До этого мы знакомились с гипотезами о возникновении Малой Вселенной и о возможных свойствах материи в ней во времени. Сейчас посмотрим на реально существующую Вселенную с ее космическими телами, в том числе и на место расположения нашей Солнечной системы в галактике Млечный Путь. Начнем с того, что мы видим. Звезды, которые мы видим на ночном небосводе – часть гигантской системы, состоящей из 100 [6, 11] – 150 [22] миллиардов звезд и большого количества облаков газа и пыли, так называемой Галактикой. Она, в свою очередь, – одна из многих миллиардов подобных систем во Вселенной и мы ее пишем с прописной буквы, в отличие от других [6]. Галактики сильно отличаются друг от друга по размерам и форме, но они имеют одно важное общее свойство: каждая галактика представляет собой замкнутую систему, которая удерживается от распада своим собственным гравитационным полем и в которой на протяжении всей ее истории формируются новые звезды. Галактика – не статическая, а скорее все время изменяющаяся система. Мы наблюдаем ее нынешнее временное состояние – результат, может быть, десятки миллиардов лет развития – точно так же, как если бы мы видели снимок одного мгновения из жизни растущего организма. Задача астрономов заключается в воссоздании истории прошлого и предсказании будущей эволюции Галактики по ее внешнему виду в это единственное мгновение. Прежде всего, Вселенная – лишь доступная сегодня исследованию астрономией часть бесконечного пространства Мироздания как форма бытия материи. Посмотрите на небо ясной безлунной ночью. Множество звезд окружает нас. Вы знаете, что они удалены на расстояния, огромные по сравнению с земными масштабами. Вы вообще знаете совсем немало об устройстве окружающего нас мира. Почувствуйте, как малая песчинка Мироздания, планета Земля, вращается и перемещается в пространстве. Прежде всего, нам нужно отчетливо ориентироваться в пространстве. Звездное небо и является нашей первой системой отсчета, фиксирующей направления во Вселенной. Звезды разнообразны. Одни ярко мерцают, другие – едва заметны. Цвет одних – голубоватый, других – желтый, третьи имеют красноватый оттенок. Этому явлению есть свое объяснение. Звезды расположены неравномерно: есть участки неба, где они редки, а вот через весь небосклон проходит сливающаяся звездная полоса. Мы называем ее Млечным Путем, общий вид которого показан на рис. 1.
Рис. 1. Спиральная галактика NGC 5236. Наше Солнце (в рамке) – маленькая звезда в галактике Млечный Путь
Млечный значит молочный. И древние греки называли это почти равномерно светящееся скопление звезд так же: киклос галактикос – круг молочный. Он представляется нам в виде неяркой полоски света, которая, как обнаруживают телескопы, состоят из мириадов слабых звезд. Его вид является несколько нерегулярным, так как большие облака пыли скрывают звезды, находящиеся позади них. Млечный Путь особенно широк и ярок в созвездии Стрельца. Этот район неба, известный как звездное облако в созвездии Стрельца, наиболее хорошо виден в Южном полушарии; на средних и северных широтах он может наблюдаться в середине лета, в полночь низко в Южной части неба [50]. Звезды расположены на небесном своде, концентрируясь около Млечного Пути. В сильный телескоп видно, что и сам Млечный Путь состоит из отдельных звезд. Но они так тесно проектируются на небосвод, что невооруженному глазу представляются сплошным светящимся облаком. При наблюдении с Земли видно, что Млечный Путь простирается через все небо, от горизонта до горизонта. Но с точки зрения космонавта, который видит все звездное небо целиком, Млечный Путь замкнут – он является звездным поясом, окружающим нас. Много лет назад было установлено, что распределение звезд означает следующее: объекты на галактической плоскости распределены качественно по определенной закономерности, что видно на рис. 2. Чем дальше от центра Галактики, тем содержание металлов в звездах меньше. Наша звездная система сплющена, а Солнечная система расположена близ плоскости Млечного Пути, что видно на рис. 3. На рис. 3 пунктирная линия ограничивает центральное сгущение и диск, сплошные линии в плоскости Галактики показывают тонкие слои пыли и газа, в которых формируются новые звезды. Точками обозначены шаровые скопления, распределенные в гало и концентрирующиеся к центру. Положение Солнца обозначено окружностью.
Рис. 2. Распространение различных объектов по галактической долготе и широте: а – шаровые скопления; б – звезды типа PV Тельца с сильными спектральными линиями; в – звезды типа PV Тельца со слабыми спектральными линиями; г – звезды типа PV Тельца, богатые углеродом. В прямоугольнике 31 шаровое скопление
Рис. 3. Поперечное сечение Галактики (схематическое изображение) В середине XX века Х. Шепли из распределения шаровых скоплений звезд сделал заключение, что Солнце находится вдали от центра Галактики, который расположен в направлении созвездия Стрельца на расстоянии, как теперь полагают, равном приблизительно 30000 световых лет [6, 50]. Если смотреть на небо долго или запомнить расположение звезд и посмотреть в другой раз, то легко заметить, что положение их изменилось. Но меняется оно – как целое. Поворачивается весь окружающий нас звездный мир. Вы, конечно, знаете, что на самом деле это Земля повернулась относительно него. Представьте себе, что вы наблюдаете звездный мир с орбиты искусственного спутника Земли. Тогда за пол-оборота, меньше чем за час, вы сможете оглядеть всю Вселенную. Рассеянный свет атмосферы не будет мешать – вы увидите звезды даже вблизи Солнца. В космосе звезды не мерцают, это явление вызвано движением воздуха. Взаимное расположение звезд на небесной сфере всегда практически неизменно. И в древнем мире люди видели почти такую же картину звездного неба: относительное перемещение звезд за несколько тысяч лет очень невелико, поэтому созвездия сохранили свои очертания. Многие созвездия получили свои имена в глубокой древности. Строго говоря, созвездия – это 88 отдельных участков, покрывающих всю небесную сферу, их границы определены Международным астрономическим союзом в 1922–1930 годах. Созвездия исторически связаны с группами звезд, видимых невооруженным глазом, а древние названия созвездий, по-видимому, соответствуют фигурам, которые можно получить при их мысленном соединении. Нам известны рисунки астрономов древности. До нас эти названия дошли от греков, но сами греки взяли за основу деление звездного неба на созвездия из Древнего Вавилона. Интересно, что в Древнем Китае группирование звезд в созвездия было совершенно иным. Существуют 12 созвездий, называемых созвездиями Зодиака: Овен ((), Телец ((), Близнецы ((), Рак ((), Лев ((), Дева ((), Весы ((), Скорпион ((), Стрелец ((), Козерог ( ), Водолей ((), Рыбы ((). В скобках указываются астрономические знаки, придуманные в древности для сокращенного обозначения этих созвездий. Зодиак – греческое слово, означающее «звериный», хотя среди названий его созвездий не одни только звери [6]. Кроме зодиакальных созвездий есть еще два других: Змееносца и Кита. Современный уровень развития науки позволяет астрономам определять расстояния до звезд. Однако теории происхождения и размеров Вселенной непрерывно изменяются, причем конкурирующие между собой теории не имеют под собой твердой экспериментальной основы. Тем не менее, ведущие космологи считают, что в настоящее время наши знания в этой области накапливаются столь быстро, что уже в ближайшее время новые открытия позволят нам принять одну из теорий и отвергнуть все остальное. Оказывается, лишь изредка звезды, расположенные рядом в созвездии, и на самом деле близки друг к другу. В большинстве случаев «соединенные» звезды находятся на совсем разных расстояниях от нас и только зрительно совмещены. Расстояния до звезд очень велики. Так, одна из ближайших к нам звезд, Вега из созвездия Лиры, находится на расстоянии 2,5·1017 м, в полтора миллиона раз дальше, чем Солнце. Свет Веги доходит до нас через 26,5 лет. Именно такими большими расстояниями и объясняется тот факт, что расположение звезд в созвездиях кажется неизменным. На самом деле звезды перемещаются друг относительно друга. Можно измерить их скорости. Оказывается, что характерная величина скоростей звезд составляет 100 км/с. Оценим, однако, через какое время звезда, движущаяся с такой скоростью перпендикулярно направлению на звезду, но расположенная очень близко, скажем как Вега, сместится относительно других, далеких звезд, например, на 1°. Это время равно ( 4(1010 с ( 1400 лет. Есть, правда, звезды, перемещающиеся по небесной сфере и быстрее, чем на градус в полторы тысячи лет, но таких считанные единицы. Большинство изменяют свое положение намного медленнее – они расположены дальше Веги. Поэтому-то в древнем мире вид созвездий и был почти таким же, как сегодня. Заметьте, впрочем, что измениться он может не только из-за перемещения звезд, но и вследствие изменения светимости отдельных звезд. Известно, например, что о Бетельгейзе, теперь красной звезде, в древних китайских хрониках упоминалось как о звезде желтой. К сожалению, пока еще нет возможности уверенно рассчитать в прошлое эволюцию большого числа звезд и восстановить их светимости в древности. Центр Галактики заслонен от нас плотными пылевыми облаками, лежащими в галактической плоскости. Тем не менее, мы знаем, что звездное облако в Стрельце, простирающееся по обе стороны от галактической плоскости и более яркое к югу от нее, где пылевые облака тоньше, занимает область, которая непосредственно примыкает к центру Галактики и в которой звезды распределены гораздо более тесно, чем вблизи Солнца. Это явление известно как центральное сгущение («балдж») нашей Галактики; подобные структуры можно наблюдать и в других галактиках. Наше Солнце – это только одна звезда из невообразимого множества звезд в спиральном рукаве нашей галактики Млечный Путь, а эта Галактика, в свою очередь, лишь крошечная частичка Вселенной. Невооруженным глазом мы можем разглядеть на небе несколько слабо светящихся пятен, которые на самом деле являются другими галактиками, например, красивая и более крупная Туманность Андромеды. Последняя показана на рис. 4 [36]. Она похожа на Млечный Путь в нашей Галактике. Млечный Путь, Туманность Андромеды и еще примерно 20 галактик удерживаются вместе гравитационным полем, образуя скопление галактик, и все эти галактики занимают только маленький участок бесконечного пространства в гигантском сверхскоплении галактик [6].
Рис. 4. Большая Туманность в созвездии Андромеды Интересно знать, что диаметр нашей галактики Млечный Путь составляет примерно квинтиллион, или 1000000000000000000 (1018) км. Свет пересекает нашу Галактику за 100000 лет, и только в одной этой Галактике 150 млрд звезд [22]. Нет сомнения в том, что вокруг почти каждой из этих звезд, как у Солнца, обращаются по несколько спутников – планет, тоже со своими спутниками. Они пока очень редко поддаются обнаружению. Вселенная содержит бесчисленное множество сверхскоплений, и это еще далеко не полная ее картина. Скопления галактик располагаются в пространстве неравномерно. При очень сильном увеличении они выглядят как тонкие ленты и нити, опоясывающие огромные, похожие на пузыри, пустоты. Некоторые скопления такие длинные и широкие, что напоминают Великую китайскую стену. Все звезды, которые мы видим, принадлежат галактике Млечный Путь. До 1920-х годов эта Галактика считалась единственной. Но, вероятно, вам известно, что впоследствии в результате наблюдений с помощью более мощных телескопов выяснилось – это совсем не так. В нашей Вселенной, по меньшей мере, 50000000000 галактик. Не 50 млрд звезд, а не менее 50 млрд галактик, в каждой из которых миллиарды звезд, подобно нашему Солнцу. Но научные взгляды 1920-х годов перевернуло даже не открытие ошеломляющего количества огромных галактик. Оказалось, что все эти галактики движутся. Астрономы открыли нечто поразительное: когда свет, испущенный галактиками, проходил через призму, длина световых волн оказалась больше, свидетельствуя о том, что галактики с огромной скоростью удаляются от нас. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Из этого следует, считают астрономы, что Вселенная расширяется! Еще один пример. В 1905 году ученые заметили, как необычно повела себя при взрыве в своей галактике звезда SN1995К – самая далекая из всех когда-либо наблюдаемых звезд. Подобно сверхновым в соседних галактиках, эта звезда сначала стала очень яркой, а затем медленно погасла; однако гасла она необычно долго. Этому явлению ученые дали следующее объяснение: «Кривая света… вытянута вдоль оси времени ровно на столько, сколько ожидалась бы, если бы эта галактика удалялась от нас со скоростью, равной почти половине скорости света». Отсюда сделали вывод, что это «самое лучшее доказательство того, что Вселенная действительно расширяется». Так или иначе, расширение Вселенной связывают, т. е. считают следствием Большого Взрыва. По этой гипотезе когда-то, более чем 20 млрд лет тому назад, вся материя Вселенной была сконцентрирована в объеме шара размером, равным орбите Юпитера, с бесконечно большой плотностью, близкой к состоянию сингулярности. Это уже по объему начальной материи, а в нулевой момент – несколько отличная гипотеза. Таким образом, вся картина расширяющейся Вселенной выглядит так, как будто весь мир вначале сжат в точку, а затем взорвался и разлетается. Чем с большей скоростью вылетела материя, тем дальше успела она удалиться. Самые далекие из обнаруженных галактик удаляются со скоростью, сравнимой со скоростью света. Однако полной аналогии между обычным взрывом и расширением Вселенной нет. Тем не менее, вполне закономерен вопрос: сколько времени прошло с момента этого Большого Взрыва? В начале тридцатых годов двадцатого столетия американский астроном Э. Хаббл на основе наблюдений доказал, что скорости удаленных галактик направлены от нас. Более того, чем дальше расположена галактика, тем быстрее она убегает. Скорости галактик пропорциональны расстояниям до них – это утверждение называется законом Хаббла. Найти точно коэффициент пропорциональности трудно – слишком далек масштаб расстояний во Вселенной от наших земных эталонов длины. Величина постоянной Хаббла H лежит в пределах от 50 до 100 км/(с·Мпс). Она показывает, на сколько возрастает скорость разбегания галактик при удалении на каждый мегапарсек. Парсек – астрономическая единица длины, равен расстоянию, с которого радиус земной орбиты виден под углом 1°, т. е. мегапарсек равен 3,086·1022 м. Если постоянную Хаббла из астрономических единиц перевести в физические, то получим, что H ~ 3·10-18 с-1. В самом первом приближении, пренебрегая гравитацией, оценить возраст Вселенной несложно. Считая, что галактики разлетаются со скоростями, не зависящими от времени, получим [6]: t0 ≈ H-1 ~ 3(1017 c ~ 1010 лет. Более точные расчеты показывают, что возраст Вселенной лежит в пределах от 14 до 20 млрд лет. Время, отсчитанное от момента начала расширения, называют космологическим. Существуют и «часы», пригодные для измерения промежутков времени в миллиарды лет. Такие возможности дают радиоизотопные методы. Периоды полураспада у разных изотопов различны. Известно более тысячи изотопов элементов таблицы Периодической системы элементов (Менделеева). Из них 278 стабильны или имеют периоды полураспада, значительно превышающие возраст Вселенной. Различные изотопы химических элементов образуются при ядерных реакциях в центральных областях звезд. Изотопы с периодами полураспада в 105–107 лет звездного происхождения уже не сохранились в земной коре. На Земле эти изотопы стали возникать только после 1945 года в результате ядерных взрывов и управляемых ядерных реакций. Наконец, несколько изотопов имеют периоды полураспада, сравнимые с возрастом Вселенной. Это два изотопа урана 235U и 238U, торий 232Th, калий 40К и стронций 87Sr. Они свидетели тех времен, когда происходило образование Солнечной системы. По относительной концентрации их самих и продуктов их распада можно установить возраст древнейших образцов пород – время, прошедшее с момента последнего затвердевания. Исследования земных и лунных пород, а также вещества метеоритов показывают, что в окружающей нас части Солнечной системы нет вещества старше 4,6 млрд лет. Поэтому считается, что Солнечная система образовалась около 5 млрд лет назад [6]. Замечательно, что найденный радиоизотопными методами возраст Солнечной системы не противоречит возрасту Вселенной, определенному по разбеганию галактик, но меньше его и того же порядка. Большой Взрыв, прослеживаемый по разбеганию галактик, разогрел вещество Вселенной до очень высоких температур. При расширении эта температура падала, изменялось и излучение, равномерно заполнившее Вселенную. Но этот первичный свет существует и сегодня – невидимый глазу, он регистрируется радиотелескопами. Оказывается, сейчас температура теплового излучения Вселенной равна 3 К. Это излучение и есть дошедшее до нас свидетельство высоких температур в начале расширения мира. По этой причине оно называется реликтовым, т. е. оставшимся от далекого прошлого.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Что знаем мы о Вселенной?» з дисципліни «Екологія Всесвіту»
