Краткое обозрение

Галактики. Наше Солнце – это рядовая звезда среди огромного количества (более 200 миллиардов!) звёзд, входящих в состав звёздной системы, называемой Галактика, или Млечный Путь. Учёные считают, что в Галактике не менее 11 млрд звёзд имеют планеты, похожие на Землю, и в зоне благоприяной для жизни.

Кроме нашей Галактики известно множество других звёздных «островов». В настоящее время в каталоги занесено десятки тисяч галактик*). В пространстве на расстоянии 5 млрд световых лет**), хорошо изученном, насчитывают несколько миллиардов галактик.

Считается, что видимая нами часть Вселенной до расстояния 10 млрд св. л., называемая «Метагалактика», содержит около 100 млрд галактик.

Распределение видимых нами галактик не обнаруживает систематического уменьшения их в любом из направлений. Очевидно, это свидетельствует о том, что в настоящее время нет ещё данных о приближении к границе наблюдаемого нами мироздания. Возможно, нам открыта лишь незначительная его часть.

Среди звёзд нашей Галактики встречаются звёзды-гиганты, некоторые из которых, будучи на месте Солнца, поглотили бы орбиты всех планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) вплоть до пояса астероидов (рис. 1).

Диаметры таких звёзд в сотни раз превосходят солнечный (последний в 109 раз больше земного). Они представляют собой чрезвычайно протяжённую, разреженную атмосферу со сравнительно небольшим сжатым ядром.

Встречаются также и звёзды, меньше Солнца. Так называемые белые карлики могут быть меньше Земли, но вещества они содержат в количестве, сравнимом с нашим Солнцем (рис. 2), т. е. вещество в этих звёздах сжато до плотности нескольких тонн в кубическом сантиметре. Интересна история открытия белых карликов.

В то время было неизвестно строение атома и чрезвычайно большая плотность вещества белых карликов вызвала полное непонимание и растерянность учёных-специалистов. Вот как описывает эти обстоятельства известный английский астрофизик А.Эдингтон (1882–1944): «Извещение спутника Сириуса (которым является белый карлик – И.Д.) после его расшифровки гласило: «Я состою из вещества, плотность которого в 3000 раз больше всего, с чем вам когда-либо приходилось иметь дело. Тонна моего вещества – это маленький кусочек, вмещающийся в спичечной коробке». Что можно было сказать в ответ на такое послание? В 1914 году большинство из нас ответило так: «Ну хватит, не болтай глупостей!»

Но белые карлики это ещё не предел для сжатия вещества. В космосе встречаются объекты, называемые нейтронными звёздами (рис. 3), имеющие плотность около плотности атомного ядра (100 млн т/см³), а в звёздах, называемых чёрными дырами, вещество достигает т. зв. сингулярного состояния с плотностью, во всяком случае теоретически, бесконечно большой.

В том месте Галактики, где расположено Солнце (26 тыс. св. л. от центра Галактики), звёзды встречаются очень редко − приблизительно одна на 300 кубических световых лет. Расстояние до ближайшей от нас звезды Проксима (от латинского «ближайшая», в созвездии Центавра, видима в южном полушарии) – 4 св. г. Это в 10 тысяч раз больше расстояния от Солнца к самой удалённой панете Нептун.

На таких расстояниях, звёзды практически не сближаются между собой. Млечный Путь, как впрочем и другие галактики, в преобладающей части своего объёма представляет собой так называемую систему без столкновений: время, необходимое для сближения каких-то двух звёзд, на 3−4 порядка превосходит время существования Галактики. В направлении к центру Галактики звёзды встречаются значительно чаще.

Большая часть ярких звёзд Галактики сконцентрирована в плоском диске. Диаметр диска огромный и достигает 100 тысяч св. л., толщина диска – около 1000 св. л. Диск в центре утолщается в виде сферы, которая называется балдж, диаметр балджа − около 3 тыс. св. л. (рис. 4).

Изнутри галактического диска в направлении его ребра мы видим большую часть звёзд Галактики, невидимых нам отдельно. Из-за большого расстояния к ним свет их сливается в сплошную светлую полосу, простирающуюся через всё небо. Отсюда название – Млечный Путь.

Кроме звёзд в состав Галактики входит более 100 млн газо-пылевых туманностей. Следовательно, Галактика – это система звёзд, газо-пылевых туманностей, межзвёздного газа и пыли, удерживаемых в компактном состоянии силой тяжести.

Исследование пространственного росположения звёзд, звёздных скоплений и водородных облаков в окрестностях Солнца показали, что эти объекты расположены не равномерно в пространстве, а образуют несколько витянутых згущений. В других, так называемых спиральных галактиках, они концентрируются в спиральных рукавах − двух или более размытых ответвлениях, выходящих из сферического балджа. (рис. 4−7). Естественно было предположить, что обнаруженные в Галактике згущения звёзд и газо-пылевой материи тоже представляют собой часть спиральных рукавов нашей звёздной системы. По результатам наблюдений разного типа излучений нейтрального и ионизированного водорода выделены положения этих рукавов в пределах Галактики (рис. 4), два из которых преобладающие. Северный полюс Галактики расположен в созвездии Волосы Вероники. Солнце находится на периферии рукава Ориона.

Диск и балдж Галактики окружены менее яркой компонентой, называемой гало. Диаметр гало − около 60 тыс. св. л. Имеются данные наблюдений, согласно которым вся эта структура окружена ещё более разреженной компонентой − короной. Корона, учитывая её большие розмеры, превосходит по массе видимую часть Галактики, возможно, в 10 раз. На астрофотографиях других галактик гало и корона, как правило, не проявляются, и галактики видимы тут в виде диска (рис. 5−9). При фотографировании в инфракрасных лучах в некоторых галактиках чётко проявляется корона. Возможно, в её состав входят маломассивные красные звёзды, максимум излучения которых приходится на этот диапазон.

По направлению к центру концентрация звёзд возрастает, что видимо и на фотографиях других галактик, а их взаимодействие увеличивается значительно. Центральная часть Галактики закрыта от нас громадным облаком пыли и потому не наблюдается в видимом участке спектра. Пылевые частицы, экранирующие от нас свет близких по направлению на центр Галактики звёзд, переизлучают их световую энергию главным образом в инфракрасном диапазоне.

Сравнительно недавно было найдено, что распределение звёзд и газовой компоненты в центре Галактики асимметрично, подобно бару в спиральных галактиках с перемычкой (рис. 4, 7 ).

В центре Галактики обнаружено интенсивное хаотическое движение вещества, расширение его, а также вращение с линейными скоростями до 200 км/с. Определённая по этой скорости вращения масса вещества в названных пределах составляет 5·10⁶М_С (солнечных мас). Радионаблюдениями обнаружен чрезвычайно компактный источник нетеплового радиоизлучения, размером меньше 10 астрономических едииниц. Считается, что это излучение генерируется чёрной дырой, массой около 3·10⁶М_С. Большинство специалистов убеждены, что ядерные реакции не в состоянии обеспечить настолько мощный поток енергии из галактических ядер. Единственным из известных нам источников может быть гравитационное сжатие − падение вещества (звёзд и газа) в гравитационных полях огромного напряжения. Имеются данные о том, что в центрах галактических ядер расположены массивные чёрные дыры различных масс – от миллиона солнц в нашей и некоторых других галактиках до галактических.

Изучение природы галактических ядер, где вещество находится в экстремальных условиях, продолжается и является одним из самых интересных направлений современной астрономии. Особенно впечатляют т. наз. квазары, сверхмощные компактные источники различного типа излучения. Светимости их в сотни и тысячи раз превосходят светимости галактик Среди других космических объектов они наблюдаются на самых удалённых расстояниях, большинство из них удалены на миллиарды световых лет. Согласно одной из гипотез, квазары являются ядрами молодых галактик со сверхмассивными чёрными дырами в центре.

Звёздные скопления. Звёзды в Галактике встречаются как поодиночке, так и группами – т. наз. кратные звёзды (двойные, тройные и т. д.), а также в виде звёздных скоплений. В пределах скопления взаимное притяжение между звёздами превосходит разрушающую гравитационную силу, действующую на них со стороны массы Галактики. Звёзды в скоплениях имеют общее происхождение.

Встречаются скопления двух типов: шаровые и рассеянные. Шаровые скопления (они могут иметь также и форму сфероида) в большинстве компактны и рассеяны в пределах диска и гало. Каждое из них содержит до миллиона звёзд (рис. 10), их розмеры достигают 200 св. л., плотность звёздного населения в них в десятки тысяч раз превышает околосолнечную. В центре шаровых скоплений, очевидно, разположены массивные чёрные дыры. Всего в Галактике открыто около 130 шаровых звёздных скоплений, считается, что их общее количество в пределах нашей Галактики, возможно, достигает 500.

Исходя из того, что эти скопления расположены не только в диске, но также и в гало, очевидно, что они и звёзды в них сформировались ещё до времени, когда видимая часть Галактики сжалась в диск. Звёзды в шаровых скоплениях движутся от центра скопления к периферии и назад по незамкнутым, сильно вытянутым орбитам с периодом обращения около миллиона лет. В среднем одновременно половина звёзд движется к центру, а другая − к периферии.

В рассеянных звёздных скоплениях существенно меньше звёзд (около 10³ − 10⁴), расположены они в области галактического диска. Общее количество их в Галактике − около 20 тысяч. Типичным представителем этих скоплений являются Плеяды (рис. 11).

Изучение звёзд в пределах одельных скоплений, в каждом из которых они имеют одинаковый химический состав и общее происхождение, имело решающее значение для становления целого раздела науки о звёздах – звёздной астрономии. Данные этих исследований позволили установить эволюционные этапы и направление звёздной эволюции от зарождения звезды до её конечной стадии.

Старые и молодые звёзды. Звёзды гало старые, их возраст − около 10−14 млрд лет. По химическому составу они значительно отличаются от молодых и средних по возрасту звёзд: тяжёлых химических элементов (тяжелее бора) они содержат в 150−200 раз меньше Солнца.

Молодые звёзды встречаются только в диске, среди них есть звёзды возрастом всего около 100 тысяч лет, а некоторые сейчас только формируются в газопылевых облаках Галактики. Но преобладающее большинство звёзд диска имеют промежуточный возраст − несколько миллиардов лет. К ним относится и наше Солнце с возрастом около 5 млрд лет. Отметим, что звёзд с первичным космологическим составом (из водорода и гелия) пока не обнаружено.

Молодые звёзды имеют в 1,5 − 2 раза больше тяжёлых химических элементов, чем Солнце. По этим данным можна сделать заключение, что химический состав вещества, участвующего в формировании звёзд, т. е. химический состав Галактики, со временем менялся: вещество постепенно обагащалось тяжёлыми элементами. Этот процесс продолжается и в наше время вследствие термоядерных реакций в недрах звёзд. Активными процессами (звёздный ветер, вспышки на поверхности звёзд, новые и сверхновых звёзды (рис. 12) и др.) вещество, обогащённое в звёздах тяжёлыми химическими элементами, попадает в межзвёздную среду, где в составе новых протозвёздных туманностей (рис. 13) принимает участие в формировании последующих поколений звёзд, имеющих уже иной химический состав с бóльшим содержанием тяжёлых химических элементов.

Вращение и масса Галактики.Старые звёзды гало вращаются вокруг центра Галактики по сильно вытянутым орбитам (эксцентриситет е > 0,5) и независимо друг от друга. В связи с этим вернее было бы говорить не о вращении, а о медленном падении звёзд в направлении к галактическому центру с последующим его огибанием и подъёмом от центра. Орбиты таких звёзд незамкнуты и напоминают лепестки цветка, а периоды обращения достигают сотен миллионов лет.

Молодые звёзды галактического диска вращаются почти по куговым орбитам (e < 0,2 − 0,3) по часовой стрелке, если смотреть с северного полюса Галактики, расположенного в созвездии Волосы Вероники.

Уже упоминалось, что за исключением центра Галактики и звёздных скоплений, отдельные звёзды практически не взаимодействуют между собой. Диск вращается вокруг центра независимо от гало и в его окружении, а гало при этом практически не обращается (звёзды в гало падают и поднимаются). Угловая скорость вращения звёзд диска уменьшается с удалением от центра. Линейная скорость с удалением от центра увеличивается, потом приблизительно на расстоянии Солнца достигает максимальной величины 250 км/с, а дальше медленно падает. Солнце и звёзды в его окружении совершают один оборот вокруг центра Галактики за 220 миллионов лет. Этот промежуток времени называется галактическим годом. За время своего существования Солнце обошло вокруг центра Галактики свыше 20 раз.

Имея линейную скорость v обращения звёзды вокруг центра Галактики и расстояние её r от центра Галактики (в качестве примера возьмём наше Солнце с v = 250 км/с, r = 26 тыс. св. л. = 2,6·10²⁰ м), мы можем определить массу М Галактики в пределах радиуса r. Центробежная сила звезды массой m, вращающейся на этом расстоянии – F = mv²/r, а центростремительная (гравитационное притяжение звезды массой Галактики M) – F = GmM/r² (гравитационная постоянная G = 6,67´10⁻¹¹ м³/кг·с²). Приравнивая эти силы и выполняя простые вычисления, найдём:

mv²/r = GmM/r²,

M = v² r/G. ≈ 10⁴¹ кг.

Так как масса Солнца М_С=10³⁰ кг, то масса Галактики M ≈ 10¹¹М_С (солнечных масс). Эта величина недавно принималась за массу Галактики. С учётом т. наз. тёмной материи (которая не проявляет себя разного рода излучением) специалисты полагают, что масса Галактики на порядок больше. Согласно одной из гипотез, тёмная материя может представляться коричневыми невидимыми звёздами-карликами, промежуточными по массе между звёздами и планетными объектами, газо-пылевыми туманностями или звёздными остатками, появляющимися в конце активного периода существования звёзд (белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры).

Согласно другим гіпотезам, вакуум проявляет материальные свойства, в т. ч. гравитацию, или нейтрино имеет массу покоя.

Метагалактика. Ближайшие к нам галактики, спутники Млечного Пути, Большое и Малое Магеллановы Облака (рис. 14), видимые в Южном полушарии невооружённым глазом. Эти объекты были известны мореплавателям уже в ХV столетии под названием Капские Облака. Когда после первого в мире кругосветного путешествия и гибели Магеллана его единственная каравела вернулась в Европу, спутник и летописец адмирала Антонио Пигафетта для увенчания его памяти предложил называть их Магеллановыми Облаками.

Достаточно разные по форме галактики наиболее удачно классифицировал в 1925 г. американский астроном Э. Хаббл (1889−1953).

Малое Магелланово Облако видимо в созвездии Тукана на расстоянии 180 тыс. св. л. от центра Галактики, имеет поперечник около 10 тыс. св. л. и массу около·10⁹М_С.

С небольшими изменениями эта классификация используется и в настоящее время (рис. 15). Рассмотрим основные типы галактик по Хабблу:

1) Эллиптические имеют форму сфероида различного сжатия (рис. 16). Количество их составляет около 13% от общего числа галактик.

2) Спиральные, кроме сфероидальной компоненты, имеют два или больше клочковатых спиральных рукава, расположеных в одной плоскости (рис. 4−7). Их насчитывают около 34%.

3) Остальные 53% галактик не соответствуют ни одному из названных типов. Они называются неправильними (по-английски – irregular), обозначаются Ir, имеют неправильную, произвольную, как правило, асимметричную форму (рис. 14).

Своими размерами и массами галактики также сильно отличаются друг от друга. Самый большой диапазон масс и светимостей имеют эллиптические галактики – (10⁵ − 10¹³)М_С. Напомним, что масса Млечного Пути – 10¹¹М_С. Несколько меньший массовый диапазон у спиральных галактик – (10⁸ − 10¹²)М_С, а неправильные галактики имеют массы меньше 10¹⁰М_С.

Средние расстояния между галактиками – миллионы световых лет. Это в 100 раз больше размеров самих галактик. Галактики заполняют пространство значительно гуще, чем звёзды галактическое пространство (расстояния между звёздами в среднем в 20 миллионов раз превышает диаметры звёзд).

Галактики и галактические скопления образуют гигантские ячеистые структуры, напоминающие пену (рис. 17) размерами 200–500 млн св. л. В узлах таких ячеек расположены большие скопления галактик. Сверхскоплениями предложено считать стенки и рёбра ячеек. Пространство внутри ячеек почти не содержит галактик. Сейчас насчитывается около 50 сверхскоплений галактик. Каждое из них включает десятки больших скоплений. Средняя плотность материи в разных сверхскоплениях одинакова, т. е. в масштабах такого порядка, как сверхскопление, наблюдается однородность Вселенной.

Ячеистую структуру Метагалактики учёные-космологи объясняют особенностями фрагментации вещества на ранней стадии расширения Вселенной. В ту пору выделились отдельные крупномасштабные фрагменты, которые дали начало наибольшим структурным элементам Метагалактики − сверхскоплениям галактик. Сжатие фрагментов происходило неравномерно во всех направлениях. При преобладанни сжатия в каком-то одном направлении формировались плоские образования (космологи называют их «блины»), которые при беспорядочной ориентации дали потом в своей совокупности ячеистую (пенообразную) структуру.

Галактики и их скопления представляют собой стационарные системы, связь между элементами которых удерживается силой тяжести, а сверхсколения уже принимают участие во всеобщем расширении Вселенной.

Космология. Изучением Вселенной в целом (физическая природа, строение, эволюция) занимается отдельный раздел астрономии − космология. Как и все науки, космология базируется прежде всего на даных наблюдений. Однако в этом отношении она сталкивается чуть ли не с наибольшими трудностями. Ведь для наблюдений доступна только часть Вселенной до расстояния около 10 млрд св. л. – Метагалактика. То, что мы знаем о Метагалактике, учёные вынуждены экстраполировать (распространять) на всю Вселенную. При этом предполагается, что известные нам основополагающие законы природы действуют также и в пределах всей Вселенной. Исходя из этого, космология базируется на достижениях современной физики – теории гравитационного поля (тяготения), теории электромагнитного поля, физики элементарных частиц (квантова механика) и др. Логика современной науки объединяет в космологии знания о наибольшем из известного нам – Вселенной, и наименьшем – элементарные частицы. Вместе с этим именно космология и физика элементарных частиц, как своеобразные антиподы, ведут нас к пределам, розделяющим знание и полное его отсутствие на противоположных по размерам направлениях окружающего нас мира.

В ХVIII столетии, после открытия И. Ньютоном (1643−1727) законов механики и закона всемирного тяготения, учение, в котором Солнечная система помещалась в центре сферы неподвижных звёзд, казалось надуманным и вскоре было отброшено. В ХIХ столетии получила признание бесконечная в пространстве и времени, равномерно заполненная светящимися объектами (звёздами) Вселенная. Однако вскоре обнаружились три существенные противоречия такой модели Вселенной:

1) В 1826 г. известный немецкий астроном Г. Ольберс (1758–1840) простыми расчётами показал, что во Вселенной, равномерно заполненной неподвижными звёздами, светимость неба должна быть пропорциональной радиусу Вселенной, т. е. чрезвычайно большой. Так как это не наблюдается, то это явление было названо «световой парадокс Ольберса».

2) В 1875 г. аналогичным образом немецкий астроном Х. Зеелигер (1849–1924) нашёл, что гравитационная сила, действующая на любую массу со стороны всего вещества бесконечной Вселенной, тоже бесконечно большая. Поскольку это никак не проявляется, т. е. во Вселенной гравитация заметна только в качестве взаимодействия между массами, то такой феномен был назван «парадокс Зеелигера».

3)Третий парадокс бесконечной Вселенной связан с его вечностью и неизменностью во времени. Если Вселенная вечна во времени, то все явления в ней должны были бы закончиться или прийти к какому-то равновесию. Так, Солнце и звёзды уже приостановили бы излучение тепла и света (термоядерные реакции в недрах звёзд, являющиеся источником их энергии, процес продолжительный, но не бесконечный) и прекратили бы активный период своего существования. В действительности мы наблюдаем другую картину Вселенной. Этот третий парадокс бесконечной Вселенной называют «тепловая смерть Вселенной».

В связи с названными парадоксами бесконечной Вселенной были предприняты попытки создания других непротиворечивых моделей мироздания. Две из них, важнейшие, ставшие основой современных представлений о Вселенной, предложили А. Эйнштейн (1879–1955) и русский математик Александр Александрович Фридман (1888–1925).

В 1917 г. Эйнштейн, опираясь на предложенную им ранее новую теорию тяготения (эта теория более известна под названием общая теория относительности, ОТВ) предложил ограниченную в закрытом пространстве модель Вселенной. Для того, чтобы удержать её в стационарном состоянии, т. е. чтобы галактики не падали друг на друга под действием взаимного гравитационного притяжения, Эйнштейн предложил гипотетическую отталкивающую силу, которая нигде в природе не встречалась и была предложена только для данного единичного случая. Поэтому вполне естественно, что сначала космологи отнеслись к ней подозрительно, хотя на данный момент она оказалась чуть ли не середи важнейших параметров (величин) при построении моделей Вселенной.

В 1922 г. А.А. Фридман показал, что Вселенная может обойтись и без отталкивающей силы Эйнштейна. При этом уравнения общей теории относительности дают не стационарные решения, а переменные во времени, т. е. расстояния между элементами Вселенной (галактиками) должны увеличиваться или уменьшаться во времени.

В 1929 г. расширение Вселенной было подтверждено наблюдениями. На крупнейшем в то время 2,5-метровом телескопе в обсерватории Маунт-Вилсон (США) было найдено, что галактики удаляются от нас, т. е. они имеют красное смещение светового спектра согласно с эффектом Допплера.

Используя данные наблюдений, Э. Хаббл (1889–1953) нашёл: чем дальше от нас находится галактика, тем больше красное смещение в её спектре, а значит с тем большей скоростью она удаляется (рис. 18):

v = Hr,

где v – скорость удаления галактики, r – расстояние до галактики, Н – постоянная Хаббла. По современным оценкам Н » 22 км/с/млн св. л. или 2,2·10⁻¹⁸ с⁻¹. Это пропорциональное увеличение скорости удаления галактик с ростом расстояния к ним называется законом Хаббла.

Но если галактики удаляются друг от друга, то значит, раньше они располагались ближе между собой, а идя дальше назад во времени, мы должны прийти к моменту, когда вся материя Вселенной была собрана в едином сверхплотном образовании. Согласно с современными представлениями, Вселенная возникла вследствие гигантского взрыва этого образования (его называют Большим Взрывом). Это произошло около 14 миллиардов лет назад; последствия этого взрыва мы наблюдаем и сейчас в виде разлетающихся галактик.

В расширяющемся мире снимается световой парадокс Ольберса. Согласно с законом Хаббла, чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется и, соответственно, тем длиннее световые волны и меньшую частоту, т. е. менее мощные кванты света, она посылает (напомним, что энергия светового кванта пропорциональна его частоте).

Следовательно, плотность световой энергии в расширяющейся Вселенной может быть малой даже в достаточно большой Вселенной, вплоть до бесконечности. И наоборот, в сжимающейся Вселенной упомянутая плотность энергии возрастает, температура в таком случае должна быть высокой. Очевидно, жизнь в такой Вселенной, как и в стационарной однородной и бесконечной, из-за парадокса Ольберса, была бы невозможной.

В расширяющейся Вселенной таким же образом снимается и гравитационный парадокс Зеелигера, а во Вселенной, имеющей начало, снимается третий парадокс бесконечной однородной и стационарной Вселенной – ее «тепловая смерть».

Впервые идею о происхождении Вселенной вследствие Большого Взрыва выдвинул в 1927 г. бельгийский космолог аббат Г. Леметр (1894–1966).

Возраст Вселенной (от начала её расширения) можно оценить несколькими независимыми методами:

1) По увеличению скорости разлетания галактик с расстоянием до них, т. е. по постоянной Хаббла. Расстояние r, прошедшее галактикой от Большого Взрыва до настоящего её положения r = vt_o, где v – скорость галактики, t_o – время движения галактики. Отсюда, используя значение скорости из закона Хаббла:

t_o = r/v = r/Hr = 1/H.

Имея в виду, что H = 2,2·10⁻¹⁸ c⁻¹ и 1 год = 3,15·10⁷ с, найдём t_o = 4,5·10¹⁷ с ≈ 14 млрд л. Возьмём для примера предельно большое значение, допустимое специальной теорией относительности для света v = 300 тыс. км/с. В этом предельном значении.

r_max = vt_o = 13,5·10²⁵ м ≈ 10¹⁰ св. л.

Это расстояние называется горизонтом Метагалактики. От объектов, расположеных дальше, свет к нам не поступает.

2) Нижний предел возраста Вселенной можна оценить по возрасту старейших звёзд и шаровых звёздных скоплений (более 12 млрд л.).

3) По яркости старейших белых карликов, светящихся за счёт охлаждения, найдено время охлаждения 11,5 ± 1 млрд л.

4) Ядерная космохронология позволяет установить, что синтез тяжёлых химических элементов начался за (14,5 ± 3) млрд л. до перехода метеоритов, входящих в состав Солнечной системы, в твёрдую фазу (возраст метеоритов 4,6 млрд л.).

Современная астрономия располагает убедительными данными наблюдений в пользу Большого Взрыва и нынешнего расширения Вселенной. В звязи с этим вполне кстати вопросы: будет ли Вселенная расширяться и далее, и если «да», то до каких пор? Может бать, на смену разлетанию галактик когда-то, в далёком будущем, наступит их остановка, а потом взаимное падение друг на друга под воздействием гравитационного притяжения, т. е. наступит сжатие Вселенной? Ответить на эти вопросы нам помогут простые рассуждения.

Рассмотрим галактику массой m, расположенную на поверхности сферы радиуса r. Как и в случае с розлетанием галактик (рис. 18), местоположение центра сферы не имеет значения, так как вещество за пределами сферы при его симметричном расположении не влияет на движение массы на поверхности сферы. В случае, когда наблюдатель находится в центре сферы, скорость удаления галактики m от него вследствие расширения Вселенной будет v= Hr (H − постоянная Хаббла), а её кинетическая энергия K = mv²/ 2 = mH²r²/2. Потенциальная энергия этой галактики в поле тяготения массы M, расположенной в пределах сферы радиуса r, будет Е = GMm/r (G – гравитационная постоянная).

Рассмотрим предельный случай, когда галактика m остановится в своём движении на бесконечности, т. е. K = E. Обозначим через r_k величину плотности материи во Вселенной, соответствующей нашему предельному случаю (критическая плотность). В этом случае масса материи в объёме сферы r будет M = 4pr³r_k/3, а Е = 4pGmr²r_k /3. Для случая K = Е имеем:

mH² r²/2 = 4pGmr²r_k./3,

откуда

1. r_k. = 3H² /8p

Подстановка величин H = 2,2.10⁻¹⁸ с⁻¹, G = 6,67.10⁻⁸ см³ г⁻¹с⁻² даёт

1. r_k. » 10⁻²⁹ г/см³ .

Если плотность материи во Вселенной r ≤ r_k., то её недостаточно, чтобы своим гравитационным притяжением остановить розлетание галактик. В этом случае говорят, что Вселенная открыта и будет вечно расширяться. В случае, если r > r_k., Вселенная будет закрытой в ограниченном объёме и на смену её расширению когда-то придёт остановка галактик с последующим падением их друг на друга под действием взаимного гравитационного притяжения.

Учёт материи во Вселенной. Естественно, что первые определения плотности материи во Вселенной астрономы выполнили методом простого учёта звезд и галактик, которые представляют так называемую видимую массу Вселенной. При этом получено низкое значение ρ = 10⁻³¹ г/см³.

Дальнейшие попытки определения ρ были проведены по скорости орбитального движения галактик в пределах скоплений или по движению спутников галактик. Эти данные, а также радионаблюдения вещества за пределами видимых дисков галактик засвидетельствовали, что видимый нам галактический диск, как уже упоминалось, окружён протяжённой короной, содержащей в себе значительную массу. Оказалось, однако, что и динамическая масса не исчерпывает все виды масс и не может обеспечить верную оценку величины средней плотности материи r во Вселенной. Определение массы Метагалактики производится теперь с учётом электромагнитного излучения и лёгких элементарных частиц нейтрино.

В связи с антропным принципом (см. «Страна знаний», 2020, № 6) и другими проблемами, ставшими перед материалистической наукой, в качестве одной из гипотез русский физик член Российской Академии Наук В. Струминский [1] предлагает три необходимые компоненты Вселенной: Материю, Энергию и Духовную субстанцию, которая порождает живую материю. Количество Материи, Энергии и Духа сохраняется, если между ними нет взаимодействия. Однако качество материального мира стремится к хаосу и не в состоянии произвести ничего сложнее себя. Энергия, в свою очередь, имеет природную тенденцию изменяться в направлении увеличения энтропии и стремится к «тепловой смерти», а качество Духовного мира может и не стремиться к нулю.

«Духовный мир космоса в течение продолжительного времени делал всё для развития на Земле духовных начал, созидая творчески активную часть человечества, которое, развивая науку, искусство и самосознание, может оказаться в состоянии слиться с Духовной субстанцией Вселенной и принять участие в решении глобальных проблем Духовного мира: создание условий для замедления роста энтропии в определённых участках Вселенной и решения проблем, обеспечивающих выживание человечества на Земле и в космосе» [1].

Но люди оказались неспособными участвовать в разрешении грандиозных замыслов Духа. Они пренебрежительно отнеслись к природным инстинктам (главным из которых является защита особей своего собственного вида), которыми Дух наделил живые создания на Земле и которые защищали человечество миллионы лет. В погоне за властью, численностью воинов и рабов на значительных пространствах планеты вершились кровавые битвы. Главные усилия человечества сосредотачивались не на развитии духовности, а на решении военных проблем, т. е. на усовершенствовании мастерства уничтожения себе подобных.

«Так были сорваны намерения Духа о развитии науки и самосознания человечества» [1]. Духовный Мир, видимо, ещё не потерял надежды на исправление человечества, которое все же эволюционировало в направлении угнетения агрессивных инстинктов.

Эти мысли перекликаются с позицией Ю.А. Шилова [2], согласно которому «высшую вселенскую силу современная наука всё уверенней определяет, как Энерго-Информационное Поле Вселенной».

Обсуждаются также вопросы о том, что наша Вселенная, возможно, не единственная. Правда, само представление о других вселенных***) за пределами нашей, также как и размышления о начале времени и границах пространства, кажутся нам фантастическими и ведут человеческий разум до грани реальности. Но именно эта интригующая загадочность и представляет собой главную привлекательность космологии − науки о Вселенной.

Словарик

Астрономическая единица – единица расстояния в астрономии, равная расстоянию Земли от Солнца, ≈150 млн км = 1,5·10¹¹ м, сокращённо а. е.
Звёздный ветер – (по отношению к Солнцу – солнечный ветер) – поток элементарних частиц и ядер химических элементов от звёзд со скоростями до тысяч км/c.
Квазары – (от лат. quasi – будто (звезда) – объекты мощного излучения, из-за больших расстояний видимые в виде звёзд.
Коллапс – (от лат. collapcus – обвал) – здесь стремительное падение вещества звезды в направлении к ядру под действием силы тяжести в конце её эволюции.
Нейтрино – (от лат. neutrino – нейтрончик) – стабильная электрически нейтральная частица с массой, близкой к нулю.
Новые звёзды – периодические вспышки на поверхности белых карликов (яркость звезды увеличивается в тысячи раз) по мере натекания водорода со звезды-спутника.
Сверхновые звёзды – звёзды, светимость которых за несколько суток увеличивается во много миллиардов раз и достигает светимости галактики. Вспышка сверхновой происходит вследствие гравитационного коллапса ядра звезды в конце её эволюции.
Световой год – расстояние, проходящее светом за год при скорости 300 тыс. км/с – 6,7·10⁴ а. е. ≈ 10¹⁶ м. Далее сокращённо – св. л.
Термоядерные реакции – (от греч. θερμη – жар, тепло) – реакции синтеза (объединения) атомных ядер лёгких химических элементов в более тяжёлые ядра при температурах 10⁷К и выше.
Энтропия – (от гр. εν – в и τροπη – преобразование) – степень рассеяния энергии.

Источники

1. Струминський В.В. Як і для чого виникло життя на Землі // Вісник НАН України. − 1997. − № 1−2. – С. 80−87.
2. Шилов Ю.О. Истоки славянской цивилизации. – К.: МАУП, 2004. – 704 с.
3. Internet-resource (иллюстрации).

---

*)Условно нашу Галактику пишут с прописной буквы, а остальные со строчной.
**) Слова, выделенные курсивом, объяснены в словарике в конце статьи.
***) Условимся здесь по аналогии с галактиками нашу Вселенную писать с прописной буквы, а прочие – со строчной.

И.А. Дычко,кандидат физико-математических наук, г. Полтава