Вопрос 3. Мегамир, его состав и строение.

На небе 88 созвездий. Невооруженным глазом в безлунную ночь можно увидеть ≈ 3000 звезд. В списке Гиппарха, дополненным Птолемеем значится 1022 звезды, в списке Гевелия — до 1533 звезд. Это самый простой и очевидный способ систематизации небесных объектов. Разнообразие и сложность материальных систем, из которых состоит Вселенная, столь поразительны, что задача открытия простых законов, способных единообразно описать их, кажется безнадёжной.

В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Расстояние от Солнца до наиболее удаленной планеты Плутона 6 млрд. км. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля, Марс — сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества, и поэтому их плотность меньше (Плутон не совсем подходит под эти характеристики планет-гигантов).

Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли (масса Земли = 5,976 × 10²⁴ кг). Самый крупный астероид — планета Церера — имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год по международной системе (СИ) = 9,4605 × 10¹²км; иногда это значение округляют до 10 000 млрд км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин. а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

Масштабы Солнечной системы можно представить в виде модели. Если представить себе Солнце в виде шара диаметром 7 см, то ближайшая к нему планета (Меркурий) будет находиться на расстоянии 2,8 м, наша Земля – в виде шарика диаметром 0,5 мм будет на расстоянии 7,6 м, а самая дальняя планета Плутон – в 300 м от Солнца. Самая же близкая из других звезд — Проксима Центавра — расположится в 2000 км, что соответствует расстоянию от С-Петербурга до Сухуми. Временные масштабы, характерные для Вселенной, иллюстрирует своеобразный календарь американского астрофизика Карла Сагана. Если начать отсчет времени с так называемого Большого Взрыва — гипотетической ситуации, когда все вещество Вселенной находилось в одной единственной бесконечно малой точке, а потом начало разлетаться – и сопоставить ему 0 ч. 0 мин. первого января, а всю последующую историю развития Вселенной до настоящего времени уложить в один год, то Солнце образовалось только 9 сентября, Земля – 14 сентября, первые клетки с ядром – 15 ноября, динозавры – 24 декабря, а первые люди – только в 22 ч. 30 мин. 31 декабря.

Масштабы Солнечной системы и Вселенной потребовали особых единиц длины для определения расстояний: астрономическая единица (а.е.) — среднее расстояние Земли от Солнца = 1,496 × 10⁸ км (=1,58 × 10^-5 св.лет, = 4,85 × 10^-6пк); световой год (св. год) — путь, который свет проходит за один тропический год (31556925,9747 секунд) = 9,4605 × 10¹² км (≈ 63239,7 а.е., ≈ 0,306595 пк); парсек (пк) — это расстояние до звезды, годичный параллакс (видимое перемещение светила на небесной сфере, обусловленное перемещением наблюдателя в пространстве вследствие обращения Земли вокруг Солнца) которой равен одной секунде (или, иначе, расстояние, с которого средний радиус орбиты Земли виден под углом, равным одной секунде (= π / 648000 рад = 4,848137 × 10^-6рад (радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу)) ≈ ≈ 3,0857 × 10¹³км, ≈ 206265 а.е.

Основное «население» Галактики — звезды. Несмотря на то, что Млечный Путь представляется нам весьма «густой» звездной системой, в действительности звезды в Галактике расположены довольно редко. Так, в окрестностях Солнца среднее расстояние между двумя ближайшими звездами приблизительно в 10 миллионов раз превосходит их собственные поперечники. Мир этих небесных тел необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды — раскаленные шары, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты (60 масс Солнца). Существуют и звезды - карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны карлики, которые меньше Земли и даже Луны. Вещество таких звезд отличается весьма высокой плотностью. Так, если из материала одного из наиболее плотных белых карликов можно было бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой железной гире, то на Земле подобная гиря весила бы 4000 т., а спичка — 6 т.

Еще большей плотностью обладают так называемые нейтронные звезды. Поперечник такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц — нейтронов, составляет всего около 20 – 30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн т. в 1 см³. По существу, нейтронная звезда — это громадное атомное ядро.

Существование нейтронных звезд было теоретически предсказано еще в 30-х годах. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению. Дело в том, что нейтронные звезды очень быстро вращаются. И если такая звезда излучает радиоволны, то ее «радиолуч» описывает раз за разом окружности в пространстве. Каждое прохождение подобного радиолуча регистрируется радиотелескопом как импульс радиоизлучения. В связи с этим нейтронные звезды подобного типа получили название пульсаров.

Звезды обладают различными поверхностными температурами — от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно, различен и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды — с температурой около 3 – 4 тыс. градусов — красноватого цвета. Наше Солнце, поверхность которого «нагрета» до 6 тысяч градусов, обладает желто-зеленым цветом. Самые горячие звезды — с температурой, превосходящей 10 – 12 тыс. градусов, — белые и голубоватые.

Один из самых грандиозных физических процессов во Вселенной — вспышки так называемых новых и сверхновых звезд. Название это не совсем удачно. В действительности звезда существует и до вспышки. Но в какой-то момент под действием бурных физических процессов такая звезда неожиданно увеличивается в объеме, «раздувается», сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет чудовищную энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав свои ресурсы, эта звезда постепенно тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.

Одна из таких туманностей, получившая за свою характерную форму название Крабовидной, образовалась на месте вспышки знаменитой сверхновой звезды, замеченной астрономами в 1054 г. Крабовидная туманность — мощный источник космического радиоизлучения. А это значит, что внутри нее происходят интенсивные физические процессы.

Наше Солнце — «одинокая» звезда. Она лишена подобных себе горячих спутников. Но во Вселенной есть двойные, тройные и более сложные звездные системы, члены которых связаны друг с другом силами взаимного притяжения и обращаются вокруг общего центра масс. Некоторые скопления содержат десятки, сотни и тысячи звезд. А число звезд в больших шаровых скоплениях достигает даже сотен тысяч.

Межзвездное пространство не пусто. Оно заполнено газовыми и пылевыми частицами, которые в некоторых местах образуют гигантские облака — туманности, светлые и темные. В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства в среднем находится один атом вещества. Если атомов в каждом кубическом сантиметре наберется с десяток, то о такой области пространства говорят как об облаке. Оно может быть обнаружено с помощью радиотелескопов и хорошо заметно на окружающем фоне. Для сравнения напомним, что в воздухе, которым мы дышим, содержится порядка 1019 атомов в каждом кубическом сантиметре, а в самом лучшем вакууме, который может быть получен в земных лабораториях, в каждом кубическом сантиметре содержится 105 атомов.

Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью — около 250 км / сек. — несется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 миллионов лет.

Как же возникают и развиваются различные космические объекты? В современной астрофизике существуют по этому вопросу две основные концепции. Одна из них, наиболее распространенная, ее часто называют «классической» — исходит из того, что космические объекты образуются в результате сгущения конденсации рассеянного диффузного вещества — газа и пыли. Согласно другой концепции космические объекты возникают в результате распада на части, фрагментации плотных или сверхплотных «прототел», сгустков «дозвездного» вещества. Какая из этих гипотез более справедлива — покажут будущие исследования.

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояковыпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр — 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, — Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

Научные исследования последних лет, в частности радиоастрономические, показали, что Магеллановы облака — это своеобразные спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра. А поскольку в этой «тройной системе» наша Галактика по своей массе наибольшая, то Магеллановы облака можно считать ее спутниками.

На расстоянии около 2 млн световых лет от нас находится хорошо известная теперь многим — туманность Андромеды. По своему строению она напоминает нашу Галактику, но значительно превосходит ее своими размерами. По-видимому, это одна из самых больших галактик в нашей области Вселенной. Туманность Андромеды можно наблюдать даже в обычный бинокль, а при благоприятных условиях — и невооруженным глазом. Но то, что мы видим, лишь центральная часть туманности; действительные размеры Андромеды гораздо больше видимой части. Подобно нашей Галактике, галактика Андромеды имеет спутников — две эллиптические туманности, состоящие из огромного количества звезд.

Галактика Андромеды вместе с нашей Галактикой и другими соседними звездными системами образуют так называемую Местную систему галактик. В ее состав входит 16 галактик, а поперечник ее равен 2 млн световых лет. Исследования показывают, что звездные острова, галактики — типичные объекты Вселенной.

Галактики имеют разнообразную форму и строение. Есть галактики шаровые и эллиптические, галактики в форме диска, спиралевидные, подобно нашей, наконец, галактики неправильной формы. В «наблюдаемой Вселенной», т.е. в области, доступной современным средствам астрономических исследований, насчитываются миллиарды галактик. Их совокупность ученые назвали Метагалактикой.

Несколько лет назад в результате радиоастрономических наблюдений было обнаружено, что из ядра нашей Галактики происходит непрерывное истечение водорода. За год выбрасывается масса водорода, примерно в полтора раза превосходящая массу Солнца. Но наша Галактика существует около 15-17 млрд. лет. Значит, за это время из ее ядра было выброшено 25 млрд. солнечных масс. И есть основания предполагать, что в ту эпоху, когда наша Галактика была молода и богата энергией, этот процесс шел гораздо более бурно.

На подобную мысль наводят явления, наблюдаемые в ядрах некоторых других галактик. Так, в 1963 г. американский астрофизик А. Сэндедж завершил работу по изучению движения газа в сравнительно близкой к нам галактике М-82. Ученый пришел к выводу: характер этого движения указывает на то, что приблизительно полтора миллиона лет назад из ядра галактики М-82 произошел выброс газовых масс, в миллион с лишним раз превосходящих массу Солнца. Согласно подсчетам, этот взрыв был эквивалентен взрыву термоядерного заряда с массой, равной массе 15 тыс. солнц.

Многочисленные факты такого рода не оставляют сомнений в том, что ядра галактик играют чрезвычайно важную роль в развитии звездных систем и их составных частей. Не исключена возможность, что они являются своеобразными центрами формирования космических тел. Вероятно, здесь происходит переход материи из одной формы в другую. Но такие переходы должны сопровождаться преобразованиями огромных количеств энергии. Поэтому можно предположить, что галактические ядра — могучие аккумуляторы энергии, способные выделять ее при определенных условиях. Весьма вероятно, что в этом случае мы столкнулись с еще неизвестным науке видом энергии, изучение которого в дальнейшем сможет пролить свет на скрытые пружины многих космических процессов.

В частности, активные процессы, происходящие в ядрах некоторых галактик, видимо, являются основными поставщиками энергии, обеспечивающей интенсивное радиоизлучение многих звездных островов.

Нельзя не сказать и еще об одном знаменательном открытии в космосе. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границах наблюдаемой Вселенной, были обнаружены удивительные объекты, получившие впоследствии название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечники их составляют около нескольких световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Относительно природы квазаров было высказано немало предположений. Часть из них впоследствии отпала, часть продолжает обсуждаться. Но какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозных количеств энергии, все еще остается неясным.

В то же время значительные успехи достигнуты в решении другого вопроса: какое место занимают квазары в ряду различных космических объектов? Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и ядрами некоторых галактик, проявляющими особенно высокую активность. Как уже было сказано выше, квазары — весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Это связано с конечной скоростью распространения света. Хотя она и составляет 300 тыс. км / сек, даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы долгие годы, десятки, сотни, миллионы и миллиарды лет. Так что, глядя на небо, мы видим космические объекты — Солнце, планеты, звезды, галактики — в прошлом. Причем различные объекты — в разном прошлом. Например, Полярную звезду — такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн. лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики же, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем расположены ближе. Следовательно, это объекты более позднего поколения, они должны были образоваться вслед за квазарами. Возникло предположение: не являются ли квазары протоядрами будущих галактик? Теми «зародышами», вокруг которых впоследствии возникают десятки и сотни миллиардов звезд, образующих звездные острова Вселенной? В пользу подобного предположения говорит весьма высокая активность ядер некоторых галактик, сходная с активностью квазаров, хотя и несколько более слабая по своим масштабам. Особенно бурные процессы протекают в ядрах так называемых сейфертовских галактик. Эти ядра имеют очень малые размеры, сравнимые с размерами квазаров, и подобно им обладают чрезвычайно мощным электромагнитным излучением. В них происходят движения газа со скоростями, достигающими нескольких тысяч километров в секунду. У многих сейфертовских галактик наблюдаются выбросы компактных газовых облаков с массами в десятки и сотни солнечных масс. При этом выделяется колоссальная энергия.

Еще один класс галактик с активными ядрами, обладающими аномально сильным ультрафиолетовым излучением, был обнаружен советским астрономом Б. Е. Маркаряном. Изучение этих галактик привело к весьма интересным результатам. В частности, оказалось, что к их числу принадлежат звездные системы самых разных типов и размеров, более или менее равномерно распределенные по всей наблюдаемой области Вселенной. Это свидетельствует о том, что и подобные галактики, видимо, являются закономерной стадией в эволюции звездных систем. Особенно важное значение имеет то обстоятельство, что значительная часть галактик Маркаряна проявляет явные признаки активности, и эта активность связана с их ядрами. В ряде случаев она носит ярко выраженный взрывной характер.

Все это говорит о том, что излучение квазаров и активность ядер галактик связаны со сходными физическими процессами. Однако вопрос о природе этих процессов все еще остается открытым. Тем не менее одна из гипотез представляет значительный интерес. Она связана с идеей так называемых черных дыр. Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа — гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы. И, наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость, превосходящую скорость света. Но так как подобных скоростей распространения физических взаимодействий в природе не существует, то черная дыра ничего не выпускает наружу. Из этого замкнутого образования не могут вырваться ни лучи света, ни частицы. В то же время черная дыра может втягивать в себя окружающее вещество, увеличивая при этом свои размеры.

Из теории следует, что образование черных дыр во Вселенной может происходить различными путями. Так, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их «жизни» или вследствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, высказывается предположение о том, что в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры, которые и являются источниками энергии, обеспечивающей активность этих космических объектов. Они способны втягивать окружающее вещество, при этом энергия его падения в поле черной дыры может перерабатываются в другие виды энергии.

Не так давно было сделано интересное открытие, связанное с галактикой М-87, давно привлекающей к себе внимание. На фотографии этой галактики отчетливо видна яркая струя протяженностью около 6 тыс. световых лет, выброшенная, по-видимому, из ядра и состоящая из нескольких отдельных газовых сгустков с общей массой около 10 млн. солнечных масс. Данные, полученные в результате наблюдений этой галактики, позволяют предположить, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована колоссальная слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд. солнечных масс. Не исключено, что это гигантская черная дыра, а может быть какое-то иное сверхплотное образование еще неизвестной нам природы. Раньше «черные дыры» считались ненаблюдаемыми. Теперь же наука располагает фактами, которые достаточно убедительно свидетельствуют об их существовании. Они отождествляются с источниками сильного рентгеновского излучения. Высказаны предположения о существовании первичных, реликтовых «мини-черных дыр», образовавшихся на раннем этапе развития Вселенной. Реликтовые черные дыры вызывают исключительный интерес, поскольку в них органически объединяются микро- и макромасштабы Теоретические расчеты показывают, что обладая гигантской массой 10¹⁵ г, они должны иметь микроскопический размер до 10^-13 см.

Нет оснований абсолютизировать и понятие «черная дыра», толкование которого тоже изменяется и уточняется. Черные дыры не являются полностью замкнутыми мирами, через так называемые горловины, обладающие сильным электромагнитным полем, они связаны с внешним миром. Для внешнего наблюдателя они проявляются как объекты с определенными геометрическими размерами, массой, электрическим зарядом и угловым моментом. В представлениях о черных дырах много гипотетического, недостаточно проверенного. Если существование астрономических макроскопических черных дыр надежно установлено наблюдательными средствами, то микроскопические черные дыры остаются лишь предсказанными теоретически.

Долго считалось, что «черные дыры» — абсолютно поглощающие объекты, гравитация которых удерживает даже световое излучение. Но в начале 70-х гг. XX в., когда были приняты во внимание квантовые эффекты, выяснилось, что «черные дыры», вопреки их названию, должны излучать в окружающее пространство потоки вещества и антивещества, электромагнитные волны, испущенные виртуальными частицами, которые сами при этом «погибают» в черной дыре. Вокруг них происходит как бы «вскипание» вакуума (особое состояние поля), а внешне это выглядит как постепенное испарение и стягивание «черной дыры».