Наш мир, родившийся в процессе Большого взрыва, и поныне расширяется, а объем разделяющего галактики пространства стремительно увеличивается. Скопления галактик, удаляясь друг от друга, тем не менее остаются устойчивыми образованиями с определенными размерами и стабильной структурой. Да и атомы вовсе не набухают в процессе расширения Вселенной, в отличие от свободно летающих фотонов, увеличивающих свою длину волны в процессе перемещения по расширяющемуся пространству. Куда же ушла энергия реликтовых фотонов? Почему мы можем видеть квазары, удаляющиеся от нас со сверхсветовой скоростью? Что такое темная энергия? Почему доступная нам часть Вселенной все время сокращается? Это лишь часть вопросов, над которыми думают сегодня космологи, стараясь согласовать общую теорию относительности с картиной Мира, наблюдаемой астрономами.
Сфера Хаббла
Согласно закону Хаббла, описывающего расширение Вселенной, радиальные скорости галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом Н 0 , который сегодня называется постоянной Хаббла .
Значение Н 0 определяется по наблюдениям галактических объектов, расстояния до которых измерены, главным образом, по ярчайшим звёздам или цефеидам.
Большинство независимых оценок Н 0 дают для этого параметра в настоящее время значение приблизительно около 70 км/с на мегапарсек.
Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью примерно 7000 км/с.
В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.
Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, возраст Вселенной оценивается приблизительно в 13,8 млрд лет.
Относительно центра сферы Хаббла скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее – больше. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом – горизонтом фотонов .
Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.
В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая – в пространстве - времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах.
Горизонт частиц
Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых.
Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной. Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.
Для нерасширяющейся Вселенной размер горизонта частиц растет с возрастом, и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения. Но в расширяющейся Вселенной это не так. Более того, в зависимости от скорости расширения размер горизонта частиц может зависеть от времени, прошедшего с момента начала расширения, по более сложному закону, чем простая пропорциональность. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально ненаблюдаемые, есть процессы принципиально непознаваемые.
Кроме того, размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, две пространственные точки, разделенные расстоянием больше размера горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. В случае, когда размер горизонта частиц стремится к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно-несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо.
Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подтвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время, Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.
Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению – Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 -43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.
Горизонт событий
Горизонт событий – это поверхность в пространстве-времени . Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в замедляющейся Вселенной горизонта событий нет – любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая – модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант – расширение с ускорением.
Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий . Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно – свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий.
Прошлое и будущее
«Над проблемами горизонта я задумался еще в аспирантуре, причем даже не по собственной инициативе, - рассказывает профессор Вольфганг Риндлер, который до сих пор преподает физику в Техасском университете в Далласе. - Тогда была в большой моде теория Вселенной, известная как космология стабильного состояния - Steady State Cosmology. Мой научный руководитель ввязался в ожесточенный спор с авторами этой теории и предложил мне разобраться в существе разногласий. Я не стал отказываться от предложенной задачи, и в результате появилась моя работа о космологических горизонтах.
По словам профессора Риндлера, существует очень понятная интерпретация обоих горизонтов нашего мира: «Горизонт событий образован световым фронтом, который в пределе сойдется на нашей Галактике, когда возраст Вселенной возрастет до бесконечности. Напротив, горизонт частиц соответствует световому фронту, испущенному в момент Большого взрыва. Фигурально выражаясь, горизонт событий очерчивается самым последним из световых фронтов, достигающих нашей Галактики, а горизонт частиц - самым первым. Из такого определения становится понятным, что
горизонт частиц задает максимальное расстояние, с которого в нашу нынешнюю эпоху можно наблюдать произошедшее в прошлом. Горизонт событий, напротив, фиксирует максимальную дистанцию, откуда можно получить информацию о бесконечно отдаленном будущем.
Это действительно два разных горизонта, которые необходимы для полного описания эволюции мироздания».
Доктор педагогических наук Е. ЛЕВИТАН, действительный член Российской академии естественных наук
Наука и жизнь // Иллюстрации
Одна из лучших современных астрофизических обсерваторий - Европейская южная обсерватория (Чили). На снимке: уникальный инструмент этой обсерватории - "Телескоп новых технологий" (NТТ).
Фотография обратной стороны 3,6-метрового главного зеркала "Телескопа новых технологий".
Спиральная галактика NGC 1232 в созвездии Эридана (расстояние до нее около 100 млн световых лет). Размер - 200 световых лет.
Перед вами огромный, возможно, раскаленный до сотен миллионов градусов по Кельвину газовый диск (его диаметр около 300 световых лет).
Странный, казалось бы, вопрос. Разумеется, мы видим и Млечный Путь и другие, более близкие к нам звезды Вселенной. Но вопрос, поставленный в заглавии статьи, на самом-то деле не так уж прост, а потому постараемся разобраться в этом.
Яркое Солнце днем, Луна и звездная россыпь на ночном небе всегда привлекали к себе внимание человека. Судя по наскальным рисункам, на которых древнейшие живописцы запечатлели фигуры наиболее приметных созвездий, уже тогда люди, по крайней мере наиболее любознательные из них, вглядывались в таинственную красоту звездного неба. И уж конечно проявляли интерес к восходу и заходу Солнца, к загадочным изменениям вида Луны... Вероятно, так зарождалась "примитивно-созерцательная" астрономия. Произошло это на много тысяч лет раньше, чем возникла письменность, памятники которой стали для нас уже документами, свидетельствующими о зарождении и развитии астрономии.
Сначала небесные светила, может быть, были только предметом любопытства, потом - обожествления и, наконец, стали помогать людям, выполняя роль компаса, календаря, часов. Серьезным поводом для философствования о возможном устройстве Вселенной могло стать открытие "блуждающих светил" (планет). Попытки разгадать непонятные петли, которые описывают планеты на фоне якобы неподвижных звезд, привели к построению первых астрономических картин или моделей мира. Апофеозом их по праву считается геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея (II век н. э.). Древние астрономы пытались (в основном безуспешно) определить (но еще не доказать!), какое место Земля занимает по отношению к семи известным тогда планетам (таковыми считались Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн). И только Николаю Копернику (1473-1543) это наконец удалось.
Птолемея называют создателем геоцентрической, а Коперника - гелиоцентрической системы мира. Но принципиально эти системы отличались только содержащимися в них представлениями о расположении Солнца и Земли по отношению к истинным планетам (Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру, Сатурну) и к Луне.
Коперник, по существу, открыл Землю как планету, Луна заняла подобающее ей место спутника Земли, а центром обращения всех планет оказалось Солнце. Солнце и движущиеся вокруг него шесть планет (включая Землю) - это и была Солнечная система, какой ее представляли в XVI веке.
Система, как мы теперь знаем, далеко не полная. Ведь в нее кроме известных Копернику шести планет входят еще Уран, Нептун, Плутон. Последний был открыт в 1930 году и оказался не только самой далекой, но и самой маленькой планетой. Кроме того, в Солнечную систему входят около сотни спутников планет, два пояса астероидов (один - между орбитами Марса и Юпитера, другой, недавно открытый, - пояс Койпера - в области орбит Нептуна и Плутона) и множество комет с разными периодами обращения. Гипотетическое "Облако комет" (что-то вроде сферы их обитания) находится, по разным оценкам, на расстоянии порядка 100-150 тысяч астрономических единиц от Солнца. Границы Солнечной системы соответственно многократно расширились.
В начале 2002 года американские ученые "пообщались" со своей автоматической межпланетной станцией "Пионер-10", которая была запущена 30 лет назад и успела улететь от Солнца на расстояние 12 млрд километров. Ответ на радиосигнал, посланный с Земли, пришел через 22 ч 06 мин (при скорости распространения радиоволн около 300 000 км/сек). Учитывая сказанное, "Пионеру-10" еще долго придется лететь до "границ" Солнечной системы (конечно, достаточно условных!). А дальше он полетит к ближайшей на его пути звезде Альдебаран (самая яркая звезда в созвездии Тельца). Туда "Пионер-10", возможно, домчится и доставит заложенные в нем послания землян только через 2 млн лет...
От Альдебарана нас отделяют не менее 70 световых лет. А расстояние до самой близкой к нам звезды (в системе a Центавра) всего 4,75 светового года. Сегодня даже школьникам надлежит знать, что такое "световой год", "парсек" или "мегапарсек". Это уже вопросы и термины звездной астрономии, которой не только во времена Коперника, но и много позже просто не существовало.
Предполагали, что звезды - далекие светила, но природа их была неизвестна. Правда, Джордано Бруно, развивая идеи Коперника, гениально предположил, что звезды - это далекие солнца, причем, возможно, со своими планетными системами. Правильность первой части этой гипотезы стала совершенно очевидной только в XIX веке. А первые десятки планет около других звезд были открыты лишь в самые последние годы недавно закончившегося XX века. До рождения астрофизики и до применения в астрономии спектрального анализа к научной разгадке природы звезд просто невозможно было приблизиться. Вот и получалось, что звезды в прежних системах мира почти никакой роли не играли. Звездное небо было своеобразной сценой, на которой "выступали" планеты, а о природе самих звезд особо не задумывались (иногда упоминали о них, как... о "серебряных гвоздиках", воткнутых в твердь небесную). "Сфера звезд" была своеобразной границей Вселенной и в геоцентрической и в гелиоцентрической системе мира. Вся Вселенная, естественно, считалась видимой, а то, что за ее пределами, - "царствие небесное"...
Сегодня мы знаем, что невооруженным глазом видна лишь ничтожная часть звезд. Белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо (Млечный Путь), оказалась, как догадывались еще некоторые древние греческие философы, множеством звезд. Наиболее яркие из них Галилей (в начале XVII века) различил даже с помощью своего весьма несовершенного телескопа. По мере увеличения размеров телескопов и их совершенствования астрономы получали возможность постепенно проникать в глубь Вселенной, как бы зондируя ее. Но далеко не сразу стало понятно, что звезды, наблюдаемые в разных направлениях неба, имеют какое-то отношение к звездам Млечного Пути. Одним из первых, кому удалось это доказать, был английский астроном и оптик В. Гершель. Поэтому с его именем связывают открытие нашей Галактики (ее иногда так и называют - Млечный Путь). Однако увидеть целиком нашу Галактику простому смертному, видимо, не дано. Конечно, достаточно заглянуть в учебник астрономии, чтобы обнаружить там ясные схемы: вид Галактики "сверху" (с отчетливой спиральной структурой, с рукавами, состоящими из звезд и газово-пылевой материи) и вид "сбоку" (в этом ракурсе наш звездный остров напоминает двояковыпуклую линзу, если не вдаваться в некоторые детали строения центральной части этой линзы). Схемы, схемы... А где же хотя бы одна фотография нашей Галактики?
Гагарин был первым из землян, кто увидел нашу планету из космического пространства. Теперь, наверное, каждый видел фотографии Земли из космоса, переданные с борта искусственных спутников Земли, с автоматических межпланетных станций. Сорок один год минул со времени полета Гагарина, и 45 лет со дня запуска первого ИСЗ - начала космической эры. Но и поныне никто не знает, сможет ли когда-нибудь человек увидеть Галактику, выйдя за ее пределы... Для нас это вопрос из области фантастики. А потому вернемся к реальности. Но только при этом, пожалуйста, подумайте о том, что всего лишь лет сто назад нынешняя реальность могла показаться самой невероятной фантастикой.
Итак, открыты Солнечная система и наша Галактика, в которой Солнце - одна из триллионов звезд (невооруженным глазом на всей небесной сфере видно около 6000 звезд), а Млечный Путь - проекция части Галактики на небесную сферу. Но подобно тому, как в XVI веке земляне поняли, что наше Солнце - самая рядовая звезда, мы теперь знаем, что наша Галактика - одна из множества ныне открытых других галактик. Среди них, как и в мире звезд, есть гиганты и карлики, "обычные" и "необычные" галактики, относительно спокойные и чрезвычайно активные. Они находятся на громадных расстояниях от нас. Свет от самой близкой из них мчится к нам почти два миллиона триста тысяч лет. А ведь эту галактику мы видим даже невооруженным глазом, она в созвездии Андромеды. Это очень большая спиральная галактика, похожая на нашу, и поэтому ее фотографии в какой-то степени "компенсируют" отсутствие снимков нашей Галактики.
Почти все открытые галактики удается рассмотреть лишь на фотографиях, полученных с помощью современных наземных телескопов-гигантов или космических телескопов. Применение радиотелескопов и радиоинтерферометров помогло существенно дополнить оптические данные. Радиоастрономия и внеатмосферная рентгеновская астрономия приоткрыли завесу над тайной процессов, происходящих в ядрах галактик и в квазарах (самых далеких из известных ныне объектов нашей Вселенной, почти неотличимых от звезд на фотографиях, полученных с помощью оптических телескопов).
В чрезвычайно огромном и практически скрытом от глаз мегамире (или в Метагалактике) удалось открыть его важные закономерности и свойства: расширение, крупномасштабную структуру. Все это несколько напоминает другой, уже открытый и во многом разгаданный микромир. Там исследуются совсем близкие к нам, но тоже невидимые кирпичики мироздания (атомы, адроны, протоны, нейтроны, мезоны, кварки). Познав устройство атомов и закономерности взаимодействия их электронных оболочек, ученые буквально "оживили" Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.
Самое важное то, что человек оказался способным открыть и познать непосредственно не воспринимаемые им миры различных масштабов (мегамир и микромир).
В этом контексте астрофизика и космология вроде бы не оригинальны. Но тут мы приближаемся к самому интересному.
"Занавес" издавна известных созвездий открылся, унося с собой последние потуги нашего "центризма": геоцентризма, гелиоцентризма, галактикоцентризма. Мы сами, как и наша Земля, как Солнечная система, как Галактика, - всего лишь "частицы" невообразимой по обыденным масштабам и по сложности структуры Вселенной, именуемой "Метагалактика". Она включает в себя множество систем галактик разной сложности (от "двойных" до скоплений и сверхскоплений). Согласитесь, что при этом осознание масштаба собственной ничтожной величины в необъятном мегамире не унижает человека, а, наоборот, возвышает мощь его Разума, способного открыть все это и разобраться в том, что было открыто ранее.
Казалось бы, пора и успокоиться, поскольку современная картина строения и эволюции Метагалактики в общих чертах создана. Однако, во-первых, она таит в себе много принципиально нового, ранее неведомого для нас, а во-вторых, не исключено, что кроме нашей Метагалактики есть и другие мини-вселенные, образующие пока еще гипотетическую Большую Вселенную...
Может быть, на этом стоит пока остановиться. Потому что нам бы сейчас, как говорится, со своей Вселенной разобраться. Дело в том, что она в конце ХХ века преподнесла астрономии большой сюрприз.
Тем, кто интересуется историей физики, известно, что в начале ХХ века некоторым великим физикам показалось, будто бы их титанический труд завершен, ибо все главное в этой науке уже открыто и исследовано. Правда, на горизонте оставалась пара странных "облачков", но мало кто предполагал, что они вскоре "обернутся" теорией относительности и квантовой механикой... Неужели что-то подобное ожидает астрономию?
Вполне вероятно, потому что наша Вселенная, наблюдаемая с помощью всей мощи современных астрономических инструментов и вроде бы уже довольно основательно изученная, может оказаться лишь вершиной вселенского айсберга. А где же его остальная часть? Как могло возникнуть столь дерзкое предположение о существовании еще чего-то громадного, материального и совершенно доселе неизвестного?
Вновь обратимся к истории астрономии. Одной из ее триумфальных страниц было открытие планеты Нептун "на кончике пера". Гравитационное воздействие какой-то массы на движение Урана натолкнуло ученых на мысль о существовании неизвестной еще планеты, позволило талантливым математикам определить ее местоположение в Солнечной системе, а потом точно указать астрономам, где ее искать на небесной сфере. И в дальнейшем гравитация оказывала астрономам подобные услуги: помогала открывать разные "диковинные" объекты - белых карликов, черные дыры. Так вот и теперь исследование движения звезд в галактиках и галактик в их скоплениях привело ученых к выводу о существовании таинственного невидимого ("темного") вещества (а может быть, вообще какой-то неведомой нам формы материи), и запасы этого "вещества" должны быть колоссальными.
По наиболее смелым оценкам, все то, что мы наблюдаем и учитываем во Вселенной (звезды, газово-пылевые комплексы, галактики и т. д.), составляет лишь 5 процентов от массы, которая "должна была бы быть" по расчетам, основанным на законах гравитации. Эти 5 процентов включают весь известный нам мегамир от пылинок и распространенных в космосе атомов водорода до сверхскоплений галактик. Некоторые астрофизики относят сюда даже всепроникающие нейтрино, считая, что, несмотря на их небольшую массу покоя, нейтрино своим бессчетным количеством вносят определенный вклад все в те же 5 процентов.
Но, может быть, "невидимое вещество" (или по крайней мере часть его, неравномерно распределенная в пространстве) - это масса потухших звезд или галактик либо таких невидимых космических объектов, как черные дыры? В какой-то мере подобное допущение не лишено смысла, хотя недостающие 95 процентов (или, по другим оценкам, 60-70 процентов) восполнить не удастся. Астрофизики и космологи вынуждены перебирать различные другие, в основном гипотетические, возможности. Наиболее фундаментальные идеи сводятся к тому, что значительная часть "скрытой массы" - это "темное вещество", состоящее из не известных нам элементарных частиц.
Дальнейшие исследования в области физики покажут, какие элементарные частицы кроме тех, которые состоят из кварков (барионы, мезоны и др.) или являются бесструктурными (например, мюоны), могут существовать в природе. Разгадать эту загадку будет, вероятно, легче, если объединить силы физиков, астрономов, астрофизиков, космологов. Немалые надежды возлагаются на данные, которые могут быть получены уже в ближайшие годы в случае успешных запусков специализированных космических аппаратов. Например, планируется запустить космический телескоп (диаметр 8,4 метра). Он сможет зарегистрировать огромное число галактик (до 28-й звездной величины; напомним, что невооруженным глазом видны светила до 6-й звездной величины), а это позволит построить карту распределения "скрытой массы" по всему небу. Из наземных наблюдений тоже можно извлечь определенную информацию, поскольку "скрытое вещество", обладая большой гравитацией, должно искривлять лучи света, идущие к нам от далеких галактик и квазаров. Обрабатывая на компьютерах изображения таких источников света, можно зарегистрировать и оценить невидимую гравитирующую массу. Подобного рода обзоры отдельных участков неба уже сделаны. (См. статью академика Н. Кардашева "Космология и проблемы SETI", недавно опубликованную в научно-популярном журнале президиума РАН "Земля и Вселенная", 2002, № 4.)
В заключение вернемся к вопросу, сформулированному в названии данной статьи. Думается, что после всего сказанного вряд ли на него можно уверенно дать положительный ответ... Древнейшая из самых древних наук - астрономия только начинается.
Портал сайт – это информационный ресурс, на котором Вы сможете получить много полезных и интересных знаний, связанных с Космосом. В первую очередь речь пойдет о нашей и других Вселенных, о небесных телах, черных дырах и явлениях в недрах космического пространства.
Совокупность всего существующего, материи, отдельных частиц и пространства между этими частицами называют Вселенной. По представлениям ученых и астрологов, возраст Вселенной составляет примерно 14 миллиардов лет. По размерам видимая часть Вселенной занимает около 14 млрд световых лет. А некоторые утверждают, что Вселенная простирается на 90 миллиардов световых лет. Для большего удобства в подсчетах подобных расстояний принято применять величину парсек. Один парсек равен 3,2616 световых лет, то есть парсек – это расстояние, по которому средний радиус орбиты Земли просматривается под углом одной угловой секунды.
Вооружившись данными показателями, можно подсчитать космическое расстояние от одного объекта к другому. К примеру, расстояние от нашей планеты до Луны составляет 300000 км, или 1 световая секунда. Следовательно, до Солнца это расстояние увеличивается до 8,31 световых минут.
Всю свою историю люди пытались разгадать загадки, связанные с Космосом и Вселенной. В статьях портала сайт Вы сможете узнать не только о Вселенной, но и о современных научных подходах к ее изучению. Весь материал опирается на самые передовые теории и факты.
Следует заметить, что во Вселенную входит большое число известных людям различных объектов. Самые широко известные среди них – это планеты, звезды, спутники, черные дыры, астероиды и кометы. О планетах на данный момент понятно больше всего, поскольку на одной из них мы живем. У некоторых планет есть собственные спутники. Так, у Земли есть свой спутник – Луна. Помимо нашей планеты, есть еще 8, которые вращаются вокруг Солнца.
В Космосе много звезд, но каждая из них не похожа друг на друга. Они имеют разные температуры, размеры и яркость. Поскольку все звезды разнятся, их классифицируют следующим образом:
Белые карлики;
Гиганты;
Сверхгиганты;
Нейтронные звезды;
Квазары;
Пульсары.
Самое плотное известное нам вещество – это свинец. В некоторых планетах плотность их же вещества может в тысячи раз превосходить плотность свинца, что ставит перед учеными много вопросов.
Все планеты вращаются вокруг Солнца, но оно также не стоит на месте. Звезды могут собираться в скопления, которые, в свою очередь, также вращаются вокруг пока не известного нам центра. Эти скопления называются галактиками. Наша галактика называется Млечный путь. Все проведенные исследования на данный момент говорят, что большая часть материи, которую создают галактики, пока что для человека невидима. Из-за этого ее назвали темной материей.
Самыми интересными считаются центры галактик. Некоторые астрономы считают, что возможным центром галактики является Черная дыра. Это уникальное явление, образовавшееся в результате эволюции звезды. Но пока все это лишь теории. Проведение экспериментов или исследование подобных явлений пока что невозможно.
Помимо галактик, во Вселенной присутствуют туманности (состоящие из газа, пыли и плазмы межзвездные облака), реликтовое излучение, которые пронизывают все пространство Вселенной, и многие другие малоизвестные и даже неизвестные вообще объекты.
Кругооборот эфира Вселенной
Симметрия и равновесие материальных явлений – это главный принцип структурной организации и взаимодействия в природе. Причем во всех формах: звездной плазмы и вещества, мирового и высвобожденного эфиров. Вся суть таких явлений состоит в их взаимодействиях и превращениях, большинство из которых представлены невидимым эфиром. Его еще именуют реликтовым излучением. Это микроволновое космическое фоновое излучение, имеющее температуру 2,7 К. Бытует мнение, что именно этот колеблющийся эфир и является первоосновой для всего наполняющего Вселенную. Анизотропия распределения эфира связана с направлениями и интенсивностью его перемещения в разных областях невидимого и видимого пространства. Вся трудность изучения и исследования вполне сопоставима с трудностями изучения турбулентных процессов в газах, плазмах и жидкостях материй.
Почему многие ученые считают, что Вселенная многомерная?
После проведения экспериментов в лабораториях и в самом Космосе были получены данные, из которых можно предположить, что мы живем во Вселенной, в которой размещение любого объекта можно охарактеризовать временем и тремя пространственными координатами. Из-за этого возникает предположение, что Вселенная четырехмерная. Однако некоторые ученые, разрабатывая теории элементарных частиц и квантовой гравитации, возможно, придут к мнению, что существование большого количества измерений просто необходимо. Некоторые модели Вселенной не исключают такого их количества, как 11 измерений.
Следует учесть, что существование многомерной Вселенной возможно при высокоэнергетических явлениях – черные дыры, большой взрыв, барстеры. По крайней мере, это одна из идей ведущих космологов.
Модель расширяющейся Вселенной базируется на общей теории относительности. Ее предложили для адекватного объяснения структуры красного смещения. Расширение началось в одно время с Большим взрывом. Ее состояние иллюстрирует поверхность надутого резинового шарика, на который нанесли точки – внегалактические объекты. Когда такой шарик надувается, все его точки удаляются друг от друга независимо от положения. По теории Вселенная может либо расширяться бесконечно, либо сжаться.
Барионная асимметрия Вселенной
Наблюдаемое во Вселенной значительное увеличение количества элементарных частиц над всем числом античастиц называется барионной асимметрией. К барионам относят нейтроны, протоны и еще некоторые короткоживущие элементарные частицы. Данная диспропорция получилась в эру аннигиляции, а именно через три секунды после Большого взрыва. До этого момента количество барионов и антибарионов соответствовало друг другу. Во время массовой аннигиляции элементарных античастиц и частиц большая их часть объединилась в пары и исчезла, тем самым породив электромагнитное излучение.
Возраст Вселенной на портале сайт
Ученые современности считают, что нашей Вселенной примерно 16 миллиардов лет. По подсчетам минимальный возраст может быть 12-15 миллиардов лет. Минимум отталкивается от самых старых в нашей Галактике звезд. Реальный ее возраст определить можно, только лишь при помощи закона Хаббла, но реальный не значит точный.
Горизонт видимости
Сфера с равным расстоянию радиусом, которое свет проходит за все время существования Вселенной, называется его горизонтом видимости. Существование горизонта прямо пропорционально связано с расширением и сжатием Вселенной. Согласно космологической модели Фридмана, расширяться Вселенная начала от сингулярного расстояния примерно 15-20 миллиардов лет назад. За все время свет проходит в расширяющейся Вселенной остаточное расстояние, а именно 109 световых лет. Из-за этого каждый наблюдатель момента t0 после начала процесса расширения может обозревать лишь небольшую часть, ограниченную сферой, имеющую именно в этот момент радиус I. Те тела и объекты, которые в этот момент находятся за этой границей, в принципе, не наблюдаемы. Отбиваемый от них свет попросту не успевает добраться до наблюдателя. Это невозможно, даже если свет вышел в момент начала процесса расширения.
Из-за поглощения и рассеивания в ранней Вселенной, с учетом большой плотности, фотоны не могли распространяться в свободном направлении. Поэтому наблюдатель способен зафиксировать только то излучение, которое появилось в эпоху прозрачной для излучения Вселенной. Данная эпоха определяется временем т»300 000 лет, плотностью вещества r»10-20 г/см3 и моментом рекомбинации водорода. Из всего вышесказанного следует, что чем ближе в галактике находится источник, тем большим для него будет значение красного смещения.
Большой взрыв
Момент возникновения Вселенной называют Большим взрывом. Данная концепция стоит на том, что изначально была точка (точка сингулярности), в которой присутствовала вся энергия и все вещество. Основой характеристики принято считать большую плотность материи. Что было до этой сингулярности – неизвестно.
Относительно событий и условий, которые происходили к наступлению момента 5*10-44 секунды (момент окончания 1-го кванта времени), никакой точной информации нет. В физическом отношении той эры можно лишь предположить, что тогда температура составляла примерно 1,3*1032 градуса с плотностью материи примерно 1096 кг/м 3 . Эти значения предельны для применения существующих идей. Они появляются благодаря соотношению гравитационной постоянной, скорости света, постоянных Больцмана и Планка и именуются как «планковские».
Те события, которые связаны с 5*10-44 по 10-36 секунды, отражают модель «инфляционной Вселенной». Момент 10-36 секунды относят к модели «горячей Вселенной».
В период с 1-3 по 100-120 секунд образовались ядра гелия и небольшое количество ядер остальных легких химических элементов. С этого момента в газе начало устанавливаться соотношение – водорода 78%, гелия 22%. До одного миллиона лет температура во Вселенной начала понижаться до 3000-45000 К, началась эра рекомбинации. Прежде свободные электроны начали объединяться с легкими протонами и атомными ядрами. Начали появляться атомы гелия, водорода и малое количество атомов лития. Стало прозрачным вещество, а излучение, которое наблюдается до сих пор, отсоединилось от него.
Следующий миллиард лет существования Вселенной отметился понижением температуры от 3000-45000 К до показателя в 300 К. Этот период для Вселенной ученые назвали «Темным возрастом» из-за того, что еще не появилось никаких источников электромагнитного излучения. В этот же период неоднородности смеси первоначальных газов уплотнялись благодаря воздействию гравитационных сил. Смоделировав на компьютере эти процессы, астрономы увидели, что это необратимо приводило к появлению звезд-гигантов, превышающих массу Солнца в миллионы раз. По причине такой большой массы эти звезды нагревались до немыслимо высоких температур и эволюционировали за период десятков миллионов лет, после чего они взрывались как сверхновые. Нагреваясь до больших температур, поверхности таких звезд создавали сильные потоки ультрафиолетового излучения. Таким образом, наступил период переионизации. Плазма, которая образовалась в результате таких явлений, начинала сильно рассеивать электромагнитное излучение в его спектральных коротковолновых диапазонах. В некотором смысле Вселенная начала погружаться в густой туман.
Эти огромные звезды стали первыми во Вселенной источниками химических элементов, которые намного тяжелее за литий. Начали формироваться космические объекты 2-го поколения, в которых содержались ядра этих атомов. Эти звезды начали создаваться из смесей тяжелых атомов. Произошла повторного типа рекомбинация большей части атомов межгалактического и межзвездного газов, что, в свою очередь, привело к новой прозрачности пространства для электромагнитного излучения. Вселенная стала именно такой, которую мы можем наблюдать сейчас.
Наблюдаемая структура Вселенной на портале сайт
Наблюдаемая часть пространственно неоднородна. Большинство скоплений галактик и отдельных галактик формируют ее ячеистую или сотовую структуру. Они конструируют стенки ячеек, которые имеют толщину в пару мегапарсек. Эти ячейки называют «войдами». Они характеризуются большим размером, в десятки мегапарсек, и при этом в них нет вещества с электромагнитным излучением. На долю «войд» припадает около 50% всего объема Вселенной.
Обычно, когда говорят о размерах Вселенной, подразумевают локальный фрагмент Вселенной (Мироздания) , который доступен нашему наблюдению.
Это так называемая наблюдаемая Вселенная – область пространства, видимая для нас с Земли.
А так как возраст Вселенной около 13 800 000 000 лет, то независимо от того в каком мы направлении смотрим, мы видим свет, который достиг нас за 13,8 миллиарда лет.
Так что, исходя из этого, логично думать, что наблюдаемая Вселенная должна быть 13,8 х 2 = 27 600 000 000 световых лет в поперечнике.
Но это не так! Потому что с течением времени космос расширяется. И те далекие объекты, которые испустили свет 13,8 млрд. лет назад, за это время улетели еще дальше. Сегодня они уже более чем в 46,5 миллиардах световых лет от нас. Удвоив это, получаем 93 миллиарда световых лет.
Таким образом, реальный диаметр наблюдаемой вселенной составляет 93 млрд. св. лет.
Визуальное (в виде сферы) представление трёхмерной структуры наблюдаемой Вселенной, видимой с нашей позиции (центр круга).
Белыми линиями
обозначены границы наблюдаемой Вселенной.
Пятнышки света
- это скопления скоплений галактик – суперкластеры (supercluster) – самые большие известные структуры в космосе.
Масштабная линейка:
одно деление сверху - 1 миллиард световых лет, снизу – 1 миллиард парсек.
Наш дом (в центре)
здесь обозначен как Сверхскопление Девы (Virgo Supercluster) – это система, включающая десятки тысяч галактик, в том числе нашу собственную – Млечный Путь (Milky Way).
Более наглядное представление о масштабах обозримой Вселенной даёт следующее изображение:
Схема расположения Земли в наблюдаемой Вселенной – серия из восьми карт
слева направо верхний ряд: Земля – Солнечная система – Ближайшие звезды – Галактика Млечный Путь, нижний ряд: Местная группа галактик – Скопление Девы – Местное Сверхскопление – Обозримая (наблюдаемая) Вселенная.
Чтобы лучше прочувствовать и осознать, о каких колоссальных, не сопоставимых с нашими земными представлениями, масштабах идет речь, стоит посмотреть увеличенное изображение этой схемы в медиа просмотрщике .
А что можно сказать о всей Вселенной? Размер всей Вселенной (Мироздания, Метавселенной), надо полагать, гораздо больше!
Но, вот какая она эта вся Вселенная и как устроена, это пока остается для нас загадкой…
А как насчет центра Вселенной? Наблюдаемая Вселенная имеет центр - это мы! Мы находимся в центре наблюдаемой Вселенной, потому что наблюдаемая Вселенная - это просто участок космоса, видимый нам с Земли.
И подобно тому, как с высокой башни мы видим круглую область с центром в самой башне, также мы видим область космоса с центром от наблюдателя. На самом деле, если говорить точнее, каждый из нас - центр своей собственной наблюдаемой Вселенной.
Но это не значит, что мы находимся в центре всей Вселенной, как и башня - отнюдь не центр мира, а только центр того кусочка мира, который с нее видно - до горизонта.
То же и с наблюдаемой Вселенной.
Когда мы смотрим в небо, мы видим свет, который 13,8 миллиарда лет летел к нам из мест, которые уже в 46,5 миллиардах световых лет от нас.
Мы не видим то, что за этим горизонтом.
Глядя ночью на звездное небо невольно задаешься вопросом: сколько на небе звезд? Есть ли еще где-нибудь жизнь, как это все появилось и есть ли всему этому конец?
Большинство ученых астрономов уверены в том, что Вселенная родилась вследствие сильнейшего взрыва, около 15 миллиардов лет назад. Этот огромнейший взрыв, принято называть «Большой взрыв» или «Большой Удар», он образовался из сильного сжатия материи, разогнал горячие газы в разных направлениях, и дал начало галактикам, звездам и планетам. Даже самые современные и новые астрономические приспособления не в состоянии охватить весь космос. А ведь современная техника может уловить свет от звезд, которые удаленны от Земли на расстояние 15 миллиардов световых лет! Возможно, этих звезд давно уже и нет, они родились, постарели и умерли, но свет от них путешествовал к Земле 15 миллиардов лет и телескоп все еще его видит.
Ученые многих поколений и стран пытаются предположить, рассчитать размеры нашей Вселенной, определить ее центр. Раньше считали, что центр Вселенной – наша планета Земля. Коперник доказал, что это Солнце, но с развитием знаний и открытием нашей галактики «Млечный путь» стало понятно, что ни наша планета ни даже Солнце не являются центром Вселенной. Долго думали, что кроме Млечного пути больше никаких галактик нет, но и это опровергли.
Известный научный факт говорит о том, что Вселенная постоянно расширяется и то звездное небо, которое мы наблюдаем, строение планет которое мы видим сейчас, совершенно другое, чем миллионы лет назад. Если Вселенная растет, то значит, есть и края. Другая теория говорит о том, что за границами нашего космоса есть и другие Вселенные и миры.
Первым, кто решился обосновать бесконечность Вселенной был Иссак Ньютон. Открыв закон всемирного тяготения, он полагал, что будь пространство конечно, все её тела рано или поздно притянулись бы и слились в единое целое. А раз этого не происходит, значит, у Вселенной нет границ.
Казалось бы, что все это логично и очевидно, но все же Альберт Энштейн смог сломать эти стереотипы. Он создал свою модель Вселенной на основе его же теории относительности, согласно которой Вселенная является бесконечной во времений, но конечной в пространстве. Он сравнил ее с трехмерной сферой или, простым языком, с нашим глобусом. Сколько бы путешественник ни путешествовал по Земле, он никогда не достигнет её края. Однако это вовсе не означает, что Земля бесконечна. Путешественник просто-напросто будет возвращаться к тому месту, откуда начал свой путь.
Точно так же космический странник стартовав с нашей планеты и преодолев Вселенную на звездолете может вернуться обратно на Землю. Только на этот раз странник будет двигаться не по двумерной поверхности сферы, а по трёхмерной поверхности гиперсферы. Это означает, что Вселенная имеет конечный объём, а значит и конечное число звёзд и массу. Однако ни границ, ни какого-либо центра у Вселенной не существует. Энштейн считал, что Вселенная статична и размер ее никогда не меняется.
Однако, самые великие умы не чужды заблуждений. В 1927 году наш советский физик Александр Фридман существенно дополнил эту модель. Согласно его расчётам, Вселенная вовсе не статична. Она может расширяться или сжиматься со временем. Энштейн не сразу принял такую поправку, но с открытием телескопа Хаббла был доказан факт расширения Вселенной, т.к. галактики разбегались, т.е. отдалялись друг от друга.
Сейчас уже доказано, что Вселенная расширяется с ускорением, что она заполнена холодной темной материей и ее возраст составляет 13,75 млрд.лет. Зная возраст Вселенной можно определить размер ее наблюдаемой области. Но не стоит забывать про постоянное расширение.
Итак, размер наблюдаемой Вселенной делится на два типа. Видимый размер, называемый также радиусом Хаббла (13,75 млрд. световых лет), о котором мы говорили выше. И реальный размер, называемый горизонтом частиц (45,7 млрд. св. лет). Сейчас объясню: наверняка, вы слышали, что когда мы смотрим на небо, мы видим прошлое других звезд, планет, а не то что происходит сейчас. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой она была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон, т.е. свет не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Но! Не стоит забывать и о факте расширения Вселенной. Так вот пока он достигнет наблюдателя, объект зарождающейся Вселенной, который испустил этот свет, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.
Однако, оба эти горизонта совсем не характеризуют реальный размер Вселенной. Она расширяется и если такая тенденция сохранится, то все те объекты, которые мы сейчас можем наблюдать рано или поздно исчезнут из нашего поля зрения.
На данный момент самым далёким светом, наблюдаемым астрономами, является реликтовое излучение. Это древние электромагнитные волны, возникшие при зарождении Вселенной. Эти волны обнаруживают с помощью высокочувствительных антен и непосредственно в космосе. Вглядываясь в реликтовое излучение, учёные видят Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. В этот момент Вселенная остыла настолько, что смогла испускать свободные фотоны, которые и улавливают в наши дни с помощью радиотелескопов. В те времена во Вселенной не было ни звёзд, ни галактик, а лишь сплошное облако из водорода, гелия и ничтожного количества других элементов. Из неоднородностей, наблюдаемых в этом облаке, в последствие сформируются галактические скопления.
Ученые до сих пор ведет споры, существуют ли истинные, не наблюдаемые границы у Вселенной. Так или иначе, все сходятся на бесконечности Вселенной, но интерпретируют эту бесконечность совсем по-разному. Одни считают Вселенную многомерной, где наша «местная» трёхмерная Вселенная является лишь одним из её слоёв. Другие говорят, что Вселенная фрактальна – а это означает, что наша местная Вселенная может оказаться частицей другой. Не стоит забывать и о различных моделях Мультивселенной, т.е. существовании бесконечного множества других вселенных за пределами нашей. И ещё много-много различных версий, число которых ограничено лишь человеческой фантазией.
