4.3. Устройство Вселенной

Звезды

– это огромные раскаленные космические объекты, мощнейшие источники энергии. Основное вещество звезды – ионизированный газ. В недрах звезд протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате которых выделяется колоссальная энергия. В звездах сосредоточено от 97 до 99,9 % вещества галактик. Современные технические средства позволяют наблюдать около 2 млрд звезд. Предполагается, что общее количество звезд в нашей Вселенной около 1022. Звезды имеют разную величину. Существуют большие звезды – сверхгиганты, масса которых равна 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз, и маленькие звезды – карлики, размеры которых сравнимы или даже меньше размеров Земли. Наше Солнце – звезда со средними параметрами. Ближайшая к Солнцу звезда – а-Центавра – находится на расстоянии 4 световых лет. Предполагается, что большинство звезд в Галактике имеют собственные планетные системы, аналогичные Солнечной системе.

Звезды могут образовывать звездные системы – две, три и т. д. звезды, вращающиеся вокруг общего центра; звездные скопления – от нескольких сотен до миллионов звезд; и галактики – миллиарды звезд. В последнее время существенно возрос интерес к двойным, тройным и т. д. звездам, поскольку с этими так называемыми кратными звездными системами связано образование сверхновых и нейтронных звезд, черных дыр и других загадочных космических объектов. Звездные скопления могут иметь рассеянную структуру, это, как правило, сотни звезд, и шаровую – миллионы звезд. Самые известные звездные скопления, доступные наблюдению, – Плеяды, Гиады, Ясли, Волосы Вероники. Скопления постепенно теряют свои звезды, но все же живут достаточно долго: от 500 млн до нескольких млрд лет.

В зависимости от того, меняет звезда свои физические характеристики или нет, различают стационарные и нестационарные (переменные) звезды. Стационарность состояния обеспечивается за счет равновесия между внутренним давлением газа в звезде и силами тяготения. Большинство звезд стационарны. К нестационарным звездам относят новые и сверхновые звезды, на которых с различной периодичностью происходят вспышки.

Звезды имеют разный возраст– от 15 млрд до сотен тысяч лет. В наблюдаемой Вселенной существуют также

протозвезды,

которые пока не преобразовались в настоящие звезды. Слово «протозвезда» происходит от греческого protos – первый. В отличие от звезд протозвезды имеют низкую температуру и представляют собой слабосветящиеся газовые шары. Процесс звездообразования происходит постоянно. Однако его темп в настоящее время гораздо ниже, чем миллиарды лет назад. Ближайшие к нам области, где происходит возникновение новых звезд, – это темные газовые облака в созвездиях Тельца, Змееносца и Ориона.

Рождением звезды считается формирование равновесного объекта, который излучает собственную энергию. Смерть звезды – нарушение равновесия, ведущее к катастрофическому сжатию. Звезды образуются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар – протозвезда. В эволюции протозвезды различают три этапа. Первый связан с обособлением и уплотнением космического вещества. Второй представляет собой стремительное сжатие протозвезды. В какой-то момент давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс сжатия, однако температура во внутренних областях пока еще недостаточна для протекания термоядерных реакций. На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься, ее температура повышается, что, в конце концов, приводит к началу термоядерных реакций. Давление внутри протозвезды уравновешивает силы притяжения, и газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный объект – звезда. Преобразование протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по космическим меркам.

Молодые звезды (около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры порядка 10–15 млн К и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная энергия является источником собственного свечения звезд. В результате преобразования водорода в гелий в центральной зоне образуется гелиевое ядро. Кроме этого в процессе ядерных реакций возникают и другие химические элементы. На той стадии, когда ядерные реакции уже не могут поддерживать устойчивость звезды, ее гелиевое ядро начинает сжиматься. При этом внутренняя температура звезды увеличивается (свыше 150 млн К), а периферийная зона, или внешняя оболочка, сначала расширяется, а затем выбрасывается в космическое пространство. Звезда превращается в

красный гигант.

В процессе дальнейшего охлаждения, если звезда имела небольшую массу (менее 1,4 массы Солнца), она превращается в

белого карлика

– стационарный космический объект с очень высокой плотностью. Белые карлики представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд, в которых весь водород «выгорает», а ядерные реакции прекращаются. Свечение белого карлика происходит за счет его остывания.

Тепловая энергия белого карлика продолжает иссякать, вследствие чего звезда меняет свой цвет сначала на желтый, а затем на красный. Постепенно она превращается в небольшое холодное темное тело, становится

черным карликом.

Размеры таких мертвых звезд сравнимы с размерами Земли, масса – с массой Солнца, а плотность превышает сотни тонн на 1 см2. Солнце превратится в красного гиганта примерно через 8 млрд лет, затем станет белым и черным карликом.

Если исходная масса звезды больше, чем 1,4 массы Солнца, то эта звезда не может перейти в стационарное состояние, поскольку внутреннее давление не уравновешивает сил тяготения. Итогом существования такой звезды является гравитационный коллапс, т. е. неограниченное падение вещества к центру. Если какие-то причины останавливают гравитационное сжатие, то происходит взрыв старой звезды, который сопровождается выбросом огромного количества вещества и энергии. Такой взрыв называют

вспышкой сверхновой.

Выброс вещества сопровождается испусканием нейтрино. При взрыве выделяется колоссальная энергия – порядка 1052эрг. Систематическое изучение вспышек сверхновых началось во второй половине XX в., к 1980 г. засвидетельствовано свыше 500 таких вспышек. В нашей Галактике вспышки сверхновых происходят примерно раз в 10 млн лет, со времени изобретения телескопа в нашей звездной системе возникновения сверхновых звезд не наблюдалось. Считается, что с момента возникновения нашей Галактики вспыхнуло около миллиарда сверхновых.

Часть массы взорвавшейся сверхновой может продолжить существование в виде

черной дыры.

Термин «черная дыра» был введен в 1968 г. американским физиком Дж. Уилером. К образованию черной дыры, или сверхплотного тела, приводит гравитационное сжатие. Черная дыра – область пространства, в которой сосредоточены огромные массы вещества, вызывающие сильное поле тяготения. Как считает С. Хокинг, это область бесконечной плотности, где кончается время. Речь идет о том, что внутри черной дыры пространство сильно искривлено, а время бесконечно замедлено. Сила тяготения в этой области настолько велика, что не позволяет никаким материальным частицам или излучению вылететь за пределы черной дыры.

Для того чтобы преодолеть тяготение сверхплотного тела, необходимо развить скорость большую, чем скорость света. Черная дыра как бы захватывает в себя все материальные объекты, прилетающие из космоса. В зависимости от скорости тела этот процесс может занять более или менее длительное время. Границу той области, которую не может преодолеть свет, называют горизонтом черной дыры. Однако, несмотря на то что черная дыра не выпускает из себя никакого излучения, ее можно обнаружить. Гравитационное поле черной дыры вызывает быстрое вращение газа, находящегося на орбите вблизи ее границы. Газ закручивается вокруг сверхплотного тела и образует диск, огромная кинетическая энергия частиц газа может частично переходить в рентгеновское излучение, по которому и обнаруживается черная дыра. Впервые гипотеза о наличии черных дыр появилась в 1939 г., современная наука использует в их поисках гамма-телескопы. Теоретически ничто не мешает их существованию в нашей Галактике и даже в пределах Солнечной системы. Предполагается также, что черные дыры находятся в ядрах галактик и являются мощнейшими источниками энергии.

Для того чтобы превратиться в черную дыру, звезда должна сжаться до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса, определяемого формулой: r = 2GM/c2,

Где G– гравитационная постоянная,

c– скорость света,

M– масса звезды. Гравитационный радиус очень мал, например для Солнца он составляет всего 3 км. Черные дыры могут иметь разные размеры: от песчинки до галактики.

Время жизни черной дыры конечно. В 1974 г. С. Хокинг показал, что в силу законов квантовой механики черная дыра может отдать всю свою энергию. Дело в том, что в поле тяготения черной дыры вакуум неустойчив, поэтому в пространстве, которое находится перед горизонтом черной дыры, из вакуума могут рождаться различные частицы. Улетая в межзвездное пространство, они уносят энергию черной дыры. Вследствие этого уменьшаются ее масса и размеры. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Однако время жизни черных дыр все же велико, например черные дыры, которые образовались на ранних стадиях эволюции нашей Вселенной, существуют до сих пор. Теоретически ничто не запрещает, чтобы гравитационный коллапс привел к образованию сингулярности, т. е. продолжался до тех пор, пока черная дыра не достигнет нулевых размеров и бесконечной плотности, а момент сингулярности – это начало рождения новой вселенной (4.2). Именно поэтому иногда говорят, что черные дыры являются дверью в иные миры.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде

нейтронной звезды, или пульсара.

На данный момент наблюдается около 700 пульсаров. Радиопульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда, рентгеновский пульсар – двойная звезда, состоящая из нейтронной и обычной. Нейтронные звезды имеют более высокую плотность, чем плотность атомных ядер, и представляют собой сгустки нейтронов. Температура пульсара около 1 млрд градусов. Нейтронные звезды быстро остывают и теряют светимость, для них характерно интенсивное радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Первые пульсары были открыты в 1967 г., теперь их известны сотни.

Те звезды, чья масса составляет от 10 до 40 солнечных масс, превращаются в нейтронные звезды, а те, чья масса больше, – в черные дыры.

Галактики

– гигантские скопления звезд, пыли и газа, пронизанные магнитными полями и космическими лучами. В одной галактике может насчитываться до 1013звезд. Галактики наблюдались еще в конце XIX в. Тогда же было установлено, что некоторые из туманных пятен, а именно так выглядели галактики в телескопы того времени, имеют спиралевидную форму. В 1920-е гг. удалось выяснить, что галактики – это скопления звезд.

Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений, или сверхскоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики встречаются редко. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях в 10–20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Существуют также галактики-карлики размером до нескольких десятков световых лет.

Современные мощнейшие телескопы позволяют наблюдать миллиарды галактик на расстояниях до 1500 Мпк. Некоторые из них видны невооруженным глазом. Например, самой близкой к нам галактикой, расположенной на расстоянии 1,5 млн световых лет, является туманность Андромеды, которую можно разглядеть в бинокль. Это скопление звезд получило название благодаря тому, что в 1917 г. в созвездии Андромеды был открыт первый внегалактический объект, а в 1923 г. Э. Хаббл доказал его принадлежность к другой галактике.

Наиболее удаленные из наблюдаемых ныне галактик находятся на расстоянии 10 млрд световых лет. Свет этих звезд идет к нам миллионы и миллионы лет, поэтому мы наблюдаем их такими, какими они были много световых лет назад. Самой исследованной является Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика (Млечный путь) и туманность Андромеды. Семейство нашей Галактики включает еще 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и неправильных галактик. Семейство галактик туманности Андромеды несколько меньше: одна спиралевидная, две эллиптические, несколько карликовых. Ближайшие соседние от Местной группы галактики находятся на расстоянии от 2 до 20 Мпк. На расстоянии 20 Мпк находится центральное сгущение нашего сверхскопления галактик. Наше сверхскопление, размер которого составляет около 60 Мпк, насчитывает около 20 000 галактик.

Галактики могут иметь разные формы, которые связаны с их размерами, массой, светимостью и другими физическими характеристиками. Устоявшаяся классификация форм галактик была предложена Э. Хабблом. Галактики могут иметь

эллиптическую форму.

Это наиболее простые галактики, в которых нет сверхгигантов, горячих звезд и газовых туманностей. У таких галактик отсутствует ядро, а количество звезд равномерно убывает от центра. В галактиках

неправильной

формы, напротив, множество горячих звезд, сверхгигантов, газовых туманностей и т. п., однако в них также отсутствует ядро. Большинство неправильных галактик – карлики, их светимость невелика.

Наиболее распространенной является

спиральная

форма галактик. К этому типу относятся наша Галактика, а также туманность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее горячие звезды и массивные облака космического газа. Самые старые звезды расположены в ядре галактик, тогда как молодые и средние – в диске. Из ядер постоянно выбрасываются огромные облака газа, масса которых сравнима с миллионами масс Солнца. Ядра галактик содержат до 10 % их массы. Считается, что в некоторых галактиках ядро представляет собой черную дыру. Так, в центре ядра нашей Галактики находится скопление звезд с сильным радиоисточником, который называют Стрелец А. Предполагается, что Стрелец А является черной дырой с массой, примерно равной миллиону солнечных масс.

Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями (электромагнитными, гравитационными, потоками нейтрино и субатомных частиц). Основное вещество, составляющее межзвездный газ, – водород, на втором месте – гелий. Следует отметить, что водород и гелий – наиболее распространенные вещества не только в межзвездном пространстве, но и вообще во Вселенной. Считается, что межзвездный газ более чем на 67 % состоит из водорода, на 28 % – из гелия и 5 % приходится на все остальные элементы, среди которых самыми распространенными являются кислород, углерод и азот. Когда и каким образом произошел синтез более тяжелых веществ из водорода и гелия – один из актуальных вопросов современной астрономии и химии. Считается, что 85 % тяжелых элементов возникло примерно 9-10 млрд лет назад, 11–13 % имеют возраст 5 млрд лет. В межзвездной среде существуют и органические соединения, которые чаще всего встречаются в местах концентрации газово-пылевого вещества.

Наша Галактика – Млечный путь – имеет форму диска с выпуклостью в центре – ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Солнечная система расположена в одном из рукавов Галактики примерно на расстоянии 30 тыс. световых лет от ее центра. Млечный путь насчитывает около 200 млрд звезд. Считается, что большинство звезд Галактики имеют планетные системы. Плотность звезд около ядра выше, чем в остальных областях Млечного пути. Диаметр Галактики около 100 тыс. световых лет, толщина – примерно в 10–15 раз меньше, масса составляет 2 X

1011 масс Солнца. Возраст нашей Галактики около 15 млрд лет. По форме она представляет собой диск с утолщением в центре, который вращается вокруг центра Местной группы галактик. В ядре нашей Галактики нет горячих сверхгигантов и пыли, но есть нейтральный водород, который постепенно растекается в плоскости диска. Большая часть звезд Млечного пути также сосредоточена в диске.

Метагалактика

– это доступная наблюдениям часть Вселенной. Современные возможности наблюдения – это расстояния в 1500 Мпк. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик. В XX в. выяснилось, что галактики, составляющие видимую часть Вселенной, разлетаются, а Метагалактика постоянно расширяется, т. е. наша Вселенная нестационарна.

Современные астрономические данные свидетельствуют о том, что Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т. е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий – как бы по границам ячеек сетки. Такое строение свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна. Принцип однородности (4.2) справедлив только в масштабах от 30 до 100 Мпс, на расстояниях до 30 Мпс наблюдаются неоднородности в строении галактик и их скоплений.

Современная космология предполагает, что на первых этапах своей эволюции наша Вселенная должна была состоять из независимых, причинно несвязанных областей, т. е. не была изотропной и однородной. Кроме того, уже не кажется фантастической идея «неединственности» Метагалактики. Сторонники этой точки зрения считают, что в мире должно было реализоваться все множество возможных физических условий, которые допускаются современными теориями. Гипотеза «множественности вселенных» допускает существование множества миров, образовавшихся в результате Большого Взрыва. Эти вселенные различаются своими физическими свойствами, типом организации, нестационарности и т. п., и в силу этого мы не можем их наблюдать. Тем не менее предполагается, что разные вселенные связаны друг с другом неизвестным пока способом. Как замечает А.Н. Павленко, «новые достижения космологии за последние десятки лет уверенно говорят в пользу того, что наша Метагалактика не есть вся Вселенная, а лишь ее часть (домен). Если это „эмпирически“ подтвердится, то „масштаб“ человека и ценность его существования могут подвергнуться новой радикальной переоценке, что, возможно, скажется через опосредствующие институты (средства коммуникации, культура и т. д.) на всем мировоззрении точно так же, как в свое время сказался эпистемологический и космологический поворот Коперника, последствия которого едва ли вообще поддаются полному объяснению».