Наша Вселенная невообразимо велика, и самые далекие из видимых галактик находятся за 15 миллиардов световых лет от нас. Удаленные объекты помогают нам вскрыть историю Вселенной, которая началась с грандиозного взрыва. Будущее Вселенной точно не известно: она может безгранично расширяться, а может в конце концов схлопнуться под действием собственного тяготения.
Чтобы понять Вселенную в целом, астрономы делают определенные предположения. Мы не можем экспериментировать со Вселенной как таковой. Все, что мы можем — это наблюдать ее содержимое, а затем средствами науки пытаться делать заключения о происхождении и будущем Вселенной. Используя аппарат науки для исследования Вселенной как целого, мы считаем безусловно выполненными три условия.
Во-первых, мы предполагаем, что законы природы во всей Вселенной одинаковы. Это означает, что закон тяготения, проверенный нами здесь, на Земле, применим ко всей Вселенной. Это значит, что атомы и молекулы всюду, где бы мы их ни встретили, обладают одними и теми же свойствами. Без предположения о том, что физика, химия и математика на всем космическом пространстве «работают» совершенно одинаково, мы не смогли бы понять о Вселенной ровно ничего.
Во-вторых, мы предполагаем, что Вселенная распределена в пространстве более или менее однородно. Конечно, в ней есть сгущения, разрежения, пустоты — все это мы видим, наблюдая скопления галактик. Но в самом крупном масштабе мы полагаем, что вещество и излучение распределены равномерно.
Наконец, мы делаем некое предположение о геометрии самого пространства. Мы считаем, что свойства пространства одинаковы по всем направлениям. В космосе нет выделенного направления, а Вселенная не имеет центра и краев.
Космология
Существует много теорий относительно природы Вселенной. Древние египтяне, греки и римляне верили, что миром управляют различные боги. Средневековые ученые полагали, что Вселенная совсем невелика, а Земля находится в ее центре. Все окружающее было небесами, обителью Бога и ангелов.
Однако со времен Ньютона ученые стали пытаться построить такие модели Вселенной, где бы модели объяснялись математическими и физическими законами, а не религиозными верованиями, мифами и традициями.
Область науки, изучающая и моделирующая Вселенную как целое, называется космологией.
Космологи хотят понять, что представляет собой Вселенная в самом крупном масштабе, каковы были ее свойства в прошлом и как Вселенная меняется во времени.
Искривленная Вселенная
Если бы тебе удалось направить свет электрического фонарика в глубину Вселенной, луч света изогнулся бы. Причина этого в том, что вещество но Вселенной искривляет само пространство. Здесь можно провести аналогию с поверхностью Земли.
На небольших участках ее можно считать плоской, по в больших масштабах земная поверхность искривлена.
Ты можешь сколько угодно путешествовать по всей Земле, пересекать во всех направлениях, но никогда не пересечешь края поверхности. Так и во Вселенной: теоретически ты мог бы, двигаясь все вперед и вперед, совершить «кругосветное путешествие» и вернуться на то же место благодаря кривизне пространства.
Ученые пока не знают наверняка, какова в действительности кривизна пространства. Если она такого рода, как кривизна земной поверхности, то Вселенная является «замкнутой». Это означает, что ее размер ограничен, хотя у нее и нет границ.
С другой стороны, бывают поверхности, выгнутые наружу, например, в форме седла. Это довольно трудно вообразить, по Вселенная такого рода будет «открытой», потому что искривленные поверхности, увеличиваясь в размерах, не заворачиваются обратно и не замыкаются па себя.
Вселенная с кривизной такого типа бесконечна в своей протяженности и будет существовать вечно.
В решении вопроса о характере кривизны нашего пространства большую пользу могут принести наблюдения очень далеких галактик и квазаров. Это одна из причин того, что астрономы стремятся строить большие телескопы, способные дать ответ на этот важнейший вопрос.
Темное ночное небо
Одно чрезвычайно простое наблюдение дает нам ключ к пониманию природы Вселенной. Ночью небо темное!
После захода Солнца звезды дают ничтожный свет, неспособный даже создать тень. Конечно, звезды далеки от нас, потому каждая отдельная звезда светит слабо.
Вселенная и все, что в ней находится, изменяется и развивается во времени, а Вселенная как целое расширяется. Это означает, что большая часть воображаемых линий, вдоль которых направлен наш взгляд, никогда не достигает звезд.
Темнота ночного неба может сказать нам нечто очень важное об истории Вселенной.
Расширение Вселенной
Вообрази, что мы могли бы заснять историю Вселенной на видеофильм. В нем было бы показано, как галактики разлетаются все дальше друг от друга. Но если запустить фильм в обратную сторону, мы увидим, как галактики мчатся прямо к нам. В конце концов все они должны столкнуться вместе.
В самом начале Вселенной все вещество и все излучение были сконцентрированы в крохотной области пространства, неизмеримо меньшей, чем ядро одного атома.
Теория, согласно которой Вселенная расширилась почти что из ничего до своих нынешних невообразимых размеров, основана на предположении, что красные смешения галактик обусловлены их удалением от нас.
Большой взрыв
Вселенная расширяется, значит в прошлом она должна была быть более плотной. Насколько плотной? Одна из моделей Вселенной, теория Большого взрыва, утверждает, что когда-то все вещество и вся энергия Вселенной были заключены в ничтожной области пространства. Все это было невероятно горячим и фантастически плотным.
Вселенная, которую мы наблюдаем, возникла в результате Большого взрыва.
После того как это произошло, Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Возраст Вселенной пока не удается вычислить точно, поскольку результат расчетов зависит от степени кривизны пространства, а ее трудно измерить. Исходя из скорости расширения, можно предположить, что Вселенной сейчас от 10 до 20 миллиардов лет. Точная цифра пока неизвестна, но наверняка Вселенная старше, чем Солнце и Земля.
Вселенная далекого прошлого, когда она только-только родилась из Большого взрыва, сильно отличалась от той Вселенной планет, звезд и галактик, которую мы видим сегодня.
Первые несколько секунд
Самая ранняя Вселенная представляла собой огненный шар излучения. Материя не была похожа на то вещество, что мы видим сегодня. Вселенная состояла из смеси экзотических частиц, которые быстро охлаждались по мере расширения крохотного мира. Когда возраст Вселенной достиг одной миллионной доли секунды, большая часть энергии превратилась в протоны (ядра атомов водорода). В следующую тысячную долю секунды сформировались электроны, которые слились с протонами, образовав нейтроны. Нейтроны могут самостоятельно существовать всего тысячу секунд, поэтому следующие несколько минут были решающими! За первую четверть часа протоны успели прореагировать с быстро распадающимися нейтронами, и появились ядра атомов гелия. В гонке на время, продолжая охлаждаться и расширяться, Вселенная смогла превратить из водорода в гелий около четвертой части своей материи. Остальной водород пошел на образование звезд.
Миллион лет спустя
В конце первого часа после начала Большого взрыва Вселенная состояла из частиц излучения — фотонов, а также из электронов, ядер водорода (протонов) и ядер гелия. Атомов еще не было, потому что при столь высокой температуре электроны не могут удерживаться на орбитах около протонов или ядер гелия. Любой электрон, попытавшийся приблизиться к высокоэнергетическому протону, тут же отбрасывался в результате столкновения с ним. Но время работало против излучения. Продолжавшееся расширение остужало Вселенную, и протоны постепенно теряли свою энергию, поскольку им приходилось заполнять все большее пространство. Спустя примерно миллион лет температура упала до 4000°С, что уже позволяло ядрам удерживать электроны па орбитах.
Именно на этой стадии развития Вселенной образовались атомы. Электронам хватило нескольких тысяч лет, чтобы устроиться на орбитах вокруг ядер водорода и гелия. Пока этого не произошло, свет не мог распространяться во Вселенной на большие расстояния. Если бы ты вдруг оказался в ранней Вселенной, ты был бы со всех сторон окружен ярко светящимся туманом, непроницаемым для взгляда даже на сантиметр. Но как только сформировались устойчивые атомы, Вселенная стала прозрачной и свет получил возможность путешествовать беспрепятственно. С помощью своих телескопов мы не можем вернуться во времени дальше этого момента, так как до него Вселенная была непрозрачной. Это точно так же, как с Солнцем: оно непрозрачно, и поэтому мы не можем проникнуть взглядом в его внутреннюю часть. Вот так и наши телескопы не позволяют заглянуть внутрь первоначального пылающего шара. Нам остается только догадываться, что там происходило, применяя к ранней Вселенной законы физики.
Мчащийся Млечный Путь
Фоновое излучение имеет небольшое красное смещение, когда его наблюдают на одном участке неба, и небольшое синее смещение — на противоположном участке. Причина этого в том, что галактика Млечный Путь и ее соседи движутся во Вселенной. Местная группа галактик имеет скорость около 550 км/с относительно далеких галактик и крупномасштабной Вселенной. Возможно, Местная группа увлекается силой тяготения со стороны пока не открытой сильно концентрированной массы. Это притяжение может происходить под действием огромного смущения галактик, известного как Большой аттрактор.
Формирование галактик
Одна из главных проблем астрономии — понять, как возникла структура Вселенной. Фоновое излучение показывает, что ранняя Вселенная была очень однородной. Как получилось, что при расширении Вселенной все ее вещество, прежде чем окончательно разлететься, сгруппировалось в галактики? Телескопы с большой базой и космический телескоп «Хаббл» впервые снабдили нас информацией о том времени, когда формировались галактики. Возраст галактик типа Млечного Пути составляет около 10-12 млрд лет. Со времени своего образования они очень изменились. Так, например, химический состав местных галактик в ходе звездной эволюции претерпел изменения. Чтобы узнать, каковы были галактики в эпоху своего формирования, надо заглянуть в дальние области Вселенной, где галактики гораздо моложе.
Слияние галактик
Увидеть, как формируются галактики, удается с помощью космического телескопа «Хаббл», а иногда даже благодаря естественным гравитационным линзам. По-видимому, не осе галактики образовались одновременно. Массивные эллиптические галактики зародились вскоре после Большого взрыва, как только Вселенная стала прозрачной. Столкновения галактик были тогда довольно частыми, так как Вселенная была не так велика и более плотно заселена. При столкновениях и слияниях галактик они увеличивались в размерах. С огромной скоростью формировались звезды, и этот фейерверк часто озарялся взрывами сверхновых. Сегодня в эллиптических галактиках вряд ли остался газ, а звезды в своем большинстве сильно постарели.
В галактике Андромеды космический телескоп «Хаббл» различил два отдельных ядра; возможно, это говорит о том, что эта галактика образовалась от слияния двух других, поменьше. Нам известно также, что наш Млечный Путь постепенно захватывает Большое Магелланово облако. Так что вполне вероятно, что рост и развитие галактик происходит путем слияний и столкновений. В паше время такие процессы во Вселенной уже довольно редки, но, как видно по наблюдениям удаленных галактик, в более молодой части Вселенной активность весьма велика.
Будущая Вселенная
Прекратится ли когда-нибудь расширение Вселенной, или же оно будет длиться вечно? В настоящее время астрономы еще не могут с полной уверенностью ответить на этот вопрос, хотя большинство полагает, что расширение прекратится. Главная проблема состоит в том, обладает ли Вселенная достаточной гравитацией, чтобы сначала замедлить расширение, а потом, возможно, и обратить его в сжатие. Пока мы далеки от окончательного вывода, и будущее Вселенной и большой мерс зависит от того, какова се совокупная масса.
Проявления скрытого вещества
Видим ли мы в телескопы все на свете? Вероятно, нет. Вещество, в существовании которого астрономы уверены, по которое невозможно зарегистрировать, называют темным, или скрытым. В-первые астрономы предположили, что во Вселенной есть скрытая материя, 60 лет назад. В течение последующих 40 лет большинство астрономов довольствовалось тем, что просто отмечало этот любопытный факт. Но тем временем появлялись все новые свидетельства того, что наше описание Вселенной далеко не полно.
Что касается нашей Галактики, то большие скорости некоторых звезд, а также орбитальное движение Большого Магелланова облака наводят на мысль, что в космосе прячется нечто большее, чем только звезды. Гравитация действует настолько сильно, что все видимое нами вещество не может дать такого результата; скорее всего, оно составляет лишь около 10 процентов истинной массы Галактики.
Расчеты не сходятся и в других галактиках. Точно так же как орбитальный период планет зависит от массы Солнца, скорости движения звезд в галактическом диске зависят от массы, сконцентрированной в ядре. Начиная с 1974 г. астрономы находят все больше доказательств в пользу присутствия невидимой материи в спиральных галактиках.
Переходя к более крупномасштабной структуре Вселенной, мы видим скопления галактик. И здесь возникает та же проблема. Снова, сравнивая силы, действующие на галактики, мы можем узнать массу всего скопления. И эти массы опять оказываются в 10, а то и в 20 раз больше тех, которые получаются из оценки количества света, испускаемого звездами. Из этого следует, что в скоплениях галактик есть огромное количество вещества, не излучающего свет.
Масса Вселенной
Какова полная масса всей Вселенной? Без ответа на этот вопрос вряд ли есть шансы понять, что происходит со Вселенной. Именно от плотности массы но Вселенной непосредственно зависит, будет ли она бесконечно расширяться или же сожмется обратно, схлопнется. Чтобы «взвесить» Вселенную, используют скорости, или красные смещения, галактик. Поток галактик, являющийся частью всеобщего расширения, даст возможность оценить совокупную массу всей Вселенной.
Видимые галактики почти не отягощают расширяющуюся Вселенную: они составляют всего около 5 процентов того балласта, который мог бы остановить разбегающуюся материю.
Сейчас идут интенсивные поиски, что-то вроде охоты за невидимым веществом, скрытой массой, которая отягощает Вселенную. Темное вещество может принимать разные формы. Большинство астрономов полагает, что это должны быть некие элементарные частицы, составные части атомов, и их, конечно, чрезвычайно трудно обнаружить. Все это очень далеко от нашего повседневного опыта, и многие астрономы задаются вопросом, правильна ли эта теория. В конце концов, вполне возможно, что ваша Вселенная уникальна и будет расширяться вечно и бесконечно.
P.S. Для особо интересующихся предлагаю несколько ссылок.
1. Исследования космоса
2. Возникновение галактик и звезд
3. Космология и космогония
4. Проблемы современной космогонии