», открытым В. Гершелем.
Вокулер только и наблюдал эту полосу резко повышенной видимой плотности распределения галактик по небу. Дальше шла интерпретация явления. Оно было объяснено им в рамках иерархической концепции Вселенной: как экваториальная часть сильно уплощенной сверхсистемы, возможно, даже вращающейся, иначе как Сверхгалактика. И хотя сам Вокулер назвал ее Местным (Локальным) сверхскоплением, в астрономическую картину мира в 50-е гг. она вошла сначала как Сверхгалактика Вокулера.
Господство иерархических представлений сказывалось и в идеях, выдвигавшихся в первой половине XX в. другими крупными астрономами. Так, американский астроном Ф. Цвикки (1898—1974) еще в 1938 г. высказал мысль, что вся наша Местная группа галактик является членом некоторой более крупной системы галактик. Вокулер в 1956 г. также писал, что «большинство, если не все, галактики мыслятся как принадлежащие к большому числу сверхсистем. правильных скоплений и неправильной формы облаков, начиная от маленьких плотных групп. до огромных объединений туманностей в несколько десятков мегапарсеков в поперечнике. » Поперечник Местного сверхскопления он оценил в 30—50 Мпк, расстояние от нас ее центральной части — огромного скопления галактик в созвездии Девы — в 10—13 Мпк (по современным данным, около 20 Мпк).
2. Новый этап наблюдательного изучения распределения галактик. Открытие принципиального различия между скоплениями и сверхскоплениями. К настоящему времени выявлено множество новых сверхскоплений галактик типа Местного и больших масштабов. Тенденцию к скапливанию показали и радиогалактики. Таким образом, идея крупномасштабной структурности Вселенной, выдвинутая впервые на основе наблюдений В. Гершелем в конце XVIII в., в наши дни перешла из области элементов картины мира в ранг достоверных научных знаний.
Вместе с тем уже на уровне скоплений галактик современная картина структурности Вселенной оказывается весьма далекой от классических представлений Канта — Ламберта: скопления не имеют правильной уплощенной формы «сверхгалактик», не вращаются. Экстраполяция на «всю Вселенную» образца Солнечной системы, а затем и спирально-эллиптических галактик показала свою неправомерность. Скопления галактик напоминают, скорее, «рои мошек». В то же время, по современным представлениям, они могут быть завершающим этапом формирования иерархической структуры в Космосе: допускается, что галактики объединяются в скопления под действием гравитации так же, как сами галактики являются результатом гравитационных взаимодействий звезд и звездных скоплений.
Рис. 29. Крупномасштабная структура Метагалактики: а) двумерная модель филаментарно-ячеистой структуры (А.Г. Дорошкевич, С.Ф. Шандарин, 1975 г.), б) схема наблюдаемого распределения галактик
Идея бесконечной иерархии космических систем в наши дни поддерживалась лишь немногими. На передний план вышло иное направление в космологии. В его основе лежит вытекающая из наблюдений идея крупномасштабной структурности также с постепенным усложнением систем, но не чисто иерархического типа.
Наиболее крупномасштабными из наблюдаемых (а может быть, и из возможных, на что первым указал Цвикки) объединениями галактик представляются сверхскопления, которые включают отдельные галактики и скопления их и размеры которых достигают многих десятков мегапарсеков. Они состоят из десятков тысяч членов. Расстояния между ними уже сравнимы с их размерами. Последнее еще в 30-х гг. XX в. привело Цвикки к идее структуры Вселенной вроде «мыльной пены», где сверхскопления занимали, однако, сами ячейки — пузыри пены. Тогда, правда, эта идея не нашла поддержки.
3. Открытие ячеисто-филаментарной крупномасштабной структуры Метагалактики. По современным данным, структура Вселенной действительно ячеистая, но галактики и скопления их располагаются, напротив, не в ячейках, а как бы в стенках ячеек, по окраинам огромных пустых (или почти пустых) областей, получивших название «войды». Такая структура нашла объяснение в теории «горячей Вселенной». Я.Б. Зельдович на основе обобщения теории гравитационной неустойчивости Дж. Джинса показал, что в ранней Вселенной гравитационная неустойчивость сначала ведет к сгущению вещества в направлении не к отдельным центрам (классическая идея Ньютона), а к поверхностям. В результате происходит как бы расслоение вещества на сравнительно тонкие уплотняющиеся искривленные и разнонаправленные «пласты» (образно названные «блинами»),
В 1975 г. Дж. Кинкарини и Г. Руд (США), рассмотрев красные смещения у тысяч галактик, обнаружили, что они растут ступенчато. Это и показало существование колоссальных пустот в Метагалактике. В том же году С.Ф. Шандарин и А.Д. Дорошкевич провели первый в мире численный расчет двумерной модели эволюции совокупности гравитирующих точек, сначала распределенных приблизительно равномерно, лишь с небольшими местными возмущениями плотности. Они показали, что эволюция идет в направлении образования вытянутых нитеобразных (филаментарных) структур, которые, пересекаясь, создают сетчатую картину (см. рис. 29, а), т. е. налицо было как бы сечение объемной ячеистой структуры. В последующие годы эти результаты, имеющие принципиально новый характер, были полностью подтверждены английскими и американскими космологами (рис. 29, б), а в 1978 г. и группой эстонских исследователей Я.Э. Эйнасто, уже на наблюдательном материале каталога галактик. Наконец, в 1981 г. тот же результат был получен при расчете трехмерной модели А. Клыпиным и С. Шандариным. К этому времени в 1980 г. группа Эйнасто обнаружила и реальную филаментарную структуру — сверхскопление в Персее.
В рамках теории гравитационной неустойчивости было показано, что стягивание почти однородно распределенного вещества к некоторым поверхностям, усиливаясь и распространяясь вдоль них, приводит к взаимному пересечению этих поверхностей (вспомним картину пересекающихся пластов у Гершеля). В результате образуется непрерывная объемная ячеистая структура, так что вещество оказывается сосредоточенным в стенках ячеек. В дальнейшем «стенка» превращается в колоссальное уплощенное клочковатое собрание галактик и их скоплений (один вид сверхскоплений). Пересечение стенок образует второй вид сверхскоплений — нитевидных (филаментарных). Наконец, в местах пересечения ребер — в «узлах» сетки формируются сверхскопления третьего типа, наиболее заметные. Такова общая картина структуры наблюдаемой Вселенной — Метагалактики по данным современной науки.
4. Современные идеи об эволюции структуры Метагалактики. Структура сверхскоплений — неправильная, клочковатая — и колоссальные размеры их свидетельствуют о неравновесности этих систем. (Характерный срок достижения равновесия — время пересечения системы телом, движущимся в ее гравитационном поле, — сравнимо здесь с возрастом наблюдаемой Вселенной.) В структуре сверхскоплений прослеживаются признаки предшествующего «коллапса». В связи с этим небезынтересно сопоставить высказывания исследователей, разделенные почти двумя столетиями, но созвучные по эволюционному подходу и пониманию Вселенной. В 1811 г. Гершель писал: «. Если они [туманности] обязаны своим происхождением разрушению прежде существовавших обширных туманных образований . мы можем ожидать, что. эти разрозненные туманности должны находиться не только в большом изобилии, но и поблизости друг к другу или даже в непрерывном соединении друг с другом в зависимости от различной протяженности и расположения прежних диффузных образований из такой туманной материи». В работе 1983 г. Я.Б. Зельдовича, А.В. Мамаева и С.Ф. Шандарина читаем: «Галактики в значительной мере объединены в скопления, и все вместе скопления галактик и изолированные галактики долго — до сегодняшнего дня — помнят об облаке, где родились. »
В последние годы были высказаны и некоторые теоретические предположения о возможной дальнейшей эволюции крупномасштабной структуры Вселенной (Метагалактики): вещество из стенок ячеек постепенно переходит в ребра, а далее стягивается к вершинам ячеек. В результате сверхскопления в узлах растут и могут в дальнейшем сливаться периферийными частями, так что возникает некоторое непрерывное распределение галактик и их скоплений с уплотнениями в местах бывших узлов. Картина оказывается неожиданно близкой к идее Цвикки полувековой давности — к его образу Вселенной, заполненной сверхскоплениями галактик как мыльная пена пузырями воздуха.
Источник
Что такое ячеистая структура распределения галактик во вселенной
ЯЧЕИСТАЯ СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
До последнего времени ученые-астрофизики считали, что звезды, галактики, скопления галактик и вообще космическое вещество располагаются в пространстве неупорядоченным образом. Но исследования, выполненные в последующие годы в Институте астрофизики и физики атмосферы (Тарту), позволили получить сенсационные результаты. Один из авторов открытия Я.Эйнасто сформулировал суть открытия так: «Галактики и их скопления расположены в порядке, напоминающем пчелиные соты огромных размеров. И чем ближе к стыкам таких ячеек, тем сильнее сконцентрировано вещество». Такой вывод был получен в результате анализа того, как распределена масса галактик, которые охватывают сверхскопления в Персее, Андромеде и Пегасе. Анализ показал, что над границей такой «ячейки» поверхностная плотность галактик и их скоплений примерно в четыре раза выше, чем в ее центральной части. Американские ученые также занялись данной проблемой. Они обработали с помощью ЭВМ данные о миллионах (!) галактик. Анализ этого огромного материала подтвердил ячеистую структуру Вселенной. Суть этой структуры состоит в том, что практически все галактики располагаются в «стенах», которые образуют «пчелиные соты», т. е. ячеистую структуру. Внутри же самих ячеек почти совсем нет галактик. Указанные ячейки огромны. Размеры их достигают 100–300 миллионов световых лет. Один из ученых-астрофизиков прокомментировал это следующим образом: «Если такая точка зрения на крупномасштабную структуру Вселенной подтвердится, мы придем к картине причудливой ячеистой Вселенной».
Это открытие является принципиальным. Дело в том, что объяснить ячеистую структуру Вселенной нельзя на основании известных нам физических законов. Другими словами, такая структура не могла возникнуть в результате случайного «скучивания», при котором космические объекты группируются (скучиваются) случайным образом. А если так, то надо искать силу, которая заставила скопления галактик группироваться именно таким образом. Сами авторы открытия не видят иного объяснения, кроме именно такого. То есть заранее была намечена структура Вселенной в виде огромных пчелиных сот, а затем шло ее заполнение скоплением галактик. Другими словами, ничего случайного не происходило, а Вселенная творилась по заранее намеченному проекту, плану. Но кем?
К.Э. Циолковский не сомневался в том, что существуют «космические разумные силы», которые определяют как рождение, так и развитие Вселенной. Подчеркиваем, что это развитие идет в строго определенном направлении. Но ученые не без основания считают, что конечные цели воздействия «космических разумных сил» на развитие Вселенной не могут быть поняты человеком сегодня, они находятся за пределами тех понятий, которыми мы оперируем в наше время. Этот вопрос принципиален. У нас не должно быть иллюзий, что мы можем познать все без исключения. Под таким утверждением нет никаких реальных оснований. Вспомним о пчелах. Тысячи лет они существуют рядом с человеком, который определяет почти во всем их жизнь (ради получения меда), но они и не подозревают о существовании человека! Правда, человек все же подозревает о существовании кого-то, кто направляет развитие Вселенной.
А.Эйнштейн не без основания считал, что человеческое сознание «может проникнуть лишь в определенные проявления организующей силы», существующей во Вселенной. Так считал не только А.Эйнштейн. Истинные ученые-мыслители не могут этого не осознавать. «Отец кибернетики» Ноберт Винер считал, что в космосе, как и в микромире, имеются явления, не поддающиеся человеческому восприятию, потому что этому мешает конечность мозга как материальной системы при бесконечности мира. Можно еще сослаться на авторитет известного американского астрофизика Ф.Дж. Дайсона. Он и его коллеги также «не исключают априори возможности того, что разум и сознание могут обладать в устройстве Вселенной таким же статусом, как и вещество и энергия».
Американский философ Самюэль Крам писал: «Вселенная столь величественна, что трудно допустить, что она совокупно не есть единый мировой разум, ощущающий копошение миллиардов живых существ на всех пригодных для жизни планетах, подобно тому, как человек ощущает слабую головную боль… Звезды или даже галактики — лишь нейтроны такого мозга».
Другой американский ученый — биофизик Дж. Джинс высказал суждение о том, что по мере изучения Вселенной она все больше начинает походить не на гигантскую машину, а на гигантскую мысль.
Рассматривая рождение (а точнее, творение) Вселенной, следует отметить еще следующие принципиальные моменты.
Расширение Вселенной не может происходить бесконечно. Распределение массы во Вселенной таково, что после некоторого момента расширение Вселенной должно смениться ее сжатием. Некоторые ученые считают, что сжатие нашей Вселенной уже началось. В результате она вновь должна будет стянуться в некую точку. В точку стянется не только все вещество Вселенной, но и само пространство. Когда это произойдет, то и время в самой этой точке остановится. Так Вселенная закончит свое существование. Что дальше? Дальше все может (или должно) повториться. Вопрос о том, что собой представляет эта точка, — очень важен. Ученые допускают, что в этой «точке» нет вещества. Там имеется вакуум. То есть каждый раз Вселенная рождается, творится буквально из ничего. Буквально это же утверждается Моисеем. Ученые это объясняют, как уже говорилось раньше, возникновением тяжелых частиц из физического вакуума.
Естественно, что проблема творения Вселенной описывается не только в Библии, но и в других источниках. Причем идея повторяемости, цикличности, которая следует и из современных космогонических представлений (пульсирующая Вселенная), излагается весьма четко. Приведем некоторые из них.
Согласно таланристской традиции, Вселенная до своего возникновения пребывает в некоей точке, которая не имеет размеров. Эту точку называют «бинда Шиву». В «Саталатха-брахмана» утверждается, что в то время, когда Вселенная находилась в этом исходном, точечном состоянии, «еще не было времени». Когда Вселенная стягивается в точку, то материя (частицы) уходит в физический вакуум. Современные физики считают, что вакуум есть «особое состояние вечно движущейся, развивающейся материи». Из этого вакуума интенсивное гравитационное поле может порождать частицы. Но, похоже, что и древние это понимали. Так, еще в II–III вв. философ и богослов Ориген говорил о переходе вещества в иное состояние. Он говорил об «исчезновении материи», когда Вселенная погибает. Но когда она возникает опять, то «материя вновь получает бытие, образуя тела…»
Любопытно, что шумерский философ и жрец Берос писал, что Вселенная периодически уничтожается и потом воссоздается снова. Высказываются весьма убедительные доводы, что у истоков шумерской цивилизации находились пришельцы из Космоса, то есть какая-либо из внеземных цивилизаций. Этот взгляд на эволюцию Вселенной перекочевал из Древнего Шумера в Грецию, Рим и Византию. Такие же мысли мы находим у Демокрита и Пифагора. Они считали, что имеется «великий год» Вселенной, который завершается космическим пламенем. В этом пламени Вселенная погибает и затем возрождается снова и проходит свой круг бытия.
Древнеиндийская традиция Веданты также утверждает, что начало нового цикла Вселенной совпадает с концом предыдущего. Приведем цитату из «Брахмавайварта Пурана»: «Мне знаком страшный распад Вселенной. Я видел, как все уничтожается. Всякий раз снова и снова в конце каждого цикла. В это страшное время каждый атом распадается на первичные частицы воды вечности, из которых когда-то произошло все. Увы, кто сочтет Вселенные, которые ушли бесследно, и возникновение новых, которые опять и опять возникали из бесформенной бездны этих вод? Кто сочтет проходящие эпохи миров, которые бесконечно сменяют друг друга?» Эти слова принадлежат индусскому богу Индре.
В связи с этим хочется обратить внимание на понятие «воды». Здесь, несомненно, речь идет не о физической воде, а о некоторой субстанции. Так же обстоит дело и в Библии при описании творения Мира. Там под понятием «вода» можно понимать и фотонную плазму.
Бог Индра говорит, что при гибели Вселенной «каждый атом распадается на первичные частицы воды вечности…» Современные астрофизики также определяют последствия событий при сжатии Вселенной, то есть при ее постепенной гибели. После того как началось сжатие (будем считать, что оно сейчас началось), в продолжение тысяч и миллионов лет ничего особенного, что смогли бы заметить наши потомки, не произойдет. Но когда Вселенная уменьшится в размерах в сто раз, все изменится разительно. Ночное небо станет таким, как сейчас дневное. Когда Вселенная сожмется еще в 10 раз (на это уйдет примерно 70 миллионов лет), то небо станет невыносимо ярким. Еще позднее, когда космическая температура достигнет 10 миллионов градусов, планеты и звезды начнут распадаться, превращаясь в «космический суп» из излучений, электронов и ядер.
Таким образом, сопоставляя современные научные представления о возникновении и развитии Вселенной с Библией и другими древними источниками, есть о чем задуматься. Возникают вопросы самые принципиальные: кто создавал (творил) Вселенную? Откуда человек получил знание об этом? Что мы знаем и чего мы не узнаем никогда? Зачем все? И естественно: Зачем мы?
Источник