Наш дом — Вселенная
Б.И.Лучков, МИФИ, г. Москва
Вот дом, который построил Джек.
Англ. народная песенка. Пер. С.Маршака
Как точно написать свой адрес?
Сначало просто: квартира, дом, улица, город, страна. Потом, чуть подумав: планета Земля, звезда Солнце, галактика Млечный Путь. Далее (по мере укрупнения масштаба и фантазии): Местное скопление галактик, Сверхскопление в созвездии Дева, Вселенная (она же Метагалактика). Все. Только одно замечание: написав слово «Вселенная» с большой буквы, мы допустили существование множества других вселенных, составляющих что-то еще более крупное, чему пока нет названия. Однако мы никогда не сможем войти в контакт с ними ввиду конечной скорости распространения сигналов и ограниченного возраста нашей Вселенной. Включать их в адрес совершенно бесполезно.
Можно надеяться, что письмо с таким адресом дойдет по назначению, пройдя все указанные пункты.
Видимая Вселенная
Каждый, конечно, хорошо знает свой дом, улицу, город, страну. Наверное, Земля и Солнце тоже достаточно знакомы. А вот представления о Галактике (Млечном Пути), возможно, нуждаются в уточнении. Упомянутая впервые английским астрономом В.Гершелем, создававшим в XVIII в. самые большие в мире телескопы, Галактика представляет собой совокупность звезд, планетных систем, газа и пыли, удерживаемых вместе гравитационными силами. Млечный Путь – большая галактика (1012 звезд) с четырьмя спиральными рукавами, выходящими из центральной области, где находится ядро Галактики, объект не совсем понятной природы, возможно, очень массивная черная дыра. Большинство звезд сосредоточено в тонком диске (отношение радиус/толщина = 100: 1), заметно утолщенном в центре, – молодая часть галактического населения, участвующая в общем вращении периодом 250 млн лет. Старая популяция – маломассивные звезды, шаровые звездные скопления – заполняет более обширную область – гало Галактики, по форме напоминающую сплюснутый эллипсоид с заметной концентрацией объектов к центру. На рис. 1 Галактика показана так, как она может быть видна с большого расстояния в телескоп другой разумной цивилизации.
Наше место в Галактике отнюдь не центральное (что надо признать большой удачей). Солнечная система находится приблизительно на половине расстояния от центра до края диска (точный радиус равен 8 кпк) и почти в середине диска по высоте. Удача, главным образом, в том, что здесь плотность звезд мала, их столкновения редки, а поля излучения (от радиоволн до жесткого рентгена) не очень опасны. Жизнь и возникает там, где ей меньше угроз: вряд ли приспособлена для обитания центральная часть Галактики, где много ярких переменных звезд и таких монстров, как нейтронные звезды и черные дыры. Солнце – небольшая, спокойная, достаточно щедрая на свет и тепло звезда, весьма удобная для жизни рядом с ней, в чем нам тоже сильно повезло.
Галактики часто под действием гравитационных сил образуют различные по форме скопления (кластеры галактик). Млечный Путь вместе с двадцатью галактиками, ближайшие из которых – его сателлиты (Большое и Малое Магеллановы Облака и ряд других карликовых галактик), образуют Местный кластер. Он, в свою очередь, входит в состав большого Сверхскопления, центром которого является активная галактика Дева-А и которое насчитывает более тысячи галактик, расположенных в радиусе 30 Мпк. Местный кластер находится где-то на краю Сверхскопления.
Более крупных единиц, чем сверхскопления, не обнаружено. Видимо, на этом иерархия структур заканчивается, так что Вселенная, на первый взгляд, состоит из скоплений и сверхскоплений галактик и пустого пространства между ними. Что-то вроде большого водоема, в котором взвешены и неспешно движутся «комки» вещества, разные по форме и размерам. Этот космический водоем, добавим, не так уж сильно богат веществом – расстояния между «комками» много больше их собственных размеров.
Такая картина, представшая в середине XX в., казалась естественной и вполне согласующейся с представлением о нашей Вселенной, появившейся приблизительно 15 млрд лет назад. Она однородна и изотропна, равномерно расширяется: расстояния между скоплениями растут, в ее большом масштабе действует только одна сила притяжения, заставляющая вещество скучиваться в «комки» – галактики и их скопления. Однако точные наблюдения показали, что скопления галактик распределены в пространстве далеко не равномерно.
Ячеистая структура Вселенной
Рис. 1. Вид галактики Млечный Путь сбоку: видны дисковая (молодая) и квазисферическая (старая) популяции звезд
Прогресс наблюдательных средств астрономии происходит непрерывно. Растут размеры телескопов (уже достигли 15 м в диаметре зеркала). Совершенствуются приемники света – теперь это не фотопластинки, а ПЗС-матрицы, обладающие большими чувствительностью и точностью изображения. Улучшается разрешающая способность спектрометров – главных поставщиков сведений об изучаемых объектах. Многочисленны достижения техники проведения наблюдений. Компьютерная революция произвела переворот в средствах сбора, обработки и хранения информации. К этому надо добавить, что центр интереса определенно сместился в область внегалактической астрономии, к изучению все более далеких миров.
Анализ огромного массива данных привел к представлению о том, что Вселенная заполнена не равномерной «смесью» скоплений галактик, а их «пеной», плотность которой в отдельных местах очень велика, а в других – практически нулевая. Другими словами, Вселенная состоит из отдельных ячеек размером 50–150 Мпк, в местах пересечения стенок которых (ребрах) галактики расселены очень плотно, а в центральных областях почти отсутствуют (эти ячейки называют войдами – от английского void – лишенный, пустой). Никакими статистическими флуктуациями ячеистая структура не может быть объяснена. Она – реальный факт, который отражает условия возникновения первичных неоднородностей вещества на ранней стадии Метагалактики. Таким образом, наблюдения отвергают старые модели и стимулируют поиски новых, в рамках которых ячеистая структура Вселенной была бы так же естественна, как шарообразная форма небесных тел в ньютоновской теории тяготения.