До У Р З Про У А Я Р А Б Про Т А
з дисципліни «Концепція сучасного природознавства»
Тема: «розбігання» галактик. Роль цього в еволюції Всесвіту
Зміст
1.Вступ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3-4 стор
2.I. Так, що ж є Всесвіт? ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5-8 Стор
3.II. Закон загального «розбігання Галактик» ... ... ... ... .............. 9-22 стор
4.III. Космічні монстри ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23-26 стор
5.IV. Що ж чекає Всесвіт у майбутньому? .... ... ... ... ... ... ... ... 27-29 стор
6.Заключеніе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30 стор
Введення
О скільки нам відкриттів дивних
Готують просвіти дух
І досвід, син помилок важких,
І геній, парадоксів друг,
І випадок, бог винахідник ...
(А. С. Пушкін)
У природі дуже багато дивного, і намагатися виділити найголовніше заняття невдячне. Хтось вважає, що Життя - найдивовижніше в Природі, хтось - що Розум. Якщо звернутися до неживої природи, то хтось скаже про дивовижні законах мікросвіту, хтось про процеси самоорганізації і хаосі. Але, напевно, якщо складати список, то завжди в десятку найбільш дивних феноменів буде потрапляти розширення Всесвіту («розбіг Галактик [1]).
Немає людини, яка б в ясну, безмісячну ніч, та ще де-небудь подалі від великих міст, не відчував побожного захоплення, вдивляючись у бездонне провалля Всесвіту [2], засіяну міріадами зірок. Здається, що картина ця вічна і незмінна. Але насправді Всесвіт живе своїм таємничим, але бурхливої, а іноді і драматичною життям.
Відкриття останніх десятиліть дозволяють нам більш-менш повно представити картину світобудови. Отже, ми живемо на планеті Земля. Вона входить в систему планет, які обертаються навколо Сонця. Сонце - одна, і взагалі-то, звичайна зірка, яка входить до числа зірок, складових місцеву систему зірок, що утворюють галактику Чумацький шлях. Таких (та й не тільки таких) галактик багато. Одна з найближчих до нас - галактика Туманність Андромеди. Названа вона так тому, що коли галактики ще не були відкриті, вони вважалися туманностями. І знаходиться вона в сузір'ї Андромеди. Наша галактика і галактика Туманність Андромеди належать до спіральних галактик (Фото 1). Дивлячись на Туманність Андромеди, можна уявити, що це наша галактика. Кілька десятків найближчих галактик складають місцеву систему. Потім величезні простори порожнечі. Далі виявлено інші системи галактик. Розміщені вони як би по бджолиних стільників. На фото 2 показаний знімок, буквально всіяний галактиками. І так до межі можливостей наших астрономічних інструментів.
Кажуть, що простір, а значить і Всесвіт, нескінченні. І час не має ні початку, ні кінця. Важко тут що небудь заперечити. Напевно, так воно і є. У цьому випадку і число цивілізацій нескінченно. А тут як би і говорити нема про що. Тим не менш, є підстави пошукати деякі межі в просторі й часі, які дозволять говорити принаймні про наш Всесвіт. І такі межі є.
I. Так, що ж є Всесвіт?
Всесвіт - весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку. Всесвіт, що вивчається астрономією, - частина матеріального світу, що доступна дослідженню астрономічними засобами, що відповідають досягнутому рівню розвитку (цю частину Всесвіту називають Метагалактикою) (Радянський енциклопедичний словник, видання 1990 року).
Раніше вчені вважали, що простір, в якому знаходяться зірки, є абсолютна порожнеча. Лише окремі астрономи час від часу порушували питання про можливе поглинання світла в міжзоряному середовищі. І тільки на самому початку XX сторіччя німецький астроном Гартман переконливо довів, що простір між зірками представляє собою аж ніяк не міфічну порожнечу. Воно заповнене газом, правда, з дуже малою, але цілком визначеною щільністю. Це видатні відкриття, так само як і багато інших, було зроблено за допомогою спектрального аналізу.
Майже половину століття міжзоряний газ досліджувався головним чином шляхом аналізу утворюються в ньому ліній поглинання. З'ясувалося, наприклад, що досить часто ці лінії мають складну структуру, тобто складаються з кількох близько розташованих один до одного компонент. Кожна така компонента виникає при поглинанні світла зірки в якому-небудь певному хмарі міжзоряної середовища, причому хмари рухаються один щодо одного зі швидкістю, близькою до 10 км / сек.
Хімічний склад міжзоряного газу в першому наближенні виявився досить близьким до хімічного складу зірок. Переважаючими елементами є водень і гелій, між тим як інші елементи можна розглядати як «домішки».
Міжзоряний газ в галактиках зазвичай становить кілька відсотків від повної маси зірок. Найбільше газу зустрічається в неправильних галактиках (іноді до 50%) і менше всього в еліптичних галактиках.
Міжзоряне пил найкраще помітна в галактиках, диск яких видно нам з «ребра». Міжзоряне пил, що знаходиться в площині диска, поглинає світло зірок, і галактика через це здається пересіченій темною смугою. Міжзоряне пил - це тверді мікроскопічні частинки речовини розміром менше мікрона. Ці пилинки мають складний хімічний склад. Встановлено, що пилинки мають досить витягнуту форму і в якійсь мірі «орієнтуються», тобто напрями їх витягнутості мають тенденцію «вибудовуватися» в даному хмарі більш-менш паралельно. З цієї причини проходить через тонку середу зоряний світ стає частково поляризованим.
Якщо за своїм складом галактики подібні, то структура галактик, що спостерігаються різна. Галактики, в основному, бувають трьох видів: еліптичні (E), спіральні (S) і неправильної форми (Ir), показані на фото 3, 4 і 5. Бувають галактики і вельми химерних форм (Фото 6).
Простіше за все виглядають еліптичні галактики: вони рівні, однорідні за кольором і симетричні. Їх майже досконале будова наводить на думку про їх істотною простоті, і дійсно, параметри еліптичних галактик виявилося легше виміряти і підшукати під них теоретичні моделі, ніж зробити це для більш складних родичів цих об'єктів.
Розглянемо, наприклад, будова типовою еліптичної галактики. У її центрі знаходиться яскраве ядро, оточене розмитим сяйвом, яскравість якого падає по мірі віддалення від центру. Як і у всіх еліптичних галактик, падіння яскравості описується простий математичною формулою. Форма контуру галактики теж залишається майже однаковою на всіх рівнях яскравості. Всі ізофоти представляють собою майже ідеальні еліпси, центровані в точності на ядро галактики. Напрями великих осей і відносини великої осі до малої майже однакові у всіх еліпсів.
Фундаментальна простота еліптичних галактик узгоджується з припущенням про те, що вони керуються невеликим числом сил. Орбіти зірок гладкі і добре перемішані і ніщо, крім гравітації, не впливає на їх розташування, і ніяке безперервне зореутворення не зруйнувало їх правильності.
На відміну від еліптичних галактик для спіральних характерна наявність диска і балджа (потовщення). Спіральні рукави поступаються диску і балджа за кількістю містяться в них зірок, хоча і є важливими і видатними частинами галактики. Диск спіральної галактики досить плоский. Видимі з ребра галактики говорять про те, що товщина типового диска становить близько 1 / 10 його діаметра.
За допомогою методів моделювання на ЕОМ було доведено, що спіральні галактики являють собою швидко обертаються зоряні системи. Причиною утворення балдж, які володіють більшістю структурних властивостей еліптичних галактик, є те, що зірки починають утворюватися спочатку в центральних областях галактик, де щільність найвища.
Спіральна структура спіральних галактик виникає через те, що внутрішня частина галактики обертається зі швидкістю, відмінною від швидкості зовнішньої частини й рукави поступово закручуються в спіральний візерунок. Для галактик з віком, характерним для оточуючих нас галактик, число оборотів візерунка має бути дуже великим - приблизно рівним віком, поділеній на середній період обертання - близько 100. Однак у реальних спіральних галактик - принаймні у тих, що мають чіткі безперервні спіральні гілки, що спостерігається закрутка спірального візерунка становить лише на один-два оберти. Постає питання: як це пояснити? Проблема до теперішнього часу не дозволена. Вчені віддають перевагу магнітній, хвильової і вибуховий гіпотезам, що враховує астрофізичну бік проблеми.
У багатьох спіральних галактик є ще одна чудова структурна особливість - концентрація зірок у формі бруска (бару), що перетинає ядро і простягається симетричним чином в обидві сторони. Дані вимірювань швидкостей в них показують, що бари обертаються навколо ядра як тверді тіла, хоча, зрозуміло, вони насправді складаються з окремих зірок і газу. Бари, що зустрічаються в галактиках типу S0 або Sa, більш рівні і складаються виключно з зірок, в той час як бари в галактиках типів Sb, Sc і Irr часто містять багато газу і пилу. Все ще тривають суперечки про рухи газу в цих барах. Деякі дані свідчать про те, що газ тече назовні вздовж бару, а за іншими даними, він тече всередину. У будь-якому випадку, існування барів не дивує астрономів, які вивчають динаміку галактик. Чисельні моделі показують, що нестійкості в диску обертається галактики можуть виявлятися у формі бару, нагадує спостережувані.
Одне із завдань сучасної астрономії - зрозуміти, як утворилися галактики і як вони еволюціонують. За часів Е. Хаббла і Х. Шеплі було спокусливо вірити в те, що типи галактик відповідають різним стадіям їх розвитку. Однак ця гіпотеза виявилася невірною, і завдання реконструкції історій життя галактик виявилася важкою. Самою ж важкої виявилася проблема початкового виникнення галактик.
Більшість прийнятих в даний час космологічних моделей передбачає загальне розширення, починаючи з нульового моменту часу, який називають «великим вибухом» або англійським терміном Big Bang (відразу ж після якого Всесвіт має виключно високі щільність і температуру). Фізичні процеси, що описують первинний вибух у цих моделях, можуть бути досить надійно простежені до моменту, коли щільність і температура стають досить низькими, щоб стало можливим утворення галактик. Приблизно 1 мільйон років знадобився для того, щоб Всесвіт розширилася й охолола настільки, що речовина стала грати в ній важливу роль. До цього переважало випромінювання, і згустки речовини, такі як зірки або галактики, не могли утворюватися. Проте, коли температура стала рівною приблизно 3000 К, а щільність - близько 10 -21 г / см 3 речовина, нарешті, зміг формуватися.
II. Закон загального «розбігання» галактик
У 1929 році астроном Едвін Хаббл сформулював закон загального «розбігання» галактик, одержав потім його ім'я: чим далі від нас зірка, тим швидше вона видаляється.
У математичний вираз закону входить стала Хаббла, коефіцієнт, що зв'язує відстань до об'єкта зі швидкістю його видалення. Згодом різні дослідники коректували значення постійної, але з 50-х років до теперішнього часу вона залишалася незмінною. Проте нещодавно астрономи з Університету Огайо знову піддали сумніву значення коефіцієнта, підрахувавши за розробленою ними новою методикою відстань до спіральної галактики в сузір'ї Трикутник, яке виявилося дещо більшим, ніж показували попередні розрахунки. Таким чином, результати дослідження вказують, що постійна Хаббла повинна бути на 15% менше утвердився значення.
Зупинимося і розглянемо дане питання більш докладно.
Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то найяскравішими об'єктами будуть планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Крім того, ми побачимо величезну кількість зірок, схожих на наше Сонце, але перебувають набагато далі від нас. При обертанні Землі навколо Сонця деякі з цих «нерухомих» зірок трохи змінюють своє положення відносно один одного, тобто насправді вони зовсім не нерухомі! Справа в тому, що вони трохи ближче до нас, ніж інші. Оскільки ж Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь час в різних точках фону більш віддалених зірок. Завдяки цьому можна безпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближче, тим сильніше помітно їх переміщення. Найближча зірка, яка називається Проксіма Центавра, знаходиться від нас на відстані приблизно чотирьох світлових років (тобто світло від неї йде до Землі близько чотирьох років), або близько 37 мільйонів мільйонів кілометрів. Більшість зірок, видимих неозброєним оком, віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Порівняйте це з відстанню до нашого Сонця, що становить всього вісім світлових хвилин! Видимі зірки розсипані по всьому нічному небі, але особливо густо в тій смузі, яку ми називаємо Молочним Шляхом. Ще в 1750 р. деякі астрономи висловлювали думку, що існування Чумацького Шляху пояснюється тим, що більша частина видимих зірок утворює одну дискообразную конфігурацію - приклад того, що зараз називається спіральною галактикою. Лише через кілька десятиліть астроном Вільям Гершель підтвердив це припущення, виконавши колосальну роботу по складанню каталога положень величезної кількості зірок і відстаней до них. Але навіть після цього уявлення про спіральних галактиках було прийнято усіма лише на початку нашого століття.
Сучасна картина Всесвіту виникла тільки в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. Насправді існує багато інших галактик, розділених величезними областями порожнього простору. Для доказу Хабблу потрібно визначити відстані до цих галактик, які настільки великі, що, на відміну від положень близьких зірок, видимі положення галактик дійсно не змінюються. Тому для вимірювання відстаней Хаббл був змушений вдатися до непрямих методів. Видима яскравість зірки залежить від двох чинників: від того, яка кількість світла випромінює зірка (її світності), і від того, де вона знаходиться. Яскравість близьких зірок і відстань до них ми можемо виміряти, отже, ми можемо обчислити і їх світність. І навпаки, знаючи світність зірок в інших галактиках, ми могли б обчислити відстань до них, вимірявши їх видиму яскравість, Хаббл зауважив, що світність деяких типів зірок завжди одна і та ж, коли вони знаходяться досить близько для того, щоб можна було проводити вимірювання . Отже, міркував Хаббл, якщо такі зірки виявляться в іншій галактиці, то, припустивши у них таку ж світність, ми зуміємо обчислити відстань до цієї галактики. Якщо подібні розрахунки для кількох зірок однієї і тієї ж галактики дадуть один і той же результат, то отриману оцінку відстані можна вважати надійною.
Таким шляхом Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик. Тепер відомо, що наша Галактика - одна з декількох сотень тисяч мільйонів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи, а кожна з цих галактик в свою чергу містить сотні тисяч мільйонів зірок.
Наша Галактика має близько ста тисяч світлових років у поперечнику. Вона повільно обертається, а зірки в її спіральних рукавах кожні кілька сотень мільйонів років роблять приблизно один оберт навколо її центру. Наше Сонце є звичайною жовту зірку середньої величини, розташовану на внутрішній стороні одного з спіральних рукавів.
Зірки знаходяться так далеко від нас, що здаються просто світяться точками в небі. Ми не розрізняємо ні їх розмірів, ні форми. Як же можна говорити про різні типи зірок? Для переважної більшості зірок існує тільки одна характерна властивість, яке можна спостерігати - це колір йде від них світла. Ньютон відкрив, що, проходячи через тригранний шматок скла, званий призмою, сонячне світло розкладається, як у веселці, на колірні компоненти (спектри). Налаштувавши телескоп на яку-небудь окрему зірку або галактику, можна аналогічним чином розкласти в спектр світло, що випускається цією зіркою або галактикою. Різні зірки мають різні спектри, але відносна яскравість різних кольорів завжди в точності така ж, як у світлі, який випромінює який-небудь розпечений до червоного предмет. (Світло, що випромінюється розпеченим до червоного непрозорим предметом, має дуже характерний спектр, що залежить тільки від температури предмета - тепловий спектр, тому ми можемо визначити температуру зірки по спектру випромінюваного нею світла). Крім того, ми виявимо, що деякі дуже специфічні кольори взагалі відсутні в спектрах зірок, причому відсутні кольору різні для різних зірок. Оскільки, як ми знаємо, кожен хімічний елемент поглинає свій певний набір характерних кольорів, ми можемо порівняти їх з тими квітами, яких немає в спектрі зірки, і таким чином точно визначити, які елементи присутні в її атмосфері.
У 20-х роках, коли астрономи почали дослідження спектрів зірок інших галактик, виявилося щось ще більш дивне: у нашій власній Галактиці виявилися ті ж самі характерні набори відсутніх квітів, що й у зірок, але всі вони були зрушені на одну і ту ж величину до червоного кінця спектра. Щоб зрозуміти сенс сказаного, слід спочатку розібратися з ефектом Доплера. Як ми знаємо, видиме світло - це коливання електромагнітного поля. Частота (кількість хвиль в одну секунду) світлових коливань надзвичайно висока - від чотирьохсот до семисот мільйонів мільйонів хвиль в секунду. Людське око сприймає світло різних частот як різні кольори, причому найнижчі частоти - відповідають червоного кінця спектра, найвищі - фіолетового. Уявімо собі джерело світла, розташоване на фіксованій відстані від нас (наприклад, зірку), що випромінює з постійною частотою світлові хвилі. Очевидно, що частота хвиль, що приходять буде такою ж, як та, з якою вони випромінюються (нехай гравітаційне поле галактики невелике і його вплив несуттєво). Припустимо тепер, що джерело починає рухатися в нашу сторону. При випущенні наступної хвилі джерело виявиться ближче до нас, а тому час, за який гребінь цієї хвилі до нас дійде, буде менше, ніж у випадку нерухомої зірки. Стало бути, час між гребенями двох прийшли хвиль буде менше, а кількість хвиль, що приймаються нами за одну секунду (тобто частота), буде більше, ніж коли зірка була нерухома. При видаленні ж джерела частота хвиль, що приходять буде менше. Це означає, що спектри віддаляються зірок будуть зрушені до червоного кінця (червоне зміщення), а спектри наближаються зірок повинні відчувати фіолетове зсув. Таке співвідношення між швидкістю і частотою називається ефектом Доплера, і цей ефект звичайний навіть у нашому повсякденному житті. Прислухайтеся до того, як іде по шосе машина: коли вона наближається, звук двигуна вище (тобто вище частота випускаються ним звукових хвиль), а коли, проїхавши повз, машина починає віддалятися, звук стає нижче. Світлові хвилі і радіохвилі ведуть себе аналогічним чином. Ефектом Доплера помагає міліція, визначаючи здалеку швидкість руху автомашин по частоті радіосигналів, що відбиваються від них. з дисципліни «Концепція сучасного природознавства»
Тема: «розбігання» галактик. Роль цього в еволюції Всесвіту
Зміст
1.Вступ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3-4 стор
2.I. Так, що ж є Всесвіт? ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5-8 Стор
3.II. Закон загального «розбігання Галактик» ... ... ... ... .............. 9-22 стор
4.III. Космічні монстри ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23-26 стор
5.IV. Що ж чекає Всесвіт у майбутньому? .... ... ... ... ... ... ... ... 27-29 стор
6.Заключеніе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30 стор
Введення
О скільки нам відкриттів дивних
Готують просвіти дух
І досвід, син помилок важких,
І геній, парадоксів друг,
І випадок, бог винахідник ...
(А. С. Пушкін)
У природі дуже багато дивного, і намагатися виділити найголовніше заняття невдячне. Хтось вважає, що Життя - найдивовижніше в Природі, хтось - що Розум. Якщо звернутися до неживої природи, то хтось скаже про дивовижні законах мікросвіту, хтось про процеси самоорганізації і хаосі. Але, напевно, якщо складати список, то завжди в десятку найбільш дивних феноменів буде потрапляти розширення Всесвіту («розбіг Галактик [1]).
Немає людини, яка б в ясну, безмісячну ніч, та ще де-небудь подалі від великих міст, не відчував побожного захоплення, вдивляючись у бездонне провалля Всесвіту [2], засіяну міріадами зірок. Здається, що картина ця вічна і незмінна. Але насправді Всесвіт живе своїм таємничим, але бурхливої, а іноді і драматичною життям.
Відкриття останніх десятиліть дозволяють нам більш-менш повно представити картину світобудови. Отже, ми живемо на планеті Земля. Вона входить в систему планет, які обертаються навколо Сонця. Сонце - одна, і взагалі-то, звичайна зірка, яка входить до числа зірок, складових місцеву систему зірок, що утворюють галактику Чумацький шлях. Таких (та й не тільки таких) галактик багато. Одна з найближчих до нас - галактика Туманність Андромеди. Названа вона так тому, що коли галактики ще не були відкриті, вони вважалися туманностями. І знаходиться вона в сузір'ї Андромеди. Наша галактика і галактика Туманність Андромеди належать до спіральних галактик (Фото 1). Дивлячись на Туманність Андромеди, можна уявити, що це наша галактика. Кілька десятків найближчих галактик складають місцеву систему. Потім величезні простори порожнечі. Далі виявлено інші системи галактик. Розміщені вони як би по бджолиних стільників. На фото 2 показаний знімок, буквально всіяний галактиками. І так до межі можливостей наших астрономічних інструментів.
Кажуть, що простір, а значить і Всесвіт, нескінченні. І час не має ні початку, ні кінця. Важко тут що небудь заперечити. Напевно, так воно і є. У цьому випадку і число цивілізацій нескінченно. А тут як би і говорити нема про що. Тим не менш, є підстави пошукати деякі межі в просторі й часі, які дозволять говорити принаймні про наш Всесвіт. І такі межі є.
I. Так, що ж є Всесвіт?
Всесвіт - весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку. Всесвіт, що вивчається астрономією, - частина матеріального світу, що доступна дослідженню астрономічними засобами, що відповідають досягнутому рівню розвитку (цю частину Всесвіту називають Метагалактикою) (Радянський енциклопедичний словник, видання 1990 року).
Раніше вчені вважали, що простір, в якому знаходяться зірки, є абсолютна порожнеча. Лише окремі астрономи час від часу порушували питання про можливе поглинання світла в міжзоряному середовищі. І тільки на самому початку XX сторіччя німецький астроном Гартман переконливо довів, що простір між зірками представляє собою аж ніяк не міфічну порожнечу. Воно заповнене газом, правда, з дуже малою, але цілком визначеною щільністю. Це видатні відкриття, так само як і багато інших, було зроблено за допомогою спектрального аналізу.
Майже половину століття міжзоряний газ досліджувався головним чином шляхом аналізу утворюються в ньому ліній поглинання. З'ясувалося, наприклад, що досить часто ці лінії мають складну структуру, тобто складаються з кількох близько розташованих один до одного компонент. Кожна така компонента виникає при поглинанні світла зірки в якому-небудь певному хмарі міжзоряної середовища, причому хмари рухаються один щодо одного зі швидкістю, близькою до 10 км / сек.
Хімічний склад міжзоряного газу в першому наближенні виявився досить близьким до хімічного складу зірок. Переважаючими елементами є водень і гелій, між тим як інші елементи можна розглядати як «домішки».
Міжзоряний газ в галактиках зазвичай становить кілька відсотків від повної маси зірок. Найбільше газу зустрічається в неправильних галактиках (іноді до 50%) і менше всього в еліптичних галактиках.
Міжзоряне пил найкраще помітна в галактиках, диск яких видно нам з «ребра». Міжзоряне пил, що знаходиться в площині диска, поглинає світло зірок, і галактика через це здається пересіченій темною смугою. Міжзоряне пил - це тверді мікроскопічні частинки речовини розміром менше мікрона. Ці пилинки мають складний хімічний склад. Встановлено, що пилинки мають досить витягнуту форму і в якійсь мірі «орієнтуються», тобто напрями їх витягнутості мають тенденцію «вибудовуватися» в даному хмарі більш-менш паралельно. З цієї причини проходить через тонку середу зоряний світ стає частково поляризованим.
Якщо за своїм складом галактики подібні, то структура галактик, що спостерігаються різна. Галактики, в основному, бувають трьох видів: еліптичні (E), спіральні (S) і неправильної форми (Ir), показані на фото 3, 4 і 5. Бувають галактики і вельми химерних форм (Фото 6).
Простіше за все виглядають еліптичні галактики: вони рівні, однорідні за кольором і симетричні. Їх майже досконале будова наводить на думку про їх істотною простоті, і дійсно, параметри еліптичних галактик виявилося легше виміряти і підшукати під них теоретичні моделі, ніж зробити це для більш складних родичів цих об'єктів.
Розглянемо, наприклад, будова типовою еліптичної галактики. У її центрі знаходиться яскраве ядро, оточене розмитим сяйвом, яскравість якого падає по мірі віддалення від центру. Як і у всіх еліптичних галактик, падіння яскравості описується простий математичною формулою. Форма контуру галактики теж залишається майже однаковою на всіх рівнях яскравості. Всі ізофоти представляють собою майже ідеальні еліпси, центровані в точності на ядро галактики. Напрями великих осей і відносини великої осі до малої майже однакові у всіх еліпсів.
Фундаментальна простота еліптичних галактик узгоджується з припущенням про те, що вони керуються невеликим числом сил. Орбіти зірок гладкі і добре перемішані і ніщо, крім гравітації, не впливає на їх розташування, і ніяке безперервне зореутворення не зруйнувало їх правильності.
На відміну від еліптичних галактик для спіральних характерна наявність диска і балджа (потовщення). Спіральні рукави поступаються диску і балджа за кількістю містяться в них зірок, хоча і є важливими і видатними частинами галактики. Диск спіральної галактики досить плоский. Видимі з ребра галактики говорять про те, що товщина типового диска становить близько 1 / 10 його діаметра.
За допомогою методів моделювання на ЕОМ було доведено, що спіральні галактики являють собою швидко обертаються зоряні системи. Причиною утворення балдж, які володіють більшістю структурних властивостей еліптичних галактик, є те, що зірки починають утворюватися спочатку в центральних областях галактик, де щільність найвища.
Спіральна структура спіральних галактик виникає через те, що внутрішня частина галактики обертається зі швидкістю, відмінною від швидкості зовнішньої частини й рукави поступово закручуються в спіральний візерунок. Для галактик з віком, характерним для оточуючих нас галактик, число оборотів візерунка має бути дуже великим - приблизно рівним віком, поділеній на середній період обертання - близько 100. Однак у реальних спіральних галактик - принаймні у тих, що мають чіткі безперервні спіральні гілки, що спостерігається закрутка спірального візерунка становить лише на один-два оберти. Постає питання: як це пояснити? Проблема до теперішнього часу не дозволена. Вчені віддають перевагу магнітній, хвильової і вибуховий гіпотезам, що враховує астрофізичну бік проблеми.
У багатьох спіральних галактик є ще одна чудова структурна особливість - концентрація зірок у формі бруска (бару), що перетинає ядро і простягається симетричним чином в обидві сторони. Дані вимірювань швидкостей в них показують, що бари обертаються навколо ядра як тверді тіла, хоча, зрозуміло, вони насправді складаються з окремих зірок і газу. Бари, що зустрічаються в галактиках типу S0 або Sa, більш рівні і складаються виключно з зірок, в той час як бари в галактиках типів Sb, Sc і Irr часто містять багато газу і пилу. Все ще тривають суперечки про рухи газу в цих барах. Деякі дані свідчать про те, що газ тече назовні вздовж бару, а за іншими даними, він тече всередину. У будь-якому випадку, існування барів не дивує астрономів, які вивчають динаміку галактик. Чисельні моделі показують, що нестійкості в диску обертається галактики можуть виявлятися у формі бару, нагадує спостережувані.
Одне із завдань сучасної астрономії - зрозуміти, як утворилися галактики і як вони еволюціонують. За часів Е. Хаббла і Х. Шеплі було спокусливо вірити в те, що типи галактик відповідають різним стадіям їх розвитку. Однак ця гіпотеза виявилася невірною, і завдання реконструкції історій життя галактик виявилася важкою. Самою ж важкої виявилася проблема початкового виникнення галактик.
Більшість прийнятих в даний час космологічних моделей передбачає загальне розширення, починаючи з нульового моменту часу, який називають «великим вибухом» або англійським терміном Big Bang (відразу ж після якого Всесвіт має виключно високі щільність і температуру). Фізичні процеси, що описують первинний вибух у цих моделях, можуть бути досить надійно простежені до моменту, коли щільність і температура стають досить низькими, щоб стало можливим утворення галактик. Приблизно 1 мільйон років знадобився для того, щоб Всесвіт розширилася й охолола настільки, що речовина стала грати в ній важливу роль. До цього переважало випромінювання, і згустки речовини, такі як зірки або галактики, не могли утворюватися. Проте, коли температура стала рівною приблизно 3000 К, а щільність - близько 10 -21 г / см 3 речовина, нарешті, зміг формуватися.
II. Закон загального «розбігання» галактик
У 1929 році астроном Едвін Хаббл сформулював закон загального «розбігання» галактик, одержав потім його ім'я: чим далі від нас зірка, тим швидше вона видаляється.
У математичний вираз закону входить стала Хаббла, коефіцієнт, що зв'язує відстань до об'єкта зі швидкістю його видалення. Згодом різні дослідники коректували значення постійної, але з 50-х років до теперішнього часу вона залишалася незмінною. Проте нещодавно астрономи з Університету Огайо знову піддали сумніву значення коефіцієнта, підрахувавши за розробленою ними новою методикою відстань до спіральної галактики в сузір'ї Трикутник, яке виявилося дещо більшим, ніж показували попередні розрахунки. Таким чином, результати дослідження вказують, що постійна Хаббла повинна бути на 15% менше утвердився значення.
Зупинимося і розглянемо дане питання більш докладно.
Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то найяскравішими об'єктами будуть планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Крім того, ми побачимо величезну кількість зірок, схожих на наше Сонце, але перебувають набагато далі від нас. При обертанні Землі навколо Сонця деякі з цих «нерухомих» зірок трохи змінюють своє положення відносно один одного, тобто насправді вони зовсім не нерухомі! Справа в тому, що вони трохи ближче до нас, ніж інші. Оскільки ж Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь час в різних точках фону більш віддалених зірок. Завдяки цьому можна безпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближче, тим сильніше помітно їх переміщення. Найближча зірка, яка називається Проксіма Центавра, знаходиться від нас на відстані приблизно чотирьох світлових років (тобто світло від неї йде до Землі близько чотирьох років), або близько 37 мільйонів мільйонів кілометрів. Більшість зірок, видимих неозброєним оком, віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Порівняйте це з відстанню до нашого Сонця, що становить всього вісім світлових хвилин! Видимі зірки розсипані по всьому нічному небі, але особливо густо в тій смузі, яку ми називаємо Молочним Шляхом. Ще в 1750 р. деякі астрономи висловлювали думку, що існування Чумацького Шляху пояснюється тим, що більша частина видимих зірок утворює одну дискообразную конфігурацію - приклад того, що зараз називається спіральною галактикою. Лише через кілька десятиліть астроном Вільям Гершель підтвердив це припущення, виконавши колосальну роботу по складанню каталога положень величезної кількості зірок і відстаней до них. Але навіть після цього уявлення про спіральних галактиках було прийнято усіма лише на початку нашого століття.
Сучасна картина Всесвіту виникла тільки в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. Насправді існує багато інших галактик, розділених величезними областями порожнього простору. Для доказу Хабблу потрібно визначити відстані до цих галактик, які настільки великі, що, на відміну від положень близьких зірок, видимі положення галактик дійсно не змінюються. Тому для вимірювання відстаней Хаббл був змушений вдатися до непрямих методів. Видима яскравість зірки залежить від двох чинників: від того, яка кількість світла випромінює зірка (її світності), і від того, де вона знаходиться. Яскравість близьких зірок і відстань до них ми можемо виміряти, отже, ми можемо обчислити і їх світність. І навпаки, знаючи світність зірок в інших галактиках, ми могли б обчислити відстань до них, вимірявши їх видиму яскравість, Хаббл зауважив, що світність деяких типів зірок завжди одна і та ж, коли вони знаходяться досить близько для того, щоб можна було проводити вимірювання . Отже, міркував Хаббл, якщо такі зірки виявляться в іншій галактиці, то, припустивши у них таку ж світність, ми зуміємо обчислити відстань до цієї галактики. Якщо подібні розрахунки для кількох зірок однієї і тієї ж галактики дадуть один і той же результат, то отриману оцінку відстані можна вважати надійною.
Таким шляхом Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик. Тепер відомо, що наша Галактика - одна з декількох сотень тисяч мільйонів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи, а кожна з цих галактик в свою чергу містить сотні тисяч мільйонів зірок.
Наша Галактика має близько ста тисяч світлових років у поперечнику. Вона повільно обертається, а зірки в її спіральних рукавах кожні кілька сотень мільйонів років роблять приблизно один оберт навколо її центру. Наше Сонце є звичайною жовту зірку середньої величини, розташовану на внутрішній стороні одного з спіральних рукавів.
Зірки знаходяться так далеко від нас, що здаються просто світяться точками в небі. Ми не розрізняємо ні їх розмірів, ні форми. Як же можна говорити про різні типи зірок? Для переважної більшості зірок існує тільки одна характерна властивість, яке можна спостерігати - це колір йде від них світла. Ньютон відкрив, що, проходячи через тригранний шматок скла, званий призмою, сонячне світло розкладається, як у веселці, на колірні компоненти (спектри). Налаштувавши телескоп на яку-небудь окрему зірку або галактику, можна аналогічним чином розкласти в спектр світло, що випускається цією зіркою або галактикою. Різні зірки мають різні спектри, але відносна яскравість різних кольорів завжди в точності така ж, як у світлі, який випромінює який-небудь розпечений до червоного предмет. (Світло, що випромінюється розпеченим до червоного непрозорим предметом, має дуже характерний спектр, що залежить тільки від температури предмета - тепловий спектр, тому ми можемо визначити температуру зірки по спектру випромінюваного нею світла). Крім того, ми виявимо, що деякі дуже специфічні кольори взагалі відсутні в спектрах зірок, причому відсутні кольору різні для різних зірок. Оскільки, як ми знаємо, кожен хімічний елемент поглинає свій певний набір характерних кольорів, ми можемо порівняти їх з тими квітами, яких немає в спектрі зірки, і таким чином точно визначити, які елементи присутні в її атмосфері.
Довівши, що існують інші галактики, Хаббл всі наступні роки присвятив складання каталогів відстаней до цих галактик і спостереженню їх спектрів. У той час більшість учених вважали, що рух галактик відбувається випадковим чином і тому спектрів, зміщених в червону сторону, має спостерігатися стільки ж, скільки і зміщених у фіолетову. Яке ж було здивування, коли у більшій частині галактик виявилося червоне зміщення [3] спектрів, тобто виявилося, що майже всі галактики віддаляються від нас! Ще більш дивним було відкриття, опубліковане Хабблом в 1929 р.: Хаббл виявив, що навіть величина червоного зсуву не випадкова, а прямо пропорційна відстані від нас до галактики. Іншими словами, чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона видаляється! А це означало, що Всесвіт не може бути статичним, як думали раніше, що насправді вона безперервно розширюється і відстані між галактиками весь час зростають.
Відкриття Всесвіту було одним з великих інтелектуальних переворотів двадцятого століття. Заднім числом ми можемо лише дивуватися тому, що ця ідея не прийшла нікому в голову раніше. Ньютон та інші вчені повинні були б збагнути, що статична Всесвіт невдовзі обов'язково почала б стискуватися під дією гравітації. Але припустимо, що Всесвіт, навпаки, розширюється. Якщо б розширення відбувалося досить повільно, то під дією гравітаційної сили вона врешті-решт припинилося б і перейшло до стиснення. Однак якби швидкість розширення перевищувала деяке критичне значення, то гравітаційної взаємодії не вистачило б, щоб зупинити розширення, і воно тривало б вічно. Усе це трохи нагадує ситуацію, що виникає, коли з поверхні Землі запускають вгору ракету. Якщо швидкість ракети не дуже велика, то через гравітації вона врешті-решт зупиниться і почне падати назад. Якщо ж швидкість ракети більше деякої критичної (близько одинадцяти кілометрів на секунду), то гравітаційна сила не зможе її повернути і ракета буде вічно продовжувати свій рух від Землі. Розширення Всесвіту могло бути передбачене на основі ньютонівської теорії тяжіння в XIX, XVIII і навіть в кінці XVII століття. Однак віра в статичний Всесвіт була настільки велика, що жила в умах ще на початку XX століття. Навіть Ейнштейн, розробляючи в 1915 р. загальну теорію відносності, був упевнений у статичності Всесвіту. Щоб не вступати в протиріччя зі статичністю, Ейнштейн модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звану космологічну постійну. Він ввів нову «антигравітаційну» силу, яка на відміну від інших сил не породжувалася будь-яким джерелом, а була закладена в саму структуру простору-часу. Ейнштейн стверджував, що простір-час саме по собі завжди розширюється і цим розширенням точно врівноважується тяжіння всієї іншої матерії у Всесвіті, так що в результаті Всесвіт виявляється статичної. Мабуть, лише одна людина повністю повірив у загальну теорію відносності: поки Ейнштейн та інші фізики думали над тим, як обійти нестатічность Всесвіту, що передбачаються цією теорією, російський фізик і математик А. А. Фрідман, навпаки, зайнявся її поясненням.
Фрідман зробив два дуже простих вихідних припущення: по-перше, Всесвіт виглядає однаково, в якому б напрямку ми її ні спостерігали, і, по-друге, це твердження повинне залишатися справедливим і в тому випадку, якщо б ми виробляли спостереження з якого-небудь іншого місця. Не вдаючись ні до яких інших припущеннями, Фрідман показав, що Всесвіт не повинна бути статичною. У 1922 р., за кілька років до відкриття Хаббла, Фрідман в точності передбачив його результат!
Припущення про однаковість Всесвіту у всіх напрямках на самому ділі, звичайно, не виконується. Як ми, наприклад, вже знаємо, інші зірки в нашій Галактиці утворюють чітко виділяється світлу смугу, яка йде по всьому небу вночі - Чумацький Шлях. Але якщо говорити про далекі галактики, то їх число у всіх напрямах приблизно однаково. Отже, Всесвіт справді «приблизно» однакова в усіх напрямах - при спостереженні в масштабі, більшому у порівнянні з відстанню між галактиками, коли відкидаються дрібномасштабні відмінності.
Довгий час це було єдиним обгрунтуванням гіпотези Фрідмана як «грубого» наближення до реальної Всесвіту. Але потім з якоїсь випадковості з'ясувалося, що гіпотеза Фрідмана і справді дає дивно точний опис нашого Всесвіту.
У 1965 р. два американських фізика, Арно Пензіас та Роберт Вільсон, що працювали на фірмі Bell Laboratories в штаті Нью-Джерсі, відчували дуже чутливий «мікрохвильовий», тобто надвисокочастотний (НВЧ), детектор. (Мікрохвилі - це те ж, що й світлові хвилі, але їх частота всього лише десять тисяч мільйонів хвиль в секунду.) Пензіас і Вільсон помітили, що рівень шуму, що реєструється їх детектором, вище, ніж повинно бути. Цей шум не був спрямований, що приходять із якоїсь певної сторони. Спочатку названі дослідники виявили в детекторі пташиний послід і намагалися пояснити ефект іншими причинами подібного роду, але потім всі такі «фактори» були виключені. Вони знали, що будь-який шум, що приходить з атмосфери, завжди сильніше не тоді, коли детектор спрямований прямо вгору, а коли він нахилений, тому що промені світла, що йдуть з-за обрію, проходять через значно більш товсті шари атмосфери, ніж промені, що потрапляють в детектор прямо зверху. «Зайвий» ж шум однаковий, куди б не направляти детектор. Отже, джерело шуму повинен перебувати за межами атмосфери. Шум був однаковим і вдень, і вночі, і взагалі протягом року, незважаючи на те, що Земля обертається навколо своєї осі і продовжує своє обертання навколо Сонця. Це означало, що джерело випромінювання знаходиться за межами Сонячної системи і навіть за межами нашої Галактики, тому що в протилежному випадку інтенсивність випромінювання змінювалася б, оскільки у зв'язку з рухом Землі детектор змінює свою орієнтацію. Як ми знаємо, по дорозі до нас випромінювання проходить майже через всю спостережувану Всесвіт. Коли ж воно однаково у всіх напрямах, то, значить, і сам Всесвіт однакова у всіх напрямках, по крайней мере в великому масштабі. Тепер нам відомо, що, в якому б напрямку ми не проводили спостереження, цей шум змінюється не більше, ніж на одну десятитисячну. Так Пензіас і Вільсон, нічого не підозрюючи, дали дивно точне підтвердження першого припущення Фрідмана.
Приблизно в цей же час два американських фізика з розташованого по сусідству Прінстонського університету, Боб Дікке і Джим Піблс, теж займалися дослідженням мікрохвиль. Вони перевіряли припущення Джорджа Гамова (колишнього учня А. А. Фрідмана) про те, що рання Всесвіт була дуже гарячою, щільною і розпеченій до білого. Дікке і Піблс висловили ту думку, що ми можемо бачити свічення ранньому Всесвіті, бо світло, іспущенний дуже далекими її областями, міг би дійти до нас тільки зараз. Але через розширення Всесвіту червоне зміщення світлового спектру має бути така велика, що дійшов до нас світло буде вже мікрохвильовим (НВЧ) випромінюванням. Дікке і Піблс готувалися до пошуку такого випромінювання, коли Пензіас і Вільсон, дізнавшись про роботу Дікке і Піблс, зміркували, що вони його вже знайшли. Зa цей експеримент Пензіас і Вільсон були удостоєні Нобелівської премії 1978 р. (що було не зовсім справедливо, якщо згадати про Дікке і Піблс, не кажучи вже про Гамов!).
На перший погляд, той факт, що Всесвіт здається нам однаковою у всіх напрямках, може говорити про якусь вибраного нашого місця розташування у Всесвіті. Зокрема, раз ми бачимо, що всі інші галактики віддаляються від нас, значить, ми знаходимося в центрі Всесвіту. Але є й інше пояснення: Всесвіт буде виглядати однаково в усіх напрямках і в тому випадку, якщо дивитися на неї з якої-небудь іншої галактики. Це друга гіпотеза Фрідмана. Немає наукових доказів ні за, ні проти цього припущення, і його взяли, так би мовити, зі скромності: було б украй дивно, якщо б Всесвіт здавалася однаковою у всіх напрямках тільки навколо нас, а в інших її точках цього не було! У моделі Фрідмана всі галактики віддаляються один від одного. Це начебто як надута кулька, на який нанесені точки, якщо його все більше надувати. Відстань між будь-якими двома точками збільшується, але жодну з них не можна назвати центром розширення. Притому, чим більше відстань між точками, тим швидше вони віддаляються один від одного. Але і в моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються один від одного, пропорційна відстані між ними. Таким чином, модель Фрідмана пророкує, що червоне зміщення галактики має бути прямо пропорційно її віддаленості від нас, у точній відповідності з відкриттям Хаббла. Незважаючи на успіх цієї моделі і на згоду її прогнозів із спостереженнями Хаббла, робота Фрідмана залишалася невідомою на заході, і лише в 1935 р. американський фізик Говард Робертсон та англійський математик Артур Уолкер запропонували подібні моделі у зв'язку з відкриттям Хаббла.
Сам Фрідман розглядав тільки одну модель, але можна вказати три різні моделі, для яких виконуються обидва фундаментальних припущення Фрідмана. У моделі першого типу (відкритої самим Фрідманом) Всесвіт розширюється досить повільно для того, щоб згідно з гравітаційного тяжіння між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювалося і врешті-решт припинялося. Після цього галактики починають наближатися один до одного, і Всесвіт починає стискатися. Відстань зростає від нуля до якогось максимуму, а потім знову падає до нуля.
У моделі другого типу розширення Всесвіту відбувається так швидко, що гравітаційне тяжіння, хоч і уповільнює розширення, але не може його зупинити. Галактики віддаляються один від одного з постійною швидкістю.
І модель третього типу, у якій швидкість розширення Всесвіту тільки-тільки достатня для того, щоб уникнути стиску до нуля (колапсу). У цьому випадку відстань між галактиками теж спочатку дорівнює нулю, а потім весь час зростає. Правда, галактики «розбігаються» все з меншою і меншою швидкістю, але вона ніколи не падає до нуля.
Модель Фрідмана першого типу дивна тим, що в ній Всесвіт не нескінченна в просторі, хоча простір не має меж. Гравітація настільки сильна, що простір, викривляючись, замикається з самим собою, уподібнюючись земної поверхні. Адже, переміщаючись в певному напрямку по поверхні Землі, ви ніколи не натрапите на абсолютно непереборну перешкоду, не випала через край і, врешті-решт, повернетеся в ту ж саму точку, звідки вийшли. У першій моделі Фрідмана простір таке ж, але тільки замість двох вимірювань поверхню Землі має три виміри. Четвертий вимір, час, теж має кінцеву протяжність, але воно подібно відрізку прямої, що має початок і кінець. При об'єднанні загальної теорії відносності з квантовомеханічний принципом невизначеності, виявляється, що і простір, і час можуть бути кінцевими, не маючи при цьому ні країв, ні кордонів.
Думка про те, що можна обійти навколо Всесвіту і повернутися в те ж місце, годиться для наукової фантастики, але не має практичного значення, бо, як можна показати, Всесвіт встигне стиснутися до нуля до закінчення обходу. Щоб повернутися у вихідну точку до настання кінця Всесвіту, довелося б пересуватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, а це неможливо!
У першій моделі Фрідмана (у якій Всесвіт розширюється і стискується) простір викривляється, замикаючись саме на себе, як поверхня Землі. Тому розміри його кінцеві. У другій же моделі, в якій Всесвіт розширюється нескінченно, простір викривлене інакше, як поверхня сідла. Таким чином, у другому випадку простір нескінченно. Нарешті, в третій моделі Фрідмана (з критичною швидкістю розширення) простір плоске (і, отже, теж нескінченне).
Але яка ж з моделей Фрідмана годиться для нашого Всесвіту? Чи перестане Всесвіт нарешті розширюватися і почне стискатися або ж буде розширюватися вічно? Щоб відповісти на це питання, потрібно знати нинішню швидкість розширення Всесвіту і її середню густину. Якщо щільність менше деякого критичного значення, що залежить від швидкості розширення, то гравітаційне тяжіння буде занадто мало, щоб зупинити розширення. Якщо ж щільність більше критичної, то в якийсь момент в майбутньому через гравітації розширення Всесвіту припиниться і почнеться стиснення.
Сьогоднішню швидкість розширення Всесвіту можна визначити, вимірюючи (по ефекту Доплера) швидкості віддалення від нас інших галактик. Такі вимірювання можна виконати дуже точно. Але відстані до інших галактик нам погано відомі, тому що їх не можна виміряти безпосередньо. Ми знаємо лише, що Всесвіт розширюється за кожну тисячу мільйонів років на 5-10%. Проте невизначеність у сучасному значенні середньої щільності Всесвіту ще більше. Якщо скласти маси всіх досліджуваних зірок в нашій і в інших галактиках, то навіть при самій низькій оцінці швидкості розширення сума виявиться менше однієї сотої тієї щільності, яка необхідна для того, щоб розширення Всесвіту припинилося. Однак і в нашій, і в інших галактиках повинно бути багато «темної матерії», яку не можна бачити безпосередньо, але про існування якої ми дізнаємося з того, як її гравітаційне тяжіння впливає на орбіти зірок у галактиках. Крім того, галактики в основному спостерігаються у вигляді скупчень, і ми можемо аналогічним чином зробити висновок про наявність ще більшої кількості міжгалактичної темної матерії всередині цих скупчень, що впливає на рух галактик. Склавши масу всієї темної матерії, ми отримаємо лише одну десяту тієї кількості, яка необхідна для припинення розширення. Але не можна виключити можливість існування і якийсь інший форми матерії, розподіленої рівномірно по всій Всесвіту і ще не зареєстрованою, яка могла б довести середню щільність Всесвіту до критичного значення, необхідного, щоб зупинити розширення.
Таким чином, наявні дані говорять про те, що Всесвіт, ймовірно, буде розширюватися вічно. Єдине, в чому можна бути абсолютно впевненим, так це в тому, що якщо стиск Всесвіту все-таки відбудеться, то ніяк не раніше, ніж через десять тисяч мільйонів років, бо принаймні стільки часу вона вже розширюється. Але це не повинно нас занадто сильно турбувати: до того часу, якщо ми не переселимося за межі Сонячної системи, людяності давно вже не буде - воно згасне разом з Сонцем!
Всі варіанти моделі Фрідмана мають те спільне, що в якийсь момент часу в минулому (десять - двадцять тисяч мільйонів років тому) відстань між сусідніми галактиками повинно було дорівнювати нулю. У цей момент, який називається великим вибухом, щільність Всесвіту і кривизна простору-часу повинні були бути нескінченними. Оскільки математики реально не вміють поводитися з нескінченно великими величинами, це означає, що, відповідно до загальної теорії відносності (на якій базуються рішення Фрідмана), у Всесвіті повинна бути точка, в якій сама ця теорія незастосовна. Така точка в математиці називається особливої (сингулярної). Всі наші наукові теорії засновані на припущенні, що простір-час гладке і майже плоске, а тому всі ці теорії невірні в сингулярної точки великого вибуху, в якій кривизна простору-часу нескінченна. Отже, навіть якщо б перед великим вибухом відбувалися якісь події, за ними не можна було б спрогнозувати майбутнє, так як в точці великого вибуху можливості прогнозу звелися б до нуля. Точно так само, знаючи тільки те, що сталося після великого вибуху (а ми знаємо тільки це), ми не зможемо дізнатися, що відбувалося до нього. Події, які відбулися до великого вибуху, не можуть мати жодних наслідків, що стосуються нас, і тому не повинні фігурувати в науковій моделі Всесвіту. Отже, потрібно виключити їх з моделі і вважати початком відліку часу момент великого вибуху.
Думка про те, що в часу був початок, багатьом не подобається, можливо, тим, що в ній є натяк на втручання божественних сил [4]. У зв'язку з цим відомо кілька спроб обійтися без великого вибуху. Найбільшу підтримку отримала модель стаціонарного Всесвіту. Її авторами (1948) були X. Бонді і Т. Гоулд, які втекли з окупованої нацистами Австрії, і англієць Ф. Хойл, який під час війни працював з ними над проблемою радіолокації. Їхня ідея полягала в тому, що в міру «розбігання» галактик на звільнених місцях з нового безперервно народжується речовини весь час утворюються нові галактики. Отже, Всесвіт повинен виглядати приблизно однаково в усі моменти часу і у всіх точках простору. Звичайно, для безперервного «творіння» речовини була потрібна деяка модифікація теорії відносності, але потрібна швидкість творіння виявлялася такою малою (одна частинка на кубічний кілометр на рік), що не виникало ніяких протиріч з експериментом. Стаціонарна модель - це приклад хорошої наукової теорії: вона проста і дає певні передбачення, які можна перевіряти шляхом спостережень. Одне з її пророкувань таке: має бути постійним число галактик і інших аналогічних об'єктів у будь-якому заданому обсязі простору незалежно від того, коли і де у Всесвіті виробляються спостереження.
В кінці 50-х - початку 60-х років астрономи з Кембріджського університету під керівництвом М. Райла (який під час війни разом з Бонді, Гоулдом і Хойлом теж займався розробкою радіолокації) склали каталог джерел радіохвиль, що приходять із зовнішнього простору. Ця кембріджська група показала, що більша частина цих радіоджерел повинна знаходитися поза нашої Галактики (багато джерел можна було ототожнити навіть з іншими галактиками) і, крім того, що слабких джерел значно більше, ніж сильних. Слабкі джерела інтерпретувалися як більш віддалені, а сильні - як ті, що знаходяться ближче. Далі, виявилося, що кількість звичайних джерел в одиниці об'єму у віддалених областях більше, ніж поблизу. Це могло означати, що ми знаходимося в центрі величезної області Всесвіту, в якій менше джерел, ніж в інших місцях. Але можливо було й інше пояснення: в минулому, коли радіохвилі почали свій шлях до нас, джерел було більше, ніж зараз. Обидва ці пояснення суперечать прогнозам теорії стаціонарного Всесвіту. Крім того, мікрохвильове випромінювання, виявлене в 1965 р. Пензиасом і Вільсоном, теж вказувало на велику щільність Всесвіту в минулому, і тому від моделі стаціонарного Всесвіту довелося відмовитися.
У 1963 р. два радянських фізика, Є. М. Ліфшиць та І. М. Халатников, зробили ще одну спробу виключити великий вибух, а з ним і початок часу. Ліфшиц і Халатников висловили припущення, що великий вибух - особливість лише моделей Фрідмана, які, врешті-решт, дають лише наближений опис реальної Всесвіту. Не виключено, що зі всіх моделей, в якійсь мірі описують існуючу Всесвіт, сингулярність у точці великого вибуху виникає тільки в моделях Фрідмана. Згідно Фрідману, всі галактики віддаляються в прямому напрямку один від одного, і тому немає нічого дивного в тому, що коли-то в минулому всі вони знаходилися в одному місці. Однак, в реально існуючої Всесвіту галактики ніколи не розходяться точно по прямій: звичайно в них є ще й невеликі складові швидкості, спрямовані під кутом. Тому насправді галактик не потрібно знаходитися точно в одному місці - досить, щоб вони були розташовані дуже близько один до одного. Тоді нинішня розширюється Всесвіт міг виникнути не в сингулярної точки великого вибуху, а на який-небудь більш ранній фазі стиснення; може бути, при стисненні Всесвіту зіткнулися один з одним не всі частинки. Якась частка їх могла пролетіти повз один одного і знову розійтися в різні боки, в результаті чого і відбувається спостережуване зараз розширення Всесвіту. Як тоді визначити, чи був початком Всесвіту великий вибух? Ліфшиц і Халатников зайнялися вивченням моделей, які в загальних рисах були б схожі на моделі Фрідмана, але відрізнялися від фрідмановскіх тим, що в них враховувалися нерегулярності і випадковий характер реальних швидкостей галактик у Всесвіті. У результаті Ліфшиц і Халатников показали, що в таких моделях великий вибух міг бути початком Всесвіту навіть у тому випадку, якщо галактики не завжди розбігаються по прямій, але це могло виконуватися лише для дуже обмеженого кола моделей, в яких рух галактик відбувається певним чином. Оскільки ж моделей фрідмановского типу, що не містять великий вибух, нескінченно більше, ніж тих, які містять таку сингулярність, Ліфшиц і Халатников стверджували, що насправді великого вибуху не було. Однак пізніше вони знайшли набагато більш загальний клас моделей фрідмановского типу, які містять сингулярності і в яких зовсім не потрібно, щоб галактики рухалися якимось особливим чином. Тому в 1970 р. Ліфшиц і Халатников відмовилися від своєї теорії.
Тим не менш, їх робота мала дуже важливе значення, бо показала, що якщо вірна загальна теорія відносності, то Всесвіт могла мати особливу точку, великий вибух. Але ця робота не давала відповіді на головне питання: чи випливає з загальної теорії відносності, що у Всесвіті повинне було бути початок часу - великий вибух?
Відповідь на це питання було отримано при зовсім іншого підходу, запропонованому в 1965 р. англійським математиком і фізиком Роджером Пенроузом. Виходячи з поведінки світлових конусів в загальній теорії відносності і того, що гравітаційні сили завжди є силами тяжіння, Пенроуз показав, що коли зірка стискається під дією власних сил гравітації, вона обмежується областю, поверхня якої, зрештою, стискається до нуля. А раз поверхня цієї області стискається до нуля, те ж саме повинно відбуватися і з її обсягом. Вся речовина зірки буде зібране в нульовому обсязі, так що її щільність і кривизна простору-часу стануть нескінченними. Іншими словами, виникне сингулярність в якійсь області простору-часу, звана чорною дірою [5].
Незважаючи на те, що теорема Пенроуза ставилася, на перший погляд, тільки до зірок, С. Хокінг, автор книги «Від Великого Вибуху до чорних дірок», прочитавши у 1965 р. про теорему Пенроуза, згідно з якою будь-яке тіло в процесі гравітаційного колапсу має врешті-решт стиснутися в сингулярна точку, зрозумів, що якщо в цій теоремі змінити напрямок часу на зворотне, так щоб стиск перейшло в розширення, то ця теорема теж буде вірна, якщо Всесвіт зараз хоча б грубо наближено описується у великому масштабі моделлю Фрідмана. З міркувань технічного характеру в теорему Пенроуза було введено в якості умов вимогу, щоб Всесвіт була нескінченна в просторі. Тому на підставі цієї теореми Хокінг міг довести лише, що сингулярність повинна існувати, якщо розширення Всесвіту відбувається досить швидко, щоб не почалося повторне стиснення (бо тільки такі фрідмановскіе моделі нескінченні в просторі). Потім Хокінг кілька років розробляв новий математичний апарат, який дозволив би усунути це і інші технічні умови з теореми про необхідність сингулярності. У підсумку в 1970 р. Хокінг з Пенроузом написали спільну статтю, в якій нарешті довели, що сингулярна точка великого вибуху повинна існувати, спираючись тільки на те, що вірна загальна теорія відносності і що у Всесвіті міститься стільки речовини, скільки ми бачимо.
Схилення, обумовлене ефектом Доплера, виникає в тому випадку, коли рух джерела світла відносно спостерігача призводить до збільшення відстані між ними. У релятивістському випадку, коли швидкість руху джерела порівнянна зі швидкістю світла, червоне зміщення може виникнути і в тому випадку, якщо відстань між рухомим джерелом і приймачем не змінюється (поперечний ефект Доплера). Схилення, що виникає при цьому, інтерпретується як результат релятивістського «уповільнення» часу на джерелі по відношенню до спостерігача. Гравітаційне червоне зміщення виникає, коли приймач світла знаходиться в області з меншим (за модулем) гравітаційним потенціалом, ніж джерело. У класичній інтерпретації цього ефекту фотони втрачають частину енергії на подолання сил гравітації. У результаті характеризує фотон частота зменшується, а довжина хвилі випромінювання зростає. Прикладом гравітаційного червоного зсуву може служити спостерігається зміщення ліній у спектрах щільних зірок - білих карликів. Найбільші червоні зсуви спостерігаються в спектрах далеких позагалактичних об'єктів - галактик і квазарів [6] - і інтерпретуються як наслідок розширення Всесвіту.
При проведенні спектральних досліджень (у 1912 році) спіральних і еліптичних «туманностей» очікувалося, що якщо вони дійсно розташовані за межами нашої Галактики, то вони не беруть участь в її обертанні і тому їх променеві швидкості будуть свідчити про рух Сонця. Очікувалося, що ці швидкості будуть близько 200 - 300 км / с, тобто будуть відповідати швидкості руху Сонця навколо центру Галактики.
Однак променеві швидкості Галактик виявилися набагато більше, вони становили від 1200 км / с до 60900 км / с. У 1929 році Е. Хаббл вже мав можливість зіставити швидкість руху галактики V з відстанню до неї r для 36 об'єктів. Виявилося, що ці дві величини пов'язані умовою прямої пропорційності:
V = Hr
Це вираз отримало назву закону Хаббла, а постійна H - постійної Хаббла. Її чисельне значення Хаббл в 1929 році визначив у 500 км / (с * Мпк). Однак він помилився. Після багаторазових виправлень і уточнень цих відстаней значення постійної Хаббла зараз приймається рівним 50 км / (с * Мпк). Закон Хаббла використовується для визначення відстаней до далеких галактик і квазарів.
Якщо галактики розбігаються, то це значить, що раніше вони були ближче один до одного, інакше вся Всесвіт взагалі була стиснута якщо не в точку, то в щось дуже маленьке, а потім пішов «великий вибух». Знаючи швидкість розбігання галактик після «великого вибуху», можна підрахувати і час, який минув від часу «вибуху». Проблема підрахунку цього часу не так вже й проста. Незважаючи на дуже складні підрахунки ніхто до цих пір точної відповіді не дав, проте в загальному вчені сходяться на часі від 13 до 20 мільярдів років.
III. Космічні монстри
Знаючи приблизно вік нашого Всесвіту, ми можемо визначити і її зразкові розміри.
Після другої світової війни, коли вже були винайдені радіолокатори, в астрономії стали використовуватися радіотелескопи. З їх допомогою були відкриті різні радіоджерел, в тому числі до 1963 р. стали відомі п'ять точкових джерел космічного радіовипромінювання, які спочатку назвали «радіозвездамі». Але незабаром цей термін був визнаний не дуже вдалим, і ці джерела радіовипромінювання були названі квазі-зірковими радіоджерелами, або, скорочено, квазарами.
Досліджуючи спектр квазарів, астрономи з'ясували, що квазари взагалі самі далекі з відомих космічних об'єктів. Зараз відомо близько 1500 квазарів. Найдальший з них віддалений від нас приблизно на 15 мільярдів світлових років [7]. Одночасно він і найшвидший. Він тікає від нас зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Тому розміри нашого Всесвіту обмежуються радіусом у 15 мільярдів світлових років, або 142.000.000.000.000.000.000.000 кілометра.
Квазар випромінює світло в десятки і сотні разів сильніше, ніж самі великі галактики, що складаються з сотень мільярдів зірок. Квазари випромінюють в усьому електромагнітному діапазоні від рентгенівських хвиль до радіохвиль. Навіть середній квазар яскравіше 300 мільярдів зірок, а блиск квазарів змінюється з дуже маленькими періодами - тижні, дні і навіть хвилини. Оскільки у світі немає нічого швидше за світло, то це означає, що розміри квазарів дуже малі. Раз весь квазар змінює свою яскравість, значить це єдиний процес, який за Квазару не може поширюватися зі швидкістю більшою за швидкість світла. Наприклад, квазар з періодом зміни яскравості в 200 секунд повинен мати поперечник не більше радіуса земної орбіти і при цьому випромінювати світла більше ніж 300 мільярдів зірок.
Єдиної думки про природу квазарів ще немає. Проте, вони знаходяться від нас на такій відстані, що світло доходить до нас за час до 15 мільярдів світлових років. А значить, ми бачимо процеси, які в нас відбувалися приблизно 15 мільярдів років тому, тобто після «великого вибуху».
Ось тепер ми можемо сказати, що радіус нашого Всесвіту приблизно 15 мільярдів світлових років. Як ми зазначали вище, вік її приблизно і становить 15 мільярдів світлових років.
Однак, на цей рахунок є певні сумніви. Дійсно, квазар, щоб послати нам промінь світла, вже повинен бути там, де ми його бачимо. Тому, якщо сам він рухався зі швидкістю світла, від точки «великого вибуху» повинен летіти протягом тих же 15 мільярдів років. Тому вік всесвіту повинен бути, принаймні вдвічі більше, тобто - 30 мільярдів років.
Не можна не відзначити, що вимірювання характеристик об'єктів, що знаходяться на краю Всесвіту, проводиться на межах можливості астрономічних інструментів. Крім того, суперечки між вченими ще далекі від завершення. Тому точність наведених цифр дуже відносна. У зв'язку з цим, я використовую цифри, які згадуються в більшості публікацій.
Що далі за цими межами, ми не знаємо. Можливо, не дізнаємося ніколи. І можна вважати, що немає нічого. Тому наш Всесвіт і є Всесвіт взагалі.
Подивимося, що ж наповнює наш Всесвіт.
Загалом, вона майже порожня. У неймовірно величезному порожньому просторі зрідка вкраплені скупчення галактик (фото 2). Сьогодні найбільші телескопи дозволяють зареєструвати галактики по всьому Всесвіті, і підраховано, що в ній близько двохсот мільйонів (деякі вважають, що до півтора мільярдів) галактик, кожна з яких складається з мільярдів зірок. Групи скупчення і сверхскопленія галактик розташовані головним чином в порівняно тонких шарах або ланцюжках. Шари і ланцюжки перетинаються, з'єднуються один з одним і утворюють колосальні осередку неправильної форми, усередині яких галактик практично немає.
Поняття «чорні діри» багато в чому базується на теорії відносності Ейнштейна. Але теорія ця не така вже й проста, тому спробуємо пояснити це поняття більш зрозуміло для непрофесіоналів.
Перш за все, ми знаємо, що таке гравітація. Принаймні знаємо, що якщо кинути склянку, то він впаде на землю. Земля його притягує. Взагалі всі тіла, що мають масу, притягуються одне до одного. Світ теж має масу. Ще Столєтов визначив, що світло тисне на освітлене тіло. Дійсно, світло це електромагнітна хвиля, яка володіє енергією. А енергія, згідно з рівнянням Енштейна - Е = mс 2, володіє масою m. Тому світло також притягається масою. Наприклад, якщо промінь світла пролітає повз планети або зірки, то він відхиляється в її бік. Причому, чим більша зірка притягує світло, тим більше він відхиляється.
Може бути, таке сильне гравітаційне тяжіння, що світло не тільки впаде на зірку, але навіть квант світлового випромінювання не зможе її покинути. І не тільки світло, але і взагалі нічого не зможе залишити тіло з такою потужною гравітацією. Всі на неї буде тільки падати. Це називається гравітаційний колапс. Тіло таке називається Отон (від абревіатури ОТО - загальна теорія відносності) або просто - «Чорна діра».
Проте є, все-таки, процеси при яких щось чорну діру залишає. Тут ми вже втручаємося в область квантової механіки. Взагалі кажучи, квантова механіка це набір формул, які дозволяють математично описати деякі не дуже зрозумілі фізичні явища в галузі фізики елементарних частинок. Сама ж природа цих явищ не дуже зрозуміла і самим фізикам.
У принципі, ефекти квантової механіки відбуваються через те, що елементарні частинки є як би одночасно і частинками, і хвилями. Причому, чим менше частка, тим більше вона проявляє хвильові властивості. Мало того, дуже маленькі частинки зовсім не схожі на маленькі кульки. Вони як би можуть з певною ймовірністю бути в різних місцях. Причому, ніякі перепони їх не зупиняють. Але найчастіше вони знаходяться в деякому одному місці. Цей ефект, званий «Тунельний ефект», використовується в техніці. Наприклад, в стабілітронах, це спеціальний напівпровідниковий діод, застосовуваний часто в стабілізаторах напруги, є в блоці живлення будь-якого комп'ютера чи телевізора. Так ось, розміри чорної діри порівняно невеликі, а маса там величезна. Тому дуже маленькі елементарні частинки в силу своєї квантової природи можуть опинитися поза чорної дірки і більше туди не повертаються. Це називається випаровування чорної діри. Оскільки чорна діра має своє гравітаційне поле, а також магнітне і електричні поля і швидко обертається, то випаровуються частки не утворюють сферично симетричної оболонки навколо чорної діри, а формують як би струменя у двох протилежних напрямках.
Якщо чорна діра невелика, то випаровується вона дуже швидко. Якщо ж дуже велика, і приплив нової падаючої на чорну діру маси (це називається - акреція) компенсує випаровування, то чорна діра може існувати дуже довго. При цьому, маса речовини, що з'являється навколо чорної дірки за рахунок її випаровування, у свою чергу компенсує масу, що падає на чорну діру. Саме величезні чорні дірки і є основою галактик.
Галактики ми бачимо тому, що вони випромінюють світло, тобто енергію. Тому, втрачаючи все більше енергії і речовини, галактики старіють. З часом баланс падаючого на чорну діру речовини і випарувався порушується. Чорна діра втрачає масу, з часом випаровується повністю, і тоді ми бачимо галактику неправильної форми. Галактика вмирає.
IV. Що ж чекає Всесвіт у майбутньому?
Незважаючи на прискорене розширення Всесвіту, наша Галактика Чумацький Шлях неухильно зближається зі своєю сусідкою - Туманністю Андромеди. Їх зіткнення повинне відбутися ще до загибелі Сонця і навіть Землі. Американські астрономи побудували комп'ютерну модель цього зіткнення, щоб зрозуміти, чому ж воно загрожує нашій Сонячній системі.
Оскільки Всесвіт розширюється, ми бачимо «розбігання» галактик. Кожна галактика, яку ми спостерігаємо, віддаляється від Землі, Сонця, нашої Галактики. Чим далі від нас галактика, тим більше швидкість її видалення, і ця залежність описується законом Хаббла, що вперше знайшов сам факт розширення Всесвіту. Але і з правил є винятки. Наша сусідка, величезна галактика в сузір'ї Андромеди (також відома як M31) не видаляється, а наближається до нас зі швидкістю 120 кілометрів на секунду! Це означає, що через кілька мільярдів років дві галактики - Туманність Андромеди і Чумацький Шлях - досягнуто один одного, і почнеться довгий процес злиття двох зоряних островів.
Це злиття буде катастрофічним для обох галактик: вони до невпізнання змінять свою форму, спіральні рукави розірвуться під дією гравітації, а траєкторії руху зірок у галактиках зміняться. Так що ж тоді станеться з нашою Сонячною системою?
На щастя, нічого страшного, стверджують астрономи Томас Кокс і Абрахам Лоуб з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Кембридж, штат Массачусетс, США). Вони провели детальне математичне дослідження, підсумком якого стала стаття в якій вони наводять результати моделювання катастрофи космічного масштабу і оцінюють варіанти майбутнього для нашої Сонячної системи.
Наша Галактика (Чумацький Шлях) і галактика в сузір'ї Андромеди (Туманність Андромеди) разом з 40 меншими зоряними острівцями входять в Місцеве скупчення галактик в якості двох самих великих членів цієї групи. Тоді як більшість галактик видаляються геть від нас, підкоряючись розширенню Всесвіту, Місцеве скупчення галактик пов'язане гравітаційною взаємодією, яка не дає його складовим розбігатися.
4,7 мільярда років тому (коли утворилося наше Сонце) Туманність Андромеди і Чумацький Шлях знаходилися на відстані 4,2 мільйони світлових років один від одного. Але оскільки галактики зближуються, до теперішнього часу це відстань скоротилася до 2,6 мільйонів світлових років. Зближення продовжується і призведе врешті-решт до зіткнення. Тим не менш розрахунки показують, що зіткнення не буде «лобовим». Через 2 мільярди років дві галактики лише «зачепляться» спіральними рукавами: їх ядра пройдуть один від одного на відстані пари сотень тисяч світлових років. Тим не менш, цієї відстані буде достатньо, щоб галактики закрутилися в смертельній гравітаційної спіралі.
Під час цього першого взаємодії, з імовірністю 12%, Сонячна система буде вигнана з галактичного диска Чумацького Шляху і потрапить в приливній хвіст, який почне спливати з нашої Галактики. А з ймовірністю менше 3% Сонце набере таку швидкість, що перейде в галактику М31, покинувши Чумацький Шлях (але, залишиться в загальній зоряній системі).
На час початку зіткнення Земля ще буде обертатися навколо Сонця по своїй орбіті. Але через 2 мільярди років зростаюче випромінювання Сонця буде загрожувати життю на Землі більше, ніж космічне зіткнення. Щоб зберегти життя на нашій планеті, майбутнім вченим доведеться знайти спосіб переміщення блакитної планети на безпечну відстань від розбушувався світила.
Після первинної зачіпки рукавами галактики створять своєю гравітацією загальний центр ваги і почнуть обертатися навколо нього по дивній, що змінюється орбіті. Загорнувши під дією тяжіння один до одного, галактики знову «зачепляться» вже неабияк «пошарпаними» спіралями. Потім боротьба продовжиться, і галактики, трохи віддаляючись і знову стикаючись, будуть «смикати» один одного за боки ще і ще, поки врешті-решт з обох систем не утворюється гігантський рій зірок, який також буде рухатися навколо загального центру тяжіння.
Але в центрах обох галактик є супермасивних чорні діри, які в цьому катаклізм повинні будуть зблизитися один з одним по спіралі і об'єднатися в єдину, ще більш масивну чорну діру. На сьогоднішній день відомо, що подвійні супермасивних чорні діри можуть стати вельми активними галактичними «грубками», сприяють активізації навколишнього їхнього газу і пилу для подальшого бурхливого зореутворення. По всій імовірності, такі взаємодії виштовхнуть Сонце в зовнішній ореол нової галактики на відстань принаймні 100 000 світлових років від центру, що, втім, благополучно дозволить уникнути долі бути проковтнутим чорною дірою.
Через 7 мільярдів років, коли наше Сонце буде перебувати на останньому етапі свого життя, перетворившись на червоний гігант, а Земля (якщо не переміститься на іншу орбіту) буде представляти із себе розпечений куля, галактики зіллються остаточно, і у Всесвіті з'явиться нова галактика - Milkomeda (Млечномеда), як назвали її автори статті.
Млечномеда буде величезною еліптичної галактики, без будь-якого натяку на спіральні рукави, які колись прикрашали обидві вихідні галактики. Далі нову зоряну систему чекає спокійна і розмірене життя, позбавлене назавжди ексцесів, пов'язаних із зіткненнями. Бурхливий зореутворення поступиться місцем рівномірному і повільного утворення нових зірок з залишився газу і пилу.
Через 100 мільярдів років всі навколишні Млечномеду галактики (за винятком гравітаційно-зв'язаних), підкоряючись закону Хаббла, зникнуть з поля зору її жителів. Це не означає, що галактики випаруються. Просто вони втечуть настільки, що досягнутий у своєму розбігання швидкості світла, тому іспущенние зірками цих галактик фотони вже не зможуть досягти Млечномеди. Позагалактична астрономія втратить свій сенс і закінчиться, а Млечномеда буде представляти із себе всю видиму Всесвіт.
Через 100 мільярдів років ...
Висновок
Я постарався з'ясувати деякі моменти, пов'язані з «розбігання» Галактик (розширенням Всесвіту). Ми можемо спостерігати (і спостерігаємо) джерела, які і в момент випромінювання, і зараз мають швидкість втечі, що перевищує швидкість світла. Відстані до далеких об'єктів перевищують твір швидкості світла і віку Всесвіту. Відстань, на якому швидкість втечі порівнюється зі світловою, не є горизонтом (тобто кордоном видимої частини Всесвіту), і взагалі не є фізично виділеним відстанню (об'єкти прямо перед цією межею і прямо за нею нічим не відрізняються принципово, як не відрізняються і умови їх спостережень). Обрієм спостережуваного Всесвіту є горизонт частинок, на ньому джерела мають нескінченні червоні зсуви.
Російські астрономи проводять спостереження на багатьох телескопах Росії, ближнього і далекого зарубіжжя: на 6-метровому телескопі оптичному і на 600-метровому радіотелескопі Спеціальної астрофізичної обсерваторії Російської Академії наук, на телескопах Пулковської і Кримської обсерваторіях, а також на деяких великих телескопах у Франції, Іспанії і навіть на Гавайських островах.
Сучасна астрономія вивчає найрізноманітніші об'єкти - від близьких до нас планет і їх супутників до далеких галактик, квазарів і скупчень галактик. Ось деякі з їхніх основних тем, над якими працюють російські вчені:
- Фрактальна структура Всесвіту;
- Галактики на надвеликих відстанях;
- Спостереження галактик з активними ядрами;
- Теорія освіти галактик;
- Прихована маса в галактиках;
- Дослідження спіральної структури нашої Галактики;
- Обробка надточних даних про положення зірок з супутника;
- Процеси взаємодії випромінювання і речовини в різних космічних об'єктах;
- Спостереження рентгенівських джерел;
- Синтез хімічних елементів в зірках;
- Вивчення зірок з протопланетними системами;
- Нові математичні методи обробки астрономічних спостережень;
- Розрахунок конструкції і оптики телескопів.
Список літератури:
І. Климишин «Елементарна астрономія».
С. Хокінг «Від Великого Вибуху до чорних дірок». Фізика космосу: маленька енциклопедія.
Інтернет-сайт www.sciam.ru.
Думка про те, що в часу був початок, багатьом не подобається, можливо, тим, що в ній є натяк на втручання божественних сил [4]. У зв'язку з цим відомо кілька спроб обійтися без великого вибуху. Найбільшу підтримку отримала модель стаціонарного Всесвіту. Її авторами (1948) були X. Бонді і Т. Гоулд, які втекли з окупованої нацистами Австрії, і англієць Ф. Хойл, який під час війни працював з ними над проблемою радіолокації. Їхня ідея полягала в тому, що в міру «розбігання» галактик на звільнених місцях з нового безперервно народжується речовини весь час утворюються нові галактики. Отже, Всесвіт повинен виглядати приблизно однаково в усі моменти часу і у всіх точках простору. Звичайно, для безперервного «творіння» речовини була потрібна деяка модифікація теорії відносності, але потрібна швидкість творіння виявлялася такою малою (одна частинка на кубічний кілометр на рік), що не виникало ніяких протиріч з експериментом. Стаціонарна модель - це приклад хорошої наукової теорії: вона проста і дає певні передбачення, які можна перевіряти шляхом спостережень. Одне з її пророкувань таке: має бути постійним число галактик і інших аналогічних об'єктів у будь-якому заданому обсязі простору незалежно від того, коли і де у Всесвіті виробляються спостереження.
В кінці 50-х - початку 60-х років астрономи з Кембріджського університету під керівництвом М. Райла (який під час війни разом з Бонді, Гоулдом і Хойлом теж займався розробкою радіолокації) склали каталог джерел радіохвиль, що приходять із зовнішнього простору. Ця кембріджська група показала, що більша частина цих радіоджерел повинна знаходитися поза нашої Галактики (багато джерел можна було ототожнити навіть з іншими галактиками) і, крім того, що слабких джерел значно більше, ніж сильних. Слабкі джерела інтерпретувалися як більш віддалені, а сильні - як ті, що знаходяться ближче. Далі, виявилося, що кількість звичайних джерел в одиниці об'єму у віддалених областях більше, ніж поблизу. Це могло означати, що ми знаходимося в центрі величезної області Всесвіту, в якій менше джерел, ніж в інших місцях. Але можливо було й інше пояснення: в минулому, коли радіохвилі почали свій шлях до нас, джерел було більше, ніж зараз. Обидва ці пояснення суперечать прогнозам теорії стаціонарного Всесвіту. Крім того, мікрохвильове випромінювання, виявлене в 1965 р. Пензиасом і Вільсоном, теж вказувало на велику щільність Всесвіту в минулому, і тому від моделі стаціонарного Всесвіту довелося відмовитися.
У 1963 р. два радянських фізика, Є. М. Ліфшиць та І. М. Халатников, зробили ще одну спробу виключити великий вибух, а з ним і початок часу. Ліфшиц і Халатников висловили припущення, що великий вибух - особливість лише моделей Фрідмана, які, врешті-решт, дають лише наближений опис реальної Всесвіту. Не виключено, що зі всіх моделей, в якійсь мірі описують існуючу Всесвіт, сингулярність у точці великого вибуху виникає тільки в моделях Фрідмана. Згідно Фрідману, всі галактики віддаляються в прямому напрямку один від одного, і тому немає нічого дивного в тому, що коли-то в минулому всі вони знаходилися в одному місці. Однак, в реально існуючої Всесвіту галактики ніколи не розходяться точно по прямій: звичайно в них є ще й невеликі складові швидкості, спрямовані під кутом. Тому насправді галактик не потрібно знаходитися точно в одному місці - досить, щоб вони були розташовані дуже близько один до одного. Тоді нинішня розширюється Всесвіт міг виникнути не в сингулярної точки великого вибуху, а на який-небудь більш ранній фазі стиснення; може бути, при стисненні Всесвіту зіткнулися один з одним не всі частинки. Якась частка їх могла пролетіти повз один одного і знову розійтися в різні боки, в результаті чого і відбувається спостережуване зараз розширення Всесвіту. Як тоді визначити, чи був початком Всесвіту великий вибух? Ліфшиц і Халатников зайнялися вивченням моделей, які в загальних рисах були б схожі на моделі Фрідмана, але відрізнялися від фрідмановскіх тим, що в них враховувалися нерегулярності і випадковий характер реальних швидкостей галактик у Всесвіті. У результаті Ліфшиц і Халатников показали, що в таких моделях великий вибух міг бути початком Всесвіту навіть у тому випадку, якщо галактики не завжди розбігаються по прямій, але це могло виконуватися лише для дуже обмеженого кола моделей, в яких рух галактик відбувається певним чином. Оскільки ж моделей фрідмановского типу, що не містять великий вибух, нескінченно більше, ніж тих, які містять таку сингулярність, Ліфшиц і Халатников стверджували, що насправді великого вибуху не було. Однак пізніше вони знайшли набагато більш загальний клас моделей фрідмановского типу, які містять сингулярності і в яких зовсім не потрібно, щоб галактики рухалися якимось особливим чином. Тому в 1970 р. Ліфшиц і Халатников відмовилися від своєї теорії.
Тим не менш, їх робота мала дуже важливе значення, бо показала, що якщо вірна загальна теорія відносності, то Всесвіт могла мати особливу точку, великий вибух. Але ця робота не давала відповіді на головне питання: чи випливає з загальної теорії відносності, що у Всесвіті повинне було бути початок часу - великий вибух?
Відповідь на це питання було отримано при зовсім іншого підходу, запропонованому в 1965 р. англійським математиком і фізиком Роджером Пенроузом. Виходячи з поведінки світлових конусів в загальній теорії відносності і того, що гравітаційні сили завжди є силами тяжіння, Пенроуз показав, що коли зірка стискається під дією власних сил гравітації, вона обмежується областю, поверхня якої, зрештою, стискається до нуля. А раз поверхня цієї області стискається до нуля, те ж саме повинно відбуватися і з її обсягом. Вся речовина зірки буде зібране в нульовому обсязі, так що її щільність і кривизна простору-часу стануть нескінченними. Іншими словами, виникне сингулярність в якійсь області простору-часу, звана чорною дірою [5].
Незважаючи на те, що теорема Пенроуза ставилася, на перший погляд, тільки до зірок, С. Хокінг, автор книги «Від Великого Вибуху до чорних дірок», прочитавши у 1965 р. про теорему Пенроуза, згідно з якою будь-яке тіло в процесі гравітаційного колапсу має врешті-решт стиснутися в сингулярна точку, зрозумів, що якщо в цій теоремі змінити напрямок часу на зворотне, так щоб стиск перейшло в розширення, то ця теорема теж буде вірна, якщо Всесвіт зараз хоча б грубо наближено описується у великому масштабі моделлю Фрідмана. З міркувань технічного характеру в теорему Пенроуза було введено в якості умов вимогу, щоб Всесвіт була нескінченна в просторі. Тому на підставі цієї теореми Хокінг міг довести лише, що сингулярність повинна існувати, якщо розширення Всесвіту відбувається досить швидко, щоб не почалося повторне стиснення (бо тільки такі фрідмановскіе моделі нескінченні в просторі). Потім Хокінг кілька років розробляв новий математичний апарат, який дозволив би усунути це і інші технічні умови з теореми про необхідність сингулярності. У підсумку в 1970 р. Хокінг з Пенроузом написали спільну статтю, в якій нарешті довели, що сингулярна точка великого вибуху повинна існувати, спираючись тільки на те, що вірна загальна теорія відносності і що у Всесвіті міститься стільки речовини, скільки ми бачимо.
Схилення, обумовлене ефектом Доплера, виникає в тому випадку, коли рух джерела світла відносно спостерігача призводить до збільшення відстані між ними. У релятивістському випадку, коли швидкість руху джерела порівнянна зі швидкістю світла, червоне зміщення може виникнути і в тому випадку, якщо відстань між рухомим джерелом і приймачем не змінюється (поперечний ефект Доплера). Схилення, що виникає при цьому, інтерпретується як результат релятивістського «уповільнення» часу на джерелі по відношенню до спостерігача. Гравітаційне червоне зміщення виникає, коли приймач світла знаходиться в області з меншим (за модулем) гравітаційним потенціалом, ніж джерело. У класичній інтерпретації цього ефекту фотони втрачають частину енергії на подолання сил гравітації. У результаті характеризує фотон частота зменшується, а довжина хвилі випромінювання зростає. Прикладом гравітаційного червоного зсуву може служити спостерігається зміщення ліній у спектрах щільних зірок - білих карликів. Найбільші червоні зсуви спостерігаються в спектрах далеких позагалактичних об'єктів - галактик і квазарів [6] - і інтерпретуються як наслідок розширення Всесвіту.
При проведенні спектральних досліджень (у 1912 році) спіральних і еліптичних «туманностей» очікувалося, що якщо вони дійсно розташовані за межами нашої Галактики, то вони не беруть участь в її обертанні і тому їх променеві швидкості будуть свідчити про рух Сонця. Очікувалося, що ці швидкості будуть близько 200 - 300 км / с, тобто будуть відповідати швидкості руху Сонця навколо центру Галактики.
Однак променеві швидкості Галактик виявилися набагато більше, вони становили від 1200 км / с до 60900 км / с. У 1929 році Е. Хаббл вже мав можливість зіставити швидкість руху галактики V з відстанню до неї r для 36 об'єктів. Виявилося, що ці дві величини пов'язані умовою прямої пропорційності:
V = Hr
Це вираз отримало назву закону Хаббла, а постійна H - постійної Хаббла. Її чисельне значення Хаббл в 1929 році визначив у 500 км / (с * Мпк). Однак він помилився. Після багаторазових виправлень і уточнень цих відстаней значення постійної Хаббла зараз приймається рівним 50 км / (с * Мпк). Закон Хаббла використовується для визначення відстаней до далеких галактик і квазарів.
Якщо галактики розбігаються, то це значить, що раніше вони були ближче один до одного, інакше вся Всесвіт взагалі була стиснута якщо не в точку, то в щось дуже маленьке, а потім пішов «великий вибух». Знаючи швидкість розбігання галактик після «великого вибуху», можна підрахувати і час, який минув від часу «вибуху». Проблема підрахунку цього часу не так вже й проста. Незважаючи на дуже складні підрахунки ніхто до цих пір точної відповіді не дав, проте в загальному вчені сходяться на часі від 13 до 20 мільярдів років.
III. Космічні монстри
Знаючи приблизно вік нашого Всесвіту, ми можемо визначити і її зразкові розміри.
Після другої світової війни, коли вже були винайдені радіолокатори, в астрономії стали використовуватися радіотелескопи. З їх допомогою були відкриті різні радіоджерел, в тому числі до 1963 р. стали відомі п'ять точкових джерел космічного радіовипромінювання, які спочатку назвали «радіозвездамі». Але незабаром цей термін був визнаний не дуже вдалим, і ці джерела радіовипромінювання були названі квазі-зірковими радіоджерелами, або, скорочено, квазарами.
Досліджуючи спектр квазарів, астрономи з'ясували, що квазари взагалі самі далекі з відомих космічних об'єктів. Зараз відомо близько 1500 квазарів. Найдальший з них віддалений від нас приблизно на 15 мільярдів світлових років [7]. Одночасно він і найшвидший. Він тікає від нас зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Тому розміри нашого Всесвіту обмежуються радіусом у 15 мільярдів світлових років, або 142.000.000.000.000.000.000.000 кілометра.
Квазар випромінює світло в десятки і сотні разів сильніше, ніж самі великі галактики, що складаються з сотень мільярдів зірок. Квазари випромінюють в усьому електромагнітному діапазоні від рентгенівських хвиль до радіохвиль. Навіть середній квазар яскравіше 300 мільярдів зірок, а блиск квазарів змінюється з дуже маленькими періодами - тижні, дні і навіть хвилини. Оскільки у світі немає нічого швидше за світло, то це означає, що розміри квазарів дуже малі. Раз весь квазар змінює свою яскравість, значить це єдиний процес, який за Квазару не може поширюватися зі швидкістю більшою за швидкість світла. Наприклад, квазар з періодом зміни яскравості в 200 секунд повинен мати поперечник не більше радіуса земної орбіти і при цьому випромінювати світла більше ніж 300 мільярдів зірок.
Єдиної думки про природу квазарів ще немає. Проте, вони знаходяться від нас на такій відстані, що світло доходить до нас за час до 15 мільярдів світлових років. А значить, ми бачимо процеси, які в нас відбувалися приблизно 15 мільярдів років тому, тобто після «великого вибуху».
Ось тепер ми можемо сказати, що радіус нашого Всесвіту приблизно 15 мільярдів світлових років. Як ми зазначали вище, вік її приблизно і становить 15 мільярдів світлових років.
Однак, на цей рахунок є певні сумніви. Дійсно, квазар, щоб послати нам промінь світла, вже повинен бути там, де ми його бачимо. Тому, якщо сам він рухався зі швидкістю світла, від точки «великого вибуху» повинен летіти протягом тих же 15 мільярдів років. Тому вік всесвіту повинен бути, принаймні вдвічі більше, тобто - 30 мільярдів років.
Не можна не відзначити, що вимірювання характеристик об'єктів, що знаходяться на краю Всесвіту, проводиться на межах можливості астрономічних інструментів. Крім того, суперечки між вченими ще далекі від завершення. Тому точність наведених цифр дуже відносна. У зв'язку з цим, я використовую цифри, які згадуються в більшості публікацій.
Що далі за цими межами, ми не знаємо. Можливо, не дізнаємося ніколи. І можна вважати, що немає нічого. Тому наш Всесвіт і є Всесвіт взагалі.
Подивимося, що ж наповнює наш Всесвіт.
Загалом, вона майже порожня. У неймовірно величезному порожньому просторі зрідка вкраплені скупчення галактик (фото 2). Сьогодні найбільші телескопи дозволяють зареєструвати галактики по всьому Всесвіті, і підраховано, що в ній близько двохсот мільйонів (деякі вважають, що до півтора мільярдів) галактик, кожна з яких складається з мільярдів зірок. Групи скупчення і сверхскопленія галактик розташовані головним чином в порівняно тонких шарах або ланцюжках. Шари і ланцюжки перетинаються, з'єднуються один з одним і утворюють колосальні осередку неправильної форми, усередині яких галактик практично немає.
Поняття «чорні діри» багато в чому базується на теорії відносності Ейнштейна. Але теорія ця не така вже й проста, тому спробуємо пояснити це поняття більш зрозуміло для непрофесіоналів.
Перш за все, ми знаємо, що таке гравітація. Принаймні знаємо, що якщо кинути склянку, то він впаде на землю. Земля його притягує. Взагалі всі тіла, що мають масу, притягуються одне до одного. Світ теж має масу. Ще Столєтов визначив, що світло тисне на освітлене тіло. Дійсно, світло це електромагнітна хвиля, яка володіє енергією. А енергія, згідно з рівнянням Енштейна - Е = mс 2, володіє масою m. Тому світло також притягається масою. Наприклад, якщо промінь світла пролітає повз планети або зірки, то він відхиляється в її бік. Причому, чим більша зірка притягує світло, тим більше він відхиляється.
Може бути, таке сильне гравітаційне тяжіння, що світло не тільки впаде на зірку, але навіть квант світлового випромінювання не зможе її покинути. І не тільки світло, але і взагалі нічого не зможе залишити тіло з такою потужною гравітацією. Всі на неї буде тільки падати. Це називається гравітаційний колапс. Тіло таке називається Отон (від абревіатури ОТО - загальна теорія відносності) або просто - «Чорна діра».
Проте є, все-таки, процеси при яких щось чорну діру залишає. Тут ми вже втручаємося в область квантової механіки. Взагалі кажучи, квантова механіка це набір формул, які дозволяють математично описати деякі не дуже зрозумілі фізичні явища в галузі фізики елементарних частинок. Сама ж природа цих явищ не дуже зрозуміла і самим фізикам.
У принципі, ефекти квантової механіки відбуваються через те, що елементарні частинки є як би одночасно і частинками, і хвилями. Причому, чим менше частка, тим більше вона проявляє хвильові властивості. Мало того, дуже маленькі частинки зовсім не схожі на маленькі кульки. Вони як би можуть з певною ймовірністю бути в різних місцях. Причому, ніякі перепони їх не зупиняють. Але найчастіше вони знаходяться в деякому одному місці. Цей ефект, званий «Тунельний ефект», використовується в техніці. Наприклад, в стабілітронах, це спеціальний напівпровідниковий діод, застосовуваний часто в стабілізаторах напруги, є в блоці живлення будь-якого комп'ютера чи телевізора. Так ось, розміри чорної діри порівняно невеликі, а маса там величезна. Тому дуже маленькі елементарні частинки в силу своєї квантової природи можуть опинитися поза чорної дірки і більше туди не повертаються. Це називається випаровування чорної діри. Оскільки чорна діра має своє гравітаційне поле, а також магнітне і електричні поля і швидко обертається, то випаровуються частки не утворюють сферично симетричної оболонки навколо чорної діри, а формують як би струменя у двох протилежних напрямках.
Якщо чорна діра невелика, то випаровується вона дуже швидко. Якщо ж дуже велика, і приплив нової падаючої на чорну діру маси (це називається - акреція) компенсує випаровування, то чорна діра може існувати дуже довго. При цьому, маса речовини, що з'являється навколо чорної дірки за рахунок її випаровування, у свою чергу компенсує масу, що падає на чорну діру. Саме величезні чорні дірки і є основою галактик.
Галактики ми бачимо тому, що вони випромінюють світло, тобто енергію. Тому, втрачаючи все більше енергії і речовини, галактики старіють. З часом баланс падаючого на чорну діру речовини і випарувався порушується. Чорна діра втрачає масу, з часом випаровується повністю, і тоді ми бачимо галактику неправильної форми. Галактика вмирає.
IV. Що ж чекає Всесвіт у майбутньому?
Незважаючи на прискорене розширення Всесвіту, наша Галактика Чумацький Шлях неухильно зближається зі своєю сусідкою - Туманністю Андромеди. Їх зіткнення повинне відбутися ще до загибелі Сонця і навіть Землі. Американські астрономи побудували комп'ютерну модель цього зіткнення, щоб зрозуміти, чому ж воно загрожує нашій Сонячній системі.
Оскільки Всесвіт розширюється, ми бачимо «розбігання» галактик. Кожна галактика, яку ми спостерігаємо, віддаляється від Землі, Сонця, нашої Галактики. Чим далі від нас галактика, тим більше швидкість її видалення, і ця залежність описується законом Хаббла, що вперше знайшов сам факт розширення Всесвіту. Але і з правил є винятки. Наша сусідка, величезна галактика в сузір'ї Андромеди (також відома як M31) не видаляється, а наближається до нас зі швидкістю 120 кілометрів на секунду! Це означає, що через кілька мільярдів років дві галактики - Туманність Андромеди і Чумацький Шлях - досягнуто один одного, і почнеться довгий процес злиття двох зоряних островів.
Це злиття буде катастрофічним для обох галактик: вони до невпізнання змінять свою форму, спіральні рукави розірвуться під дією гравітації, а траєкторії руху зірок у галактиках зміняться. Так що ж тоді станеться з нашою Сонячною системою?
На щастя, нічого страшного, стверджують астрономи Томас Кокс і Абрахам Лоуб з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Кембридж, штат Массачусетс, США). Вони провели детальне математичне дослідження, підсумком якого стала стаття в якій вони наводять результати моделювання катастрофи космічного масштабу і оцінюють варіанти майбутнього для нашої Сонячної системи.
Наша Галактика (Чумацький Шлях) і галактика в сузір'ї Андромеди (Туманність Андромеди) разом з 40 меншими зоряними острівцями входять в Місцеве скупчення галактик в якості двох самих великих членів цієї групи. Тоді як більшість галактик видаляються геть від нас, підкоряючись розширенню Всесвіту, Місцеве скупчення галактик пов'язане гравітаційною взаємодією, яка не дає його складовим розбігатися.
4,7 мільярда років тому (коли утворилося наше Сонце) Туманність Андромеди і Чумацький Шлях знаходилися на відстані 4,2 мільйони світлових років один від одного. Але оскільки галактики зближуються, до теперішнього часу це відстань скоротилася до 2,6 мільйонів світлових років. Зближення продовжується і призведе врешті-решт до зіткнення. Тим не менш розрахунки показують, що зіткнення не буде «лобовим». Через 2 мільярди років дві галактики лише «зачепляться» спіральними рукавами: їх ядра пройдуть один від одного на відстані пари сотень тисяч світлових років. Тим не менш, цієї відстані буде достатньо, щоб галактики закрутилися в смертельній гравітаційної спіралі.
Під час цього першого взаємодії, з імовірністю 12%, Сонячна система буде вигнана з галактичного диска Чумацького Шляху і потрапить в приливній хвіст, який почне спливати з нашої Галактики. А з ймовірністю менше 3% Сонце набере таку швидкість, що перейде в галактику М31, покинувши Чумацький Шлях (але, залишиться в загальній зоряній системі).
На час початку зіткнення Земля ще буде обертатися навколо Сонця по своїй орбіті. Але через 2 мільярди років зростаюче випромінювання Сонця буде загрожувати життю на Землі більше, ніж космічне зіткнення. Щоб зберегти життя на нашій планеті, майбутнім вченим доведеться знайти спосіб переміщення блакитної планети на безпечну відстань від розбушувався світила.
Після первинної зачіпки рукавами галактики створять своєю гравітацією загальний центр ваги і почнуть обертатися навколо нього по дивній, що змінюється орбіті. Загорнувши під дією тяжіння один до одного, галактики знову «зачепляться» вже неабияк «пошарпаними» спіралями. Потім боротьба продовжиться, і галактики, трохи віддаляючись і знову стикаючись, будуть «смикати» один одного за боки ще і ще, поки врешті-решт з обох систем не утворюється гігантський рій зірок, який також буде рухатися навколо загального центру тяжіння.
Але в центрах обох галактик є супермасивних чорні діри, які в цьому катаклізм повинні будуть зблизитися один з одним по спіралі і об'єднатися в єдину, ще більш масивну чорну діру. На сьогоднішній день відомо, що подвійні супермасивних чорні діри можуть стати вельми активними галактичними «грубками», сприяють активізації навколишнього їхнього газу і пилу для подальшого бурхливого зореутворення. По всій імовірності, такі взаємодії виштовхнуть Сонце в зовнішній ореол нової галактики на відстань принаймні 100 000 світлових років від центру, що, втім, благополучно дозволить уникнути долі бути проковтнутим чорною дірою.
Через 7 мільярдів років, коли наше Сонце буде перебувати на останньому етапі свого життя, перетворившись на червоний гігант, а Земля (якщо не переміститься на іншу орбіту) буде представляти із себе розпечений куля, галактики зіллються остаточно, і у Всесвіті з'явиться нова галактика - Milkomeda (Млечномеда), як назвали її автори статті.
Млечномеда буде величезною еліптичної галактики, без будь-якого натяку на спіральні рукави, які колись прикрашали обидві вихідні галактики. Далі нову зоряну систему чекає спокійна і розмірене життя, позбавлене назавжди ексцесів, пов'язаних із зіткненнями. Бурхливий зореутворення поступиться місцем рівномірному і повільного утворення нових зірок з залишився газу і пилу.
Через 100 мільярдів років всі навколишні Млечномеду галактики (за винятком гравітаційно-зв'язаних), підкоряючись закону Хаббла, зникнуть з поля зору її жителів. Це не означає, що галактики випаруються. Просто вони втечуть настільки, що досягнутий у своєму розбігання швидкості світла, тому іспущенние зірками цих галактик фотони вже не зможуть досягти Млечномеди. Позагалактична астрономія втратить свій сенс і закінчиться, а Млечномеда буде представляти із себе всю видиму Всесвіт.
Через 100 мільярдів років ...
Висновок
Я постарався з'ясувати деякі моменти, пов'язані з «розбігання» Галактик (розширенням Всесвіту). Ми можемо спостерігати (і спостерігаємо) джерела, які і в момент випромінювання, і зараз мають швидкість втечі, що перевищує швидкість світла. Відстані до далеких об'єктів перевищують твір швидкості світла і віку Всесвіту. Відстань, на якому швидкість втечі порівнюється зі світловою, не є горизонтом (тобто кордоном видимої частини Всесвіту), і взагалі не є фізично виділеним відстанню (об'єкти прямо перед цією межею і прямо за нею нічим не відрізняються принципово, як не відрізняються і умови їх спостережень). Обрієм спостережуваного Всесвіту є горизонт частинок, на ньому джерела мають нескінченні червоні зсуви.
Російські астрономи проводять спостереження на багатьох телескопах Росії, ближнього і далекого зарубіжжя: на 6-метровому телескопі оптичному і на 600-метровому радіотелескопі Спеціальної астрофізичної обсерваторії Російської Академії наук, на телескопах Пулковської і Кримської обсерваторіях, а також на деяких великих телескопах у Франції, Іспанії і навіть на Гавайських островах.
Сучасна астрономія вивчає найрізноманітніші об'єкти - від близьких до нас планет і їх супутників до далеких галактик, квазарів і скупчень галактик. Ось деякі з їхніх основних тем, над якими працюють російські вчені:
- Фрактальна структура Всесвіту;
- Галактики на надвеликих відстанях;
- Спостереження галактик з активними ядрами;
- Теорія освіти галактик;
- Прихована маса в галактиках;
- Дослідження спіральної структури нашої Галактики;
- Обробка надточних даних про положення зірок з супутника;
- Процеси взаємодії випромінювання і речовини в різних космічних об'єктах;
- Спостереження рентгенівських джерел;
- Синтез хімічних елементів в зірках;
- Вивчення зірок з протопланетними системами;
- Нові математичні методи обробки астрономічних спостережень;
- Розрахунок конструкції і оптики телескопів.
Список літератури:
І. Климишин «Елементарна астрономія».
С. Хокінг «Від Великого Вибуху до чорних дірок». Фізика космосу: маленька енциклопедія.
Інтернет-сайт www.sciam.ru.
[1] Галактики - гігантські (до сотень млрд. зірок) зоряні системи. Найближчі до нас Магелланові Хмари (Ir) і Туманність Андромеди (S). Галактики розподілені не рівномірно, утворюючи скупчення з щільністю до 8-10 тис. галактик в 1 Мпк 3.
[2] Всесвіт - див I розділ «Так, що ж є Всесвіт?». На думку різних учених, у Всесвіті від 200 мільйонів до 1,5 мільярдів галактик.
[3] Схилення - збільшення довжин хвиль ліній у спектрі джерела (зміщення ліній у бік червоної частини спектру) в порівнянні з лініями еталонних спектрів. Кількісно червоне зміщення характеризується довжиною хвилі, випущеної джерелом, і довжиною хвилі, прийнятої спостерігачем (приймачем випромінювання). Відомі два механізми, що приводять до появи червоного зсуву.
[4] За модель великого вибуху вхопилася католицька церква і в 1951 р. офіційно проголосила, що модель великого вибуху узгоджується з Біблією.
[5] Чорна діра - космічне тіло, що має таке сильне гравітаційне тяжіння, що падає на нього і навіть квант світлового випромінювання не зможе його покинути. І не тільки світло, але і взагалі нічого не зможе залишити тіло з такою потужною гравітацією.
[6] Квазари - космічні об'єкти надзвичайно малих кутових розмірів, що мають значні червоні зміщення ліній у спектрах, що вказує на їх більшу віддаленість від Сонячної системи, що досягає кілька тисяч Мпк. Квазари випромінюють в десятки разів більше енергії, ніж найпотужніші галактики. Джерело їхньої енергії точно невідомий.
[7] Світловий рік - відстань, яку проходить світло за один рік. Швидкість світла приблизно дорівнює 300 000 кілометрів на секунду.