Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Некоторые современные исследователи предполагают, что все процессы во Вселенной идут синхронно, что жизнь и разум во Вселенной широко распространены, и особенно подчеркивают, что они находятся на такой же стадии и уровне развития, как и на Земле.

Если наша Вселенная будет неограниченно расширяться - а об этом свидетельствуют почти все данные наблюдений, - то что ее ожидает в будущем? По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения неуклонно приближается к абсолютному нулю. Исследователи предполагают, что со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарных частиц и холодного излучения будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разрежающейся пустоте.

Черные дыры поглотят огромное количество вещества Вселенной. Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут испускать излучение, но черным дырам с массой Солнца потребуется очень длительное время, прежде чем это что-то заметно изменит. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент наступит только тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня. Считается, что должно пройти около 1066 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения.

Дж.Б.Берроу из Оксфордского университета и Ф.Типлер из Калифорнийского университета нарисовали следующую картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии, чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания; предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение, и общее расширение Вселенной как целого; поэтому за конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадией существования материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела или черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры6.

Второе начало термодинамики предсказывает, что конец Эволюции Вселенной наступит, когда выровняется температура ее вещества - так как тепло передается от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается, и совершение работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854г. Германом Гельмгольцем (1821-1894). Интересным является также то, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, по существу, привело к выводам, сделанным Гельмгольцем.

Никто не знает с определенностью, каков должен быть исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества. Если победит тяготение, Вселенная когда-нибудь сколлапсирует в процессе Большого Сжатия, которое может оказаться либо концом ее существования, либо прелюдией к новому циклу расширения. Если же силы тяготения проиграют сражение, то расширение будет продолжаться неограниченно долго, но, тем не менее, гравитация будет играть существенную роль в определении окончательного состояния вещества Вселенной: станет ли оно безбрежным морем однородного излучения или же будет рассеиваться множеством темных холодных масс. В неясном далеком будущем прошедшая эпоха звездной активности может показаться лишь кратчайшим мгновением в бесконечной жизни Вселенной.

3. Анализ структуры Вселенной

Историю вопроса о структуре распределения вещества во Вселенной в самых больших масштабах (такое распределение и называют крупномасштабной структурой) можно проследить со времен В.Гершеля (XVIII в.). В то время основными составляющими Вселенной считались звезды, и именно Гершель, благодаря своему "методу звездных черпков", смог впервые качественно построить схему Галактики - схему крупномасштабного распределения звезд.

Постепенно совершенствовались методы наблюдений, увеличивались размеры телескопов, а вместе с ними увеличивался и размер исследованной части Вселенной. В начале ХХ века Э.Хаббл строго доказал внегалактическую природу нескольких туманных образований. Оказалось, что это огромные звездные системы, находящиеся далеко за пределами нашей Галактики7.

Вскоре были открыты и другие галактики, и встал вопрос о их пространственном распределении.

Галактики объединяются в скопления с размерами порядка 4 Мпк. Таким образом, в масштабах миллионов световых лет галактики распределены неоднородно. Что же будет происходить с распределением вещества при дальнейшем увеличении масштабов?

Некоторое время считалось, что структуры на меньших масштабах всегда входят в состав более крупных образований и так до бесконечно больших масштабов. Впоследствии, уже во второй половине ХХ века, выяснилось, что это не так.

Среднее расстояние между скоплениями 30 Мпк в любом кубе со стороной 300 Мпк (целых 10 миллиардов световых лет) содержится примерно 1000 скоплений. В этих масштабах вещество распределено уже однородно. Но наряду со скоплениями галактик существуют и более крупные неоднородности с размерами 50-100 Мпк, образующие крупномасштабную структуру Вселенной. Примечательным является то, что необходимость образования таких структур была предсказана теоретически.

После открытия в 1965 г. реликтового излучения началась настоящая теоретическая атака на тайны образования и эволюции Вселенной. Один из основных вопросов, которые возникли: как из первоначально практически однородного распределения вещества образовались галактики и их скопления?

Для образования этих неоднородностей требуются начальные затравочные уплотнения вещества, но они должны быть чрезвычайно малы, т.к. иначе были бы видны неоднородности температуры реликтового излучения, которые были открыты лишь в 1992 г., так как до этого времени их малая величина была за пределами досягаемости наблюдений.

Согласно теории, разработанной Я.Б.Зельдовичем и его сотрудниками, вскоре после рекомбинации, когда в первоначально ионизованном веществе молодой Вселенной ионы объединились с электронами, образовав нейтральные атомы (напомним, что это были в основном атомы водорода и гелия, самых обильных элементов во Вселенной), из этого нейтрального вещества выделяются неоднородности с массой около 1015 солнечных масс, которые начинают сжиматься. Причем это сжатие происходит несимметрично. При этом образуются плоские объекты, которые за свою форму получили название "блинов".

Вещество блинов, остывая, фрагментирует на более мелкие сгустки. Т.о. образуются галактики, а затем звезды. Блины хаотично располагаются в пространстве, поэтому формируется ячеистая структура с размерами ячеек около 50-100 Мпк и толщиной стенок 3-4 Мпк. В узлах ячеек располагаются большие скопления галактик. Пересечения блинов образуют сверхскопления в виде нитей. Образование блинов и галактик относится к эпохе, соответствующей красному смещению z=4-10, или примерно 13 миллиардов лет назад.

Все эти образования были обнаружены в 80-е годы XX века в результате изучения пространственного распределения галактик.

Возможно, данная картина крупномасштабной структуры в будущем несколько изменится. Сейчас же, согласно результатам последних наблюдений, Вселенная представляется состоящей из огромных ячеек или пузырей с тонкими стенками. Стенки образованы галактиками, внутри же ячеек вещество практически отсутствует, за что их называют "пустотами".

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих, если не у большинства других галактик, "звездная субстанция" составляет более чем 99,9% их массы. В недрах звезд при температуре порядка 10 млн град. и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, вероятно являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство и виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы — звездные скопления, которые могут иметь "рассеянную" или "шаровую" структуру. Рассеянные звездные скопления насчитывают несколько сотен отельных звезд, шаровые скопления — многие сотни тысяч. Перечисленные звездные системы являются частями более общей системы — Галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю.

По своей форме галактики разделяются на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные. В неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения газов и тенденция к вращению, вероятно, ведущие к образованию спиральных ветвей.

В настоящее время астрономы насчитывают около 10 млрд галактик. Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму. Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является спиральной системой, состоящей приблизительно из 120 млрд звезд. Она имеет форму утолщенного диска. Наибольший диаметр равен 100 тыс. световых лет. Наша Галактика состоит из звезд и диффузной материи. Ее звезды разделяются различными способами на подсистемы. В ней насчитывается приблизительно 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд. Кроме того, можно выделить звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости и образующие плоскую систему и сферическую форму пространственного распределения звезд, образующую ядро галактики. По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что наша Галактика имеет четыре спиральные ветви. Ближайшей галактической системой является туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2 700 000 световых лет.

Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик. Галактики, как правило, встречаются в виде так называемых "облаков" или "скоплений галактик". Эти "облака" содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование определенной упорядоченной системы — Метагалактики. Метагалактика, или система галактик, включает в себя все известные космические объекты. Обширный фактический материал астрономической науки, а также новейшая фаза развития физических теорий позволяют выдвинуть достаточно обоснованные гипотезы о возникновении и эволюции определенных космических образований. Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной материи.

Для объяснения структуры мегамира наиболее важным является гравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но сила гравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними.

В газово-пылевых туманностях под действием сил гравитации происходит формирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам — плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот "плавильный тигель", который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной. Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные ("мертвые") звезды. Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменно или вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения8.