Вселенная, мегагалактика, галактики

Если же плотность Вселенной  окажется слишком велика, то наш мир замкнут, а расширение рано или поздно сменится катастрофическим сжатием. Вселенная закончит свою жизнь в гравитационном коллапсе.

Согласно теории Эйнштейна  – Фридмана критическая плотность  равна 
 

Эта величина ничтожна: достаточно, чтобы в кубе со стороной около 50 метров содержался один атом водорода.

Определить постоянную Хаббла с высокой точностью очень  непросто. Галактики часто имеют довольно высокие скорости (до тысяч км/с), не связанные с космологическим расширением. По современным данным значение H лежит в интервале 60–80 км/(с∙Мпк).

Определить из наблюдений истинную плотность материи еще  сложнее. Плотность наблюдаемого вещества во Вселенной близка к 3∙10^–34 кг/м³, то есть меньше критической, поэтому Вселенная должна неограниченно расширяться. Однако, произведенный в последнее время учет скрытой массы и массы физических полей (согласно общей теории относительности) приближает истинную среднюю плотность Вселенной к критическому значению. При этом видимое вещество дает вклад только 5%.

В конце ХХ века по наблюдениям  сверхновых на больших расстояниях  обнаружено ускорение расширения Вселенной.

На современном этапе  в развитии космологии интенсивно исследуется проблема начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, которые опираются на теоретический базис всей физики.

2. Галактики.

В ясную погоду можно  насчитать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь очень небольшая часть тех звезд и других космических объектов, которые существуют в нашей области мира.

В безлунные ночи хорошо виден Млечный  Путь, протянувшийся от одной стороны горизонта до другой. Он кажется скоплением светящихся туманных масс. Но стоит направить на Млечный Путь телескоп, и мы сразу обнаружим, что он состоит из множества звезд. Эта звездная система, к которой принадлежит и наше Солнце, получила название Галактики.

Изучать нашу Галактику необычайно сложно. Это одна из труднейших задач науки. Ведь мы находимся внутри этой Галактики и не можем ни вылететь за ее пределы, ни побывать в различных ее точках. Тем не менее, наука преодолевает эти трудности.

Галактика имеет довольно сложную  структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.  

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным  образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные  участки Галактики имеют различные периоды вращения.

Звезды удалены друг от друга  на огромные расстояния и практически  изолированы друг от друга. Они практически  не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы  последние  несколько  десятилетий изучают  другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в  астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных  успехов.

Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, - звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые  звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят  в основном из газа и пыли, - это  туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы – диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, - планетарные.

Существуют еще светлые  диффузные туманности, например Крабовидная  туманность, названная за необычную  сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульсар, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике  заполнено везде – разреженным  межзвездным газом и межзвездной  пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля –  гравитационное и магнитное. Пронизывают  межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Галактику можно представить  в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет.

Ближайшие к нашей Галактике звездные системы удалены от нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Они видны на небе Южного полушария как маленькие туманные пятнышки.

Наша Галактика и  другие соседние звездные системы образуют Местную систему галактик. В ее состав входит 16 галактик, а поперечник ее равен 2 млн. световых лет. Исследования показывают, что звездные острова, галактики - типичные объекты Вселенной. Астрономам теперь известно великое множество галактик во всех участках небесной сферы.

По внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики – распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты.

Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики  обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. При сравнительно небольших размерах, квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Сейчас их открыто более тысячи. Оказывается, чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Это связано с конечной скоростью распространения света. Хотя она и составляет 300 тысяч км/сек. даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы долгие годы, десятки, сотни, миллионы и миллиарды лет. Поэтому, глядя на небо, мы видим космические объекты - Солнце, планеты, звезды, галактики в прошлом. Причем различные объекты - в разном прошлом. Все это говорит о том, что излучение квазаров и активность ядер галактик связаны со сходными физическими процессами. Однако вопрос о природе этих процессов все еще остается открытым.

3. Метагалактика

Метагалактика это группа звёздных систем - галактик, доступных современным телескопам. Примерное количество галактик около одного миллиарда. Максимальная удалённость объектов 13.7-13.8 миллиардов световых лет.

Метагалактикой называют весь обозримый мир, изучаемый как  единое целое. До 1924 года существование других галактик не было доказано, его лишь предполагали. После того, как Эдвин Хаббл при помощи самого большого в то время телескопа с диаметром зеркала 2,5 м обнаружил в галактике М31 (так обозначают туманность Андромеды), переменные звезды - цефеиды, сомнения в звездной природе объекта М31 отпали. К настоящему времени установлено, что число доступных наблюдению галактик, во всяком случае, не меньше миллиарда. Самые далекие из них находится на расстояниях около 14 млрд. световых лет. Их наблюдаемый теперь свет был испущен задолго до появления Земли.

В состав Метагалактики  входят галактики и квазары, образующие группы и скопления. Всё пространство Метагалактики (часто называемой Вселенной) пронизано излучениями. Это, во-первых, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение галактик и квазаров, а также потоки нейтрино, и, во-вторых, реликтовое микроволновое и нейтринное излучения, возникновение которых связывают с Большим взрывом, положившим начало Метагалактики.

Одно время полагали, что пространственное распределение галактик имеет ячеистый вид (первоначально сгущения галактик в стенках “ячеек” называли сверхскоплениями). Однако, скорее всего, клочковатая структура наблюдаемой Метагалактики - результат совместного действия двух факторов:

1 - случайных флуктуаций (колебаний) в распределении чисел  групп и скоплений галактик  в равных объёмах пространства  и 

2 - клочковатой структуры  межзвёздного поглощающего вещества  нашей Галактики. 

В отличие от звезд, изображения  галактик на фотопластинках имеют низкую поверхностную яркость. Поэтому даже незначительное межзвёздное ослабление света (в газопылевых облаках) приводит к существенному искажению картины видимого распределения галактик даже вдали от Млечного Пути.

Если в Метагалактике выделять равные кубические объёмы с длиной ребра куба порядка 300 млн. световых лет, то число галактик внутри таких объемов окажется одинаковым в пределах случайных колебаний. Это свойство Метагалактики называют ее однородностью, предполагая дополнительно, что все характеристики вещества и излучения в этих объемах тоже одинаковы. В основе построения теоретических моделей Метагалактики лежит космологический принцип - предположение, что Вселенная однородна и изотропна. (Изотропность означает одинаковость свойств материи по всем направлениям).

Квазары, упомянутые выше при перечислении известных видов  объектов Метагалактики, вероятно являются ядрами зарождающихся галактик. Бурные процессы в этих ядрах сопровождаются излучением электромагнитной энергии  в десятки и сотни раз более мощным, чем от самых больших “зрелых” галактик. Первоначально квазары были обнаружены как радиоисточники ничтожно малых угловых размеров. В оптической области спектра квазар выглядит белой звездочкой. Ни один квазар нельзя увидеть невооружённым глазом. Ещё одно свойство квазаров - все они удаляются от нас (в каком бы направлении не наблюдались) со скоростями в десятки и сотни тысяч километров в секунду.

Скопления галактик содержат сотни членов, группа - несколько  десятков. Наша Галактика вместе с галактикой М31 (на расстоянии в два миллиона световых лет) входит в Местную группу галактик, включающую ещё три десятка сравнительно небольших галактик.

В 1929 году был опубликован  закон Хаббла, согласно которому все  галактики (за исключением нескольких самых близких) удаляются от нас: Vg=Hr . Здесь g - лучевая скорость в км/с, расстояние выраженное в мегапарсеках (мегапарсек равен 3,1×1019 км) и H=75 - постоянная, называемая постоянной Хаббла.