Вселенная и галактика: Современное понятие о Вселенной

Содержание

Галактики — загадки, открытия, особенности, исследования

Вселенная полна самоорганизующихся систем. Она полная всего необычного. В ней столько такйн, что ни один человек никогда не сможет их постичь. Просто надо принимать ее такой, какая она есть и постепенно изучать.

Все во Вселенной собирается из звездных систем и закручиваются в спираль (или в другую формацию). Они называются галактиками, в каждой из них примерно 150-200 миллиардов звезд. Галактики формируются в туманности, которые, в свою очередь, собираясь в кластеры, составляют большую часть видимой материи Вселенной. Люди живут в Солнечной системе, расположенной недалеко от центра галактики Млечный Путь. Ближайшая к нам галактика — туманность Андромеды.

Самое обсуждаемое по теме Галактики

Хотя это может казаться неочевидным, галактики не просто случайным образом распределены во Вселенной. Вместо этого они сгруппированы в большие нити, разделенные гигантскими пустотами пространства. Каждая нить в основном представляет собой стену галактик, простирающуюся на сотни миллионов световых лет. Интересно, что одну из самых больших структур в известной Вселенной астрономы обнаружили совсем недавно, а ведь это гигантская стена галактик длиной около 1,4 миллиарда световых лет! Учитывая, насколько близко к нам находится это массивное сооружение, удивительно, что ученые не замечали его раньше. В течение последних десяти лет международная группа астрономов во главе с Брентом Талли из Института астрономии Гавайского университета занималась составлением карт распределения галактик вокруг Млечного Пути. Астрономы назвали эту недавно определенную структуру «Стеной Южного полюса», которая находится за пределами Ланиакеи – огромного сверхскопления галактик, включая нашу собственную.

Во Вселенной столько галактик, что сосчитать их невозможно. Вокруг одного только Млечного Пути вращаются буквально десятки карликовых галактик, многие из которых наша галактика постепенно поглощает. Пожалуй, неудивительно, что такие галактики представляют большой интерес для ученых, ведь они могут многое рассказать им о космической эволюции, например, о том, как меньшие галактики сливались друг с другом с течением времени, создавая более крупные структуры. Недавно команда астрофизиков из Массачусетского технологического института (MIT) наблюдала одну из самых древних галактик местной группы под названием Tucana II. Как отмечают авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, эта ультракарликовая галактика считается чем-то наподобие галактического артефакта, оставшегося от самых первых галактик во Вселенной. В своей работе астрофизики также сообщают об обнаружении девяти ранее неизвестных звезд на краю Tucana II с помощью телескопов в Австралии и Чили. Эти звезды поразительно далеки от центра галактики, но остаются в ее гравитационном притяжении. Открытия предполагают, что в самых древних галактиках во Вселенной было больше темной материи, чем считалось раньше.

Одним из самых старых и фундаментальных вопросов человечества является вопрос о том, сколько лет существует наша Вселенная. К счастью, развитие науки и технологий позволило исследователям подобраться как никогда близко к истокам известного нам мира: недавно астрономы из Паранальской обсерватории, расположенной высоко в Андах на севере Чили, объявили о новых данных, полученных в ходе измерения реликтового излучения – старейшего теплового излучения нашей Вселенной, открытого в 1965 году и иногда называемого эхом Большого взрыва. Согласно новым данным, возраст Вселенной составляет 13,77 миллиардов лет, плюс-минус 40 миллионов лет. Важность открытия сложно переоценить, ведь точный возраст Вселенной является важным фактором для ученых, пытающихся понять эволюцию и расширение космоса. Более того, возможно, ученые находятся на пороге нового открытия в космологии, которое может изменить наше понимание того, как устроена Вселенная. Рассказываем об одном из важнейших научных открытий и о том, какое отношение к нему имеет обнаружение самой древней галактики во Вселенной.

Галактика – это огромная система звезд, планет, газа и пыли, которые гравитационно связаны друг с другом. Наша Солнечная система, например, является частью галактики Млечный Путь, которая, предположительно, содержит более 100 миллиардов других звезд. В целом исследователи полагают, что количество галактик во Вселенной превышает два триллиона. При этом большинство галактик подпадают под четко определенные классификации и имеют либо спиральную форму, как Млечный путь, либо эллиптическую или неправильную форму. Но на просторах бесконечной Вселенной существуют галактики, не поддающиеся классификации. Хотя некоторые странные и причудливые галактики являются результатом гравитационных взаимодействий с другими более массивными, а иногда и менее массивными объектами, у них есть кое-что общее: они больше похожи на фантазию художника, чем на реальные, осязаемые коллекции миллиардов звезд. Знакомим вас с самыми странными галактиками, известными человечеству на сегодняшний день.

Ученые не могут сказать точно, сколько именно галактик существует во Вселенной. На данный момент они предполагают, что их насчитывается около двух триллионов. Наша планета находится в галактике Млечный путь, в Солнечной системе. И сегодня Земля — единственная известная ученым обитаемая планета. Но некоторые из них уверены, что жизнь может существовать и на многих других галактиках, просто мы еще не настолько развиты, чтобы ее обнаружить. Ведь во Вселенной явно есть множество похожих на Солнце звезд, рядом с которыми вполне могли образоваться похожие на Землю планеты с водой и другими необходимыми для жизни компонентами. Недавно астрономы изучили полученные при помощи телескопа «Кеплер» данные в надежде посчитать количество потенциально обитаемых планет в галактике Млечный путь. Им это удалось и полученное число поражает воображение.

Примерно через 4 миллиарда лет галактика Андромеды окончательно столкнется с нашей галактикой Млечный Путь, что приведет к яркой вспышке и, как утверждают ученые, образованию новой галактики. Это не новость — астрономы узнали о надвигающемся столкновении еще в прошлом веке, его обсуждали во многих популярных книгах, а команда, работающая с космическим телескопом Хаббл, даже сделала красивые иллюстрации того, как будет выглядеть надвигающийся взрыв. Но в этой истории есть неожиданный поворот. Ранее на этой неделе исследователи, работающие над проектом картографии неба под названием AMIGA, сообщили, что первые стадии столкновения Андромеды и Млечного Пути произойдут гораздо раньше. Присмотревшись к ночному небу, вы можете его увидеть… потому что столкновение Андромеды и Млечного Пути уже началось.

Недавно астрономы обнаружили, что за Млечным Путем существует огромная стена, состоящая из тысяч галактик – сгустков из триллионов звезд и миров, а также пыли и газа, выстроенных в виде занавеса, пересекающего по меньшей мере 700 миллионов световых лет пространства. Она вьется за пылью, газом и звездами нашей собственной галактики от созвездия Персея в Северном полушарии до созвездия Апуса в Южном. Эта стена настолько массивна, что возмущает локальное расширение Вселенной, но увидеть ее невозможно, так как все это звездное скопление находится прямо за нашей родной галактикой. Астрономы называют эту область Зоной избегания (Zone of Avoidance).

Помимо множества планет и других космических объектов, галактика Млечный Путь скрывает в своем центре гигантскую черную дыру, которая почти в 5 миллионов раз массивнее нашего Солнца! Несмотря на то, что по сравнению с другими подобными объектами эта черная дыра под названием Стрелец A* довольно спокойная, она постоянно притягивает звезды, пыль и другую материю в свои ближайшие окрестности, формируя сверхплотный звездный мегаполис. Благо находится она очень далеко от Земли, и для нас эта черная дыра безобидна. По этой же причине о природе таинственной аномалии на сегодняшний день мало что известно. Поэтому астрономы решили бросить все силы и даже привлекли суперкомпьютер, чтобы создать модель окрестностей этой сверхмассивной черной дыры. Хотели когда-нибудь оказаться рядом с таким объектом? Теперь у вас есть эта возможность.

Каждое живое существо на нашей планете рождается, взрослеет, становится старше и в конечном итоге умирает. Все эти законы действуют и за пределами Земли – звезды, солнечные системы и галактики тоже со временем погибают. Разница существует лишь во времени – то, что для нас с вами кажется вечностью, по меркам Вселенной полная ерунда. Но что на счет самой Вселенной? Как известно, она родилась после Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад, но что происходит с ней сейчас? Каков жизненный цикл самой Вселенной и почему исследователи выделяют пять этапов ее развития?

Глядя на фотографии далеких галактик, полученных космическим телескопом Hubble, мы не так часто задумываемся о том, как рождаются, живут и умирают эти звенья космической паутины. В 1929 году, когда Эдвин Хаббл в корне изменил наше представление о Вселенной, никто и представить себе не мог, что человечество откроет 100 миллиардов галактик! Астроном также доказал, что наша Вселенная расширяется с ускорением и составил первую подробную систему классификации галактик по форме. Стоит ли говорить, что эта система является основой современной классификации. Космос – по-настоящему сумасшедшее место, в котором рождается и умирает бесчисленное число звезд и галактик и этот процесс взаимосвязан: когда в галактике перестают рождаться новые звезды, ученые классифицируют ее как мертвую. Но почему большинство мертвых галактик карликовые?

Крупнейшая галактика во Вселенной поразила астрономов размахом своих лепестков

15 февраля 2022 14:55 Ольга Мурая

Радиолепестки Алкионея.
Иллюстрация Oei et al./arXiv, 2022.

Учёные могут лишь догадываться о том, как возникают такие космические гиганты.

Астрономы нашли на расстоянии около трёх миллиардов световых лет от Земли совершенно монструозную галактику диаметром пять мегапарсеков.

Такие масштабы совершенно не укладываются в воображении, но добавим, что это аналогично расстоянию в 16,3 миллиона световых лет.

Это крупнейшая из известных на сегодняшний день структур галактического происхождения. Она в 166 раз крупнее нашей галактики (диаметр Млечного Пути составляет «всего лишь» 30 килопарсеков).

Радиогалактика-великанша получила название Алкионей, по имени персонажа древнегреческих мифов — одного из гигантов, сына Геи и Урана.

Гигантские радиогалактики — одна из многочисленных загадок Вселенной.

Они состоят из галактики-хозяйки (скопления звёзд, вращающихся вокруг галактического ядра, содержащего сверхмассивную чёрную дыру), а также исполинских струй и так называемых «лепестков» плазмы, вырывающихся из галактического центра.

Эти струи, также известные как джеты, и лепестки, взаимодействуя с межгалактической средой, действуют как синхротрон (ускоритель частиц), разгоняя электроны. Этот процесс и делает такие галактики источниками мощнейшего радиоизлучения.

Учёные почти уверены, что знают, что производит джеты: активная сверхмассивная чёрная дыра в галактическом центре. Чёрную дыру называют «активной», когда она поглощает (аккрецирует) окружающий её материал.

Считается, что небольшая часть поглощаемого материала выбрасывается из внутренней области аккреционного диска к его полюсам. В итоге она отправляется в космос в виде струй ионизированной плазмы со скоростью, близкой к скорости света.

Эти струи могут преодолевать огромные расстояния, а затем превращаться в гигантские радиоизлучающие «лепестки».

Это вполне обычный для космоса процесс. Даже у Млечного Пути есть радиолепестки.

Чего не могут понять исследователи, так это почему лепестки некоторых галактик вырастают до абсолютно колоссальных размеров, измеряемых в мегапарсеках.

Самые экстремальные примеры таких гигантских радиогалактик — каким и является исполин Алкионей — могут хранить ключ к пониманию того, что движет их ростом. Поэтому учёные изучили этого гиганта очень внимательно.

Авторы нового исследования выяснили, что это довольно обычная эллиптическая галактика, встроенная в нить космической паутины.

Радиогалактика имеет массу примерно в 240 миллиардов раз больше массы Солнца, а масса сверхмассивной чёрной дыры в её центре превышает солнечную массу примерно в 400 миллионов раз.

Оба эти параметра считаются небольшими, если речь идёт о гигантских радиогалактиках. И это может дать некоторые подсказки относительно того, что движет ростом её радиолепестков.

Возможно, Алкионей находится в области космического пространства с меньшей плотностью, что может способствовать его расширению. Также авторы исследования допускают, что некую роль в росте исполинского объекта может играть его взаимодействие с космической паутиной.

Кроме того, учёные считают, что и без того необъятный Алкионей продолжает расти.

Открытие вновь указывает на то, как мало исследователи всё ещё знают об этих колоссах и в частности о том, что движет их невероятным ростом. Но вместе с тем подобные работы прокладывают путь к лучшему пониманию природы не только гигантских радиогалактик, но и межгалактической среды, в которой «раскрываются» их загадочные космические лепестки.

Исследование принято к публикации в издании Astronomy & Astrophysics и в данный момент доступно в формате препринта на портале arXiv.

Ранее мы рассказывали о древнейших столкновениях титанических галактик, а также о галактиках-суперспиралях. А ещё мы писали о том, что в космосе есть стена из сверхскоплений галактик, и учёные даже не знают, где она заканчивается.

Писали мы и о том, что во Вселенной могут скрываться чёрные дыры размером с галактику.

Больше захватывающих новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука космос астрономия галактики черная дыра рекорды общество новости

Различия между галактиками, солнечными системами и Вселенной

Бескрайность космоса огромна и практически невообразима для человеческого мозга. Хотя галактики в основном представляют собой пустое пространство, они все же могут содержать более 100 миллиардов звезд.

Чтобы привести эту обширную область в порядок, который мы можем понять, мы используем термины для описания различных компонентов пространства, таких как галактика , вселенная и солнечная система .

Каждый из них четко определен, но для неспециалиста может показаться взаимозаменяемым в повседневном разговоре. Без опыта в этой области трудно понять, что больше: Вселенная, галактика или солнечная система.

К счастью, размер — это самый простой способ отличить эти три вещи.

В этой статье мы опишем галактики, солнечные системы и Вселенную, а также укажем, какие из них самые большие, и порядок их размеров. Мы также кратко рассмотрим созвездий. и где они тоже подходят.

Содержание

Отличительные черты вселенных, галактик и солнечных систем
- Вселенная
- Галактики
- Солнечные системы
- Созвездия
Вселенная против галактики против Солнечной системы
- Таблица различий между галактиками, солнечными системами и вселенной
Слово на галактике и вселенной
Слово на галактике

. вселенных, галактик и солнечных систем

В этом первом разделе мы рассмотрим, что представляет собой каждый объект и как он определяется. В следующем разделе мы сравним три основных в таблице, чтобы прояснить различия между галактиками и Вселенной.

Вселенная

Это «Большой»!

Включая в себя все, что мы знаем, Вселенная — это весь космос.

Он образовался во время Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад.

Нет сомнений, что он огромен. Видимая Вселенная простирается на 46 миллиардов световых лет, но мы почти уверены, что за этой границей есть части Вселенной, которые мы не можем видеть, потому что свет от них не успел дойти до нас.

Мы знаем, что Вселенная тоже расширяется. За исключением гравитационно связанных галактик нашей Местной группы, все другие галактики удаляются от нас из-за создания нового пространства между нами и ними. Это заставляет Вселенную расширяться во всех направлениях.

Чего мы не знаем, так это того, бесконечна ли Вселенная по размеру и перестанет ли она когда-нибудь расширяться.

Все имеющиеся на сегодняшний день данные говорят нам, что существует только одна Вселенная, но есть теория, что их может быть гораздо больше, невидимых для нас. Это сделало бы нас частью мультивселенной.

Галактики

Галактика представляет собой гравитационно связанную совокупность звезд, газа и темной материи. Они могут быть ошеломляюще огромными, как самая большая известная галактика Альционей, или они могут быть относительно небольшими, всего в несколько тысяч звезд.

Когда галактики были первоначально открыты, они были известны как «островные вселенные», потому что слово «вселенная» первоначально использовалось для обозначения нашей галактики. Сейчас мы используем эти слова в очень разных значениях.

Галактики бывают трех разных форм: эллиптические, спиральные и неправильные. Те, которые вы привыкли видеть в журналах по астрономии, — это более живописные спиральные разновидности, такие как NGC 772, показанная ниже.

Спиральная галактика NGC 772, полученная космическим телескопом Хаббла (источник)

Наша родная галактика называется Млечный Путь. Мы можем видеть это ночью как более светлую полосу звезд, протянувшуюся над головой. Когда мы видим эту полосу, мы на самом деле смотрим на равнину нашей галактики.

Галактики начали формироваться вскоре после возникновения Вселенной, поэтому самая старая из них всего на несколько сотен миллионов лет моложе ее. Однако есть свидетельства того, что образование галактик все еще происходило менее миллиарда лет назад.

Когда галактика только формируется, она относительно мала, мало чем отличается от большого звездного скопления. Со временем эти маленькие галактики сталкиваются и сливаются, становясь намного больше. В конце концов, через 4,5 миллиарда лет наша галактика сольется с Галактикой Андромеды, чтобы создать настоящего гиганта с 1,5 триллионами звезд.

Хотя существует только одна вселенная, в ней приблизительно 2 триллиона галактик. Это 2 000 000 000 000! Так что, несмотря на свои потрясающие масштабы, они крошечные по сравнению со Вселенной в целом.

Солнечные системы

На протяжении тысячелетий наше солнце было известно под латинским названием Sol. Это привело к появлению термина «солнечный», который мы используем для описания вещей, связанных с ним, таких как солнечные панели, солнечное затмение (затмение солнца) и солнечная система.

Солнечная система описывает систему планет, вращающихся вокруг Солнца. А так как в галактике много солнц (звезд), то и солнечных систем тоже много.

На данный момент мы обнаружили планеты, вращающиеся вокруг более чем 3200 различных звезд. Эти экзопланеты (планеты за пределами нашей солнечной системы) являются признаком того, что другие солнечные системы очень распространены. Каждые пару лет количество обнаруженных экзопланет удваивается.

Учитывая, что во Вселенной есть триллионы галактик, в ней также есть почти бесчисленное количество солнечных систем.

Созвездия

Наконец, в этом разделе давайте рассмотрим разницу между созвездием и галактикой.

Мы только что обнаружили, что галактика представляет собой совокупность звезд и другой материи, которые гравитационно связаны друг с другом.

Созвездия — это узоры из звезд, видимые на ночном небе. Звезды внутри них редко связаны гравитацией. Обычно они удалены друг от друга на сотни или даже тысячи световых лет. Только наша линия взгляда заставляет их выглядеть близко друг к другу.

Галактики не являются частью созвездий, потому что созвездие определяется своим набором звезд. Однако мы определяем положение галактики по созвездию, в котором она находится, давая область неба для ее поиска.

Вселенная, Галактика и Солнечная система и Вселенная. Солнечные системы строятся вокруг одной звезды. Галактики состоят из миллионов-триллионов звезд, включая те, вокруг которых вращаются планеты. Вселенная содержит все два триллиона галактик и их бесчисленные солнечные системы.

В таблице ниже представлены другие ключевые отличия.

Table of Differences Between Galaxies, Solar Systems, and the Universe

	Universe	Galaxy	Solar System
Scale	Contains everything – all galaxies, stars , планеты и космос.	От нескольких тысяч до триллионов звезд	Одна звезда с планетами, вращающимися вокруг
Quantity	One	Two trillion	Countless
Expansion	Constantly expanding	Not expanding	Not expanding
Age	13.8 billion years	От 500 миллионов до 13,4 миллиарда лет	4,6 миллиарда лет (наша Солнечная система)
Формирование	Большой взрыв	Облака пыли и газа + столкновения и слияния	Небольшие скопления газа в галактиках

Несколько слов о скоплениях галактик

Прежде чем закончить эту статью, стоит уделить минутку изучению скоплений галактик. На шкале они расположены между галактиками и Вселенной.

Скопления галактик, как следует из названия, представляют собой группы из двух или более галактик, гравитационно связанных друг с другом. Сверхскопления — это скопления скоплений. Сверхскопления не имеют общего центра тяжести, как скопления.

Галактика Млечный Путь, дом нашей Солнечной системы, является частью Местной группы галактик. В этом скоплении более 50 галактик, но большинство из них — карликовые галактики. Самыми крупными являются Галактика Андромеды, Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы Облака.

Наша Местная группа является частью сверхскопления Девы, которое, как полагают, является частью еще большего скопления, известного как сверхскопление Ланиакея. Вы можете узнать больше о Laniakea и The Great Attractor здесь.

Эти массивные группы галактик образуют сеть, которая в самом большом масштабе выглядит как галактическая губка. Все это, растянувшееся на многие миллиарды световых лет во всех направлениях, все еще находится в пределах единой Вселенной.

Галактическая губка в крупном макромасштабе (источник)

Краткое изложение

Масштаб — это самое большое различие между Солнечной системой, галактикой и Вселенной.

Солнечная система, состоящая из одной звезды, является самой маленькой из этих трех. Галактики, такие как наш Млечный Путь, содержат миллиарды звезд, многие из которых имеют собственные солнечные системы

Вселенная настолько велика, что мы даже не знаем, конечна ли она. Мы знаем, что он достаточно велик, чтобы вместить в себя каждый из двух триллионов галактик, которые, как мы думаем, в нем находятся.

Автор Адам Кирк

Эволюция Вселенной

Примечание редактора (8.10.19): Космолог Джеймс Пиблз получил Нобелевскую премию по физике 2019 года за вклад в теорию возникновения нашей Вселенной и эволюционировал. Он описывает эти идеи в этой статье, которую он написал в соавторстве с журналом Scientific American в 1994 году. десять центов, начал расширяться и остывать с невероятной скоростью. К тому времени, когда температура упала в 100 миллионов раз по сравнению с температурой ядра Солнца, силы природы приобрели свои нынешние свойства, и элементарные частицы, известные как кварки, свободно бродили в море энергии. Когда Вселенная расширилась еще в 1000 раз, вся материя, которую мы можем измерить, заполнила область размером с Солнечную систему.

В то время свободные кварки оказались запертыми в нейтронах и протонах. После того, как Вселенная увеличилась еще в 1000 раз, протоны и нейтроны объединились, чтобы сформировать атомные ядра, включая большую часть гелия и дейтерия, присутствующих сегодня. Все это произошло в течение первой минуты расширения. Однако условия были еще слишком жаркими, чтобы атомные ядра могли захватывать электроны. Нейтральные атомы появились в изобилии только после того, как расширение продолжалось 300 000 лет, и Вселенная стала в 1 000 раз меньше, чем сейчас. Затем нейтральные атомы начали сливаться в газовые облака, которые позже превратились в звезды. К тому времени, когда Вселенная увеличилась до одной пятой своего нынешнего размера, звезды сформировали группы, которые можно было распознать как молодые галактики.

Когда Вселенная была вдвое меньше нынешнего размера, ядерные реакции в звездах привели к образованию большей части тяжелых элементов, из которых состоят планеты земной группы. Наша Солнечная система относительно молода: она образовалась пять миллиардов лет назад, когда Вселенная была в две трети своего нынешнего размера. Со временем образование звезд истощило запасы газа в галактиках, и, следовательно, популяция звезд уменьшается. Через пятнадцать миллиардов лет звезды, подобные нашему Солнцу, будут относительно редки, что сделает Вселенную гораздо менее гостеприимным местом для таких наблюдателей, как мы.

Наше понимание происхождения и эволюции Вселенной является одним из величайших достижений науки 20-го века. Эти знания получены в результате десятилетий инновационных экспериментов и теорий. Современные наземные и космические телескопы улавливают свет от галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет, и показывают нам, как выглядела Вселенная в молодости. Ускорители частиц исследуют основы физики высокоэнергетической среды ранней Вселенной. Спутники обнаруживают космическое фоновое излучение, оставшееся от ранних стадий расширения, обеспечивая изображение Вселенной в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать.

Наши усилия по объяснению этого огромного количества данных воплощены в теории, известной как стандартная космологическая модель или космология Большого взрыва. Основное утверждение теории состоит в том, что в среднем крупномасштабном масштабе Вселенная расширяется почти однородно из плотного раннего состояния. В настоящее время нет никаких фундаментальных проблем теории большого взрыва, хотя, безусловно, есть нерешенные вопросы внутри самой теории. Астрономы не уверены, например, как образовались галактики, но нет оснований думать, что этот процесс не происходил в рамках Большого взрыва. Действительно, предсказания теории выдержали все проверки на сегодняшний день.

Тем не менее, модель большого взрыва зашла так далеко, что остается много фундаментальных загадок. Какой была Вселенная до расширения? (Ни одно сделанное нами наблюдение не позволяет нам заглянуть за пределы того момента, когда началось расширение.) Что произойдет в отдаленном будущем, когда последняя из звезд исчерпает запас ядерного топлива? Ответов пока никто не знает.

Нашу вселенную можно рассматривать с разных точек зрения — мистиками, теологами, философами или учеными. В науке мы избираем трудный путь: мы принимаем только то, что проверено экспериментом или наблюдением. Альберт Эйнштейн дал нам теперь хорошо проверенную и принятую общую теорию относительности, которая устанавливает отношения между массой, энергией, пространством и временем. Эйнштейн показал, что однородное распределение материи в пространстве хорошо согласуется с его теорией. Он предположил без обсуждения, что Вселенная статична, неизменна в среднем на больших масштабах [см. «Как космология стала наукой» Стивена Дж. Браша; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАНСКИЙ, 19 августа92].

В 1922 году русский теоретик Александр А. Фридман понял, что Вселенная Эйнштейна нестабильна; малейшее возмущение заставит его расширяться или сжиматься. В то время Весто М. Слайфер из обсерватории Лоуэлла собирал первые свидетельства того, что галактики на самом деле расходятся. Затем, в 1929 году, выдающийся астроном Эдвин П. Хаббл показал, что скорость удаления галактики от нас примерно пропорциональна ее расстоянию от нас.

НЕСКОЛЬКО ИЗОБРАЖЕНИЙ далекого квазара ( слева ) являются результатом эффекта, известного как гравитационное линзирование. Эффект возникает, когда свет от удаленного объекта искривляется гравитационным полем промежуточной галактики. При этом галактика, которая видна в центре, дает четыре изображения квазара. Фотография была сделана с помощью телескопа Hubble .
Существование расширяющейся Вселенной подразумевает, что космос превратился из плотной концентрации материи в нынешнее широко распространенное распределение галактик. Фред Хойл, английский космолог, первым назвал этот процесс Большим взрывом. Хойл намеревался очернить эту теорию, но название было настолько броским, что приобрело популярность. Однако несколько ошибочно описывать расширение как некий тип взрыва материи вдали от какой-то конкретной точки пространства.
Это совсем не так: во вселенной Эйнштейна концепция пространства и распределение материи тесно связаны; наблюдаемое расширение системы галактик показывает развертывание самого пространства. Существенной особенностью теории является то, что средняя плотность в пространстве уменьшается по мере расширения Вселенной; распределение материи не образует видимого края. При взрыве самые быстрые частицы улетают в пустое пространство, но в космологии Большого взрыва частицы равномерно заполняют все пространство. Расширение Вселенной мало повлияло на размер галактик или даже скоплений галактик, связанных гравитацией; пространство просто открывается между ними. В этом смысле расширение похоже на поднимающуюся буханку хлеба с изюмом. Тесто аналогично космосу, а изюм — скоплениям галактик. По мере расширения теста изюм расходится. Более того, скорость, с которой любые две изюминки расходятся, прямо и положительно связана с количеством разделяющего их теста.
Доказательства расширения Вселенной накапливались около 60 лет. Первая важная подсказка — красное смещение. Галактика излучает или поглощает некоторые длины волн света сильнее, чем другие. Если галактика удаляется от нас, эти особенности излучения и поглощения смещаются в сторону более длинных волн, то есть становятся краснее по мере увеличения скорости удаления. Это явление известно как красное смещение.
Измерения Хаббла показали, что красное смещение далекой галактики больше, чем у более близкой к Земле. Это соотношение, известное теперь как закон Хаббла, как раз то, что можно было бы ожидать в равномерно расширяющейся Вселенной. Закон Хаббла гласит, что скорость удаления галактики равна расстоянию до нее, умноженному на величину, называемую постоянной Хаббла. Эффект красного смещения в близлежащих галактиках относительно незначителен, и для его обнаружения требуются хорошие инструменты. Напротив, красное смещение очень далеких объектов — радиогалактик и квазаров — представляет собой устрашающее явление; некоторые, кажется, удаляются на более чем 90 процентов от скорости света.
Хаббл внес свой вклад в еще одну важную часть картины. Он подсчитал количество видимых галактик в разных направлениях на небе и обнаружил, что они распределены довольно равномерно. Значение постоянной Хаббла казалось одинаковым во всех направлениях, что является необходимым следствием равномерного расширения. Современные исследования подтверждают фундаментальное положение о том, что Вселенная однородна в больших масштабах. Хотя карты распределения близлежащих галактик демонстрируют комковатость, более глубокие исследования обнаруживают значительную однородность.
Млечный Путь, например, состоит из двух десятков галактик; они, в свою очередь, являются частью комплекса галактик, выступающих из так называемого местного сверхскопления. Иерархия кластеризации была прослежена до размеров около 500 миллионов световых лет. Флуктуации средней плотности вещества уменьшаются по мере увеличения масштаба исследуемой структуры. На картах, покрывающих расстояния, близкие к наблюдаемому пределу, средняя плотность вещества изменяется менее чем на десятую долю процента.
Чтобы проверить закон Хаббла, астрономам необходимо измерить расстояния до галактик. Одним из методов измерения расстояния является наблюдение за видимой яркостью галактики. Если одна галактика в ночном небе в четыре раза слабее, чем сопоставимая галактика, то можно предположить, что она находится в два раза дальше. Теперь это ожидание проверено на всем видимом диапазоне расстояний.
ОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ галактик видно на карте, которая включает объекты на расстоянии от 300 до 1000 миллионов световых лет. Единственная неоднородность, разрыв около центральной линии, возникает из-за того, что часть неба затенена Млечным Путем. Майкл Штраус из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, создал карту, используя данные НАСА 9.0081 Инфракрасный астрономический спутник .

Некоторые критики теории отмечают, что галактика, которая кажется меньше и слабее, на самом деле может не быть более далекой. К счастью, есть прямое указание на то, что объекты с большим красным смещением действительно находятся дальше. Доказательства получены из наблюдений за эффектом, известным как гравитационное линзирование. Такой массивный и компактный объект, как галактика, может действовать как грубая линза, создавая искаженное, увеличенное изображение (или даже множество изображений) любого источника фонового излучения, находящегося за ним. Такой объект делает это, искривляя пути световых лучей и другого электромагнитного излучения. Таким образом, если галактика находится на линии прямой видимости между Землей и каким-либо удаленным объектом, она будет преломлять световые лучи от объекта так, что их можно будет наблюдать [см. «Гравитационные линзы» Эдвина Л. Тернера; НАУЧНЫЙ АМЕРИКАН, 19 июля.88]. За последнее десятилетие астрономы открыли более десятка гравитационных линз. Объект за линзой всегда имеет большее красное смещение, чем сама линза, что подтверждает качественное предсказание закона Хаббла.

Закон Хаббла имеет большое значение не только потому, что он описывает расширение Вселенной, но и потому, что его можно использовать для расчета возраста космоса. Чтобы быть точным, время, прошедшее с момента Большого взрыва, является функцией текущего значения постоянной Хаббла и скорости ее изменения. Астрономы определили приблизительную скорость расширения, но никто еще не смог точно измерить второе значение.

Тем не менее, можно оценить эту величину, зная среднюю плотность Вселенной. Можно ожидать, что из-за силы гравитации, препятствующей расширению, галактики теперь будут расходиться медленнее, чем в прошлом. Таким образом, скорость изменения расширения связана с гравитационным притяжением Вселенной, определяемым ее средней плотностью. Если плотность равна плотности только видимого вещества в галактиках и вокруг них, возраст Вселенной, вероятно, составляет от 12 до 20 миллиардов лет. (Диапазон учитывает неопределенность скорости расширения.)

Однако многие исследователи считают, что плотность выше этого минимального значения. Так называемая темная материя компенсирует разницу. Сильно защищаемый аргумент утверждает, что Вселенная достаточно плотна, чтобы в отдаленном будущем расширение замедлилось почти до нуля. При таком предположении возраст Вселенной уменьшается в пределах от 7 до 13 миллиардов лет.

ПЛОТНОСТЬ нейтронов и протонов во Вселенной определяет распространенность некоторых элементов. Для Вселенной с более высокой плотностью вычисленное содержание гелия мало отличается, а вычисленное содержание дейтерия значительно ниже.

Заштрихованная область согласуется с наблюдениями: содержание гелия варьируется от 24 процентов до одной части на 1010 для изотопа лития. Это количественное согласие является главным успехом космологии Большого взрыва.

Чтобы улучшить эти оценки, многие астрономы проводят интенсивные исследования по измерению как расстояний до галактик, так и плотности Вселенной. Оценки времени расширения обеспечивают важный тест для модели Вселенной Большого взрыва. Если теория верна, все в видимой Вселенной должно быть моложе, чем время расширения, рассчитанное по закону Хаббла.

Эти две временные шкалы, по крайней мере, приблизительно совпадают. Например, самым старым звездам на диске галактики Млечный Путь около девяти миллиардов лет — оценка, полученная на основе скорости охлаждения белых карликов. Звезды в гало Млечного Пути несколько старше, им около 15 миллиардов лет — это значение получено из скорости потребления ядерного топлива в ядрах этих звезд. Возраст самых старых известных химических элементов также составляет примерно 15 миллиардов лет — число, полученное с помощью методов радиоактивного датирования. Работники лабораторий получили эти оценки возраста из атомной и ядерной физики. Примечательно, что их результаты согласуются, по крайней мере приблизительно, с возрастом, полученным астрономами путем измерения космического расширения.

Другая теория, теория стационарного состояния, также успешно объясняет расширение и однородность Вселенной. В 1946 году три английских физика — Хойл, Герман Бонди и Томас Голд — предложили такую космологию. В их теории Вселенная постоянно расширяется, и материя создается спонтанно, чтобы заполнить пустоты. Они предположили, что по мере того, как этот материал накапливается, он образует новые звезды, чтобы заменить старые. Эта гипотеза устойчивого состояния предсказывает, что ансамбли близких к нам галактик должны статистически выглядеть так же, как и далекие. Космология Большого взрыва делает другое предсказание: если все галактики образовались давно, далекие галактики должны выглядеть моложе ближайших, потому что свету от них требуется больше времени, чтобы достичь нас. В таких галактиках должно быть больше короткоживущих звезд и больше газа, из которого сформируются будущие поколения звезд.

Концептуально тест прост, но астрономам потребовались десятилетия, чтобы разработать детекторы, достаточно чувствительные для детального изучения далеких галактик. Когда астрономы исследуют близлежащие галактики, являющиеся мощными излучателями радиоволн, они видят в оптических длинах волн относительно круглые системы звезд. С другой стороны, далекие радиогалактики имеют вытянутую и иногда неправильную структуру. Более того, в самых далеких радиогалактиках, в отличие от ближайших, распределение света имеет тенденцию соответствовать характеру радиоизлучения.

Точно так же, когда астрономы изучают население массивных, плотных скоплений галактик, они находят различия между теми, которые находятся близко, и теми, кто находится далеко. Далекие скопления содержат голубоватые галактики, которые свидетельствуют о продолжающемся звездообразовании. Подобные скопления, находящиеся поблизости, содержат красноватые галактики, в которых активное звездообразование давно прекратилось. Наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Хаббла, подтверждают, что, по крайней мере, часть усиленного звездообразования в этих более молодых скоплениях может быть результатом столкновений между входящими в их состав галактиками, процесс, который в нынешнюю эпоху происходит гораздо реже.

ДАЛЕКИЕ ГАЛАКТИКИ сильно отличаются от ближайших — наблюдение, которое показывает, что галактики произошли от более ранних, более неправильных форм. Среди галактик, которые являются яркими как в оптическом ( синий ), так и в радио ( красный ) длинах волн, близлежащие галактики, как правило, имеют плавные эллиптические формы в оптических длинах волн и очень вытянутые радиоизображения. По мере увеличения красного смещения и, следовательно, расстояния галактики приобретают более неправильную вытянутую форму, которая кажется выровненной в оптическом и радиодиапазонах. Галактика справа видна такой, какой она была в 10 процентов от нынешнего возраста Вселенной. Изображения были собраны Пэтом Маккарти из Института Карнеги.

Итак, если все галактики удаляются друг от друга и эволюционируют из более ранних форм, кажется логичным, что когда-то они были скоплены в каком-то плотном море материи и энергии. Действительно, в 1927 году, когда о далеких галактиках еще многое не было известно, бельгийский космолог и священник Жорж Леметр предположил, что расширение Вселенной можно проследить до чрезвычайно плотного состояния, которое он назвал первичным «суператомом». Он даже думал, что возможно обнаружить остаточное излучение первобытного атома. Но как будет выглядеть эта радиационная сигнатура?

Когда Вселенная была очень молодой и горячей, излучение не могло распространяться очень далеко, не поглощаясь и не испускаясь какой-либо частицей. Этот непрерывный обмен энергией поддерживал состояние теплового равновесия; какой-либо конкретный регион вряд ли будет намного жарче или холоднее, чем в среднем. Когда вещество и энергия приходят в такое состояние, получается так называемый тепловой спектр, в котором интенсивность излучения на каждой длине волны является определенной функцией температуры. Следовательно, излучение, возникающее в результате горячего Большого взрыва, можно распознать по его спектру.

Фактически, это тепловое космическое фоновое излучение было обнаружено. Работая над созданием радара в 1940-х годах, Роберт Х. Дике, в то время работавший в Массачусетском технологическом институте, изобрел микроволновый радиометр — устройство, способное обнаруживать низкие уровни излучения. В 1960-х годах Bell Laboratories использовали радиометр в телескопе, который должен был отслеживать первые спутники связи Echo-1 и Telstar. Инженер, создавший этот прибор, обнаружил, что он обнаруживает неожиданное излучение. Арно А. Пензиас и Роберт В. Уилсон идентифицировали сигнал как космическое фоновое излучение. Интересно, что к этой идее Пензиаса и Вильсона привело известие о том, что Дикке предложил использовать радиометр для поиска космического фона.

Астрономы очень подробно изучили это излучение с помощью спутника Cosmic Background Explorer (COBE) и ряда ракетных, воздушных и наземных экспериментов. Космическое фоновое излучение имеет два отличительных свойства. Во-первых, она почти одинакова во всех направлениях. (Как обнаружили в 1992 году Джордж Ф. Смут из Лаборатории Лоуренса в Беркли и его группа, вариация составляет всего одну стотысячную часть.) Интерпретация состоит в том, что излучение равномерно заполняет пространство, как и предсказывалось в космологии Большого взрыва. Во-вторых, спектр очень близок к спектру объекта, находящегося в тепловом равновесии при температуре 2,726 Кельвина выше абсолютного нуля. Безусловно, космическое фоновое излучение возникло, когда температура Вселенной была намного выше 2,726 градусов, однако исследователи правильно предвидели, что кажущаяся температура излучения будет низкой. В 1930-е годы Ричард С. Толман из Калифорнийского технологического института показал, что температура космического фона будет уменьшаться из-за расширения Вселенной.

Космическое фоновое излучение является прямым доказательством того, что Вселенная расширялась из плотного и горячего состояния, поскольку это условие необходимо для возникновения излучения. В плотной, горячей ранней Вселенной в результате термоядерных реакций образовались элементы тяжелее водорода, включая дейтерий, гелий и литий. Поразительно, что рассчитанная смесь легких элементов согласуется с наблюдаемыми содержаниями. То есть все данные указывают на то, что легкие элементы были созданы в горячей молодой Вселенной, тогда как более тяжелые элементы появились позже, как продукты термоядерных реакций, питающих звезды.

Теория происхождения легких элементов возникла в результате всплеска исследований, последовавшего за окончанием Второй мировой войны. Джордж Гамов и аспирант Ральф А. Альфер из Университета Джорджа Вашингтона и Роберт Херман из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса и другие использовали данные ядерной физики, полученные во время военных действий, чтобы предсказать, какие ядерные процессы могли происходить в ранней Вселенной. и какие элементы могли быть произведены. Альфер и Герман также поняли, что остатки первоначального расширения все еще можно обнаружить в существующей вселенной.

Несмотря на то, что важные детали этой новаторской работы были ошибочными, она установила связь между ядерной физикой и космологией. Рабочие продемонстрировали, что раннюю Вселенную можно рассматривать как разновидность термоядерного реактора. В результате физики теперь точно рассчитали количество легких элементов, образовавшихся в результате Большого взрыва, и то, как эти количества изменились из-за последующих событий в межзвездной среде и ядерных процессов в звездах.

Наше понимание условий, преобладавших в ранней Вселенной, не приводит к полному пониманию того, как образовались галактики. Тем не менее, у нас есть довольно много кусочков головоломки. Гравитация вызывает рост флуктуаций плотности в распределении материи, так как сильнее замедляет расширение более плотных областей, заставляя их уплотняться еще больше. Этот процесс наблюдается в росте близких скоплений галактик, и сами галактики, вероятно, были собраны тем же процессом в меньшем масштабе.

Росту структуры в ранней Вселенной препятствовало радиационное давление, но это изменилось, когда Вселенная расширилась примерно до 0,1 процента своего нынешнего размера. В этот момент температура составляла около 3000 кельвинов, достаточно низкая, чтобы ионы и электроны могли объединиться с образованием нейтрального водорода и гелия. Нейтральное вещество могло проскальзывать сквозь излучение и образовывать газовые облака, которые могли коллапсировать в звездные скопления. Наблюдения показывают, что к тому времени, когда Вселенная стала одной пятой своего нынешнего размера, материя собралась в газовые облака, достаточно большие, чтобы их можно было назвать молодыми галактиками.

Насущной задачей сейчас является примирение кажущейся однородности ранней Вселенной с неравномерным распределением галактик в современной Вселенной. Астрономы знают, что плотность ранней Вселенной не сильно менялась, потому что они наблюдают лишь небольшие неравномерности космического фонового излучения. До сих пор было легко разрабатывать теории, которые согласуются с доступными измерениями, но сейчас проводятся более важные испытания. В частности, разные теории образования галактик предсказывают совершенно разные флуктуации космического фонового излучения в угловых масштабах менее одного градуса. Измерения таких крошечных флуктуаций еще не проводились, но они могут быть осуществлены в ходе проводимых сейчас экспериментов. Будет интересно узнать, выдержит ли какая-либо из рассматриваемых сейчас теорий формирования галактик эти испытания.

Современная Вселенная предоставила широкие возможности для развития жизни в том виде, в каком мы ее знаем: в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать, насчитывается около 100 миллиардов миллиардов звезд, подобных Солнцу. Однако космология Большого взрыва подразумевает, что жизнь возможна только в течение ограниченного промежутка времени: в далеком прошлом Вселенная была слишком горячей, и ее ресурсы для будущего ограничены. Большинство галактик все еще производят новые звезды, но многие другие уже исчерпали свои запасы газа. Через тридцать миллиардов лет галактики станут намного темнее и будут заполнены мертвыми или умирающими звездами, поэтому планет, способных поддерживать жизнь в ее нынешнем виде, будет гораздо меньше.

Вселенная может расширяться вечно, и в этом случае все галактики и звезды в конце концов станут темными и холодными. Альтернативой этому большому холоду является большой кранч. Если масса Вселенной достаточно велика, гравитация в конце концов обратит расширение вспять, и вся материя и энергия воссоединятся. В течение следующего десятилетия, по мере того как исследователи совершенствуют методы измерения массы Вселенной, мы, возможно, узнаем, идет ли нынешнее расширение к большому похолоданию или к большому сжатию.

Мы ожидаем, что в ближайшем будущем новые эксперименты помогут лучше понять теорию Большого взрыва. Усовершенствуя измерения скорости расширения и возраста звезд, мы, возможно, сможем подтвердить, что звезды действительно моложе расширяющейся Вселенной. Недавно завершенные или строящиеся более крупные телескопы могут позволить нам увидеть, как масса Вселенной влияет на кривизну пространства-времени, что, в свою очередь, влияет на наши наблюдения за далекими галактиками.

Мы также продолжим изучение вопросов, которые космология Большого взрыва не затрагивает. Мы не знаем, почему произошел Большой взрыв или что могло существовать раньше. Мы не знаем, есть ли у нашей Вселенной братья и сестры — другие расширяющиеся области, далекие от того, что мы можем наблюдать. Мы не понимаем, почему фундаментальные константы природы имеют такие значения. Достижения в физике элементарных частиц предлагают несколько интересных способов ответить на эти вопросы; задача состоит в том, чтобы найти экспериментальные проверки идей.

Следя за дебатами по таким вопросам космологии, следует помнить, что все физические теории являются приближениями к реальности, которые могут потерпеть неудачу, если зайти слишком далеко. Физическая наука продвигается вперед за счет включения более ранних теорий, которые экспериментально подтверждены, в более крупные и всеобъемлющие рамки. Теория большого взрыва подтверждается множеством доказательств: она объясняет космическое фоновое излучение, обилие легких элементов и хаббловское расширение. Таким образом, любая новая космология обязательно будет включать в себя картину большого взрыва. Какие бы изменения ни произошли в ближайшие десятилетия, космология превратилась из области философии в физическую науку, где гипотезы проходят проверку наблюдениями и экспериментами.

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Эволюция Вселенной» в журнале Scientific American 271, 4, 52-57 (октябрь 1994 г.)

doi:10.1038/scientificamerican1094-52

П. ДЖЕЙМС Э. ПИБЛЗ — один из самых выдающихся космологов мира, ключевой игрок в раннем анализе космического микроволнового фонового излучения и общего состава Вселенной. Он получил несколько высших наград в области астрономии, в том числе 19-ю.82 Премия Хайнемана, лекторская работа Генри Норриса Рассела 1993 года Американского астрономического общества и медаль Брюса 1995 года Тихоокеанского астрономического общества. В настоящее время Пиблз является почетным профессором Принстонского университета.

Эдвин Л. Тернер — профессор астрофизических наук Принстонского университета, аффилированный научный сотрудник Института физики и математики Вселенной им. Кавли Токийского университета, приглашенный член Программы междисциплинарных исследований Института для перспективных исследований в Принстоне и член совета директоров YHouse, Inc.