Структура вселенной: от сверхскоплений до темной материи

Что такое галактика

Галактика часто воображается нами такой, какой традиционно показывается в энциклопедиях и документальных фильмах — громадной спиралью из голубоватого дыма, в котором прячутся гроздья звезд, посередине которой ярко светит ядро. Однако такой «звездный остров» — всего лишь одна разновидность правильных структур. Ведь бывают и неправильные галактики, лишенные выраженных ядер и рукавов — они бултыхаются в космическом пространстве подобно яйцу, разбитому в невесомости. Издали они мало чем отличаются от хаотичных туманностей: разница состоит в размерах и концентрации звезд.

Галактика Андромеды — ближайшая к нам крупная галактика

Итак, что нужно, чтобы назвать объект галактикой?

• Во-первых, это наличие в ней звезд и звездных скоплений — они составляют львиную долю видимой нам материи галактики. Но только видимой: большую часть массы любой галактики составляют прослойки газа и пыли, молекулярные облака и темная материя.
• Во-вторых, все это богатство должно быть связано в гравитационной системе и вращаться вокруг общего центра масс. Обычно им выступает галактический центр, о котором речь пойдет дальше — но его отсутствие не препятствие.
• Кроме внутреннего гравитационного взаимодействия, галактики взаимодействуют между собой. Меньшие «звездные острова» вращаются вокруг больших — а те выстраивают связи с другими гигантами, включаясь в крупномасштабную структуру Вселенной. Но в отличие от планет и их спутников, галактики славятся «хищными» нравами. Наш Млечный путь близок к тому, чтобы через пару миллиардов лет поглотить своих спутников, Большое и Малое Магеллановы Облака — а после этого его «слопает» галактика Андромеды.

Большое Магелланово облако — галактика-спутник Млечного пути

Видной характеристикой галактики является размер — как и содержание звезд, так и размах. Однако тут как раз точности и нет. Существуют галактики, которые в радиусе сотни–второй световых лет вмещают сотни миллионов звезд. Но бывают и другие, в которых на ту же сотню световых лет рассыпаны считаные тысячи звезд. Поэтому единственный четкий критерий тут — это гравитационная отделенность от близлежащих «островов» и наличие собственного центра массы. Так, во Вселенной одновременно существуют галактики с несколькими тысячами светил, и с сотнями триллионов звезд.

Как видите, нет четких рамок или определения для понятия что такое галактика. Поэтому они такие разнообразные, часто совсем невообразимые. Это и сверхяркие мощные квазары, и Великий Аттрактор, и громадные звездные поля протяженностью в миллионы световых лет. Но даже у самых обычных галактик есть чем удивить. Об этом дальше.

Насколько велика Вселенная?

Всякий, кто хоть что-то знает о Вселенной, ответит не задумываясь: «Ужасно велика!» А вот ученые так быстро и определенно ответить не берутся.

Мы привыкли к тому, что у любого объекта есть размер. Иногда его не так легко определить, но он есть. Есть размер у атома, живой клетки, человека, Земли, любой планеты, Солнечной системы. Мы можем заглянуть в справочники и найти все эти цифры. Но, открывая справочник на слове «Вселенная», видим, к удивлению, что ее размер не указан. Это потому, что Вселенная — объект, который не укладывается в обычные житейские представления. Но люди об этом обычно не задумываются. Чаще под влиянием фантастов и околонаучных энтузиастов интереснее поразмышлять об иных мирах и пришельцах из них. А между тем в последние десятилетия ученые наблюдают настоящую революцию в понимании устройства Вселенной. Это гораздо более крупное изменение представлений о строении окружающего нас мира, чем осознание человечеством того, что Земля — это шар.

Еще несколько десятков лет назад Вселенную считали бесконечной. Так думали потому, что нигде не заметно никаких признаков ее границ. Например, в наши дни через телескопы можно рассмотреть объекты, находящиеся на расстоянии 28 млрд световых лет, но границ так и не видно.

Ученые считают, что юная Вселенная была плотным сгустком вещества с высокой температурой и давлением, которое расширялось с момента Большого взрыва до наших дней и продолжает расширяться

Однако эти взгляды пришлось изменить, когда в 1929 году 40-летний американский астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Из теоретических работ Альберта Эйнштейна и советского физика Александра Фридмана следовало, что Вселенная должна изменяться во времени. Таким образом, открытие Хаббла способствовало перевороту в науке: вместо вечной и неизменной мы получили расширяющуюся, эволюционирующую Вселенную, возникшую миллиарды лет назад.

Новые представления породили новые идеи и исследования. Их результаты привели к модели образования Вселенной в результате Большого взрыва, который произошел, по разным оценкам, от 13 до 17 млрд лет назад. С этого момента начало существовать и отсчитываться время. В результате взрыва образовались частицы, из них — вещество, а из него уже формировались звезды и планеты.

В нынешнем состоянии Вселенная по форме похожа на футбольный мяч, состоящий из 12 пятиугольников, плотно подогнанных друг к другу. Внутри него находятся все известные нам объекты, включая нас самих. Диаметр «мяча» составляет, по разным оценкам, от 60 до 80 млрд световых лет. (Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Это примерно 10 000 млрд километров.) Считается, что «мяч» еще какое-то время будет расширяться, а потом начнется обратный процесс, так что общий цикл от начала до конца займет около 40 млрд световых лет.

Ученые полагают, что звезды и другие объекты Вселенной продолжают отдаляться друг от друга, двигаясь благодаря силе, которую придал им Большой взрыв

Некоторые модели, с помощью которых описываются процессы возникновения и эволюции Вселенной, предполагают, что вселенные могут возникать при высокоэнергетическом взаимодействии элементарных частиц. В этих моделях макромир и микромир оказываются взаимосвязанными. Из этого следует, что вселенных может быть много.

Конечно, и из-за гигантских отрезков времени, и из-за дистанций это никак не затрагивает нашу жизнь. Но это формирует наши представления об окружающем мире. И восхищает то, что люди на уютной планете Земля за свою короткую по космическим масштабам жизнь и историю своим разумом, страстью и упорством проникают в такие удивительные тайны мироздания. Этим можно гордиться.

Происхождение и эволюция

Расширение космического пространства удаляет друг от друга звёзды, галактики и их скопления. В связи с этим существует теория, согласно которой в далёком прошлом они не просто располагались ближе друг к другу, а вообще были перемешаны и сжаты в единое вещество. Однако оно было настолько плотным и горячим, что началось общее расширение, в итоге и приведшее к образованию Вселенной.

С тех пор прошло приблизительно 14 миллиардов лет. За это время совершилось такое развитие:

• сформировалось гравитационное взаимодействие;
• зародились первые фундаментальные частицы;
• материя стала прозрачной для излучения;
• образовались ядра первичных элементов;
• появились звёзды, галактики, планетарные системы.

В итоге Вселенная сформировалась такой, какой человечество знает её сейчас. Её краткая модель выглядит следующим образом:

• 4,9% обычного вещества, знакомого на Земле.
• 26,8% тёмной материи, состоящей из тяжёлых частиц. Она не испускает электромагнитное излучение, что делает её прямое наблюдение практически неосуществимым.
• 68,3% тёмной энергии, инициирующей расширение пространства.

Образованная этими компонентами структура имеет гигантскую территорию. Реальный размер Вселенной современной наукой не установлен. Многие учёные настаивают на том, что она бесконечна. Однако если за условную границу принять расстояние до самого далёкого от Земли видимого объекта, то её масштабы составляют 45,7 миллиарда световых лет. Эта величина носит название радиуса Хаббла. Он не тождественен понятию конца мироздания, а только обозначает, что при прохождении этого расстояния быстрота удаления объекта от наблюдателя начинает превышать скорость света.

Некоторые основные составляющие элементы Вселенной

Примером простейшей структуры в космическом пространстве является система планета-спутник. Кроме двух ближайших к Солнцу планет (Меркурий и Венера), все остальные имеют своего спутника, и в большинстве случаев даже не одного. Если Землю сопровождает лишь Луна, то вокруг Юпитера вращается целых 67 спутников, хотя некоторые из них довольно малы. Однако вместе со своими спутниками планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, образуя так называемую планетную систему.

Солнечная система

В результате наблюдений, астрономами было выявлено, что большинство других звезд также входят в состав планетных систем. Вместе с тем сами светила тоже зачастую образовывают системы и скопления, которые назвали звездными. Согласно имеющимся данным, преобладающая часть звезд составляют парные звездные системы, или с кратным количеством светил. В этом плане наше Солнце считается нетипичным, так как оно не имеет пары

Если же рассматривать околосолнечное пространство в более увеличенных масштабах, то становится очевидно, что все звездные скопления вместе со своим планетными системами образуют звездный остров, так называемую галактику Млечный Путь.

Расширяя границы

Инфографика «Вселенная» Посмотреть в большом разрешении

Человек с незапамятных времён интересовался тем, что представляет собой окружающий их мир. Можно не приводить примеры о трёх китах и прочие попытки древних объяснить мироздание. Как правило, в конечном итоге все сводилось к тому, что основой всего сущего является земная твердь. Даже во времена античности и средневековья, когда астрономы имели обширные познания в закономерностях движения планет по «неподвижной» небесной сфере, Земля оставалась центром Вселенной.

Естественно, ещё в Древней Греции существовали те, кто считал что Земля вращается вокруг Солнца. Были те, кто говорил о множестве миров и бесконечности Вселенной. Но конструктивные обоснования этим теориям возникли только на рубеже научной революции.

В 16 веке польский астроном Николай Коперник совершил первый серьёзный прорыв в познании Вселенной. Он твёрдо доказал, что Земля является лишь одной из планет, обращающихся вокруг Солнца. Такая система значительно упрощала объяснение столь сложного и запутанного движения планет по небесной сфере. В случае неподвижной Земли астрономам приходилось выдумывать всевозможные хитроумные теории, объясняющие такое поведение планет. С другой стороны, если Землю принять подвижной, то объяснение столь замысловатым движениям приходит, само собой. Так в астрономии укрепилась новая парадигма под названием «гелиоцентризм».

Хронология событий в теории Большого Взрыва

Так все выглядело в разрезе времени.

Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.

Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.

Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной — продлившиеся от 10-43 до 10-11 секунды после Большого взрыва, — по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.

Как представляют Вселенную и её размеры современные учёные

В настоящее время общепризнанной является так называемая ΛCDM-модель Вселенной. В этой аббревиатуре первая буква означает наличие космологической константы, которая призвана объяснить расширение Вселенной, происходящее с ускорением. Остальные три буквы означают, что пространство заполнено Тёмной материей. Известно, что постоянная Хаббла составляет примерно 71 (км/с)/Мпк. Это соответствует 13,75 миллиардам лет. Именно такой возраст имеет Вселенная. Зная это, не составит особенной сложности рассчитать размер видимой области.

Расширение Вселенной

Теория относительности гласит, что невозможно получить информацию об объекте со скоростью, превышающей скорость света. Это означает, что все наблюдаемые объекты – это дела давно минувших дней. И узнать их нынешнее состояние можно будет только спустя несколько сотен, а чаще, тысяч лет. Даже Луну мы видим с запозданием в 1 секунду. Солнце мы наблюдаем с задержкой в 8 минут, звёзды нам показывают, какими они были несколько лет назад, а галактики – что происходило миллионы лет назад. Согласно модели Эйнштейна, Вселенная неограничена по возрасту, а значит и не имеет ограничения по размеру. Чем более совершенными приборами наблюдения вооружиться, тем дальше вглубь космоса можно заглянуть.

Совершенно иная модель Вселенной принята учёными на данный момент. Она утверждает, что окружающее нас пространство имеет возраст, а значит и границы. С момента рождения Вселенной ни одна частица не могла пройти больше 13,75 миллиарда световых лет. Это означает, что невозможно заглянуть дальше этого расстояния, даже если бы имелись соответствующие приборы. С другой стороны, Вселенная постоянно расширяется, увеличиваясь в размерах и увеличивая видимую часть космоса. Данный размер называется горизонтом частиц и представляет собой границу наблюдаемой Вселенной.

Множество Солнц

Вега, снимок ESO

Однако даже после этого астрономы продолжали ограничивать Вселенную «сферой неподвижных звёзд». Вплоть до 19 века им не удавалось оценить расстояние до светил. Несколько веков астрономы безрезультатно пытались обнаружить отклонения положения звёзд относительно движения Земли по орбите (годичные параллаксы). Инструменты тех времён не позволяли проводить столь точные измерения.

Наконец, в 1837 году русско-немецкий астроном Василий Струве измерил параллакс α Лиры. Это ознаменовало новый шаг в понимании масштабов космоса. Теперь учёные могли смело говорить о том, что звезды являют собой далекие подобия Солнца. И наше светило отныне не центр всего, а равноправный «житель» бескрайнего звёздного скопления.

Астрономы ещё больше приблизились к пониманию масштабов Вселенной, ведь расстояния до звёзд оказались воистину чудовищными. Даже размеры орбит планет казались по сравнению с этим чем-то ничтожным. Дальше нужно было понять, каким образом звёзды сосредоточены во Вселенной.

Понятие космоса и его протяжённость

Представляя себе размеры Вселенной, нельзя не упомянуть о космосе. Данный термин характеризует часть пространства, заполненную пустотой и находящуюся вне пределов атмосфер и оболочек любых небесных тел. На самом деле космос не является абсолютно пустым. Его наполняет межзвёздное вещество, которое состоит из молекул кислорода, водорода, электромагнитного и ионизирующего излучения. Также его наполняет тёмная материя, о сути которой учёные спорят на протяжении нескольких сотен лет. В настоящее время принято считать, что она представляет собой скрытую массу, связывающую воедино всё космическое пространство.

В современной астрономии, если считать точкой отсчёта Землю, принято различать следующие типы космоса:

• Ближний. Начинается на высоте около 19 км.
• Околоземный. Начинается на высоте 260 тысяч км. Данная черта является пределом, за которым сила притяжения Земли уступает силе притяжения Солнца.
• Межпланетная область. На данном удалении от Земли находится естественный спутник нашей планеты, Луна.
• Межзвёздное пространство. Начинается за пределами гелиосферы.
• Межгалактическое пространство. Начинается за пределами Млечного пути.

Прогнозы на будущее

Вследствие того, что Вселенная имеет собственную точку начала, у ученых периодически создаются гипотезы относительно того, что когда-нибудь появится и та точка, которая прекратит ее существование. Также физиков и астрономов интересует вопрос, касающийся расширения Вселенной всего из одной точки, они даже строят прогнозы на предмет того, что она может расширяться еще больше. Или же и вовсе однажды может произойти обратный процесс, в безграничном пространстве по неизвестным причинам может прекратить действовать экспансивная сила, вследствие чего может произойти обратный процесс, заключающийся в сжатии.В 1990-х годах в качестве основной модели развития Вселенной была принята теория Большого взрыва, именно тогда же примерно и были разработаны два основных пути дальнейшего существования космического безграничного пространства.

1. Большое сжатие. В один момент Вселенная может достигнуть максимального пика в виде огромного размера, а потом начнется ее разрушение. Подобный вариант развития станет возможным только в том случае, когда плотность массы Вселенной будет больше, чем ее критическая плотность.

2. В данном случае будет происходить иная картина действий: плотность приравняется или даже станет ниже критический. Итог – замедление расширения, которое никогда не остановится. Этот вариант был назван тепловой смертью Вселенной. Расширение будет длиться до тех времен, пока звездообразованиями не перестанет активно потребляться газ, находящийся внутри близлежащих галактик. В таком случае произойдет следующее: от энергии и материи просто-напросто прекратится передача от одного космического объекта к другому. Всех звезд, которые невооруженным взглядом можно лицезреть каждые вечер и ночь на небосводе, постигнет одна и та же печальная участь: они станут не чем иным, как белым карликом, черной дырой либо же нейтронной звездой. Черные дыры всегда представляли неприятность не только для космологов. Новообразованные дыры будут соединяться с собой, образовывая себе подобные же объекты гораздо большего размера. Между тем показатель средней температуры в безграничном пространстве может достичь отметки в 0. Следствием данной ситуации станет абсолютное испарение черных дыр, которые напоследок начнут выдавать в окружающую среду излучение Хокигнга. Завершающим этапом в данном случае будет тепловая смерть.Современные ученые проводят огромное количество исследований, касающихся не только существования темной энергии, но и ее непосредственного влияния на расширение космического пространства. В ходе проведения своих исследований они в свою очередь установили, что расширение Вселенной происходит настолько быстрыми темпами, что скоро человечество даже не будет и знать, насколько безграничным на самом деле является безграничное пространство. Конечно же, по какому именно дальнейшему пути развития может пойти планета, умы ученых мужей даже и представить себе не могут. Они лишь прогнозируют результат, обосновывая свой выбор теми или иными критериями. Однако, многие из светил предрекают безграничному пространству такой конец, как тепловая смерть, считая его наиболее вероятным.

Также в научной среде бытует мнение, что все планеты, ядра атомов, атомы, материя и звезды будут в далеком будущем сами собой разрываться, что приведет к большому разрыву. Это еще один вариант гибели Вселенной, однако, он формируется на расширении.

Краткий очерк строения Вселенной

Скопления и сверхскопления галактик

Под скоплением галактик понимают гравитационно-связанную систему, которая считается крупнейшей структурой во Вселенной. Ее размер может достигать от 6 до 60 миллионов световых лет. В составе одного скопления 100-1000 галактик. Интересным является факт, что в одном скоплении, сами галактические системы занимают всего 1%, около 9% — это межгалактический газ, а все остальное приходится на темную материю и энергию. В космосе существует два типа скоплений галактик:

регулярные – для этого типа характерна правильная сферическая форма. Основную часть составляют линзовидные и эллиптические галактики, имеют яркую центральную часть. Пример скопления – Волос Вероники;

Скопление галактик в Волосах Вероники 

иррегулярные – форма неопределенная, количество галактик в составе гораздо меньше, чем у регулярного типа. Пример – скопление Девы.

Скопление галактик в Деве

Сверхскопления – структура, в состав которой входят скопления галактик и несколько отдельных галактических систем. Как правило, в одном сверхскоплении их насчитывается от 2 до 20, располагаются они в галактических нитях, или же в узлах их пересечения.

Размеры сверхскоплений галактик во Вселенной достигают сотен млн. световых лет. Это настолько много, что объекты не способны удерживаться между собой гравитационными силами. Самые известные сверхскопления:

• Стена Скульптора – находится недалеко от Млечного Пути. Его длина 300 млн. световых лет, ширина – 210 млн. световых лет;
• Девы – Местное сверхскопление галактик, в состав которого входит Млечный путь;
• Шепли – это одно из самых больших сверхскоплений во Вселенной. Его масса в 10 тыс. раз больше массы Млечного пути.

Сверхскопление Шепли 

Какие единицы применяются для измерения расстояний в космосе?

Сантиметр, метр и даже километр — все эти величины оказываются ничтожными уже в пределах Солнечной системы. Что же говорить о Вселенной. Чтобы указать расстояние в пределах Галактики, используется величина, названная световым годом. Это время, которое потребуется свету, движущемуся в течение одного года. Напомним, что одна световая секунда равна почти 300 тысячам км. Поэтому при переводе в привычные километры световой год оказывается приблизительно равным 10 тысячам миллиардов. Представить его невозможно, поэтому масштабы Вселенной невообразимы для человека. Если нужно указать расстояние между соседними галактиками, то и световой год оказывается недостаточным. Нужна еще более крупная величина. Ею оказался парсек, который равен 3,26 светового года.

Уменьшая масштабы

В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.

Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.

Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.

Итак, современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но мы точно знаем о том, что наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли на сжатие, остаётся открытым.