Космологические модели вселенной открытие ускоренного расширения метагалактики

Рис. 102. Центральная часть скопления галактик в созвездии Волосы Вероники.

Ближайшеек нам скопление галактик находится в со­звездии Девы и насчитывает сотни крупных галактик. Расстояние до него порядка 20 Мпк, это система диаметром более 6 Мпк. Крупные скопления галактик находятся в созвездиях Волосы Вероники, Северная Корона, Геркулес и др. (рис. 102).

Не входят ли скопления в состав еще больших систем? Данные внегалактической астрономии указывают на то, что, возможно, существует Местное сверхскопление галактик, на­считывающее примерно 10 тыс. галактик и имеющее диа­метр около 50 Мпк. В его центре расположено скопление галактик в созвездии Девы. Открыто несколько десятков других сверхскоплений (два ближайших находятся от нас на расстоянии 100 Мпк). Таким образом, Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от ядер атомов до гигантских сверхскоплений галактик.

В конце 70-х гг. XX в. астрономы обнаружили, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек , внутри которых галактик почти нет. Теоретически предвидели возможность такого распределения галактик, а потому открытие не было неожиданным. Следовательно, согласно современным пред­ставлениям, для Вселенной характерна ячеистая (иногда говорят сетчатая, или пористая) структура, которую можно видеть на специально обработанных фотографиях участков звездного неба. Она напоминает «паутинную сет­ку» (рис. 103).

Рис. 103. Крупномасштабная структура Вселенной.

Вообразимсебе достаточно большую «сеть», содержащую множество ячеек. Если не обращать внимания на индивиду­альные особенности каждой отдельно взятой ячейки, то в больших масштабах ее различные части выглядят сходным образом.

Мы рассматривали картину распределений сверхскопле­ний галактик в проекции на небесную сферу. А каково их пространственное распределение? Оказывается, «пустоты» существуют не только внутри ячеек. Недавно они обнару­жены (и названы «черными областями») при исследовании распределения галактик в пространстве: найдены огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено.

В свете этих открытий пространственной моделью струк­туры Вселенной может служить кусок пемзы. В целом она однородна, хотя в небольших выделенных объемах пемза неоднородна (в ней есть вещество и пузырьки воздуха). Так и во Вселенной: в небольших масштабах, например в масштабах Солнечной системы или Галактики, вещество распределено явно неравномерно, но в масштабах сверх­скоплений галактик вещество распределено практически равномерно. Итак, в крупномасштабной структуре Вселен­ной не существует каких-либо особых, чем-то выделяющих­ся мест или направлений, поэтому в больших масштабах (более 100—200 Мпк) Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.

2. Метагалактика и ее расширение. Вся охваченная со­временными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между галакти­ками заполнено чрезвычайно разреженным межгалактичес­ким газом, пронизывается космическими лучами, в нем су­ществуют гравитационные и электромагнитные поля, а возможно, и невидимые массы вещества (не только «обыч­ного», но и, например, состоящего из нейтрино).

От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас миллиарды лет. И все-таки нет оснований отож­дествлять Метагалактику со «всей Вселенной». В принципе возможно существование других, пока неизвестных нам ме­тагалактик.

В 1929 г . американский астроном Э. Хаббл открыл за­мечательную закономерность: линии в спектрах подавляю­щего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется красным смещением .

Объяснив красное смещение эффектом Доплера, ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галак­тики, которая не занимает никакого особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галак­тик. Это означает, что наблюдатель, находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить красное сме­щение, ему казалось бы, что от него удаляются все галак­тики.

Таким образом, Метагалактика нестационарна.

Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т. е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизме­римы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превышающими 250 000 км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объек­тами Метагалактики.

Закон, согласно которому красное смещение (а значит, и скорость удаления галактик!) возрастает пропорционально расстоянию от галактик ( закон Хаббла ), можно за­писать в виде:

где v — лучевая скорость галактики; r — расстояние до нее; Н — постоянная Хаббл a ( Hubble ), точнее параметр Хаббла.

По современным оценкам, значение Н заключено в пре­делах 50 км (с·Мпк) 100 км (с·Мпк).Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (3,08 · 10 19 км ), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики определена по формуле (44), то формула (53) дает возможность вычислить рассто­яние до далеких галактик. Наиболее вероятное значение параметра Хаббла Н = 70 км/(с·Мпк).

Пример 12. На каком расстоянии от нас находится га­лактика, имеющая скорость удаления 1,5 • 10 4 км/с?

Закон Хаббла наиболее точно выполняется для далеких галактик (и их скоплений), разделенных расстояниями 100—300 Мпк. Отклонения от этого закона наблюдаются прежде всего у относительно близких к нам галактик, у которых, как и у наиболее близких к нам звезд, весьма ощу­тимы индивидуальные движения внутри скоплений галак­тик. Кроме того, закон Хаббла нельзя считать точным для очень далеких внегалактических объектов, например кваза­ров, у которых v > 100 000 км/с.

Рис. 104. «Разбегание» галактик.

Итак,мы живем в расширяющейся Метагалактике (рис. 104). Это явление имеет свои особенности. Например, системы, подобные нашей Солнечной системе, кратным системам звезд или даже отдельным галактикам, в расшире­нии Метагалактики не участвуют (этому препятствуют силы тяготения, действующие между Солнцем и планетами, звездами в кратных системах или между звездами, входящими в состав галактик). Следовательно, расширение Метагалак­тики проявляется только на уровне скоплений и сверх­скоплений галактик, т. е. систем, элементами которых яв­ляются галактики. Галактики в скоплениях иногда сравни­вают с атомами нагреваемого вещества. При нагревании объем вещества увеличивается, возрастает расстояние между атомами, что, конечно, не отражается на размерах самих атомов.

О другой особенности расширения Метагалактики вы уже знаете. Она заключается в том, что не существует цен­тра, от которого разбегаются галактики.

Альберт Эйнштейн (1879—1955)

РасширенияМетагалактики не только подтверждают на­блюдения (оптические и радиоастрономические), но и были предсказаны теорией. В России в 1922 г ., за несколько лет до открытия Хаббла, А. А. Фридман (1888—1925), основыва­ясь на теории относительности А. Эйнштейна (1879—1955), показал, что геометрические свойства Вселенной должны изменяться, т. е. расстояния между галактиками не могут ос­таваться постоянными. Открытие Хаббла, как вы знаете, сви­детельствует о расширении Метагалактики.

Если допустить, что в прошлом расширение Метагалак­тики происходило таким же темпом, что и сейчас, то можно рассчитать, когда началось расширение. Так как лю­бые две галактики, отстоящие друг от друга на 1 Мпк, уда­ляются со скоростью 50—100 км/с, то — величина, обрат­ная постоянной Хаббла, — дает нам представление о проме­жутке времени от начала расширения Метагалактики. Этот промежуток времени, по разным оценкам, составляет 20— 13 млрд. лет.

Расширение Метагалактики — самое грандиозное из из­вестных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоз­зренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философ­ских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Ме­тагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что рас­ширение Метагалактики подтверждает религиозное представ­ление о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные про­цессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое рас­ширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества («Большой взрыв»), обладавшего огромной температурой и плотностью.

3*. Гипотеза «горячей Вселенной». Расчеты, выполнен­ные астрофизиками, свидетельствуют о том, что вскоре по­сле начала расширения вещество Метагалактики имело очень высокую температуру и состояло из элементарных ча­стиц (например, нуклонов) и их античастиц. По мере рас­ширения изменялись не только температура и плотность ве­щества, но и состав входящих в него частиц, так как мно­гие частицы и античастицы аннигилировали, порождая элек­тромагнитные кванты излучения. Последних в современной нам Метагалактике оказалось неизмеримо больше, чем ато­мов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная мате­рия. Согласно этой гипотезе, нередко именуемой теорией «горячей Вселенной», потребовалось всего лишь несколько минут, чтобы сверхплотное вещество превратилось в веще­ство с плотностью, близкой к плотности воды. Через не­сколько часов плотность стала сравнимой с плотностью на­шего воздуха, а сейчас, по истечении миллиардов лет, оценка средней плотности вещества в Метагалактике приво­дит к значению порядка 10 -28 кг/м 3 .

Выполненные расчеты основаны на законах физики (ме­ханики, термодинамики, ядерной физики). Оказывается, что знание этих законов и некоторые предположения о распре­делении вещества в пространстве позволяют получить пред­ставление о процессах, которые происходили миллиарды лет тому назад.

Существуют ли экспериментальные подтверждения ги­потезы «горячей Вселенной»? Сейчас мы можем ответить на этот вопрос положительно, так как в 1965 г . было сделано открытие, которое считается подтверждением идеи о том, что в прошлом вещество Метагалактики было очень плот­ным и горячим. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися по­сланцами той древней эпохи развития Метагалактики, когда еще не было никаких звезд, галактик, туманностей. Это электромагнитное излучение (его температура всего лишь 2,7 К) называется реликтовым . Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участву­ет в расширении Метагалактики.

Реликтовое излучение впервые было случайно открыто американскими учеными, изучавшими радиопомехи на вол­не 7,3 см . Очень важно, что, хотя это открытие сделано случайно, существование реликтового излучения было пред­сказано теоретиками. Одним из первых предсказал это из­лучение Дж. Гамов (1904—1968), разрабатывая теорию про­исхождения химических элементов, возникших в первые минуты после Большого взрыва. Предсказание существова­ния реликтового излучения и обнаружение его в космичес­ком пространстве (А. Пензиас и Р. Вильсон, США) — еще один убедительный пример познаваемости мира и его за­кономерностей.

Исследование Вселенной основывается на открытых в земных условиях законах физики. Эти законы позволили создать современные методы исследования Вселенной и объ­яснить подавляющее большинство известных в настоящее вре­мя космических явлений. Однако не исключено, что в про­цессе познания Вселенной будут открыты пока неизвест­ные нам новые явления и типы космических объектов. Важ­но узнать природу невидимой («темной») материи, состав­ляющей основную часть (!) массы нашей Вселенной.

4*. Космологические модели Вселенной. На стыке астро­физики, внегалактической астрономии, теоретической фи­зики и новейших областей математики находится раздел астрономии, который называется космологией . Кос­мология изучает не отдельные небесные тела и их системы, а строение Вселенной в целом и происходящие в ней про­цессы. С одним из таких процессов — расширением Метага­лактики — мы уже познакомились и знаем, что, по суще­ству, открытие этого явления было предсказано А. А. Фрид­маном. Он использовал упрощенную математическую модель Вселенной, которая называется однородной и изотропной. Современные представления о крупномасштабной структуре Вселенной не противоречат такой модели. Структура (и эво­люция) Вселенной наверняка гораздо сложнее упрощенных математических схем и моделей.

Рис. 105. Две основные космологические модели.

СейчасМетагалактика расширяется (по некоторым дан­ным, даже с ускорением), а что будет с ней в дальнейшем? Теория А. А. Фридмана допускает различные возможности в зависимости от средней плотности материи во Вселенной (рис. 105). Например, если плотность материи меньше, чем величина, порядок которой 10 -26 кг/м 3 , то мы живем в «открытом» мире, т. е. в бесконечной Вселенной, в которой галактики всегда будут удаляться друг от друга. Данные о средней плотности (≈ 10 -28 кг/м 3 ) как будто бы указывают на этот случай. Но если, например, будет показано, что в галак­тиках и скоплениях галактик существуют какие-либо скры­тые массы вещества (а не исключено, что «невидимое ве­щество» составляет более 90% массы вещества, из которо­го состоит наша Вселенная), то иной окажется средняя плот­ность. Тогда в отдаленном будущем расширение Метагалакти­ки сменится сжатием. Однако даже в случае «закрытого» мира Вселенная не имеет никаких границ — она конечна, но и безгранична. Дело в том, что гигантские массы вещества искривляют пространство, оно перестает быть евклидовым, в нем лучи света не распространяются прямолинейно, а пря­мая линия уже не будет кратчайшим расстоянием между двумя точками. В евклидовом пространстве бесконечность и безграничность совпадают, например плоскость (двухмерное евклидово пространство) бесконечна и безгранична. Пример двухмерного неевклидова, искривленного пространства — сфера. Сфера не имеет границ, она безгранична, но конечна, и ее площадь мы умеем вычислять. Трудно наглядно пред­ставить себе искривленное трехмерное пространство, но и оно, подобно двухмерному неевклидову пространству, может быть безграничным и конечным.

Источник