Разбегание галактик. Роль этого в эволюции Вселенной

p align="left">Красное смещение, обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когда движение источника света относительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния между ними. В релятивистском случае, когда скорость движения источника сравнима со скоростью света, красное смещение может возникнуть и в том случае, если расстояние между движущимся источником и приёмником не изменяется (поперечный эффект Доплера). Красное смещение, возникающее при этом, интерпретируется как результат релятивистского «замедления» времени на источнике по отношению к наблюдателю. Гравитационное красное смещение возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим (по модулю) гравитационным потенциалом, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии на преодоление сил гравитации. В результате характеризующая фотон частота уменьшается, а длина волны излучения растёт. Примером гравитационного красного смещения может служить наблюдаемое смещение линий в спектрах плотных звёзд - белых карликов. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов - галактик и квазаров Квазары - космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие значительные красные смещения линий в спектрах, что указывает на их большую удаленность от Солнечной системы, достигающую несколько тысяч Мпк. Квазары излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Источник их энергии точно неизвестен. - и интерпретируются как следствие расширения Вселенной.

При проведении спектральных исследований (в 1912 году) спиральных и эллиптических «туманностей» ожидалось, что если они действительно расположены за пределами нашей Галактики, то они не участвуют в её вращении и поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца. Ожидалось, что эти скорости будут порядка 200 - 300 км/с, т. е. будут соответствовать скорости движения Солнца вокруг центра Галактики.

Однако лучевые скорости Галактик оказались гораздо больше, они составляли от 1200 км/с до 60900 км/с. В 1929 году Э. Хаббл уже имел возможность сопоставить скорость движения галактики V с расстоянием до неё r для 36 объектов. Оказалось, что эти две величины связаны условием прямой пропорциональности:

V= Hr

Это выражение получило название закона Хаббла, а постоянная H - постоянной Хаббла. Её численное значение Хаббл в 1929 году определил в 500 км/(с*Мпк). Однако он ошибся. После многократных исправлений и уточнений этих расстояний значение постоянной Хаббла сейчас принимается равным 50 км/(с*Мпк). Закон Хаббла используется для определения расстояний до далёких галактик и квазаров.

Если галактики разбегаются, то это значит, что раньше они были ближе друг к другу, иначе вся Вселенная вообще была сжата если не в точку, то в нечто очень маленькое, а потом последовал «большой взрыв». Зная скорость разбегания галактик после «большого взрыва», можно подсчитать и время, которое прошло со времени «взрыва». Проблема подсчёта этого времени не так уж и проста. Несмотря на очень сложные подсчеты никто до сих пор точного ответа не дал, однако в общем учёные сходятся на времени от 13 до 20 миллиардов лет.

III. Космические монстры

Зная примерно возраст нашей Вселенной, мы можем определить и её примерные размеры.

После второй мировой войны, когда уже были изобретены радиолокаторы, в астрономии стали использоваться радиотелескопы. С их помощью были открыты различные радиоисточники, в том числе к 1963 г. стали известны пять точечных источников космического радиоизлучения, которые сначала назвали «радиозвёздами». Но вскоре этот термин был признан не очень удачным, и эти источники радиоизлучения были названы квази-звёздными радиоисточниками, или, сокращённо, квазарами.

Исследуя спектр квазаров, астрономы выяснили, что квазары вообще самые далёкие из известных космических объектов. Сейчас известно около 1500 квазаров. Самый далёкий из них удалён от нас примерно на 15 миллиардов световых лет Световой год - расстояние, которое проходит свет за один год. Скорость света примерно равна 300 000 километров в секунду. . Одновременно он и самый быстрый. Он убегает от нас со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому размеры нашей Вселенной ограничиваются радиусом в 15 миллиардов световых лет, или 142.000.000.000.000.000.000.000 километра.

Квазар излучает свет в десятки и сотни раз сильнее, чем самые крупные галактики, состоящие из сотен миллиардов звёзд. Квазары излучают во всём электромагнитном диапазоне от рентгеновских волн до радиоволн. Даже средний квазар ярче 300 миллиардов звёзд, а блеск квазаров меняется с очень маленькими периодами - недели, дни и даже минуты. Поскольку в мире нет ничего быстрее света, то это значит, что размеры квазаров очень малы. Раз весь квазар меняет свою яркость, значит это единый процесс, который по квазару не может распространяться со скоростью большей скорости света. Например, квазар с периодом изменения яркости в 200 секунд должен иметь поперечник не более радиуса земной орбиты и при этом излучать света больше чем 300 миллиардов звёзд.

Единого мнения о природе квазаров ещё нет. Однако, они находятся от нас на таком расстоянии, что свет до нас доходит за время до 15 миллиардов световых лет. А значит, мы видим процессы, которые у нас происходили примерно 15 миллиардов лет назад, то есть после «большого взрыва».

Вот теперь мы можем сказать, что радиус нашей Вселенной примерно 15 миллиардов световых лет. Как мы отмечали выше, возраст её примерно и составляет 15 миллиардов световых лет.

Однако, на этот счет есть определённые сомнения. Действительно, квазар, чтобы послать нам луч света, уже должен быть там, где мы его видим. Поэтому, если сам он двигался со скоростью света, от точки «большого взрыва» должен лететь в течение тех же 15 миллиардов лет. Поэтому возраст вселенной должен быть, по крайней мере вдвое больше, то есть - 30 миллиардов лет.

Нельзя не отметить, что измерения характеристик объектов, находящихся на краю Вселенной, производится на пределах возможности астрономических инструментов. Кроме того, споры между учёными ещё далеки от завершения. Поэтому точность приведенных цифр весьма относительна. В связи с этим, я использую цифры, которые упоминаются в большинстве публикаций.

Что дальше за этими пределами, мы не знаем. Возможно, не узнаем никогда. И можно считать, что нет ничего. Поэтому наша Вселенная и есть Вселенная вообще.

Посмотрим, что же наполняет нашу Вселенную.

В общем, она почти пуста. В невероятно огромном пустом пространстве изредка вкраплены скопления галактик (фото 2). Сегодня крупнейшие телескопы позволяют зарегистрировать галактики по всей Вселенной, и подсчитано, что в ней около двухсот миллионов (некоторые полагают, что до полутора миллиардов) галактик, каждая из которых состоит из миллиардов звёзд. Группы скопления и сверхскопления галактик расположены главным образом в сравнительно тонких слоях или цепочках. Слои и цепочки пересекаются, соединяются друг с другом и образуют колоссальные ячейки неправильной формы, внутри которых галактик практически нет.

Понятие «чёрные дыры» во многом базируется на теории относительности Эйнштейна. Но теория эта не так уж и проста, поэтому попытаемся объяснить это понятие более понятно для непрофессионалов.

Прежде всего, мы знаем, что такое гравитация. По крайне мере знаем, что если бросить стакан, то он упадёт на землю. Земля его притягивает. Вообще все тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу. Свет тоже обладает массой. Ещё Столетов определил, что свет давит на освещённое тело. Действительно, свет это электромагнитная волна, которая обладает энергией. А энергия, согласно уравнению Энштейна - Е = mс2, обладает массой m. Поэтому свет также притягивается массой. Например, если луч света пролетает мимо планеты или звезды, то он отклоняется в её сторону. Причём, чем больше звезда притягивает свет, тем больше он отклоняется.

Может быть, такое сильное гравитационное притяжение, что свет не только упадёт на звезду, но даже квант светового излучения не сможет её покинуть. И не только свет, но и вообще ничего не сможет покинуть тело с такой мощной гравитацией. Всё на неё будет только падать. Это называется гравитационный коллапс. Тело такое называется отон (от аббревиатуры ОТО - общая теория относительности) или попросту - «Чёрная дыра».

Тем не менее есть, всё-таки, процессы при которых что-то чёрную дыру покидает. Здесь мы уже вторгаемся в область квантовой механики. Вообще говоря, квантовая механика это набор формул, которые позволяют математически описать некоторые не очень понятные физические явления в области физики элементарных частиц. Сама же природа этих явлений не очень понятна и самим физикам.

В принципе, эффекты квантовой механики происходят из-за того, что элементарные частицы являются как бы одновременно и частицами, и волнами. Причём, чем меньше частица, тем больше она проявляет волновые свойства. Мало того, очень маленькие частицы вовсе не похожи на маленькие шарики. Они как бы могут с определённой вероятностью быть в разных местах. Причём, никакие преграды их не останавливают. Но чаще всего они находятся в некотором одном месте. Этот эффект, называемый «Туннельный эффект», используется в технике. Например, в стабилитронах, это специальный полупроводниковый диод, применяемый часто в стабилизаторах напряжения, есть в блоке питания любого компьютера или телевизора. Так вот, размеры чёрной дыры сравнительно небольшие, а масса там огромная. Поэтому очень маленькие элементарные частицы в силу своей квантовой природы могут оказаться вне чёрной дыры и больше туда не возвращаются. Это называется испарение чёрной дыры. Поскольку чёрная дыра имеет своё гравитационное поле, а также магнитное и электрические поля и быстро вращается, то испаряющиеся частицы не образуют сферически симметричной оболочки вокруг чёрной дыры, а формируют как бы струи в двух противоположных направлениях.

Если чёрная дыра небольшая, то испаряется она очень быстро. Если же очень большая, и приток новой падающей на чёрную дыру массы (это называется - аккреция) компенсирует испарение, то чёрная дыра может существовать очень долго. При этом, масса вещества, появляющегося вокруг чёрной дыры за счёт её испарения, в свою очередь компенсирует массу, падающую на чёрную дыру. Именно огромные чёрные дыры и являются основой галактик.

Галактики мы видим потому, что они излучают свет, то есть энергию. Поэтому, теряя всё больше энергии и вещества, галактики стареют. Со временем баланс падающего на чёрную дыру вещества и испарившегося нарушается. Чёрная дыра теряет массу, со временем испаряется полностью, и тогда мы видим галактику неправильной формы. Галактика умирает.

IV. Что же ждёт Вселенную в будущем?

Несмотря на ускоренное расширение Вселенной, наша Галактика Млечный Путь неуклонно сближается со своей соседкой - Туманностью Андромеды. Их столкновение должно произойти еще до гибели Солнца и даже Земли. Американские астрономы построили компьютерную модель этого столкновения, чтобы понять, чем же оно грозит нашей Солнечной системе.

Поскольку Вселенная расширяется, мы видим «разбегание» галактик. Каждая галактика, которую мы наблюдаем, удаляется от Земли, Солнца, нашей Галактики. Чем дальше от нас галактика, тем больше скорость ее удаления, и эта зависимость описывается законом Хаббла, впервые обнаружившего сам факт расширения Вселенной. Но и из правил есть исключения. Наша соседка, огромная галактика в созвездии Андромеды (также известная как M31) не удаляется, а приближается к нам со скоростью 120 километров в секунду! Это означает, что через несколько миллиардов лет две галактики - Туманность Андромеды и Млечный Путь - достигнут друг друга, и начнется долгий процесс слияния двух звездных островов.

Это слияние будет катастрофичным для обеих галактик: они до неузнаваемости изменят свою форму, спиральные рукава разорвутся под действием гравитации, а траектории движения звезд в галактиках изменятся. Так что же тогда произойдет с нашей Солнечной системой?

К счастью, ничего страшного, утверждают астрономы Томас Кокс и Абрахам Лоуб из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Кембридж, штат Массачусетс, США). Они провели детальное математическое исследование, итогом которого стала статья в которой они приводят результаты моделирование катастрофы космического масштаба и оценивают варианты будущего для нашей Солнечной системы.

Наша Галактика (Млечный Путь) и галактика в созвездии Андромеды (Туманность Андромеды) вместе с 40 меньшими звездными островками входят в Местное скопление галактик в качестве двух самых крупных членов этой группы. Тогда как большинство галактик удаляются прочь от нас, повинуясь расширению Вселенной, Местное скопление галактик связано гравитационным взаимодействием, которое не дает его составляющим разбегаться.

4,7 миллиарда лет тому назад (когда образовалось наше Солнце) Туманность Андромеды и Млечный Путь находились на расстоянии 4,2 миллиона световых лет друг от друга. Но поскольку галактики сближаются, к настоящему времени это расстояние сократилось до 2,6 миллионов световых лет. Сближение продолжается и приведет в конце концов к столкновению. Тем не менее расчеты показывают, что столкновение не будет «лобовым». Через 2 миллиарда лет две галактики лишь «зацепятся» спиральными рукавами: их ядра пройдут друг от друга на расстоянии пары сотен тысяч световых лет. Тем не менее, этого расстояния будет достаточно, чтобы галактики закрутились в смертельной гравитационной спирали.

Во время этого первого взаимодействия, с вероятностью 12%, Солнечная система будет вышвырнута из галактического диска Млечного Пути и попадет в приливной хвост, который начнет истекать из нашей Галактики. А с вероятностью менее 3% Солнце наберет такую скорость, что перейдет в галактику М31, покинув Млечный Путь (но, останется в общей звездной системе).

Ко времени начала столкновения Земля еще будет обращаться вокруг Солнца по своей орбите. Но через 2 миллиарда лет возрастающее излучение Солнца будет угрожать жизни на Земле больше, чем космическое столкновение. Чтобы сохранить жизнь на нашей планете, будущим ученым придется найти способ перемещения голубой планеты на безопасное расстояние от разбушевавшегося светила.

После первичной зацепки рукавами галактики создадут своей гравитацией общий центр тяжести и начнут обращаться вокруг него по странной, изменяющейся орбите. Завернув под действием притяжения друг к другу, галактики вновь «зацепятся» уже изрядно «потрепанными» спиралями. Затем борьба продолжится, и галактики, немного отдаляясь и вновь сталкиваясь, будут «дергать» друг друга за бока еще и еще, пока в конце концов из обеих систем не образуется гигантский рой звезд, который также будет двигаться вокруг общего центра тяжести.

Но в центрах обеих галактик имеются супермассивные черные дыры, которые в этом катаклизме должны будут сблизиться друг с другом по спирали и соединиться в одну еще более массивную черную дыру. На сегодняшний день известно, что двойные супермассивные черные дыры могут стать весьма активными галактическими «печками», способствующими активизации окружающего их газа и пыли для последующего бурного звездообразования. По всей вероятности, такие взаимодействия вытолкнут Солнце во внешний ореол новой галактики на расстояние по крайней мере 100 000 световых лет от центра, что, впрочем, благополучно позволит избежать участи быть проглоченным черной дырой.

Через 7 миллиардов лет, когда наше Солнце будет находиться на последнем этапе своей жизни, превратившись в красный гигант, а Земля (если не переместится на другую орбиту) будет представлять из себя раскаленный шар, галактики сольются окончательно, и во Вселенной появится новая галактика - Milkomeda (Млечномеда), как назвали ее авторы статьи.

Млечномеда будет огромной эллиптической галактикой, без какого-либо намека на спиральные рукава, которые когда-то украшали обе исходные галактики. Далее новую звездную систему ждет спокойная и размеренная жизнь, лишенная навсегда эксцессов, связанных со столкновениями. Бурное звездообразование уступит место равномерному и медленному образованию новых звезд из оставшегося газа и пыли.

Через 100 миллиардов лет все окружающие Млечномеду галактики (за исключением гравитационно-связанных), повинуясь закону Хаббла, исчезнут из поля зрения ее жителей. Это не значит, что галактики испарятся. Просто они удалятся настолько, что достигнут в своем разбегании скорости света, поэтому испущенные звездами этих галактик фотоны уже не смогут достичь Млечномеды. Внегалактическая астрономия утратит свой смысл и закончится, а Млечномеда будет представлять из себя всю видимую Вселенную.

Через 100 миллиардов лет...

Заключение

Я постарался выяснить некоторые моменты, связанные с «разбеганием» Галактик (расширением Вселенной). Мы можем наблюдать (и наблюдаем) источники, которые и в момент излучения, и сейчас имеют скорость убегания, превышающую скорость света. Расстояния до далеких объектов превышают произведение скорости света и возраста Вселенной. Расстояние, на котором скорость убегания сравнивается со световой, не является горизонтом (т.е. границей видимой части Вселенной), и вообще не является физически выделенным расстоянием (объекты прямо перед этой границей и прямо за ней ничем не отличаются принципиально, как не отличаются и условия их наблюдений). Горизонтом наблюдаемой Вселенной является горизонт частиц, на нем источники имеют бесконечные красные смещения.

Российские астрономы проводят наблюдения на многих телескопах России, ближнего и дальнего зарубежья: на 6-метровом оптическом телескопе и на 600-метровом радиотелескопе Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук, на телескопах Пулковской и Крымской обсерваториях, а также на некоторых крупных телескопах во Франции, Испании и даже на Гавайских островах.

Современная астрономия изучает самые разнообразные объекты - от близких к нам планет и их спутников до далеких галактик, квазаров и скоплений галактик. Вот некоторые из их основных тем, над которыми работают российские ученые:

- фрактальная структура Вселенной;

- галактики на сверхбольших расстояниях;

- наблюдения галактик с активными ядрами;

- теория образования галактик;

- скрытая масса в галактиках;

- исследование спиральной структуры нашей Галактики;

- обработка сверхточных данных о положениях звезд со спутника;

- процессы взаимодействия излучения и вещества в различных космических объектах;

- наблюдения рентгеновских источников;

- синтез химических элементов в звездах;

- изучение звезд с протопланетными системами;

- новые математические методы обработки астрономических наблюдений;

- расчет конструкции и оптики телескопов.

Список литературы:

И. Климишин «Элементарная астрономия».

С. Хокинг «От Большого Взрыва до черных дыр». Физика космоса: маленькая энциклопедия.

Интернет-сайт www.sciam.ru.

Страницы: 1, 2, 3