Физика

Наша галактика Млечный путь

 

Ускорение свободного падения отдельно взятой синей ручки равно . Эта информация полезна только для одного частного случая. Если взять ручку другого цвета, другую синюю ручку или вообще поменять ручку на другой предмет – что-то изменится? В утверждении, с которого мы начали, ответа нет. А вот утверждение «ускорение любого тела вблизи поверхности Земли в отсутствие сопротивления равно » уже более информативно. Оно описывает универсальную закономерность, применимую ко многим частным случаям. Задача науки – выявить универсальные закономерности, которые позволят решать не одну, а целый класс задач.

 

Мы описали движение планет Солнечной системы и попытались объяснить, почему оно такое. Мы связали структуру Солнечной системы с ее происхождением. Тела Солнечной системы вращаются вокруг Солнца приблизительно в одной плоскости, в одном направлении, и мы связали это с тем, как Солнечная система формировалась из облака пыли в процессе вращения вещества, гравитационного коллапса и других процессов.

Везде в мире действуют одни и те же законы гравитации. Так почему бы не существовать другим системам с похожим строением среди звезд? Серебристую полосу, которая тянется по небесной сфере и образует кольцо, назвали Млечным Путем. Наблюдая Млечный Путь (см. рис. 1) в телескоп, Галилей установил, что он состоит из колоссального множества не очень ярких звезд.

Рис. 1. Млечный Путь

В начале ХХ века было установлено, что те звезды, которые наблюдаются невооруженным глазом или в небольшой телескоп, образуют в пространстве огромный сплюснутый звездный диск. Толщина этого диска составляет несколько тысяч световых лет, а диаметр превышает толщину более чем в десять раз. Этот диск является главным компонентом нашей звездной системы – Галактики (от греческого слова γᾰλαξίας – «молочный»). Наше Солнце (и мы) находимся внутри звездного диска и поэтому вблизи его плоскости видим много далеких звезд, которые сливаются для нас в светящуюся полосу Млечного Пути (см. рис. 2). В направлении, перпендикулярном плоскости галактического диска, звезды расположены менее плотно.

Рис. 2. Расположение Солнечной системы в галактическом диске

Полоса Млечного Пути имеет очень неровные очертания, и внутри светлой полосы есть и более яркие, и темные участки. Это объясняется наличием в Галактике скоплений межзвездной пыли, которые могут поглощать видимый свет. Наблюдения, проводимые в менее поглощаемых пылью инфракрасных лучах, позволили увидеть плотное центральное ядро Галактики и понять ее структуру.

В структуре Млечного Пути выделяют три основные части: диск диаметром около 30 килопарсеков (около 100 000 св. лет), центральное сферическое вздутие балдж (англ. bulge) и гало, которое простирается на большое расстояние. Большая часть газовых и пылевых облаков вместе с множеством ярких молодых звезд лежат в плоскости диска, собираясь в спиральные рукава, отходящие от центра. Наша Солнечная система располагается в средней части спирального рукава в 8 килопарсеках от центра Галактики. Плоскость орбит планет Солнечной системы образует угол приблизительно 60° с плоскостью галактического диска, поэтому полоса Млечного Пути на небосводе наклонена к плоскости эклиптики (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура Млечного Пути

Балдж имеет форму огромного немного уплощенного мяча для регби, в нем велика плотность звезд. Гало имеет форму, близкую к сферической, и содержит ряд шаровых звездных скоплений, отдельные звезды и горячий газ. Плотность вещества в гало ниже, чем в диске и балдже, а простирается оно дальше диаметра диска.

Солнце движется вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Но ввиду огромных размеров Галактики полный оборот Солнце совершает за 220 миллионов лет, т. е. за время, прошедшее с гибели динозавров (65 миллионов лет назад), Солнце прошло только около четверти своей орбиты.

Галактика выглядит (с учетом разницы в размерах) как Солнечная система в процессе ее формирования. В частности, подобно тому как дальние от Солнца планеты совершают оборот за большее время, чем ближние, внутренние части Галактики обращаются быстрее внешних. Это приводит к образованию спиральных рукавов и объясняет их изогнутую форму.

Полное число звезд различных масс, возрастов и светимостей в Галактике оценивается в несколько сотен миллиардов, лишь небольшая их часть доступна наблюдению даже в крупные телескопы. Расстояния между соседними звездами в диске Галактики велики (световые года): например, от Солнца до ближайшей соседней звезды расстояние 4,2 световых года. Вблизи ядра Галактики плотность звезд значительно больше, чем в диске, и расстояния между звездами меньше в 1500 раз. В центре Галактики в кубе со стороной 1 световой год может быть более 10 млн звезд, на краю диска звезды встречаются значительно реже. Но явной внешней границы у Галактики нет.

Кроме звезд, в Млечном Пути есть много межзвездного вещества в виде облаков газа и пыли (около 15 % массы звезд). Газ и пыль распределены в Галактике неоднородно, нередко в ней наблюдаются темные облака пыли, которые заслоняют находящиеся за ними звезды. Но если эти плотные облака освещены яркими звездами, то они отражают этот свет и становятся видимыми. Если вблизи или внутри газопылевого облака имеется горячая звезда, то она возбуждает свечение газа, и мы видим светящуюся туманность.

Мы уже говорили о том, что в газопылевых туманностях возникают молодые звезды. Кроме газа и пыли, наша Галактика заполнена космическими лучами – релятивистскими частицами: протонами, электронами и ядрами атомов других химических элементов, которые двигаются со скоростями, близкими к скорости света. Под действием магнитного поля, которое тоже пронизывает всю Галактику, космические лучи двигаются по запутанным траекториям, не покидая Галактику.

Массу Галактики оценили по тому гравитационному притяжению, которое удерживает ее звезды. Оказалось, что масса той части Галактики, которая лежит внутри орбиты Солнца, составляет не менее 10¹¹ M_Солнца, а общая масса Галактики 2∙10¹² M_Солнца. Результаты, полученные по закону всемирного тяготения, озадачили астрономов. Потому что, когда они сложили массы всех видимых звезд и межзвездного газа, то получили существенно меньшую величину. И если масса всего, что мы видим, меньше массы, которая есть по расчетам, то остается предположить, что остальную массу мы не видим, ее можно обнаружить только по ее гравитационному воздействию. Материю, обладающую такими свойствами, назвали темной материей.

Темная материя – это одна из тайн в современной астрономии. Свойства темной материи изучать очень трудно, так как она действительно темная – не излучает ничего. Ученые могут только приблизительно оценить ее массу в Млечном Пути и в других галактиках. Неопределенность природы темной материи и общей массы Галактики затрудняет подсчет числа звезд в Млечном Пути. Остается только предположить, что средняя масса звезды близка к массе Солнца, тогда общее их число в Галактике будет около 10¹¹ (ста миллиардов). Каждая из них движется по своей орбите под действием суммарного гравитационного поля остальных звезд, межзвездной пыли и газа и темной материи.

Не все звезды Галактики имеют одинаковый возраст, некоторые звезды образуются прямо сейчас. Возрастом Галактики можно считать возраст (то есть время, прошедшее с рождения) самых старых звезд – это около 13 млрд лет. Возраст звезды, как мы говорили ранее, определяют по ее светимости, массе, типу. Таким образом, за 13 млрд лет образовалось 100 млрд звезд, т. е. каждый год в Галактике рождается 7–8 звезд. Правда, темп образования звезд в молодой Галактике, вероятно, был выше.

Поговорим о звездах, которые входят в состав Галактики. Больше всего в Галактике тусклых, холодных красных карликов – звезд, лежащих на главной последовательности H-R диаграммы внизу, их массы 0,1–0,5 солнечных масс. Средняя масса звезд близка к массе Солнца (немного меньше). Звезд с массой более 30 солнечных в Галактике очень немного. Самые распространенные в Галактике звезды – красные и коричневые карлики – мы почти не видим, так как они очень тусклые. Ночной небосвод заполняют в основном редкие, но яркие гиганты, которые видны, даже если они расположены очень далеко от нас (см. рис. 4).

Рис. 4. Классификация звезд. Диаграмма Герцшпрунга – Рессела

Условно звезды Галактики делят на две популяции (иногда их называют двумя населениями). Звезды разных популяций отличаются: положением в Галактике, характером движения, составом, цветом и возрастом (см. рис. 5).

Рис. 5. Параметры звезд Галактики разных популяций

Не следует считать разделение на две популяции точным, оно является модельным упрощением, не все звезды можно уверенно отнести к одной из популяций. Существует гипотеза, что звезды популяции II образовались в период начального коллапса, а звезды популяции I образовались позже и продолжают образовываться сейчас.

В Галактике существуют скопления (кластеры) звезд, которые удерживаются на сравнительно близких расстояниях друг от друга взаимным притяжением. Обратите внимание: кластеры – это не созвездия. В созвездиях звезды только кажутся близкими на небосводе, а в реальности могут располагаться очень далеко друг от друга. Звезды в таких скоплениях связаны не только пространственной близостью, но и общим происхождением и движением, как единое целое. Кроме звезд скопления содержат облака газа и пыли. Выделяют два основных типа скоплений: рассеянные и шаровые (см. рис. 6).

Рис. 6. Отличия звездных скоплений

Рис. 7. Скопление Плеяды в созвездии Тельца

На рис. 7 вы видите рассеянное скопление Плеяды в созвездии Тельца. В хорошую погоду Плеяды видны невооруженным глазом.

Рис. 8. Шаровое скопление M15 в созвездии Пегаса (снимок сделан космическим телескопом Хаббл)

Расчеты показывают, что в центре Млечного Пути есть черная дыра. Центр Галактики наблюдать нелегко, так как видимый свет располагающихся вблизи центра объектов загораживают пылевые облака. Поэтому для наблюдения за центром Галактики используют другие диапазоны излучения (радио, инфракрасный, рентгеновский), которые позволили заглянуть за пылевые облака. Обнаружилось, что на расстоянии около 10 а.е. (это размер орбиты Юпитера) вокруг центра Галактики звезды вращаются со скоростью много сотен километров в секунду. Удержать такие быстрые звезды на орбитах может только очень сильное гравитационное поле, которое может создать только объект с массой, равной 4 миллионам солнечных. Но такого объекта астрономы в центре Вселенной не видят. Следовательно, это черная дыра.

Вероятно, эта черная дыра образовалась от слияния множества черных дыр массой около 10 солнечных, являвшихся остатками взрывов сверхновых. Как мы говорили ранее, такими взрывами заканчивается эволюция массивных звезд. Образовавшаяся в центре Галактики черная дыра продолжает втягивать в себя межзвездное вещество и увеличиваться. Огромные ускорения поглощаемых черной дырой объектов вызывают интенсивное рентгеновское излучение, обнаруживаемое в центре Галактики.

Как и отдельные звезды, Галактика постоянно меняется, и можно сделать предположения о ее эволюции. Межзвездный газ постоянно используется при образовании звезд. И хотя при гибели звезд часть их вещества возвращается в пространство в виде газопылевых облаков, но звездный ветер (аналогичный солнечному) и такие остатки сверхновых, как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, из этого процесса исключаются. Поэтому в Млечном Пути уменьшается количество межзвездного вещества для образования звезд.

 

Другие звездные системы

 

 

За пределами нашей Галактики видимая часть Вселенной заполнена звездами, которые также можно выделить в десятки миллиардов других звездных систем. Эти далекие огромные звездные облака также назвали галактиками (только со строчной буквы). Некоторые галактики похожи на Млечный Путь, другие отличаются формой, размерами или составом. В настоящее время природа таких различий еще не ясна астрономам, например, не ясно, почему одни галактики имеют форму диска, а другие – яйца.

 

Только несколько галактик видны без телескопа, они выглядят на небосводе как очень тусклые объекты. В Северном полушарии осенью и зимой в созвездии Андромеды можно видеть бледное вытянутое пятно (см. рис. 9).

Рис. 9. Галактика М31 (ближайшая к нам)

Так она выглядит в телескопе. Раньше галактики принимали за облака звездной пыли, далекие звездные скопления. Только в 20-х годах прошлого века астрономы пришли к согласию в том, что многие такие объекты являются полноценными галактиками. Многие из них каталогизированы, получили имена, звездные координаты, фотографии, описания и т. п.

Поговорим о классификации галактик. Американский астроном Хаббл (в честь него назван космический телескоп, позволяющий получать фотографии самых удаленных космических объектов) разделил галактики по форме на три типа: спиральные, эллиптические и неправильные. Мы знаем, что Млечный Путь является спиральной галактикой.

Спиральные галактики могут иметь особенности, например, спиральные рукава могут начинаться не от центра галактики, а от концов «перемычки» (см. рис. 10).

Рис. 10. Спиральная галактика

Эллиптические (см. рис. 11) галактики не имеют диска или спиральных рукавов, по форме они напоминают мяч (иногда мяч для регби). Звезды в них распределены практически равномерно по трем измерениям, разумеется, при уменьшающейся плотности звезд при удалении от центра. В эллиптических галактиках не обнаруживаются массивные голубые звезды.

Рис. 11. Эллиптическая галактика

Галактики, названные неправильными, не похожи ни на спиральные, ни на эллиптические. Они меньше по размерам и выглядят как случайная смесь звезд и газовых облаков. Часто они бывают голубоватого света, потому что в них большую часть занимают звездные скопления с молодыми голубыми гигантами.

Рис. 12. Неправильная галактика

Так выглядит в телескопе неправильная галактика Малое Магелланово Облако (см. рис. 12). Эта галактика видна невооруженным глазом (в Южном полушарии). Первым эту галактику целенаправленно наблюдал и описал Магеллан во время своего путешествия.

При изучении спектров галактик было обнаружено, что большая часть спектральных линий в них сдвинута в сторону длинных волн (к красному концу спектра). Это явление назвали красным смещением, оно характерно для большинства галактик, за исключением самых близких к нам.

---

 

Эффект Доплера

Представьте себе источник волн, который излучает волны, и приемника, который их улавливает. Мы не конкретизируем природу волн – электромагнитные или механические – явление, о котором пойдет речь, наблюдается для любых волн. Оказывается, если источник и приемник движутся друг относительно друга в направлении распространения волн (то есть отдаляются или приближаются), то волна, принятая приемником, будет иметь длину волны, отличную от длины волны, испускаемой источником.

Например, когда мимо нас проезжает автомобиль с включенной сиреной, при его приближении (когда он движется к нам) звук сирены звучит для нас как для приемника волн более высоким, а при отдалении – более низким. Слышны и изменения в звуке двигателя автомобиля (см. рис. 13).

Рис. 13. Эффект Доплера

Звезды являются источниками электромагнитных волн, и, если они движутся, длины принимаемых нами от звезд волн тоже должны изменяться. Так и есть. Только как обнаружить изменение, откуда мы знаем, волна какой длины излучается? Спектры излучения звезд являются линейчатыми, и набор линий строго определен составом звезды. Вот относительно длин волн этих линий мы и обнаруживаем смещение.

Пусть λ – наблюдаемая длина волны определенной спектральной линии движущегося объекта, λ₀ – длина волны этой линии, наблюдаемая в лабораторных условиях. Тогда скорость объекта  c – скорость света.

---

Согласно эффекту Доплера, о котором вы можете узнать в ответвлении, красное смещение галактик говорит о том, что галактика удаляется от нас. При этом чем больше смещение, тем больше скорость удаления объекта. Оказывается, что скорость удаления галактики (величина красного смещения) тем больше, чем дальше от нас галактика. Т. е. все галактики «разбегаются» от нас. Но мы ничем не выделены во Вселенной, не являемся ее центром. Поэтому все галактики разбегаются от любого наблюдателя, т. е. явление красного смещения – это свойство пространства.

Хаббл вывел простую формулу для этого эмпирического факта, названного законом Хаббла:

где  – скорость удаления галактики, d – расстояние до нее, H – постоянная Хаббла. Значение H зависит от выбора единиц измерений.  принято измерять в км/с, а d – в мегапарсеках (Мпк), тогда H ≈ 70 км/(с∙Мпк). Верно и обратное: чем быстрее движется галактика (чем больше красный сдвиг спектральных линий), тем дальше она от наблюдателя. Поэтому формула Хаббла позволяет найти расстояние до галактики по красному смещению ее спектра. Формулу Хаббла нельзя применять для ближайших к Млечному Пути галактик, так как на их скорость оказывает влияние Млечный Путь. Эту формулу нельзя применять и для группы совместно движущихся галактик, например, когда две галактики вращаются вокруг общего центра масс.

Говоря о массе нашей Галактики, мы ввели модель темной материи. Для других галактик тоже характерна такая нестыковка видимой и расчетной масс. Массу галактики можно определить двумя способами. Во-первых, зная светимость галактики и деля ее на светимость всех ее звезд, мы получаем количество звезд в галактике. Умножая это число на массу средней звезды, получаем полную массу. Во-вторых, мы, как и в случае Млечного Пути, можем получить массу галактики, измеряя скорости движения звезд, скоплений звезд, газовых туманностей на различных расстояниях от центра. Массы, определенные двумя способами, не совпадают, вторая больше на существенную величину (иногда на десятки процентов). Считается, что различие создается темной материей, сосредоточенной в центре галактики.

Классифицировать галактики можно не только по форме и размерам. Поговорим о других признаках. Активными называют галактики, у которых в ядрах есть небольшие участки, излучающие необычайно много энергии. Некоторые из таких галактик излучают из области размером в 1 св. год столько энергии, сколько излучает весь Млечный Путь. Иногда активные галактики выбрасывают узкие струи газа, движущегося со скоростями порядка 10 000 км/с. Приблизительно 10 % всех галактик являются активными (см. рис. 14).

Рис. 14. Активная галактика

Квазар – это сокращение от английского выражения quasi-stellarradiosource (похожий на звезду радиоисточник). Квазары выглядят как очень слабые звезды, но по мощности своего радиоизлучения (светимости в радиодиапазоне) они являются самыми яркими объектами на небе, превосходя в этом Млечный Путь в 1000 раз. В радиодиапазоне также обнаруживается смещение спектральных линий, и по формуле Хаббла получается, что квазары находятся на расстоянии порядка 10 млрд св. лет от Земли.

Для объяснения сверхмощных излучений ядрами активных галактик и квазарами была предложена модель сверхмассивной черной дыры, содержащей от миллиона до нескольких миллиардов солнечных масс вещества. Вокруг черной дыры имеется так называемый аккреционный диск, по которому вещество (звезды, межзвездный газ и т. п.), как воронкой, засасывается черной дырой. Трение при вращательном движении и гравитация при движении к черной дыре разогревают газ настолько, что он может из небольшого объема излучать много энергии, причем в очень широком диапазоне длин волн (см. рис. 15).

Рис. 15. Модель сверхмассивной черной дыры

Средние расстояния между звездами в миллионы раз больше размеров звезд. Средние расстояния между галактиками больше размеров галактик только в десятки раз. То есть галактики в сравнении со своими размерами сближены значительно теснее, чем звезды. Поэтому неудивительно, что галактики чаще, чем звезды, образуют скопления галактик. Так Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака и другие близкие к нам звездные системы образуют так называемую Местную группу. Галактики Местной группы связаны тяготением и движутся вокруг общего центра масс.

Сейчас известно около 4000 скоплений галактик. Средний размер скопления 8 Мпк (26 млн св. лет). Кроме галактик, скопления содержат газ. Как показали наблюдения на космических рентгеновских телескопах, скопления галактик являются мощными источниками рентгеновского излучения, которое испускает нагретый до температуры свыше 10⁹ К очень разреженный межгалактический газ. Его концентрация оказалась небольшой: около 1000 атомов водорода в 1 м³. Но общее количество межгалактического газа сравнимо с массой всех галактик в скоплении.

Чтобы удержать горячий газ в скоплении, необходима большая сила тяготения. Полная масса галактик, входящих в скопление, для этого недостаточна. Астрономы пришли к выводу, что и скопление должно быть заполнено большим количеством темной материи, способной удержать его от разрушения.

 

Космология

 

 

Раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом, называется космологией. Космология, в частности, объясняет распределение галактик в пространстве и их «разбегание». Обсудим некоторые вопросы, которые изучает космология.

 

Конечность и бесконечность Вселенной. Во времена античности и в средние века Вселенная считалась статичной и конечной, ограниченной сферой неподвижных звезд (см. рис. 16). Изучением звездного неба и занималась тогда астрономия. Позднее, с развитием физики, внимание астрономов переключилось на движение небесных объектов, источники энергии во Вселенной и т. п.

 

Рис. 16. Модели конечной и бесконечной Вселенной

Большое значение для космологии имело открытие Ньютоном закона всемирного тяготения. «Всемирное» выполнение этого закона потребовало рассмотрения гипотезы о бесконечности Вселенной. В конечной Вселенной все ее вещество должно стянуться в единую плотную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых отдельных телах (звезды), равномерно заполняющих Вселенную.

В рамках классической механики и теории тяготения Ньютона принятие гипотезы бесконечности Вселенной приводило к некоторым парадоксам. Примером является фотометрический парадокс.

Почему ночью небо темное? В бесконечной статичной Вселенной имеется бесконечное число звезд. Поэтому, если мы направим наш взгляд в какое-то выбранное направление, то луч зрения непременно попадет на какую-то звезду. Все небо должно быть сплошь перекрыто дисками звезд разных угловых размеров. Если все звезды похожи на Солнце, то любой участок неба должен быть таким же ярким, как Солнце. Но это не так. Если же Вселенная конечна, то звезд в ней конечное число и небо, естественно, не столь яркое (звезды не покрывают его полностью). Но это противоречит закону всемирного тяготения и наблюдаемому равномерному распределению звезд.

Общая теория относительности. Механика Ньютона прекрасно согласуется с опытом для окружающих нас тел средней массы, которые движутся с небольшими скоростями. Космические тела могут иметь огромные массы и размеры (например, галактики), могут двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света (например, звезды и газ вблизи ядер галактик). Изучать взаимодействия таких тел и их движения с помощью классической механики невозможно. Обобщает теорию Ньютона для подобных объектов общая теория относительности Эйнштейна (см. рис. 17).

Рис. 17. Теория относительности

Согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью (скоростью света), а в теории Ньютона оно передается мгновенно. В классической механике пространство считается эвклидовым, а время абсолютным. В общей теории относительности время не абсолютно, а пространство может быть искривленным. Гравитационное поле в общей теории относительности представляет собой искривление пространства-времени, создаваемое массивными телами.

Расширяющаяся Вселенная. Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и тем самым объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик.

Понять основные особенности наблюдаемой картины расширения Вселенной можно и в рамках теории тяготения Ньютона. Это связано с тем, что в небольших масштабах применима теория тяготения Ньютона и в расширении Вселенной можно убедиться по движению одной галактики, которая удаляется от нас со скоростью, меньшей скорости света.

Рассмотрим далекую галактику, находящуюся на расстоянии R от нас. На ее движение оказывает влияние притяжение только того вещества, которое находится внутри сферы с радиусом R, остальное вещество Вселенной не влияет своим притяжением на движение галактики. Масса вещества, находящегося внутри сферы радиусом R и плотностью ρ, равна М = ρ·(4/3)πR³ (см. рис. 18).

Рис. 18. Выбранный участок Вселенной со средней плотностью ρ

Эта галактика как бы находится на поверхности шара c данной массой и данным радиусом и движется по закону Хаббла со скоростью . Если эта скорость окажется меньше второй космической скорости для рассматриваемого шара, то наблюдаемое удаление галактики сменится, в конце концов, приближением, т. е. расширение Вселенной сменится сжатием. Если же скорость будет больше или равна второй космической, то галактика будет неограниченно удаляться, т. е. наблюдаемое сейчас расширение Вселенной никогда не прекратится.

Из подобных рассуждений можно сделать следующий вывод. Существует критическое значение плотности вещества во Вселенной ρ_кр такое, что при ρ > ρ_кр в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при ρ ≤ ρ_кр Вселенная будет расширяться неограниченно.

---

 

Модели искажения пространства

Один из эффектов искажения мы рассмотрели – красное смещение. Для решения разных задач бывает удобно использовать разные модели: либо при расширении пространства законы геометрии выполняются как-то по-другому, либо можно считать, что законы выполняются правильно, только само пространство искажается. Есть несколько моделей законов геометрии для разных случаев искажения пространства (см. рис. 19), и вид искажения зависит от того, какова средняя плотность вещества Вселенной.

Рис. 19. Модели искажения

При ρ > ρ_кр во Вселенной будут выполняться законы геометрии Римана и сумма углов треугольника будет больше 180˚ (как на сфере).

При ρ = ρ_кр  будут выполняться законы геометрии Евклида,  где сумма углов треугольника равна 180˚ (как на плоскости).

При ρ < ρ_кр во Вселенной будут выполняться законы геометрии Лобачевского, сумма углов треугольника будет меньше 180˚ (как на седле).

---

Мы не знаем средней плотности вещества во Вселенной, но расчеты, сделанные для той ее части, которая доступна наблюдению, указывают на то, что средняя плотность Вселенной примерно в 8 раз меньше критической плотности и Вселенная должна расширяться вечно.

Возраст Вселенной. Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то время, когда в прошлом это расширение началось, мы можем оценить из закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью  и сейчас находится на расстоянии r от нас, то с начала удаления до нынешнего момента времени прошло

T =  =  =  =  = 13∙10⁹ лет.

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Что же было эти 13 млрд лет назад – непонятно, просто расчеты ведут к этой точке. Можно предположить, что в отправной точке расширения все вещество Вселенной было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Не существовало ни атомов, ни молекул, а была сверхплотная смесь элементарных частиц.

Пока не ясны ни природа физических процессов, протекавших в этом сверхплотном веществе, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время T = 1 / H = 13 млрд лет, прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.

Теперь понятно, как объяснить фотометрический парадокс – как следствие расширения Вселенной и связанного с ним наблюдаемого разбегания галактик. Действительно, из-за эффекта Доплера свет далеких галактик и звезд испытывает красное смещение, т. е. энергия световых квантов уменьшается, и от этих галактик приходит меньше света. Кроме этого, мы увидели, что радиус наблюдаемой Вселенной ограничен. Этими двумя положениями и объясняется то, что небо ночью темное.

Радиус Вселенной. Поскольку скорость света ограничена, мы можем видеть только те объекты, которые ближе к нам, чем расстояние, которое свет прошел за время существования Вселенной. Это расстояние называется космическим горизонтом (см. рис. 20). Вселенная может существовать и за этим горизонтом, но мы этого не видим.

Рис. 20. Границы наблюдаемой Вселенной

Поскольку Вселенная расширяется, космический горизонт сдвигается. Когда мы говорим о расстояниях до удаленных галактик, мы имеем в виду расстояние, которое прошел до нас свет от галактики при условии, что Вселенная не расширяется. Это расстояние тогда есть просто мера того, насколько старше стала галактика в момент наблюдения ее света по сравнению с моментом излучения света. Такое определение расстояния позволяет нам считать космический горизонт удаленным от нас на 14 млрд парсек. Эта величина и принимается за размер (радиус) видимой Вселенной.

Горячая Вселенная и реликтовое излучение. Общие представления о ранних стадиях расширения Вселенной можно получить из анализа ее химического состава. Естественно считать, что до образования звезд веществом Вселенной был водород, из которого в недрах звезд образовывался гелий. В дальнейшем часть вещества звезд возвращалась в межзвездную среду и служила материалом для формирования новых поколений звезд. Спектральные данные показали, что во Вселенной доля гелия в веществе Вселенной составляет 30 % (по массе). Предполагалось, что весь этот гелий образовался в ходе термоядерных реакций в ядрах звезд.

Однако расчет количества гелия во Вселенной по интенсивности образования его в звездах, количеству звезд во Вселенной и времени существования звезд дает значительно меньшую величину – 13 %.

Следовательно, не весь гелий образовался в звездах. Исходя из этого Георгий Гамов (русский и американский физик) пришел к выводу, что большая часть гелия образовалась еще на ранних стадиях расширения Вселенной, когда в ней еще не было звезд. Если учесть, что образование гелия в термоядерных реакциях возможно только при температурах свыше нескольких миллионов кельвинов, то на ранних стадиях, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была не только колоссально плотной, но и горячей.

Кроме вещества, в ранней Вселенной было еще и излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к настоящему времени должна была снизиться до 3 K (–270 ˚C). Это предсказание подтвердилось открытием микроволнового излучения, максимум интенсивности которого приходится на длину волны λ_max = 1 мм, что соответствует (по закону смещения Вина) температуре 2,7 K.

Это излучение не связано ни с одним космическим объектом, оно равномерно заполняет Вселенную и, следовательно, относится к началу расширения Вселенной, до образования небесных тел. Оно получило название реликтового излучения, т. е. оставшегося от ранних этапов эволюции Вселенной.

Ускоренное расширение Вселенной и темная энергия. Мы говорили уже, что основной вклад в массу галактик вносит темная материя, природа которой пока неясна, но учитывать которую необходимо для рационального объяснения расширения Вселенной. С тем, что Вселенная расширяется, мы уже свыклись, но делать окончательные выводы о бесконечном (!) ее расширении преждевременно.

Наблюдая вспышки сверхновых звезд в очень далеких галактиках, ученые обнаружили, что расстояния до этих галактик, вычисленные по красному смещению в их спектрах (эффект Доплера), оказались больше, чем дает формула Хаббла. Отсюда следовало, что на таких расстояниях расширение происходит с ускорением, то есть во Вселенной действует некоторая сила отталкивания, которая проявляется только на очень больших расстояниях. Эту силу считают проявлением необычной энергии, которую назвали темной энергией.

Свойства темной энергии совершенно необычные. Она проявляет себя только в гравитационном взаимодействии, но не как сила притяжения, а как сила отталкивания, в слабом ядерном и электромагнитном взаимодействиях она не участвует. Плотность темной энергии постоянна во времени. Так как при расширении Вселенной плотность обычной и темной материи уменьшается (объем увеличивается, а масса не меняется), начиная с некоторого момента, масса темной энергии (вспомните эквивалентность массы и энергии ) будет превышать массу остальных видов материи, и она будет оказывать основное влияние на гравитацию во Вселенной. Наблюдения показали, что ускоренное расширение демонстрируют галактики, которые находятся на расстоянии около 6 млрд св. лет от нас. Это означает, что темная энергия стала преобладать над обычной материей, когда возраст Вселенной был 7 млрд лет.

 

Жизнь во Вселенной

 

 

По данным радиоуглеродного анализа ископаемых, жизнь на Земле существует по крайней мере 3,8 млрд лет (большую часть времени существования нашей планеты). Естественно, что в 600 млн лет существовали только примитивные формы жизни, сложные организмы возникли позже в результате биологической эволюции. Длительность существования и единство всех форм жизни на Земле указывают на то, что жизнь возникла из единого источника вскоре после образования Земли.

 

Экспериментально доказано, что химические предшественники организмов (органические соединения, нуклеиновые и аминокислоты и т. п.) вполне могли возникнуть в условиях, существовавших на молодой Земле. Поэтому не представляется чем-то невозможным, что такие же условия могут или когда-то могли существовать еще где-то во Вселенной, и многие астрономы верят в то, что жизнь зарождалась во многих других местах Вселенной.

Однако до сих пор все поиски ее в космосе были безрезультатными. Это не означает, что внеземной жизни нет, просто нам неизвестен достоверный факт, что она есть. Доказательств существования внеземной жизни действительно нет, но «отсутствие доказательств не то же самое, что доказательство отсутствия».

Даже если бы жизнь существовала на многих объектах Солнечной системы, вряд ли мы ее смогли бы обнаружить в тех немногих местах, где люди или автоматические станции уже побывали. На Луне нет воды и атмосферы, и поиск жизни на ней бесперспективен. Марс кажется более подходящим для поиска жизни. Хотя условия там суровые, но все-таки Марс – самая похожая на Землю планета.

Моделируя в лаборатории марсианские условия, ученые доказали, что некоторые земные организмы (бактерии и лишайники) на Марсе могли бы выжить, хотя не смогли бы нормально развиваться и размножаться. Известно, что в прошлом условия на Марсе были не так суровы. Например, на его поверхности обнаружены следы водных потоков, это указывает на то, что климат тогда был теплее, а атмосфера плотнее. И хотя жизнь на Марсе так и не была обнаружена, существуют проекты более тщательного поиска там ее следов (может быть, она была там прежде).

Другие объекты Солнечной системы, где имеет смысл искать жизнь, – это подледные океаны таких спутников планет-гигантов, как Европа, Ганимед или Энцелад. Благодаря приливному сжатию и внутреннему радиоактивному нагреву вода подо льдом остается жидкой.

Условия там похожи на те, что были в океане с подводными вулканами на молодой Земле. Сейчас разрабатываются проекты доставки подводных исследовательских аппаратов в океаны таких спутников. Основная проблема таких проектов – необходимость преодолевать многокилометровый слой льда (см. рис. 21).

Рис. 21. Проект исследования подледных водоемов спутников

Сейчас считается, что жизнь на Земле возникла спонтанно, а не занесена из космоса. Однако считать это твердо доказанным нельзя. Например, на Землю падали метеориты с Марса. Эти метеориты образовывались при столкновениях с астероидами, астероид выбивает большой кусок поверхности Марса, который в качестве метеорита может достигнуть Земли и перенести на нее марсианский биологический материал (конечно, если он был в этом куске поверхности). Во всяком случае некоторые органические вещества в таких метеоритах обнаруживались.

Падения таких метеоритов случались в ранней Солнечной системе достаточно часто, и, возможно, мы все являемся потомками древних микроскопических марсиан. Это не обязательно были марсиане, простые организмы могли попасть на Землю не только из Солнечной системы, потому что, будучи «запечатанными» в каменный метеорит, они могут перенести суровые условия длительного космического путешествия.

Гипотеза заселения Земли организмами, возникшими где-то далеко во Вселенной, называется панспермией. Эта теория была популярна сто лет назад, но теперь понятно, что она не объясняет происхождение жизни, а просто переносит это событие куда-то далеко от Земли.

С вероятными «обитаемыми» местами в Солнечной системе разобрались, но одиноки ли мы во Вселенной? Может быть, где-то в сотнях световых лет от нас существует планета, где ученики тоже изучают астрономию и обсуждают проблему существования жизни на других планетах и, в частности, на Земле. Одна группа ученых считает, что в огромной Галактике могут быть миллионы планет, где возникла жизнь, и среди них есть такие, где развилась цивилизация. Другая группа считает, что вероятность развития интеллекта настолько мала, что вряд ли где-то вне Земли есть еще одна цивилизация, по крайней мере в нашем ее представлении.

Рассмотрим аргументы в пользу множественности обитаемых миров. Сторонники идеи множественности обитаемых миров рассуждают следующим образом. На Земле жизнь возникла и развилась цивилизация. Таких планет, как Земля, в одном только Млечном Пути множество. Чтобы оценить их число, сначала прикинем, сколько в Галактике звезд с массой, приблизительно равной массе Солнца. Оказывается, их около 10 % от общего числа звезд в Галактике, т. е. 1/10 от 10¹¹ = 10¹⁰.  

Следующий вопрос: у скольких из них есть планеты, похожие на Землю? То есть имеющие жидкую воду. А это в основном зависит от наличия атмосферы и ее температуры, т. е. от типа звезды (ее светимости) и расстояния до планеты. Если считать, что таких планет будет тоже 1/10 от числа солнц, то у 10⁹ планет физические условия подходят для возникновения жизни. Так как мы знаем, что жизнь на Земле развилась, по астрономическим меркам, очень быстро, можно считать, что вероятность возникновения жизни в подходящих условиях достаточно велика, т. е. она скорее порядка 1/100, а не 1/1 000 000. Другими словами, жизнь могла возникнуть в Галактике на 10 млн планетах.

Вероятность развития и сохранения цивилизации, которая может погибнуть от внешних (например, столкновения с астероидом) и внутренних (войн, эпидемий и т. п.) причин, эти ученые оценивают величиной 1/1000. Следовательно, из 10 млн планет, где возникла жизнь, на 10 000 возникнет и сохранится развитая цивилизация.

Конечно, приведенные оценки очень грубые и, возможно, слишком оптимистичные. Но давайте с ними согласимся и попробуем оценить расстояния между этими цивилизациями. Обратимся к чертежу. Пусть радиус диска Млечного Пути равен R, и пусть в нем есть N цивилизаций, которые равномерно распределены со средним расстоянием между ними d (см. рис. 22).

Рис. 22. Расстояние между предполагаемыми цивилизациями Галактики

Площадь диска Галактики R². Он плотно покрыт N цивилизациями радиуса d/ 2. Площадь покрытия (d/ 2)², следовательно, R² = N∙(d/ 2)², откуда d = 2R/. Если R = 50 000 св. лет и N = 10 000, то d = 1000 св. лет. Таким образом, даже при завышенных оценках расстояния между цивилизациями так велики, что какая-либо коммуникация между ними невозможна.

Аргументы в пользу единственности земной цивилизации. Сторонники этой идеи считают, что их оппоненты завышают вероятности в своих расчетах. Кроме того, они полагают, что цивилизации не вечны и их расцветы могут быть сдвинуты по времени. Так, если бы на Марсе была цивилизация, но всего лишь 200 лет назад по некоторой причине она прекратила свое существование, то мы не могли об этом узнать и связаться с ней, потому что на Земле еще не изобрели радио.

Еще один аргумент сторонников единственности – это парадокс, сформулированный итальянским физиком Ферми. Предположим, что бурное технологическое развитие приведет к тому, что через 1000 лет мы сможем совершать путешествия между звездами. Перелетая от звезды к звезде, мы постепенно колонизуем всю Галактику. Даже если перелет от звезды до звезды будет длиться тысячи лет, на колонизацию Галактики нам понадобится только несколько миллионов лет. В масштабах истории Галактики — это ничтожное время и, если бы существовали другие цивилизации, то какие-то из них давно уже побывали бы на Земле. Конечно, Ферми делает некоторые вольные предположения. Например, он считает, (1) что все цивилизации стремятся к экспансии, (2) что цивилизации скорее ищут контакты, чем избегают их, и (3) что все цивилизации стремятся в космос.

Изучение планет вне Солнечной системы интересно не только с точки зрения поиска жизни, но и с точки зрения закономерностей строения и эволюции Солнечной системы. Поэтому сотни лет астрономы мечтали обнаружить планеты, вращающиеся не вокруг Солнца, а вокруг других звезд Галактики. Но увидеть даже в мощный телескоп такие маленькие по сравнению с межзвездными расстояниями несветящиеся объекты было практически невозможно. Наконец в 1995 году первая экзопланета (планета вне Солнечной системы) была обнаружена.

К настоящему времени обнаружено уже около 4000 экзопланет. Для поиска планет за пределами Солнечной системы применяют космические телескопы и используют методы, основанные на ослаблении света звезды, когда планета проходит по ее диску и частично заслоняет свет, или по измерению доплеровского смещения спектральных линий в звездном спектре из-за движения звезды вокруг общего центра масс звезды и экзопланеты. Большую часть обнаруженных экзопланет составляют планеты-гиганты. Это естественно, так как планеты типа Земли обнаружить значительно труднее. Таких экзопланет было найдено несколько сотен. Сейчас найдено около 40 экзопланет, движущихся на таких расстояниях от звезды, на которых они получают достаточно тепла для формирования условий, подходящих для возникновения жизни.

Для оценки пригодности экзопланеты для жизни был введен индекс подобия Земле. Этот индекс учитывает все известные параметры планеты и ее звезды, которые считаются важными для возникновения жизни (см. рис. 23).

Рис. 23. Экзопланеты

Теперь основная цель наблюдения экзопланет – обнаружение у них атмосферы и определение ее химического состава. Если в химическом составе атмосферы будут обнаружены кислород, углекислый газ, метан и т. п., то на такой планете возможно наличие жизни.

 

Список литературы

1. Левитан Е. П. Астрономия. 11 класс: учеб. пособие для общеобразоват. организаций : базовый уровень. – М.: Просвещение, 2018.
2. Воронцов-Вельяминов Б.А., Страут Е.К. Астрономия 10-11, базовый уровень. – М.: Дрофа, 2019.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Класс!ная физика
2. Интернет-портал Класс!ная физика
3. Интернет-портал Класс!ная физика
4. Интернет-портал Astronet

 

Домашнее задание

1. На каком расстоянии от нас находится галактика, имеющая скорость удаления  1,5 · 10⁵ км/с?
2. Напишите краткую характеристику Млечного Пути.