Что такое галактика?
Если вы посмотрите на ночное небо через телескоп, то вы увидите то, чего не видно невооружённым глазом: множество звёзд, которые на самом деле являются самозванцами. Многие из этих точек света на самом деле являются галактиками – скоплениями миллионов или триллионов звёзд. Галактики состоят из звёзд, пыли и тёмной материи, соединённых силами гравитации.
Астрономы до сих пор точно не знают, как именно образовались галактики. После Большого Взрыва пространство почти полностью состояло из водорода и гелия. Некоторые астрономы считают, что гравитация объединяла пыль и газ, образуя отдельные звёзды, и эти звёзды в конечном итоге объединились в более крупные структуры – галактики. Другие думают, что пыль и газ объединились в массивные облака (предшественники галактик), после чего в них начали происходить процессы звездообразования. Астрономы также совершенствуют свои методы измерения массы отдельных галактик, как, например, в исследовании 2018 года, в котором использовались трёхмерные движения нескольких галактик для более точного определения массы Млечного Пути.
Открытие галактик
В начале 1900-х многие астрономы думали, что вся Вселенная находится в нашей галактике, Млечном Пути. Другие, такие как Харлоу Шепли, учёный и глава обсерватории Гарвардского колледжа, утверждали, что капли в форме спирали, которые считались пылью и газом, были отдельными от нашей галактики объектами, и называли их “островными вселенными”.
Лишь в 1924 году Эдвин Хаббл обнаружил несколько пульсирующих звёзд, называемых переменные цефеид, и понял, что они находятся далеко за пределами Млечного Пути. Эти небесные объекты были уникальными объединениями звёзд на расстояниях далеко за пределами нашей родной галактики.
Галактики NGC 3972 (слева) и NGC 1015 (справа), которые содержат пульсирующие переменные звёзды (цефеиды). Авторы и права: A. Riess (STScl / JHU) / NASA / ESA.
После того, как Хаббл измерил расстояние до отдельных галактик, он продолжил измерять их доплеровский сдвиг. Он определил, что галактики вокруг Млечного Пути удаляются от нас с невероятной скоростью. Чем дальше галактики, тем быстрее они убегают. Благодаря этому он смог определить, что сама Вселенная расширяется, и спустя годы астрономы выяснили, что она расширяется с ускорением.
Характеристики галактик
В центрах большинства галактик находятся чёрные дыры, которые могут производить огромное количество энергии, благодаря чему астрономы могут видеть галактики, находящиеся на значительных расстояниях. В некоторых случаях центральная чёрная дыра галактики является чрезвычайно большой или активной, даже в относительно небольших галактиках. Материал, окружающий чёрную дыру, может быть разогнан и выброшен в космическое пространство в виде джетов. Другие галактики могут содержать в своих ядрах квазары – самые энергичные тела во Вселенной.
Галактики классифицируются по форме. Каждый тип имеет разные характеристики и свою историю развития.
На этом изображении “Хаббла” показана спиральная галактика NGC 5033. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble / Judy Schmidt.
Некоторые, как Млечный Путь, имеют рукава, закручивающиеся по спирали от центра галактики. Известные как спиральные галактики, эти группы составляют большую часть галактик, которые могут видеть астрономы. Газ и пыль в спиральной галактике кружатся вокруг центра со скоростью несколько сотен километров в секунду, создавая тем самым форму всей галактики. Некоторые, известные как “спирали с перемычками”, имеют в центре стержнеобразную структуру, образованную пылью и газом, движущемся к центру. Пыль и газ в спиральных галактиках постоянно подпитывают процессы звездообразования.
Эллиптическим галактикам не хватает спиральных рукавов своих более ярких родственников. Их внешний вид варьируется от круглого до очень вытянутого. Эллиптические галактики имеют меньше пыли, чем их спиральные аналоги, и поэтому процесс создания звёзд в них практически остановился. Большинство звёзд в этих галактиках очень старые. Хотя они составляют меньшую часть видимых галактик, астрономы считают, что более половины галактик во Вселенной являются эллиптическими.
Эллиптическая галактика NGC 4696. Авторы и права: Hubble / NASA / ESA.
Оставшиеся 3 процента галактик во Вселенной известны как неправильные галактики. Они не являются круглыми и не могут похвастаться спиральными рукавами, а их формы не имеют определенного названия. Гравитация других галактик часто влияла на них, растягивая их или деформируя. Столкновения или сближения с другими галактиками также могли стать причиной изменения их формы.
Слияния галактик
Галактики не плавают в пространстве изолированно, а сгруппированы в группы, известные как скопления. Некоторые скопления очень большие, содержат более тысячи галактик, а другие гораздо меньше. Млечный Путь принадлежит скоплению, известному как Местная Группа, которая содержит всего 50 галактик.
Иногда галактики сталкиваются друг с другом, объединяя свои звёзды и пыль вместе. Это важный шаг в эволюции и росте многих галактик. В конце 2018 года астрономы провели исследование, в котором наблюдали за тем, как две сверхмассивные чёрные дыры врезаются друг в друга на заключительных этапах галактического слияния.
Столкновение двух спиральных галактик NGC 4038 и NGC 4039, которые расположены на расстоянии около 62 миллионов световых лет от Земли. Авторы и права: NASA / ESA / B. Whitmore, STScI.
Обычно, при слиянии галактик, отдельные звёзды не сталкиваются, но приток пыли и газа увеличивает скорость звездообразования. Млечный Путь должен столкнуться с галактикой Андромеды примерно через 5 миллиардов лет, и столкновения происходили и в его далёком прошлом; его характерная выпуклость могла появиться после поглощения карликовой галактики. Аналогично и галактика Андромеды, вероятно, поглотила одного из своих соседей.
Новые исследования галактик
В последние годы астрономы пристально следят за галактиками и за тем, как на их эволюцию влияет тёмная материя, вещество, которое невозможно обнаружить с помощью обыкновенных телескопов. Считается, что тёмная материя и тёмная энергия вместе составляют большую часть массы и энергии всей Вселенной, но их существование трудно доказать, потому что мы можем видеть их только через влияние, которое они оказывают на обычные объекты, такие как галактики.
В 2017 году астрономы обнаружили две огромные и очень старые галактики, которые образовались в море тёмной материи. Чрезвычайно большой размер галактик заставляет учёных задаться вопросом: постепенно ли они увеличивались со временем или какой-то другой процесс помог им в этом. Всего через несколько месяцев после этого открытия астрономы также обнаружили группу галактик, которые вращались синхронно друг с другом по схеме, которую можно было объяснить только наличием тёмной материи.
Новый снимок космического телескопа “Хаббл”, показывающий 15 000 галактик. Авторы и права: P. Oesch (University of Geneva) and M. Montes (University of New South Wales) / NASA / ESA.
Однако в 2018 году группа исследователей поставила под сомнение теорию тёмной материи, когда обнаружила, что галактика под названием NGC 1052-DF2 содержит примерно в 400 раз меньше тёмной материи, чем предсказывали модели для объекта такого размера, что также может изменить модели эволюции галактик. Тем не менее, результаты исследования являются противоречивыми и всё ещё обсуждаются.
В 2018 году снимок, переданный, космическим телескопом “Хаббл” сумел вместить в себя примерно 15 000 галактик, обеспечивая тем самым обширные охотничьи угодья для будущих галактических исследований. И в том же году сотни галактик были обнаружены за сверхмассивной чёрной дырой, которая ранее скрывала их от взора астрономов.
Источник
Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник