Вселенная

Вселенная – это огромное пространство, возникшее благодаря Большому Взрыву. В статье мы рассмотрим современное представление об устройстве и происхождении Вселенной. Остановимся подробнее на важных научных открытиях и перспективах в исследовании космоса.

Содержание

1. Структура наблюдаемой вселенной
2. Современное представление о Вселенной
3. Исследование Вселенной и научные открытия
4. Карнеги, Хаббл и 100-дюймовый телескоп
5. Красное смещение и отдаление галактик

Структура наблюдаемой вселенной

Вселенная возникла примерно 13,8 миллиардов лет назад в результате так называемого Большого взрыва. Конечное время жизни Вселенной означает, что, как бы велика она ни была, информация может дойти до нас лишь из областей, удаленных не более, чем на 13,8 млрд. световых лет (порядка 10²⁶ м). Эта часть Вселенной в принципе наблюдаема, и ее называют Метагалактикой. Современным наблюдениям доступен объём пространства радиусом около 13 млрд. световых лет, то есть мы «освоили» почти всю Метагалактику!

Что же представляет собой наблюдаемая Вселенная?

Если рассматривать ее в масштабе миллиардов световых лет, то Вселенная выглядит однородной и изотропной, то есть в любых местах и по любым направлениям ее свойства одинаковы. Это утверждение называется космологическим принципом.

Расстояния во Вселенной измеряют в световых годах. Один световой год — это расстояние, которое свет проходит за 1 земной год, и равно оно примерно 9,5x10¹⁵ м.

Но в сравнительно небольших масштабах материя во Вселенной распределена крайне неравномерно. Звезды собираются в галактики (их более 500 млрд.), галактики образуют скопления из сотен и тысяч объектов; десятки скоплений, в свою очередь, группируются в сверхскопления.

Типичное расстояние между галактиками в скоплениях 5^-10 млн. световых лет. Если учесть, что размеры самих галактик от 15 до 800 тысяч световых лет, то оказывается, что они расположены гораздо «теснее», чем звезды в окрестностях Солнца (диаметр звезды пренебрежимо мал по сравнению с расстояниями до ближайших соседей, до которых — несколько световых лет).

До недавнего времени считалось, что сверхскопления галактик являются максимальными структурными образованиями во Вселенной. Но к 1997 году, когда смоделировали на компьютере трехмерную карту распределения галактических скоплений, обнаружилось, что они выстраиваются в ячеисто-сетчатую структуру, подобную гигантским трехмерным кружевам. Характерные размеры ячеек 300 — 500 миллионов световых лет. Внутри этих ячеек галактик практически нет, все они располагаются на стенках ячеек. Ячейки и пустоты между ними — это самые большие структурные образования в Метагалактике.

В мегамире царит гравитация, все остальные взаимодействия здесь не проявляются. Ньютоновской теории тяготения вполне достаточно для описания взаимодействия звезд, галактик, и даже галактических скоплений. Но для понимания эволюции всей Вселенной нужна общая теория относительности Эйнштейна.

Подобраться же к моменту Большого взрыва может только квантовая физика.

Современное представление о Вселенной

Современная картина мира родилась к северо-западу от Лос-Анджелеса, в Калифорнии, на горе Вилсон в обсерватории Маунт-Вилсон. Это детище одного человека — Эдвина Хаббла. Работая на новом оборудовании в конце 1920-х годов, Хаббл установил, что материя во Вселенной организована в галактики типа Млечного Пути — другие «островки Вселенной» за пределами нашей Галактики. Что более важно, он показал, что галактики удаляются от нас — то есть, что Вселенная расширяется.

Прокручивая, как кинопленку, время к началу, нетрудно представить себе, что вся Вселенная некогда была заключена в одну горячую плотную точку. Этот сценарий, согласно которому Вселенная началась в какой-то момент прошлого и с тех пор расширялась, охлаждаясь, известен как Большой взрыв. Размышления над этой теорией приводят к трем вопросам:

1. она корректна?
2. как начался Большой взрыв?
3. как закончится Вселенная?

Мы попробуем ответить на эти вопросы и начнем с феномена реликтового излучения — космического сверхвысокочастотного фонового излучения, являющегося, возможно, лучшим свидетельством Большого взрыва. Второй вопрос приведет нас к одному из самых захватывающих достижений в науке — идее, что мы должны начать изучение самого большого, что мы знаем, — Вселенной — с самого маленького, о чем имеем представление, — с элементарных частиц, из которых состоит материя.

В последние годы мы пришли к пониманию того, что большая часть массы во Вселенной заключена в форме загадочной субстанции — темной энергии, и что судьба Вселенной зависит от того, что представляет собой темная энергия. В настоящее время достоверных соображений на этот счет нет.

Исследование Вселенной и научные открытия

Мы настолько привыкли думать о Солнце как об одной звезде из миллиардов в Млечном Пути, а о Млечном Пути — как об одной из миллиардов галактик во Вселенной, что, вероятно, лишь немногие отметили тот факт, что эти положения приводились выше как аксиомы. А было время, когда идея о том, что материя во Вселенной сгруппирована в галактики, вызывала жаркие споры. Существует множество способов организовать вещество. Оно может быть случайным образом распределено в пространстве; один центральный сгусток материи может быть окружен пустотой; или же материя может собираться в галактики, а сами галактики могут быть случайным образом «разбросаны» в пространстве.

Три туманности, зарисованные астрономом Вильямом Гершелем.

• Млечный Путь — это огненный пар: греческие философы, 4000 до н. э.
• Млечный Путь состоит из звезд: Галилео Галилей, 1610 год
• Солнце не находится в центре Млечного Пути: Харлоу Шепли, 1918 год
• Галактики состоят из звезд: Эдвин Хаббл, 1920-е годы
• Галактики разбегаются: Эдвин Хаббл, 1929 год
• Радиошум обнаружен в центре млечного пути: Карл Янский, 1932 год
• Классификация галактик «Камертон»: Эдвин Хаббл, 1936 год
• Открытие радиоисточника Лебедь А: Гроут Ребер, 1939 год
• Спиральные рукава Млечного Пути выявлены в радиодиапазоне: 1952 год
• Темная материя в галактиках: Вера Рубин, 1970-е годы
• «Глубокое поле» телескопа «Хаббл»: 1990-е годы

Кликните по картинке, она откроется в новом окне и ее можно будет увеличить

Вселенная

Наша Солнечная система (внизу справа) часть звездного массива, который, в свою очередь является частью Млечного Пути (внизу слева), относящегося к Местной группе галактик (вверху слева). Местная группа входит в местное сверхскопление галактик (вверху справа). Самые большие из известных структур галактические нити (волокна) и стены, относительно плоские комплексы скоплений и сверхскоплений, формируют крупномасштабную структуру Вселенной.

Наши Солнечная система и Галактика лишь малая часть в иерархической структуре Вселенной. Гравитация связывает галактики в массивные скопления, которые могут содержать тысячи членов. Вся совокупность галактик, более 100 миллиардов, группируются в эти кластеры по всей Вселенной, и все они разлетаются по мере ее расширения.

Размышления о том, что могут представлять собой воображаемые вселенные, сродни занятию теоретической астрофизикой. С другой стороны, мы можем жить всего лишь в одной из этих возможных вселенных, и наблюдательная астрономия должна установить, о каком именно пространстве идет речь.

То, что я называю дебатами галактического масштаба, началось с обнаружения на небе туманностей. На латыни туманность - nebula, то есть «облако», и это имя отсылает нас к первым наблюдавшим их астрономам, которые видели в них размазанные пятна света светящиеся облака. Вопрос прост: где расположены эти светящиеся облачные туманности? Внутри Млечного Пути? Или это «островные вселенные» далеко за пределами нашей Галактики? Чтобы ответить на этот вопрос, астрономам нужен был телескоп с разрешением, которое позволило бы различить отдельные звезды внутри туманностей, и метод определения расстояний до этих звезд.

В начале XX века метод определения расстояний нашла Генриетта Левитт. Хотя это и не было еще очевидно, проблема телескопов также была на пути к разрешению.

Карнеги, Хаббл и 100-дюймовый телескоп

Чтобы разобраться, как сформировалась современная картина мира, нужно вернуться в середину XIX века и познакомиться с одним из самых замечательных людей в американской истории Эндрю Карнеги. Прибыв в Америку в возрасте 10 лет, он начал карьеру разносчиком телеграмм в Питтсбурге, а стал одним из богатейших людей Америки. Среди прочего он основал компанию, которая, сменив название, стала US Steel, одной из крупнейших сталелитейных компаний. Затем, что было удивительно для флибустьера XIX века, он написал эссе «Заповедь богатства», в котором выдвинул такую идею: если человек обрел богатство, то его задача проследить, чтобы оно было потрачено на решение важных социальных проблем. «Человек, умирающий богатым, говорил он, умирает с позором».

И многие последовали этой заповеди: вспомните хотя бы благотворительный фонд Билла и Мелинды Гейтс.

Эндрю Карнеги основал Институт Карнеги в Вашингтоне, который занимается поддержкой научных исследований. Один проект, к которому он имел большой личный интерес, предполагал строительство большой астрономической обсерватории Маунт-Вилсон в районе Лос-Анджелеса. В начале XX века в этой обсерватории располагались самые большие телескопы в мире. В 1919 году Эдвин Хаббл стал сотрудником Маунт-Вилсон и произвел революцию в нашем понимании Вселенной.

Работая на великолепном новом телескопе, 100-дюймовое зеркало которого способно было собрать невиданное количество света, Хаббл начал систематически изучать туманности. Первым делом он классифицировал их по их внешнему виду схема, составленная им, используется до сих пор. Но еще важнее было то, что новый телескоп мог различить в ближайших туманностях отдельные цефеиды и Хаббл мог использовать эти переменные звезды, чтобы по методу стандартных свечей Левитт найти расстояния до содержащих их туманностей. Измеренные им расстояния составили миллионы световых лет слишком много, чтобы «облака» были частью Млечного Пути.

Так в 1925 году Хаббл установил, что мы живем во Вселенной, вещество которой собрано в галактики. Даже если бы это было все, что он совершил, Хаббл мог бы быть уверен, что его имя останется во всех книгах по истории. Но в его работе была и еще одна доминанта, которая помогла сформировать современную картину мира, теория Большого взрыва. Эта модель до сих пор доминирует в космологии. Чтобы понять, как он пришел к этой теории, мы должны сделать небольшое отступление и поговорить об интересном феномене эффекте Доплера.

Эдвин Хаббл

«История астрономии - это история отступающих горизонтов».

 

Эдвин Хаббл родился в Миссури в 1889 году, в семье страхового управляющего, вырос в Уитоне, штат Иллинойс (ныне это пригород Чикаго). В Университете Чикаго он был одновременно и лучшим студентом, и выдающимся спортсменом (он выступал за баскетбольную команду на чемпионате 1908 года). В сообществе физиков ходили легенды о том, что Хаббл был боксером-любителем высокого уровня и ему потребовалось сделать действительно серьезный выбор -остаться в науке или стать профессионалом. Он выбрал школу и выиграл стипендию Родса для обучения в Оксфорде, где изучал юриспруденцию и испанский язык.

По возвращении в США он год преподавал испанский язык, физику и математику в старшей школе и был принят на работу в бар в Кентукки, но решил вернуться в Чикаго, чтобы изучать астрономию. Во время работы над диссертацией Хаббл получил место в Йеркской обсерватории в Висконсине, где привлек внимание ряда выдающихся астрономов. Он получил там научную степень в 1917 году и на следующий день отправился добровольцем в армию. После окончания Первой мировой войны, в 1919 году, дослужившись до звания майора, он покинул ряды ВВС. Тогда же ему предложили место в новой обсерватории Маунт-Вилсон, а остальное, как говорят, уже история. Неустанно занимаясь наукой до самой своей смерти в 1953 году, Хаббл изменил наше понимание Вселенной.

Красное смещение и отдаление галактик

Вы участвовали в эксперименте с красным смещением, если когда-либо слышали сигнал проезжающей мимо вас по трассе машины.

Вы могли заметить, что высота звука падает, когда машина удаляется от вас. Если машина неподвижна, звуковые волны от нее распространяются одинаково по всем направлениям, а потому все слышат один и тот же звук. Если же машина едет, то центром каждой испущенной звуковой волны будет точка, в которой автомобиль находился, когда водитель просигналил. Это означает, что некто, стоящий перед машиной, будет воспринимать сумму звуковых волн (слыша, таким образом, более высокий звук), а тот, кто остается позади автомобиля, будет воспринимать ее разность (то есть более низкий звук). Изменение высоты звука и есть проявление эффекта Доплера, который наблюдается в отношении всех типов волн, испущенных движущимся источником.

Эффект Доплера делает излучение, приходящее к нам от удаляющихся объектов типа галактик, более длинноволновым (красное смещение; в центре). Свет от приближающихся к нам объектов смещается в область более коротких волн (голубое смещение; внизу).

Астрономы и до Хаббла замечали, что свет от звезд в туманностях сдвигается в область спектра с большей длиной волны (красную), что свидетельствовало о вычитании сигналов. То есть туманности удалялись от Земли.

Но астрономы не знали, как далеко туманности располагались, а потому не могли увидеть логики в соотношении наблюдаемых смещений в красную часть спектра. Определив расстояния, Хаббл заметил, что чем больше было красное смещение (то есть чем быстрее галактика удаляется от нас), тем дальше она была расположена. Обычно это выражается с помощью уравнения, называемого законом Хаббла:

V = H x D,

где V - это скорость удаляющейся галактики, D - расстояние до нее, а H - постоянная Хаббла. Это уравнение говорит о том, что если мы смотрим на две галактики, одна из которых в два раза дальше от нас, чем другая, то более далекая галактика будет «убегать» от нас в два раза быстрее.

Мы обсудим некоторые поразительные следствия открытия Хаббла в других статьях.

Более близкие к нам галактики показаны белым, а более далекие в оттенках красного (чем галактика дальше, тем она краснее и тем быстрее удаляется от нас).