Как устроена вселенная Млечный путь

Как устроена Вселенная

Для тех, кто не хочет смотреть видео

Размеры Вселенной

О размерах Вселенной люди задумались относительно недавно. В середине 18 века философ Иммануил Кант впервые предположил, что Млечный Путь не единственная галактика. Спустя 180 лет астроном Эдвин Хаббл измерил расстояние до туманности Андромеды. Отдаление оказалось значительным, и стало понятно, что туманность Андромеды и другие облака, заметные на звездном небе, это отдельные галактики, а не часть Млечного Пути.

Еще через 60 лет в космос отправился телескоп «Хаббл». Тогда оказалось, что Вселенная гораздо больше, чем мы представляли, наша Земля – часть Солнечной системы, Солнце – одна из трехсот миллиардов звезд Млечного Пути, а наша галактика – одна из двух триллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной.

Статья по теме

Видимое и невидимое вещество?

Планеты, звезды, галактики, межзвездные и межгалактические газ и пыль – все это видимое вещество, которое называется барионным веществом и составляет лишь 5% Вселенной. Остальное приходится на загадочные субстанции: невидимую темную материю (26%) и темную энергию (69%). Галактики собираются в группы и скопления, а скопления в сверхскопления, соединенные нитями. Они опоясывают космические пустоты, их называют войдами.

На уровне сверхскоплений и войдов пространство искривляется благодаря действию тяжелых объектов – скоплений галактик, галактик, черных дыр и даже Солнца и Земли. Значит, свойства Вселенной в целом отличаются от свойств ее отдельно взятых объектов.

Расширение Вселенной

С моменты Большого взрыва Вселенная расширяется. Расстояние между отдаленными ее частями увеличивается. Многие сверхскопления галактик сейчас являются нестабильными образованиями и расширение Вселенной фактически их разрывает. Некоторые скопления уже ушли за границы видимой Вселенной – они находятся так далеко, что свет от них не сможет дойти до Земли.

На уровне скоплений галактик притяжение между объектами сильнее, они не распадаются и даже, напротив, притягивают к себе ближайшие объекты. Прямо сейчас Млечный Путь поглощает своего самого близкого соседа – карликовую галактику из созвездия Пса. Через четыре миллиарда лет он поглотит галактику-спутника Магеллановы Облака, а еще через миллиард – объединится с Туманностью Андромеды.

Если расширение Вселенной не замедлится, то большинство галактик уйдет за пределы видимости и однажды Земля останется в полном одиночестве. Правда, человечество до этого вряд ли доживет.

Что такое галактика

Галактики наблюдали с незапамятных времен. Человек с острым зрением может различить на ночном небосводе светлые пятна, похожие на капли молока. В Х веке персидский астроном Абд-аль-Раман аль-Суфи упомянул в своей «Книге о неподвижных звездах» два подобных пятна, известных теперь как Большое Магелланово облако и галактика М31, она же Андромеда. С появлением телескопов астрономы наблюдали все больше таких объектов, получивших название туманностей. Если английский астроном Эдмунд Галлей в 1716 году перечислил всего шесть туманностей, то каталог, опубликованный в 1784 году астрономом французского военно-морского флота Шарлем Мессье, содержал уже 110 — и среди них четыре десятка настоящих галактик (в том числе и М31). В 1802 году Уильям Гершель опубликовал перечень из 2500 туманностей, а его сын Джон в 1864 году издал каталог, где было более 5000 туманностей.

Наша ближайшая соседка, галактика Андромеда (M31) — один из излюбленных небесных объектов для любительских астрономических наблюдений и фотосъемки.

Природа этих объектов долгое время ускользала от понимания. В середине XVIII века некоторые проницательные умы увидели в них звездные системы, подобные Млечному Пути, однако телескопы в то время не предоставляли возможности проверить эту гипотезу. Столетием позже восторжествовало мнение, что каждая туманность — это газовое облако, подсвеченное изнутри молодой звездой. Позже астрономы убедились, что некоторые туманности, в том числе и Андромеда, содержат множество звезд, однако еще долго не было ясно, расположены они в нашей Галактике или за ее пределами. И лишь в 1923—1924 годах Эдвин Хаббл определил, что расстояние от Земли до Андромеды как минимум троекратно превосходит диаметр Млечного Пути (на самом деле примерно в 20 раз) и что М33, другая туманность из каталога Мессье, удалена от нас на никак не меньшую дистанцию. Эти результаты положили начало новой научной дисциплине — галактической астрономии.

В 1926 году знаменитый американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл предложил (а в 1936 году модернизировал) свою классификацию галактик по их морфологии. Из-за характерной формы эту классификацию называют еще «Камертоном Хаббла». На «ножке» камертона находятся эллиптические галактики, на зубцах вилки — линзовидные галактики без рукавов и спиральные галактики без бара-перемычки и с баром. Галактики, которые не могут быть классифицированы как один из перечисленных классов, называются неправильными, или иррегулярными.

Карлики и гиганты

Вселенная заполнена галактиками разного размера и разных масс. Их количество известно весьма приблизительно. Семь лет назад орбитальный телескоп «Хаббл» за три с половиной месяца обнаружил около 10 000 галактик, сканируя в южном созвездии Печи участок небосвода, в сто раз меньший, нежели площадь лунного диска. Если предположить, что галактики распределяются по небесной сфере с такой же плотностью, получится, что в наблюдаемом космосе их 200 млрд. Однако эта оценка сильно занижена, поскольку телескоп не смог заметить великое множество очень тусклых галактик.

Среди галактик есть и карлики, и гиганты. В авторитетном оксфордском справочнике Companion to Cosmology 2008 года издания написано, что самые мелкие галактики содержат миллионы звезд, а самые крупные — триллионы. Эта информация уже успела устареть. Как рассказал «ПМ» профессор Техасского университета в Остине Джон Корменди, в последние годы было открыто семейство мини-галактик всего лишь с сотнями звезд: «Это так называемые ультракомпактные карлики, линейные размеры которых лежат в пределах 20 парсек. Несмотря на малое количество звезд, масса таких галактик составляет миллионы и десятки миллионов солнечных масс. Скорее всего, в этом в основном повинна темная материя, хотя некоторые ученые полагают, что немалый вклад принадлежит черным дырам и нейтронным звездам. Как бы то ни было, старое определение галактики как крупного автономного звездного скопления больше не работает». На верхней границе галактического спектра находятся сверхгиганты диаметром порядка мегапарсека, у которых численность звездного населения достигает сотни триллионов.

Форма и содержание

Галактики различаются и морфологией (то есть формой). В целом их подразделяют на три основных класса — дисковидные, эллиптические и неправильные (иррегулярные). Это общая классификация, есть гораздо более детальные.

Галактики распределены в космическом пространстве вовсе не хаотично. Массивные галактики нередко окружены небольшими галактиками-спутниками. И наш Млечный Путь, и соседняя Андромеда имеют не менее 14 сателлитов, и, скорее всего, их гораздо больше. Галактики любят объединяться в пары, тройки и более крупные группы из десятков гравитационно связанных партнеров. Ассоциации побольше, галактические кластеры, содержат сотни и тысячи галактик (первый из таких кластеров открыл еще Мессье). Порой в центре кластера наблюдается особо яркая гигантская галактика, возникшая, как считают, в процессе слияния галактик меньшего калибра. И наконец, есть еще и суперкластеры, в которые входят как галактические кластеры и группы, так и отдельные галактики. Обычно это вытянутые структуры протяженностью до сотни мегапарсек. Их разделяют почти полностью свободные от галактик космические пустоты такого же размера. Суперкластеры уже не организованы в какие-либо структуры более высокого порядка и разбросаны по Космосу случайным образом. По этой причине в масштабах нескольких сотен мегапарсек наша Вселенная однородна и изотропна.

Дисковидная галактика — это звездный блин, вращающийся вокруг оси, проходящей через его геометрический центр. Обычно по обе стороны центральной зоны блина имеется овальное вздутие — балдж (от англ. bulge). Балдж тоже вращается, однако с меньшей угловой скоростью, нежели диск. В плоскости диска нередко наблюдаются спиральные ветви, изобилующие сравнительно молодыми яркими светилами. Однако есть галактические диски и без спиральной структуры, где таких звезд много меньше.

Центральную зону дисковидной галактики может рассекать звездная перемычка — бар. Пространство внутри диска заполнено газопылевой средой — исходным материалом для новых звезд и планетных систем. Галактика имеет два диска: звездный и газовый. Они окружены галактическим гало — сферическим облаком разреженного горячего газа и темной материи, которая и вносит основной вклад в полную массу галактики. Гало вмещает также отдельные старые звезды и шаровые звездные скопления (глобулярные кластеры) возрастом до 13 млрд лет. В центре едва ли не любой дисковидной галактики, как с балджем, так и без балджа, расположена сверхмассивная черная дыра. Самые крупные галактики этого типа содержат по 500 млрд звезд.

Млечный путь

Солнце обращается вокруг центра вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят 200?400 миллиардов звезд. Ее диаметр приблизительно равен 28 килопарсекам (чуть больше 90 световых лет). Радиус солнечной внутригалактической орбиты — 8,5 килопарсек (так что наше светило смещено к внешнему краю галактического диска), время полного оборота вокруг центра Галактики — примерно 250 миллионов лет.
Балдж Млечного Пути имеет эллипсовидную форму и наделен баром, который обнаружили совсем недавно. В центре балджа находится компактное ядро, заполненное звездами различного возраста — от нескольких миллионов лет до миллиарда и старше. Внутри ядра за плотными пылевыми облаками скрывается достаточно скромная по галактическим стандартам черная дыра — всего лишь 3,7 миллиона солнечных масс.
Наша Галактика может похвастаться двойным звездным диском. На долю внутреннего диска, который имеет по вертикали не более 500 парсек, приходится 95% звезд дисковой зоны, в том числе все молодые яркие звезды. Его охватывает внешний диск толщиной в полторы тысячи парсек, где обитают звезды постарше. Газовый (точнее, газо-пылевой) диск Млечного Пути имеет в толщину не менее 3,5 килопарсек. Четыре спиральных рукава диска представляют собой области повышенной плотности газо-пылевой среды и содержат большинство самых массивных звезд.
Диаметр гало Млечного Пути не менее, чем вдвое больше диаметра диска. Там обнаружено порядка 150 глобулярных кластеров, причем, скорее всего, еще с полсотни пока не открыты. Возраст старейших кластеров превышает 13 миллиардов лет. Гало заполнено темной материей, имеющей комковатую структуру. До недавнего времени полагали, что гало почти шарообразно, однако, по последним данным, оно может быть значительно приплюснуто. Общая масса Галактики может составлять до 3 триллионов солнечных масс, причем на долю темной материи приходится 90?95%. Масса звезд Млечного Пути оценивается в 90?100 миллиардов масс Солнца.

Эллиптическая галактика, как и следует из ее названия, имеет форму эллипсоида. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками. Новые светила в эллиптических галактиках загораются редко в связи с дефицитом исходного сырья — молекулярного водорода.

Подобно людям, галактики объединяются в группы. Наша Местная группа включает две самые крупные галактики в окрестностях размером порядка 3 мегапарсек — Млечный путь и Андромеду (M31), галактику Треугольника, а также их спутники — Большое и Малое Магеллановы облака, карликовые галактики в Большом Псе, Пегасе, Киле, Секстанте, Фениксе, и еще множество других — всего числом около полусотни. Местная группа в свою очередь является членом местного сверхскопления Девы.

Как самые крупные, так и самые мелкие галактики относятся к эллиптическому типу. Общая доля его представителей в галактическом населении Вселенной всего около 20%. Эти галактики (возможно, за исключением самых мелких и тусклых) также скрывают в своих центральных зонах сверхмассивные черные дыры. Эллиптические галактики имеют и гало, но не столь четкие, как у дисковидных.

Все прочие галактики считаются иррегулярными. Они содержат много пыли и газа и активно порождают молодые звезды. На умеренных расстояниях от Млечного Пути таких галактик немного, всего-то 3%. Однако среди объектов с большим красным смещением, чей свет был испущен не позже, чем через 3 млрд лет после Большого взрыва, их доля резко возрастает. Судя по всему, все звездные системы первого поколения были невелики и обладали неправильными очертаниями, а крупные дисковидные и эллиптические галактики возникли гораздо позже.

Рождение галактик

Галактики появились на свет вскоре после звезд. Считается, что первые светила вспыхнули никак не позднее, чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва. В январе 2011 года команда астрономов, обрабатывавших информацию с космического телескопа «Хаббл», сообщила о вероятном наблюдении галактики, чей свет ушел в космос через 480 млн лет после Большого взрыва. В апреле еще одна исследовательская группа обнаружила галактику, которая, по всей вероятности, уже вполне сформировалась, когда юной Вселенной было около 200 млн лет.

Условия для рождения звезд и галактик возникли задолго до его начала. Когда Вселенная прошла возрастную отметку в 400 000 лет, плазма в космическом пространстве заменилась смесью из нейтрального гелия и водорода. Этот газ был еще чересчур горяч, чтобы стянуться в молекулярные облака, дающие начало звездам. Однако он соседствовал с частицами темной материи, изначально распределенными в пространстве не вполне равномерно — где чуть плотнее, где разреженнее. Они не взаимодействовали с барионным газом и потому под действием взаимного притяжения свободно стягивались в зоны повышенной плотности. Согласно модельным вычислениям, уже через сотню миллионов лет после Большого взрыва в космосе образовались облака темной материи величиной с нынешнюю Солнечную систему. Они объединялись в более крупные структуры, невзирая на расширение пространства. Так возникли скопления облаков темной материи, а потом и скопления этих скоплений. Они втягивали в себя космический газ, предоставляя ему возможность сгущаться и коллапсировать. Таким путем появились первые сверхмассивные звезды, которые быстро взрывались сверхновыми и оставляли после себя черные дыры. Эти взрывы обогащали космическое пространство элементами тяжелее гелия, которые способствовали охлаждению коллапсирующих газовых облаков и потому делали возможным появление менее массивных звезд второго поколения. Такие звезды уже могли существовать миллиарды лет и потому были в состоянии формировать (опять-таки с помощью темной материи) гравитационно связанные системы. Так возникли долгоживущие галактики, в том числе и наша.

«Многие детали галактогенеза еще скрыты в тумане, — говорит Джон Корменди. — В частности, это относится к роли черных дыр. Их массы варьируют от десятков тысяч масс Солнца до абсолютного на сегодняшний день рекорда в 6,6 млрд солнечных масс, принадлежащего черной дыре из ядра эллиптической галактики М87, расположенной в 53,5 млн световых лет от Солнца. Дыры в центрах эллиптических галактик, как правило, окружены балджами, составленными из старых звезд. Спиральные галактики могут вовсе не иметь балджей или же обладать их плоскими подобиями, псевдобалджами. Масса черной дыры обычно на три порядка меньше массы балджа — естественно, если оный наличествует. Эта закономерность подтверждается наблюдениями, охватывающими дыры массой от миллиона до миллиарда солнечных масс».

Как полагает профессор Корменди, галактические черные дыры набирают массу двумя путями. Дыра, окруженная полноценным балджем, растет за счет поглощения газа, который приходит к балджу из внешней зоны галактики. Во время слияния галактик интенсивность поступления этого газа резко возрастает, что инициирует вспышки квазаров. В результате балджи и дыры эволюционируют параллельно, что и объясняет корреляцию между их массами (правда, могут работать и другие, еще неизвестные механизмы).

Исследователи из Питтсбургского университета, Калифорнийского университета в Ирвине и Атлантического университета Флориды смоделировали ситуацию столкновения Млечного пути и предшественницы карликовой эллиптической галактики в Стрельце (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, SagDEG). Они проанализировали два варианта столкновений — с легкой (3х10 10 масс Солнца) и тяжелой (10 11 масс Солнца) SagDEG. На рисунке показаны результаты 2,7 млрд лет эволюции Млечного пути без взаимодействия с карликовой галактикой и с взаимодействием с легким и тяжелым вариантом SagDEG.

Читайте так же:  Интересные исторические факты о войне

Иное дело безбалджевые галактики и галактики с псевдобалджами. Массы их дыр обычно не превышают 104?106 солнечных масс. По мнению профессора Корменди, они подкармливаются газом за счет случайных процессов, которые происходят недалеко от дыры, а не простираются на целую галактику. Такая дыра растет вне зависимости от эволюции галактики или ее псевдобалджа, чем и обусловлено отсутствие корреляции между их массами.

Растущие галактики

Галактики могут увеличивать и размер, и массу. «В далеком прошлом галактики делали это гораздо эффективней, нежели в недавние космологические эпохи, — объясняет профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Гарт Иллингворт. — Темпы рождения новых звезд оценивают в терминах годового производства единицы массы звездного вещества (в этом качестве выступает масса Солнца) на единицу объема космического пространства (обычно это кубический мегапарсек). Во времена формирования первых галактик этот показатель был весьма невелик, а затем пошел в быстрый рост, продолжавшийся до тех пор, пока Вселенной не исполнилось 2 млрд лет. Еще 3 млрд лет он был относительно постоянным, потом начал снижаться почти пропорционально времени, и снижение это продолжается по сей день. Так что 7?8 млрд лет назад средний темп звездообразования в 10?20 раз превышал современный. Большинство доступных наблюдению галактик уже полностью сформировались в ту далекую эпоху».

На рисунке — результаты эволюции в различные моменты времени — начальная конфигурация (a), через 0,9 (b), 1,8 © и 2,65 млрд лет (d). Согласно модельным расчетам, бар и спиральные рукава Млечного Пути могли сформироваться в результате столкновений с SagDEG, которая изначально тянула на 50?100 миллиардов солнечных масс. Дважды она проходила сквозь диск нашей Галактики и теряла часть своей материи (и обычной, и темной), вызывая пертурбации его структуры. Нынешняя масса SagDEG не превышает десятков миллионов солнечных масс, и очередное столкновение, которое ожидают не позже, чем через 100 миллионов лет, скорее всего, станет для нее последним.

В общих чертах эта тенденция понятна. Галактики увеличиваются двумя основными способами. Во?первых, они получают свежий материал для звездообразования, втягивая из окружающего пространства газ и частицы пыли. В течение нескольких миллиардов лет после Большого взрыва этот механизм исправно работал просто потому, что звездного сырья в космосе хватало всем. Потом, когда запасы истощились, темп звездного рождения упал. Однако галактики нашли возможность увеличивать его за счет столкновения и слияния. Правда, для реализации этого варианта необходимо, чтобы сталкивающиеся галактики располагали приличным запасом межзвездного водорода. Крупным эллиптическим галактикам, где его практически не осталось, слияние не помогает, зато в дисковидных и неправильных оно работает.

Курс на столкновение

Посмотрим, что происходит при слиянии двух примерно одинаковых галактик дискового типа. Их звезды практически никогда не сталкиваются — слишком велики расстояния между ними. Однако газовый диск каждой галактики ощущает приливные силы, обусловленные притяжением соседки. Барионное вещество диска теряет часть углового момента и смещается к центру галактики, где возникают условия для взрывного роста скорости звездообразования. Часть этого вещества поглощается черными дырами, которые тоже набирают массу. В заключительной фазе объединения галактик черные дыры сливаются, а звездные диски обеих галактик теряют былую структуру и рассредоточиваются в пространстве. В итоге из пары спиральных галактик образуется одна эллиптическая. Но это отнюдь не полная картина. Излучение молодых ярких звезд способно выдуть часть водорода за пределы новорожденной галактики. В то же время активная аккреция газа на черную дыру вынуждает последнюю время от времени выстреливать в пространство струи частиц огромной энергии, подогревающие газ по всей галактике и тем препятствующие формированию новых звезд. Галактика постепенно затихает — скорее всего, навсегда.

Галактика Млечный Путь

Млечный Путь и Солнце

Если «население» Вселенной разделить на социальные группы, наша галактика Млечный Путь будет принадлежать к крепкому «среднему классу». Так, она относится к самому распространенному виду галактик, но в то же время не является средней по размеру или массе. Галактик, которые мельче Млечного Пути, больше чем тех, что крупнее его. Еще наш «звездный остров» обладает как минимум 14-ю спутниками — другими карликовыми галактиками. Они обречены кружить вокруг Млечного Пути, пока не будут им поглощены, или же не улетят прочь от межгалактического столкновения. Ну и пока что это единственное место, где наверняка существует жизнь — то есть мы с вами.

Но еще Млечный путь остается наиболее загадочной галактикой во Вселенной: находясь на самом краю «звездного острова», мы видим лишь часть из миллиардов его звезд. А сердце галактики и вовсе невидимо — оно закрыто плотными рукавами звезд, газа и пыли. О фактах и тайнах Млечного Пути и пойдет сегодня речь.

Млечный Путь: главные особенности

Карта Млечного Пути

У секрета названия нашей галактики, связанного с богами, есть еще одна, менее известная версия. В древнегреческом пантеоне были два титана: Кронос и Рея, которые дали жизнь всем олимпийским богам. Однако процесс деторождения сперва шел медленно: гигант Кронос опасался, что дети захватят его трон, и потому поедал их всех. Рее, как матери, было больно смотреть на кончину собственных детей. Поэтому последнего ребенка, Зевса, она спрятала, а вместо него в пеленки завернула камень и отдала его мужу. Кронос, ощупав «младенца», заявил, что ребенок слишком твердый и худой, и попросил его откормить. Брызги молока богини, которые отразились от холодного камня в небо, и стали звездной полосой Млечного Пути. А спасенный Зевс позже сверг отца-тирана.

К чему вся эта страшная история? Дело в том, что галактика Млечный Путь полностью унаследовала характер своего мифологического отца. Она большая, словно титан, и все также поедает своих спутников-детей. Прямо сейчас внутрь нашего «звездного острова» затягивается карликовая галактика Стрельца. Похожая участь ждет и другие спутники, который видны глазу — Большое и Малое Магеллановы Облака. Гравитационные взаимодействия с Млечным Путем уже сейчас разрушают их спиральные структуры, сбивая «звездные острова» в расплывчатые облака из газа и звезд.

Большое и Малое Магеллановы Облака

Поглощение, что правда, не ведет к мгновенной смерти звездного острова. «Проглоченные» галактики могут спокойно пройти сквозь Млечный Путь, растеряв немного звезд, и продолжить кружить вокруг него. Но как и в мифе, гиганта ждет возмездие. В Местной Группе галактик Млечный Путь лишь на втором месте по размеру и массе, уступая первенство галактике Андромеды. От ее «рук» наша галактика и примет свою гибель — большая соседка поглотит ее через 3-4 миллиарда лет.

О том, как произойдет столкновение и чем оно грозит, мы уже вам рассказывали. А в этой статье пойдет речь о Млечном пути как уникальной спиральной галактике, которую нам повезло увидеть изнутри.

Характеристики Млечного Пути

Физику создают конкретные цифры и точные параметры — именно они помогают узнать судьбу всего: от падающего на пол бутерброда до громадных галактик, которые простираются на миллионы световых лет. Млечный Путь не является исключением. Давайте посмотрим, чем примечателен наш дом.

Галактика NGC 6744, которая считается очень похожей на Млечный Путь.

  • Галактический диск Млечного Пути простирается на расстояние 50-90 тысяч световых лет во все стороны от центра. Как мы уже знаем, это немного, но и не так мало. Радиус крупнейших спутников галактики, Магеллановых Облаков, составляет всего 7 тысяч с.л. Но ближайшая наша соседка, галактика Андромеды, значительно больше Млечного Пути. Чтобы добраться от ее ядра к самому краю, световому лучу нужно 110 тысяч лет.
  • Наше Солнце удалено от ядра Млечного пути приблизительно на 27 тысяч световых лет. Считается, что оно ближе к краю диска, чем к центру. Поэтому размеры Млечного Пути обычно рассматривают в меньшем промежутке. А еще наше светило движется с громадной скоростью вокруг галактического центра — от 200 до 250 км/сек. Но даже так на полный круг по Млечному Пути нам нужно 240 миллионов лет. А чтобы преодолеть притяжение галактики и отправиться в межгалактическое путешествие, Солнцу надо разогнаться в два раза быстрее, до скорости 550 км/сек.
  • Однако настоящий критерий размера галактики — это количество звезд. Точную оценку, разумеется, никто не может провести. Но именно количество видимого вещества позволяет судить о массивности и концентрации. В Млечном Пути насчитывается от 100 до 400 миллиардов звезд — все зависит от того, как оценивать количество звезд, закрытое от нас галактическим центром и другими рукавами.

Рукав Млечного Пути с Земли. Все видимые звезды на снимке принадлежат галактике

  • Впрочем, с массой галактики все куда более однозначно — она составляет от 1 до 1,5 триллиона масс Солнца. Эта цифра не поможет подсчитать количество звезд, поскольку большую часть массы покрывает невидимая темная материя, но зато позволяет нагляднее сравнивать Млечный Путь с соседями.
  • Все эти данные приблизительные, и обличены в числа лишь из-за необходимости в тех или иных вычислениях. Несмотря на развитые инструменты астрономов, точно измерить параметры галактики невозможно. Тем более изнутри, где большая часть звезд скрыта от взора. Поэтому ученые первоочередно задаются другими вопросами — например, как устроен Млечный Путь, и как его устройство работает. Об этом дальше.

    Класс и общее строение

    Наша галактика — типичная спиральная галактика с перемычкой, SBbc. Сегодня считается, что спиральные галактики составляют 55% от числа всех галактик Вселенной. А галактики с перемычкой являются наиболее распространенным подтипом — это две третьих всех спиральных галактик. Спирально-перемычечные «звездные острова» ученые считают достаточно молодым типом галактик. Со временем, когда ресурсы галактики исчерпываются, перемычка исчезает.

    Снимок центра Млечного Пути

    А в чем вообще суть этой перемычки, и как она выглядит? Давайте вкратце разберемся, как построен наш Млечный Путь. Ибо его составные части — единственные вещи относительно галактик, в которых астрономы более-менее уверены.

    • Вы уже точно знаете, что внутри Млечного Пути находится ядро — центральная часть галактики, сосредоточение ее массы, вокруг которой располагаются все остальные части «звездного острова». Во Млечном Пути его образует группа звезд и туч пыли, которые на большой скорости движутся вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец А*. Ядро нашей галактики принадлежит к активным, поскольку выделяет больше энергии, чем суммарно все составляющие его звезды.
    • Дальше идет балдж (от англ. «вздутие, выпуклость») — сферическая объемная оболочка центра Млечного Пути. Его составляют крупные звезды-гиганты, старые светила и раскаленные газы, которые вращаются вокруг ядра с громадными скоростями. Балдж — самая концентрированная и наиболее яркая часть не только нашей, но и любой другой галактики. Но мы почти его не видим, поскольку он закрыт он нас рукавами Млечного Пути и собственной облачной оболочкой.
    • Центр, балдж и гало

    • По обе стороны от балджа отходит перемычка — мостик, к которому крепятся галактические рукава Млечного Пути. Часто ее не выделяют в отдельный компонент: без рукавов на фоне, балдж сливается с перемычкой, оставляя только небольшое утолщение в центре. Перемычку можно сравнить с оживленным и бурным руслом реки. Здесь постоянно нагнетаются потоки галактических газов и пыли, что приводит к активному образованию звезд.
    • От краев перемычки раскручиваются два главных рукава спирали Млечного Пути — рукава Щита-Кентавра и Персея. Их назвали в честь созвездий земного неба, совпадающих с ними. Существует еще минимум 5 меньших рукавов, которые ответвляются параллельно главным. Однако они являются всего лишь частью галактического диска — тонкого слоя галактики, в котором концентрируется большая часть ее видимого вещества. Толщина диска Млечного Пути равна 2 тысячам световых лет, что довольно мало в сравнении с 180 тысячами с.л. диаметра.
    • Интересный факт. Рукава — это весьма необычная структура. Когда газ и пыль сохраняют свою спиральную форму и вращаются вместе с галактикой, звезды полностью самостоятельные — они покидают «родительские» рукава и улетают в другие. Существует только один небольшой промежуток, где движение звезд и рукавов синхронно — в этом секторе находится наше Солнце. Астрономы считают, что именно нахождение в таком спокойном месте позволило жизни на Земле сформироваться. Столкновения с облаками галактической пыли и близкие контакты с другими звездами серьезно бы повлияли на планетную систему Солнца.

      Галактические рукава и невидимая зона Млечного Пути

    • Остальную же часть галактики составляет гало. Никто не знает, как далеко оно простирается и где заканчивается. Гало преимущественно заполнено темной материей, которую не так-то просто обнаружить. Однако в нем присутствуют и видимые части. В астрономии их называют сфероидальным компонентом Млечного Пути. Это те видимые светила и облака газов, которые не причисляются к звездному диску — например, шаровые скопления. Светила в них сбиты очень тесно: на кубический парсек в них от 700 до 7000 раз больше звезд!
    • Шаровые скопления звезд движутся по вытянутым орбитам вокруг Млечного Пути и не контактируют с его газопылевым диском, «заправочной станцией» звездообразования. Поэтому газов у них почти нет, а все звезды приблизительно одного поколения. Но есть скопления, которые выбиваются из этого правила. Они очень плотны, их масса достигает миллионов солнечных масс, и состоят из звезд различного возраста.

      Спутники Млечного Пути

      Загадка происхождения столь необычных объектов оказалась проста — это остатки ядер тех галактик, которые Млечный Путь поглотил в прошлом. Невероятно, но такие вот «косточки» бывших спутников составляют около четверти всех шаровых звездных скоплений нашей галактики.

      История и будущее Млечного Пути

      Самой старой звезде, обнаруженной в нашей галактике, HD 140283, астрофизики дают 13,7 миллиарда лет — она только на 100 миллионов лет моложе самой Вселенной. В ту пору галактика развивалась очень бурно. Так как именно в звездах формируются тяжелые элементы вроде кислорода, углерода или железа, первые после Большого Взрыва светила галактики состояли только из гелия и водорода. Без тяжелых веществ, которые играют роль стабилизаторов, новые звезды вырастали очень большими, и существовали считанные миллионы лет до взрыва. По наличию металлов в составе Солнца и газопылевом диске можно сказать точно, что почти все вещество Млечного Пути хоть раз, но было внутри другой звезды.

      А что в это время делал сам Млечный Путь? Как и все новые галактики, он активно поглощал разбросанное в пределах своего гало вещество. Этим он занимается и до сих пор. Высокоскоростные газовые облака движутся вокруг галактики и падают на ее диск, обеспечивая материалом для новых звезд. Также в раннем периоде Млечный путь активно поглощал меньшие, карликовые галактики, которые попадались на его пути. Поэтому из множества спутников у галактики осталось лишь 14.

      На видео ниже — компьютерная модель столкновения двух галактик, и одна из наиболее качественных на сегодняшний момент.

      Но через 4 миллиарда лет спутники ждет поглощение Млечным Путем. Ученые считают, что оно уже началось. Два спутника нашей галактики, которые видны невооруженным глазом — Большое и Малое Магеллановы Облака — прямо сейчас теряют свое вещество, которое наматывается на южный полюс Млечного Пути. Ученые считают, что раньше все галактики-спутники выглядели как одно громадное кольцо, которое распалось во время раскручивания нашей галактики.

      Сейчас Млечный Путь принадлежит к «зеленому промежутку» галактик, и находится ровно посередине своего жизненного пути — газ для формирования новых звезд начинает заканчиваться, но сами звезды еще молоды. Однако вырождаться в галактику «красной последовательности» Млечный Путь пока не собирается. После того как он разделается со своими спутниками, его ждет уже известное вам столкновение. После него Млечный Путь и Андромеда объединят свои ресурсы, и их ждет кратковременный рост количества новых звезд.

      А дальнейшие перспективы не берутся загадывать даже фантасты. Ведь 5 миллиардов лет, которые требуются для слияния галактик — больше, чем возраст всего живого на текущий момент.

      Млечный Путь

      Млечный Путь — наша родная галактика, в которой находится Солнечная система, в которой находится планета Земля, на которой живут люди. Относится к спиральным галактикам с перемычкой и входит в Местную группу галактик вместе с галактикой Андромеды, галактикой Треугольника и 40 карликовыми галактиками. Диаметр Млечного Пути — 100 000 световых лет. Звезд в нашей галактике порядка 200-400 миллиардов. Наша Солнечная система находится на окраине диска галактики, в сравнительно спокойном месте, которое позволило зародиться жизни на нашей планете. Возможно, в Млечном Пути живем не только мы, но это еще только предстоит узнать. Хотя, в океане Вселенной вся история человечества — не больше чем едва заметная рябь, нам весьма интересно познавать Млечный Путь и следить за развитием событий в родной галактике.

      В галактике Млечный Путь слишком много газа

      24 апреля 1990 года шаттл Дискавери вывел на орбиту нашей планеты космический телескоп Хаббл, названный в честь астронома Эдвина Хаббла. Именно благодаря работе Хаббл мы знаем как выглядят квазары, кометы, далекие планеты Солнечной системы и даже галактики. Недавно на сайте NASA Hubble появился пресс-релиз, в котором говорится что данные за 10 лет наблюдений показывают, что в галактику Млечный Путь поступало больше газа, чем выходило из нее. Причина этого явления на сегодняшний день остается загадкой для ученых. Исследование будет опубликовано в журнале Astrophysical Journal.

      Центр Млечного пути взорвался 3,5 миллиона лет назад

      Не так давно ученые считали, что черная дыра в центре Млечного Пути по космическим меркам ведет себя довольно спокойно. Однако в новом исследовании, которое вскоре будет опубликовано в в Astrophysical Journal, идет речь о титанически расширяющемся пучке энергии, который вырвался из черной дыры в центре нашей галактики 3,5 миллиона лет назад, посылая конусообразный всплеск излучения через оба полюса галактики и в дальний космос. Специалисты полагают, что загадочные пузыри Ферми — крупные структуры, которые располагаются над и под центром галактики и есть следы этого древнего взрыва.

      Что может рассказать о темной материи столкновение галактик?

      В бесконечно расширяющейся Вселенной обитает несметное количество галактик. Сотканные из пыли и газа, и наполненные небесными телами, эти удивительные космические путешественники сталкиваются друг с другом. Это происходит из-за гравитационного притяжения. Дюйм за дюймом, световой год за световым годом, ход космических часов приближает неизбежное. Массивные структуры, каждая из которых содержит сотни миллиардов звезд смешиваются и воспламеняются. И наша галактика не исключение. Недавно астрономы открыли Антлию 2 — малоплотную, но массивную галактику, которая словно призрак вращается вокруг Млечного Пути. Ученые считают, что Антлия 2 может помочь в разгадке тайн темной материи.

      Особенности темной материи, о которых вы не знали

      Темная материя — это самая загадочная субстанция во Вселенной. Она настолько загадочная, что никто до сих пор точно не знает, существует ли она на самом деле. Это уникальное вещество, из которого, возможно, состоит 80 % нашей Вселенной, никак не взаимодействует с окружающим миром: его невозможно ни увидеть, ни потрогать. Несмотря на этот печальный факт, в честь этого толком еще не открытого вещества учрежден даже собственный праздник — День темной материи, отмечаемый учеными 31 октября. Что ж, праздник в честь темной материи — это далеко не единственная странность столь таинственного вещества.

      Черная дыра в центре нашей галактики увеличила свою яркость в 75 раз за несколько часов

      Знаете ли вы, что наша галактика Млечный Путь не такое уж и спокойное место? Так, прямо в самом ее центре располагается гигантская черная дыра, которая почти в 5 миллионов раз массивнее нашего Солнца! Несмотря на ее колоссальные размеры, эта черная дыра все же является относительно спокойным объектом, по сравнению с такими же образованиями в соседних галактиках. Однако представьте себе удивление ученых, когда они смогли обнаружить, что наша довольно тихая по космическим меркам черная дыра за несколько часов вдруг увеличилась в яркости в целых 75 раз! Как и почему такое могло произойти?

      В нашей галактике обнаружена самая старая звезда во Вселенной

      Австралийские астрономы из Национального университета сообщили об открытии самой старой звезды в известной нам Вселенной. Объект относится к классу так называемых красных гигантов и получил очень сложное и длинное название SMSS J160540.18–144323.1. Что интересно, звезда находится на краю нашей галактики Млечный Путь, на расстоянии около 35 000 световых лет от Земли. О том, что эта звезда очень древняя, ученым рассказало исследование, которое показало, что это светило обладает самым низким содержанием металлов, среди все остальных известных звезд.

      Ученые: Наша галактика похожа на английскую букву S

      Все наши современные представление о форме нашей галактики Млечный Путь были основаны на наблюдениях за другими галактиками, а также расчетах расстояния до объектов, которые в них находятся. Поэтому ученые долгое время считали, что наша галактика похожа на другие и имеет форму плоского диска. Однако завершившееся шестилетнее исследование польских астрономов показало, что наша галактика совсем не плоская. Она имеет изогнутую и искривленную форму, похожую на английскую букву S. Ученые доказали это, создав самую точную и масштабную трехмерную модель Млечного Пути.

      Как появилась наша галактика

      Вселенная 13 миллиардов лет назад была совсем не такой, какой она видится ученым сегодня. Последние считают, что в то время в бескрайних просторах космоса происходил активный процесс звездообразования. Новые светила рождались и притягивались ближе друг к другу под воздействием гравитационных сил. Это приводило к формированию первых звездных скоплений, затем небольших (карликовых галактик), которые сталкивались между собой и образовывали более крупные галактики, такие как наш Млечный Путь.

      Астрофизики обнаружили одну из самых быстрых звезд нашей галактики

      По данным астрономов большинство звезд медленно вращается вокруг галактических центров со скоростью не более 100 километров в секунду. Однако в этом правиле есть исключения. За последние несколько десятилетий ученые открыли в нашей галактике около 20 сверхскоростных звезд. Последним таким открытием является объект PSR J0002+6216. Скорость его движения составляет 1130 километров в секунду или более четырех миллионов километров в час. Вполне достаточно, чтобы за 6 минут добраться до той же Луны. По мнению астрономов из американской Национальной радиоастрономической обсерватории, которые его открыли, при сохранении такой динамики, в далеком будущем объект сбежит из нашей галактики.

      Ученые из ЕКА более точно рассчитали массу Млечного Пути

      Астрономы из Европейского космического агентства (ЕКА) смогли более точно рассчитать приблизительную массу нашей галактики Млечный Путь. Оказалось, что она в два раза больше, чем предсказывали результаты предыдущих исследований. Насколько? Практически вдвое. Выводы исследования 2020 года говорили о том, что масса Млечного Пути может составлять около 750 миллиардов солнечных масс. Специалисты ЕКА указывают другую цифру – почти 1,5 триллиона. Почему такая разница?

      Вселенная бесконечна? Об устройстве места, в котором мы живём

      4 октября начинается Всемирная неделя космоса. «БелПресса» собрала семь интересных фактов о том, как устроена Вселенная, чем занимаются астрономы, зачем нужна Теория всего и есть ли цивилизация за пределами Земли.

      Из чего появилась Вселенная

      Из одной точки. 13,7 млрд лет назад из бесконечно кривого пространства и времени образовался наш дом – Вселенная. Стивен Хокинг в книге «Кратчайшая история времени» называет молодую Вселенную «бесконечно горячей». За несколько секунд после Большого взрыва Вселенная расширилась (и делает это до сих пор) и остыла. Когда всё вещество остыло до 1 млрд градусов по Цельсию, стали образовываться первые во Вселенной молекулы – тяжёлого водорода (дейтерия) и гелия. Из этих элементов сложились более тяжёлые, а из них – звёзды и другие космические тела. Так как водород и гелий (их больше всего) лёгкие, для их синтеза условия во Вселенной сложились в первую очередь. Синтез более тяжёлых элементов происходит сложнее. Кроме того, даже человек состоит из звёздной пыли: очень тяжёлые элементы (тяжелее железа), которые входят в состав живых организмов, образовались при взрыве звёзд. Для появления таких элементов нужна колоссальная энергия.

      Бесконечное расширение

      Однозначного ответа, бесконечна ли Вселенная, нет, потому что она расширяется и мы не успеваем догнать её границы (даже если они есть). То, что Вселенная растёт, предположил российский учёный Александр Фридман. Из?за постоянного расширения Вселенной телескопы с нашей планеты видят только то, что к нам успело дойти, потому что свет не распространяется мгновенно (у него тоже есть конечная скорость – 300 тыс. км/с). Кроме того, расширение происходит в любой точке. Находясь на Земле, которая располагается в галактике Млечный Путь, мы наблюдаем, как убегают от нас другие галактики. Но и из другой галактики мы бы увидели то же самое.

      Астроном не звездочёт

      Для многих будет шоком, что астрономы уже давно не открывают звёзды. За них это делают телескопы и компьютеры. Работа астронома заключается в том, чтобы работать с большим массивом данных, которые предоставляют ему телескопы. Из этих данных с помощью специальных программ можно выяснить, что происходит в галактиках и как они образуются. Благодаря этим наблюдениям учёные открывают законы, по которым живёт Вселенная.

      Теория всего

      Эта теория должна объяснить всё и соединить несоединимое – теорию относительности, которая объясняет все свойства гравитации, и квантовую теорию поля, объясняющую поведение частиц. Обе теории работают хорошо в своих масштабах: первая – в макромире (с космическими телами), вторая – в микромире (с частицами). Но если эти теории применить в одном масштабе, то возникнет противоречие. Именно разработкой масштабной теории, которая сможет устранить противоречие, занимаются передовые астрофизики.

      На её место претендовала теория суперструн. На маленьких пространствах, меньше протона, есть колебания поля – эти волны и назвали струнами. Они несут энергию, которая эквивалентна массе (это и есть согласование с теорией относительности). Чтобы эта теория сошлась и с теорией квантового поля, четырёхмерного пространства было недостаточно – учёным в математической модели пришлось сделать его одиннадцатимерным. К сожалению, теория оказалась настолько гибкой, что фактически любая Вселенная может существовать в её рамках. Чересчур много вариантов не позволяет учёным предсказывать что?либо с её помощью. Так что работа над Теорией всего продолжается.

      Тёмное нечто

      Это вещество, которое мы не видим, но оно повсюду. Кроме того, его больше, чем обычного вещества. Когда учёные изучали галактики, они выяснили, что на их краях, где звёзд значительно меньше, масса оставалась достаточно высокой. Это натолкнуло их на мысль, что есть какое?то вещество, которое мы не видим. Более того, его в разы больше обычного. По современным подсчётам тёмная материя составляет 22 % всей Вселенной.

      К слову, газ, звёзды и другие тела – это всего 4 %. Остальные 74 % – тёмная энергия. Это гипотетический вид энергии, благодаря которому можно объяснить ускоряющееся расширение Вселенной.

      В 2011 году три астронома: Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс – получили Нобелевскую премию за то, что математически доказали существование тёмной энергии. Её сравнивают с океаном, в котором плавает материя – галактики со звёздами, газом и другими космическими телами. Про этот океан учёные могут только сказать, что у него низкая плотность и он взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации.

      Кротовые норы

      Чтобы объяснить, что это такое и как это связано с путешествием во времени и пространстве, Хокинг приводит сравнение с горой, которую надо перейти. Но вместо подъёма учёный предлагает прорыть туннель через гору. Идея кротовых нор состоит в том, что, возможно, существуют такие туннели, которые могут переместить нас из Солнечной системы, например, в Туманность Андромеды, соседнюю галактику. Существование таких мостов допускал даже Эйнштейн, но их до сих пор не обнаружили. Путешествовать по таким норам достаточно сложно: предположительно они очень маленькие и нестабильные. Но учёные предполагают, что, если их удастся найти, человечество, возможно, сможет удерживать их открытыми для перемещения во времени и пространстве.

      Внеземные цивилизации

      Немного самонадеянно думать, что в огромной Вселенной мы одни разумные существа. В одной нашей галактике около 300 млрд звёзд, предполагаемое количество галактик – 200 млрд. Все эти цифры здесь для того, чтобы показать, насколько мала вероятность, что мы одиноки во Вселенной. Кроме того, учёные давно ведут поиски внеземных цивилизаций. Знаменитый радиосигнал Wow, полученный Джерри Эйманом в 1977 году, сначала считался сигналом от пришельцев. Однако позже выяснили, что такие сигналы могут давать и кометы.

      Ещё одна интересная история о надежде встретить инопланетян связана с космическим аппаратом «Вояджер-1». Именно на его борту прикреплена золотая пластинка, на которой записано местонахождение Земли, изображения и звуки, характеризующий наш мир. Если инопланетяне найдут этот аппарат, то смогут узнать, как связаться с нами.

      Вселенная фото глазами телескопа Хаббл HD (Hubble)

      Заснят небольшой кусочек вселенной. На этой фотографии, снятой телескопом Хаббл, изображено тысячи галактик. Масштабы впечатляют! Теория «большого взрыва» не может объяснить факт того, что материя Вселенной слишком глыбистая. (Вселенная фото №1)

      Фотография открывает вид на великолепное скопление звезд NGG 346. На фото, сделанным с помощью Хаббла, видны поразительные детали, которые сформированы потоками газа и пыли, исходящими от горящих звезд. Все эти звезды, как будто охваченные вихрем, находятся на расстоянии от земли 210 000 световх лет. Узнайте больше прочитав статью «Как устроена вселенная? Начало вселенной.»(Вселенная фото №2)

      На фотографии, которая напоминает вид бабочки, изображена умирающая звезда. Крылья, это извергающийся газ из небесного тела. Температура зашкаливает до 20 000 градусов по Цельсию. Имя этой планетарности NGC 6302 илежит она в нашей галактике Млечный Путь. Масштабы события поражают, если учесть сколько таких умирающих звезд во вселенной. (Вселенная фото №3)

      Крабовидная туманность. Еще один удивительный снимок структуры взорвавшейся звезды. Находиться она на расстоянии 6500 световых лет от земли. Читать статью «Вселенная обречена» (Вселенная фото №4)

      Эти галактики сфотографированы телескопом Hubble в 2011 году. Отчетливо видно взаимодействие большей галактики с меньшей.Читать статью «Галактики – необъяснимые спирали.» (Вселенная фото №5)

      Это формирования из газа, пыли называется туманность Киля.(Вселенная фото №6)

      Самое большое фото снятое телескопом Хаббл на данный момент это галактики Усики. На фото видно столкновение двух галактик. Читать статью «Неопровержимые свидетельства молодости мира.» (Вселенная фото №7)

      Ученые ищут ответ на вопрос как образуются новые звезды. Этот снимок молодых звездных скопления NGC 2024 в центре туманности Пламя и туманности Ориона поставили ученых в тупик. Читать статью «Звезды подтверждают Библейское сотворение.» (Вселенная фото №8)

      Abell 33 планетарная туманность в созвездии Гидра, на расстоянии 2500 лет от Земли. Это фото показывает пример трупа умершей звезды с удачно расположенной на окраине яркой соседней звезды. Читать статью «В галактике «Млечный Путь» обнаружены молодые голубые звезды.» (Вселенная фото №9)

      Галактики М74. Величественно! (Вселенная фото №10)

      Что взорвалось при Большом взрыве

      Переход от Пустоты к Бытию происходил по законам квантовой космологии

      Об авторе: Александр Александрович Винничук – кандидат философских наук, Ростов-на-Дону

      Классический сегодня ответ на вопрос «откуда взялась Вселенная?» – в результате Большого взрыва 14 миллиард лет назад. Иллюстрация NASA

      Прошедший ХХ век принес человечеству существенные открытия в области космологии и астрофизики – прежде всего в изучении черных дыр, времени, квантовой теории и Большого взрыва. За 100 лет представление о месте человека во Вселенной изменилось кардинально. Нелегко было XVII веку смириться с подчиненным положением Земли по отношению к Солнцу, а следующим векам принять периферийность Солнечной системы и даже галактики Млечный Путь, а человеку осознать себя пылинкой во Вселенной. Но откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу.

      Большой взрыв покажут по телевизору

      Если мы оставим в стороне гипотезу Бога, то какие варианты ответа на загадку существования мира нам остаются? Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устроен именно так. По крайней мере именно на это надеется, например, английский биолог-эволюционист Ричард Докинз. Он ищет ответ в теоретической физике, полагаясь на ускоренное, инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва и на принцип космического отбора вселенных, похожего на принцип естественного отбора Дарвина.

      Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком заботило ученых. Альберт Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и даже подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с принятием концепции Большого взрыва все изменилось. Эксперименты показывают, что мы живем в расширяющихся и охлаждающихся остатках космического «комка», который взорвался около 14 млрд лет назад. Что могло вызвать этот первоначальный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки. Но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».

      Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели), подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Любопытно, что поначалу ученые подумали, что причина постоянного шипения в микроволновом диапазоне – деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10% черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.

      Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик в точке Большого взрыва беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.

      Новая инфляционная космология

      В 1970 году английские физики-теоретики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной экспериментально. На основе этих двух допущений они доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.

      Означает ли это, что тайна происхождения Вселенной останется навсегда неразгаданной? Не совсем так, скорее расчеты Хокинга и Пенроуза показывают, что Большой взрыв не может быть полностью понят классической космологией вроде теории относительности Эйнштейна, потребуются и другие теории.

      По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определенным образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдется сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределенности. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределенно и существует в виде спектра возможностей».

      В начале ХХ века считалось, что наша Вселенная состоит только из галактики Млечный Путь, которая плывет сама по себе в бесконечном пространстве. С тех пор ученые установили, что Млечный Путь – всего лишь одна из сотен миллиардов галактик, и это только в видимой нам части Вселенной. В настоящее время считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новая инфляционная космология».

      Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная (которая возникла 14 млрд лет назад) появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной (Мультиверса).

      Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

      Тем не менее остается вопрос: почему же существует вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов, причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?

      Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.

      Так, если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом: откуда взялись материя и энергия во Вселенной? Внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.

      Сумма альтернативных историй

      В классической физике, располагая полными данными о настоящем, мы можем легко восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании лишь единственно определенного прошлого. Но квантовая физика утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий.

      В середине 1940-х годов это коренное отличие квантовой механики от ньютоновской сформулировал физик Ричард Фейнман: в ньютоновской механике движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они/она пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями: и прямым, и через Альфу Центавра, и через соседний гастроном… Вместо классического детерминизма современная физика здесь имеет дело со случайностью и вероятностью.

      Но эта фундаментальная случайность, так беспокоившая Эйнштейна, все же поддается математическому описанию. Фейнман ввел понятие «сумма предысторий» – все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем точно предсказывать не только будущее, но и прошлое – как именно частица попала в конечную точку, но можем рассматривать совокупность всех возможных путей. В итоге основным методом квантовой физики стала «сумма альтернативных историй», то есть учет всех путей с расчетом вероятности каждого.

      Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое.

      Как возможно сочетание классической физики, имеющей дело с макрообъектами в пространстве-времени, с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Такими экстремальными обстоятельствами для движущегося объекта становится приближение к скорости света: скорость начинает влиять на массу, а время замедляется и в конечном счете останавливается.

      В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда Вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности – точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение в соответствии с инфляционной моделью продолжается до сих пор. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.

      Как именно, можно понять, если учесть, что через неизмеримо малые доли секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи стали задаваться вопросом: а что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом? Так родилась квантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона».

      Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом, это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.

      То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.

      Утверждение физиков о том, что вакуум неустойчив, подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота – названия разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все поля математически равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?

      Мир неустойчивой пустоты

      Один из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, это принцип неопределенности Гейзенберга. Он утверждает, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другая пара сопряженных переменных – время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем менее точно вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.

      Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум, – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой. Точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.

      Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.

      Возможность создания Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересный случай.

      Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга) неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность.

      Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»

      С выводами Стивена Хокинга согласна и квантовая механика. Американский ученый русского происхождения Алекс Виленкин в книге «Мир многих миров» показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Под действием отрицательного давления этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи, создав Большой взрыв.

      Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг.

      На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 1980-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

      Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.

      Таким образом, сингулярность в начале Вселенной не событие во времени, а скорее временная граница или край. До нее времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.

      Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.