§ 15. строение вселенной

Что означает слово «галактика»?

Слово «галактика» пришло к нам из греческого языка, от слова «галактикос», означающего «млечный». Оно обозначает гигантское звездное скопление, имеющее спиральную форму. К нему принадлежит наше Солнце. Его мы называем Млечный Путь.

Кстати, нашу галактику с Земли можно увидеть на небе в виде вытянутой полосы, усыпанной звездами. Но на самом деле она имеет форму диска с несколькими закрученными спиральными рукавами.

На небе можно рассмотреть и другие галактики, но отличить их от звезд и разглядеть подробнее эти скопления звезд для человека доступно только с помощью мощных телескопов.

В древности Млечный Путь считался нашими предками священным: хотя у каждого народа о нем имелись свои легенды и мифы, тем не менее, практически все признавали его исключительную важность в картине мироздания. Состав галактики

Состав галактики

Сегодня немногие знают, что новогодняя елка – это отображение в нашей действительности Мирового Древа. Его стволом, по представлениям предков, являлся Млечный Путь.

Понятие темной энергии

В астрономии понятие темное энергии включает в себя энергию (существующую в теории), которая была введена в математическую модель Вселенной, чтобы объяснить ее расширение с ускорением. Ученые предполагают, что эта энергия не способна собираться в сгустки (в отличие от темной материи), а равномерно распределяется по всем просторам Вселенной. Темная энергия присутствует в галактиках, в галактических скоплениях, а также за их пределами. Интересным является тот факт, что она действует против гравитационных сил, то есть испытывает антигравитацию.

С помощью современных астрономических технологий ученые способны не только измерить скорость расширения Вселенной, но и проанализировать, как этот процесс изменялся со временем. Дело в том, что ускорение расширения Вселенной только растет, что позволяет говорить об антигравитационных силах. Если бы в космическом пространстве гравитация была стандартной, то со временем отдаление галактик друг от друга замедлялось бы.

Астрономы предполагают, что темной энергией может выступать вакуум. Его плотность не изменяется во время расширения Вселенной, что может означать его отрицательное давление. Также есть мнение, что темная энергия – это сверхслабое поле, которое пронизывает все пространство Вселенной, научно его называют «квинтэссенция».

К сожалению, на сегодняшний день не существует возможности в земных условиях экспериментально исследовать темную энергию. Но это не означает, что в будущем человечество не сможет объяснить природу данного явления или выяснить другие причины, способствующие такому быстрому ускорению расширения Вселенной.

Древнее представление о строении и мира

С появлением идеи шарообразной Земли, которую приписывают Пифагору, стала развиваться концепция геоцентризма. При которой Земля находится в центре Вселенной, а Солнце, Луна, планеты и звёзды вращаются вокруг. Эта система имела различные модификации, которые создавались в попытках объяснить нестыковки с наблюдениями. В этой статье мы проследим историю изменения представления человечества о вселенной.

И за точку отсчёта возьмём геоцентрическую модель Птолемея. До появления первых телескопов, модели мироустройства включали в себя Землю, Солнце, Луну, пять известных на тот момент планет и звёзд. И согласно Птолемею, в центре Вселенной находилась статичная и не вращающаяся вокруг своей оси Земля.

Затем на твёрдых сферах по порядку располагаются Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. За планетами сфера звезд, а затем перводвигатель, который объяснял видимое суточное вращение неба. В птолемеевской модели планеты двигались непросто по кругу, а в их движение было задействовано по двум сферам. Большая сфера называлась дифферент, а меньшая — эпицикл. Сделано это было для того, чтобы объяснить неравномерное движение тел по небу. Но и этого было недостаточно, чтобы модель относительно совпадала с наблюдениями. Поэтому Птолемей использовал понятие кванта, уравнивающей точки. Эта система доминировала многие сотни лет.

«Фигура небесных тел» — иллюстрация геоцентрической системы мира Птолемея, сделанная португальским картографом Бартоломеу Велью в 1568 году. Хранится в Национальной библиотеке Франции

Как выглядит Вселенная?

С Земли человек может невооруженным глазом наблюдать лишь малую часть Вселенной. Мы привыкли называть это небом со звёздами. Но это только ничтожная песчинка в необъятном космическом пространстве.

Рассматривать и изучать небесную сферу человечество начало с помощью телескопов. Затем новые технологии позволили запустить ракеты в космос. И мы получили более яркое представление о космических просторах.

Вспомним, известный телескоп Хаббл, запущенный в 1990 году. Он отправил на Землю множество уникальных фотографий из космоса.Учёные постоянно совершенствуют и создают новые технологии. Бесспорно, наука не стоит на месте.

На сегодняшний день, известно около 500 миллиардов галактик, многочисленное количество звёзд и планет. Кроме того, создано большое количество возможных и реальных моделей вселенной.

Сколько во Вселенной материи?

Астрофизики считают, что около 40% обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и галактики, оставалось незамеченной (на протяжении 20 лет), скрытой в виде горячего газа в сетях космической паутины. Напомним, что космическая паутина состоит из галактик, распределенных по всей Вселенной в виде сложной сети узлов, соединенных нитями, которые, в свою очередь, разделены пустотами. Подробнее о том, что такое галактические нити и космическая паутина, читайте в нашем материале.

Это недостающие барионы, скрытые в нитевидной структуре космической паутины и пытались обнаружить французские исследователи. Они провели статистический анализ, в ходе которого им впервые удалось выявить рентгеновское излучение горячих барионов в галактических нитях. Команда использовала пространственную корреляцию между положением нитей и связанным с ними рентгеновским излучением, чтобы предоставить доказательства присутствия горячего газа в космической паутине и впервые измерить его температуру.

Космическая паутина – это гигантское скопление галактик, соединенное между собой пустотами.

Полученные результаты подтверждают более ранние выводы той же исследовательской группы, основанные на косвенном обнаружении горячего газа в космической паутине путем его влияния на космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение). Это открытие может проложить путь к более детальным исследованиям, использующим более качественные данные, чтобы проверить эволюцию газа в нитевидной структуре космической паутины. В общем, работы у ученых еще очень и очень много.

Возможно, мы так и не сможем разгадать все тайны Вселенной.

Кстати, недавно с помощью рентгеновской обсерватории Европейского космического агенства (ESA) XMM-Newton, астрономы показали, что скопления галактик в далекой Вселенной не похожи на те, что мы видим сегодня. Похоже, они испускают больше рентгеновских лучей, чем предполагали ученые. Оказалось, что эти скопления галактик изменили свой внешний вид со временем, а согласно расчетам, в прошлом скоплений галактик во Вселенной было меньше. Но о чем это говорит?

Исследователи считают, что в таком случае Вселенная должна быть средой высокой плотности, что противоречит современным представлениям. Этот вывод весьма спорен, потому что для объяснения этих результатов во Вселенной должно быть много материи – а это, в результате, оставляет мало места для темной энергии. Однако результаты французских исследователей показали, что эти выводы не такие уж и противоречивые. В конце-концов, если мы не могли разглядеть барионную материю в галактических нитях на протяжении 20 лет, кто знает, сколько еще материи Вселенной мы пока не видим?

Возникнуть и не пропасть

Мы уже выяснили, что пустое пространство, которое мы сейчас наблюдаем во Вселенной, не такое уж пустое: в нем постоянно что-то бурлит, возникают и исчезают виртуальные частицы. Но откуда взялось то ничто, из которого появляются эти частицы, откуда взялось само пространство? Оказывается, при совместном действии квантовой механики и гравитации могут появляться не только частицы в пространстве, но и само пространство.

Ранее мы выяснили, что спонтанно появиться из ничего может только Вселенная, у которой общая энергия равна нулю, а это закрытая Вселенная. А еще раньше — что наша Вселенная плоская. Возникает противоречие.

Представьте себе воздушный шарик: если надуть его очень сильно, его поверхность будет казаться плоской, как кажется плоской круглая Земля (особенно если наблюдать ее где-нибудь в тундре). Если Вселенная с первых мгновений своего существования будет очень быстро расширяться, с ней произойдет то же самое — она возникнет как закрытая, а через 14 миллиардов лет станет плоской. Это резкое расширение — инфляция — описывается инфляционной моделью, которая была предложена в 1981 году физиком Аланом Гутом. Вот она на графике:

Но как доказать, что инфляция действительно имела место?

Еще в 1916 году Эйнштейн пришел к выводу, что, перемещаясь в пространстве, мы создаем гравитационные волны, так называемую рябь пространства-времени. Каждый раз, когда я двигаю рукой, появляются гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Но рябь настолько незначительна, что мы ее не замечаем. В обсерваториях в Вашингтоне и Луизиане (лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваториях LIGO. — Прим. T&P) есть специальные детекторы, позволяющие улавливать гравитационные волны. Впервые это удалось сделать в сентябре 2015 года, когда произошло слияние двух черных дыр. За это открытие в 2017 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.

Но это значит, что такое событие, как инфляция, также должно было породить гравитационные волны, и, если мы их обнаружим, мы подтвердим и правильность инфляционной модели (их поиском занимаются ученые в рамках серии экспериментов BICEP2. — Прим. T&P). А это будет значить, что наша Вселенная действительно могла быть произведена из ничего.

Если мы действительно находимся во Вселенной, расширяющейся с ускорением, то объекты, которые мы сейчас видим, вскоре будут находиться от нас на огромном расстоянии.

Мы еще не доказали, что это так, но это очень вероятно. И мне нравится эта вероятность: каждый раз, когда можно избавиться от божественного вмешательства и объяснить все с точки зрения физики, мы делаем шаг вперед. Помимо нашей Вселенной, могут существовать или прямо сейчас создаваться и другие, где действуют другие законы. Мы, люди, крайне неважная часть Вселенной, мы шум, загрязнение на ее фоне. Если вам это не нравится, возможно, вас утешит высказывание Эйнштейна:

Вселенная была создана не для нас, она была просто создана. Вселенной на нас наплевать. Мы сами наполняем нашу жизнь значением и смыслом.

Как делались открытия об устройстве Вселенной

На смену геоцентрической приходит гелиоцентрическая модель. Сама идея была известна ещё в Древней Греции, но тогда она не получила развитие. Вернул идею в 16 веке Коперник, а усовершенствовал и вывел свои законы Иоганн Кеплер.

Затем Галилео Галилей открыл спутники Юпитера, доказав тем самым, что не все объекты вращаются вокруг Земли. Ещё в свой телескоп он наблюдал изменение фазы Венеры, что объясняется тем, что она вращается вокруг Солнца. Так Земля перестала быть центром Вселенной.

Джордано Бруно высказал идею, что звёзды — это тела подобные Солнцу. Хотя и эта мысль была неновой. А после вклада Исаака Ньютона с его законами, где модель в котором Солнце является центром нашей планетарной системы и лишь одна из многих звёзд, стала общепринятой. Параллельно делались открытия и новых объектов внутри Солнечной системы.

Так, в 1781 году Уильям Гершель открыл Уран. А в 1801 году была открыта Церера, которую сначала ошибочно считали планетой, а затем и другие объекты в этой области, которую затем стали называть поясом астероидов. А в 1846 году был открыт Нептун. После того как Галилей, используя свой телескоп выяснил, что Млечный Путь на небе состоит из множества звёзд. А затем в середине 18 века Томас Райт, а за ним Иммануил Кант высказали идею, что Млечный Путь — это вращающийся диск, состоящий из звёзд, система подобные нашей Солнечной, только на гораздо большем масштабе. А первое систематическое исследование, попытка описать форму нашей галактики и наше в ней место было проведено Уильямом Гершелем. Хотя он ошибочно считал, что Солнце располагается близко к центру галактики.

Уже тогда высказывались предположения, что некоторые туманности могут оказаться другими звёздными системами подобными нашей галактике, но доказать этого не удавалось до 20 века.

В начале 20-х годов двадцатого века, Эдвин Хаббл, используя крупнейший на тот момент телескоп доказал, что ряд туманностей находится слишком далеко чтобы быть частью нашей галактики и что они являются целыми галактиками как наш Млечный Путь.

В 1927 году Джорж Леметр предположил, а в 1929 году Эдвин Хаббл измерил красное смещение удалённых галактик и доказал, что они удаляются от нас. Это означало, что Вселенная расширяется.

В 1930 году был открыт Плутон, а затем на рубеже 20 и 21 века после открытия других объектов он становится частью Пояса Койпера. Кроме того, существует гипотеза, что Солнечная система окружена облаком Оорта, которое является источником долгопериодических комет.

До 80-х годов двадцатого века не было достоверно известно, существуют ли планеты у других звёзд. На сегодняшний день уже было открыто много экзопланет и судя по всему в нашей Галактике их миллиарды. Ещё стали открывать планеты-сироты, о которых мы писали.

Крупномасштабная структура Вселенной, как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм — 1 600 000 галактик, зарегистрированных в Extended Source Catalog как результат Two Micron All-Sky Survey. Яркость галактик показана цветом от синего (самые яркие) до красного (самые тусклые). Тёмная полоса по диагонали и краям картины — расположение Млечного Пути, пыль которого мешает наблюдениям

В 1998 году стало известно, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. Безусловно между всеми этапами о которых говорилось существует очень много других идей и открытий, а также ещё много имён, которые сделали свой вклад в представление человечества о Вселенной. От мира, в котором Земля была центром Вселенной мы пришли к знанию того, что мы живём на маленькой планете, которая вращается вокруг небольшой, среднестатистической звёзды. Это лишь одна из сотен миллиардов в нашей Галактике. Которая в свою очередь тоже является лишь одной из сотен миллиардов других галактик. И возможно это тоже не предел. Высказываются предположения, что наша вселенная лишь одна из многих в мультевселенной.

Так мы кратко узнали про устройство Вселенной, надеюсь, что было всё просто и понятно.

Избранное

См. также

Джордж и его команда: к 70-летию горячей модели Вселенной

26.01.2016 • Алексей Левин • Новости науки

Как объяснить загадочное холодное пятно реликтового излучения

30.10.2017 • Михаил Столповский • Новости науки

Темная сторона Вселенной

Алексей Левин • Библиотека • «Популярная механика» №7, 2007

«Уродливая Вселенная». Глава из книги

2020 • Сабина Хоссенфельдер • Книжный клуб • Главы

«Всё ещё неизвестная Вселенная». Глава из книги

2019 • Стивен Вайнберг • Книжный клуб • Главы

«Как работает Вселенная». Глава из книги

2017 • Сергей Парновский • Книжный клуб • Главы

«Вселенная». Глава из книги

2017 • Сергей Попов • Книжный клуб • Главы

«Вселенная». Глава из книги

2016 • Шон Майкл Кэрролл • Книжный клуб • Главы

«Наша математическая Вселенная». Отрывок из книги

2016 • Макс Тегмарк • Книжный клуб • Главы

«Бог и Мультивселенная». Глава из книги

2015 • Виктор Стенджер • Книжный клуб • Главы

Наблюдение за удаленными объектами

Буущий телескоп James Webb

Число звезд, наполняющих космос, особенно трудно вообразить. Его диаметр, экспериментально определенный учеными, должен достигать 93 млрд. св. лет. А подсчитанное значение промежутка до самого дальнего объекта, замеченного современной техникой, составило около 14 млрд. св. лет. Такие масштабы и колоссальные дистанции прослеживаются по всем известным направлениям. Между нашей системой и самой удаленной галактикой насчитывается 13,2 млрд. св. лет. Существование сверхдальнего объекта определено только в инфракрасном диапазоне. Достигающее нас его излучение приносит сведения о галактике с огромным опозданием, поэтому мы наблюдаем ее такой, какой она была миллиарды лет назад.

Для изучения столь отдаленных объектов требуется уникальное оборудование – сверхмощные телескопы типа «Хаббл». Ресурсы этих приборов возрастают с каждым годом: так, телескоп «Джеймс Уэбб», который планируется запустить в 2018 году, сможет заглянуть в космические глубины намного дальше. За пределами доступной для наблюдения Вселенной предполагается наличие гипотетических внеметагалактических объектов. Считается, что их развитие не затронуто процессом Большого взрыва, они относятся к Мультивселенной.

Изучение Солнечной системы

Долгое время человечество было убеждено, что все звёзды и планеты вращаются вокруг Земли. Система мира с неподвижной Землёй в центре была разработана греческим учёным Птолемеем во 2 веке до нашей эры и просуществовала более полутора тысяч лет. 

В 1453 году польский астроном Николай Коперник доказал, что Земля, как и другие планеты (на тот момент их было известно шесть), вращаются вокруг Солнца. Однако вплоть до XVII века церковь считала это учение ересью и боролась с его последователями. 

Одним из них был итальянский монах Джордано Бруно. В 1584 году он опубликовал исследование, в котором утверждал, что Вселенная бесконечна, а Солнце подобно остальным звёздам, просто находится гораздо ближе к Земле. Бруно был схвачен инквизицией и приговорён к сожжению на костре как еретик. 

Другим последователем Коперника стал итальянский учёный Галилео Галилей. Он создал первый телескоп, который позволил увидеть кратеры Луны, пятна на Солнце, открыть четыре спутника Юпитера и установить, что планеты вращаются вокруг своей оси. Чтобы не повторить судьбу Бруно, Галилей был вынужден отречься от своих идей.

В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл законы движения планет — ему удалось установить связь между скоростью вращения планеты и её расстоянием от Солнца. Его идеи воспринял знаменитый английский физик Исаак Ньютон, создатель теории всемирного тяготения. 

В XVIII—XIX веках открытия в области оптики позволили создать более мощные телескопы, которые позволили учёным узнать больше о солнечной системе. Были открыты планеты Уран и Нептун. 

В 1951 году Советский Союз вывел на орбиту Земли первый искусственный спутник. С этого момента началась Космическая эра — эпоха практического изучения солнечной системы. 

В 1961 году Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе, а в 1969 году космический корабль «Аполлон-11» доставил людей на Луну. 

В 1970-х годах Советский Союз и США запустили несколько десятков аппаратов для исследования Марса, Венеры и Меркурия, а запущенные в 1980-х аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили получить данные о дальних планетах — Юпитере, Сатурне, Уране, Нептуне и их спутниках. Большую роль в изучении солнечной системы сыграл вывод на орбиту Земли космического телескопа «Хаббл» в 1990 году. 

В нынешнем десятилетии космические агентства разных стран планируют пилотируемый полёт на Марс. Экспедиция на другую планету станет величайшим событием в истории освоения солнечной системы. И всё же пока человечество находится в самом начале пути изучения космоса.

Каковы основные принципы управления Вселенной?

Все процессы, которые происходят в космическом пространстве и конкретно на каждой обитаемой планете подчиняются воле Высшего разума. Если сравнить Вселенную с организмом человека, то Высшие силы можно представить себе как мозг. Об этом же говорит и эзотерическое учение, утверждающее, что предшественником всего материального является мысль. Мозг дает команды и сигналы органам, т.е. галактикам, солнечным системам и планетам. Соответственно, органы выполняют эти команды.

Управление Высшими силами предполагает подчинение основным принципам мироздания – развитие жизни в служении добру, любви, радости, взаимоуважении. Если живущие на планете существа развиваются в ином направлении и допускают большое количество негативного излучения (зло, обиды, зависть, войны и т.д.), то следует наказание от Высших сил. Далее планета и солнечная система разрушаются. Вместо них возникает другая система, заменяющая разрушенную. Так Вселенная поддерживает баланс, как в отлаженной работе организма всего сущего.

Энергия пустого пространства

В пустом пространстве, в ничто. Звучит, конечно, глупо, но пустое пространство не такое уж и пустое. Вот так выглядит то, что происходит внутри протона: постоянно что-то бурлит, появляются и исчезают различные частицы:

Мы не «видим» их, потому что они возникают на очень непродолжительное время, но при этом они составляют основную часть массы протона. А раз так, то, возможно, они появляются в открытом пространстве и дают какую-то энергию. Может быть, вакуум тоже что-то весит?

Еще когда я учился в университете, было предположение, что энергия вакуума — это единица со 120 нулями, но этого просто не может быть: будь это так, Вселенная была бы другой и нас бы просто не существовало. Мы ждали какого-то математического чуда, которое бы позволило нам сократить это число; предполагали даже, что энергия пустого пространства равна нулю. А затем решили не полагаться на теоретиков: если у пустого пространства есть энергия, ее можно измерить. Но как?

Гравитация в большинстве случаев притягивает объекты друг к другу, но вакуум создает антитяготение. Чтобы рассчитать его, необходимо понять, расширяется ли наша Вселенная с ускорением или с замедлением. Первые попытки определить это сделал Эдвин Хаббл в 1929 году, но сейчас мы знаем, что его расчеты были неверны из-за того, что, в частности, не учитывали эволюцию галактик и связанные с ней изменения светимости. Так что нам нужны были какие-то другие объекты с известной яркостью.

Это изображение галактики, расположенной в 7 млн световых лет от нас. В левом нижнем углу виден яркий объект — можно предположить, что в кадр случайно попала звезда из нашей Галактики, но нет: это сверхновая, которая светится как сто миллиардов звезд. Потом она тускнеет, но в первый месяц она светится с яркостью, которая нам известна. Сверхновые появляются в Галактике примерно раз в сто лет. Можно выдать каждому студенту по галактике, и пусть постоянно смотрит на нее — за сто лет как раз напишет диссертацию. Но на самом деле галактик очень много: если соединить пальцы в кружок размером с пятирублевую монету и посмотреть через него на небо, в этом кружочке будут сотни галактик. А значит, в небе постоянно взрываются сверхновые, так что мы легко можем использовать их, чтобы рассчитывать расстояния до отдаленных галактик и скорости, с которыми эти расстояния увеличиваются. Эти расчеты были проведены в 1998 году, и результатом стал вот такой график:

Если бы темпы расширения Вселенной были одинаковыми, то в его нижней части была бы просто прямая линия. Астрономы ожидали, что все сверхновые будут либо на этой линии, либо ниже. Но большая часть таких звезд оказалась выше линии — это могло быть только в том случае, если бы темпы расширения Вселенной увеличивались.

А чтобы Вселенная расширялась, нужно как раз столько энергии, сколько нам не хватало, — те самые 70%. Тогда все сходится. В 2011 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, обнаружившие, что

Вероятно, это как-то связано с самой природой пространства и времени и причинами возникновения Вселенной. Но теперь понятно, что ее будущее будет определяться не материей и даже не геометрией, а энергией пустого пространства.

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.