В прошлом астрономам мало было известно о галактиках— гигантских звездных структурах, разбросанных по всем бесконечным далям Вселенной. Далекие туманные объекты привлекли повышенное внимание лишь после изобретения телескопа. Постепенно было открыто около 100 таких объектов, и уже в ХVIII веке был составлен первый каталог туманностей. За восемь лет до штурма Бастилии и начала Великой французской революции член Парижской академии Шарль Мессье (1730--1817) опубликовал список из 103 галактических туманностей, которые отныне получили порядковый номер рядом с первой буквой фамилии французского астронома. Среди них, конечно же, были и одни из самых прекрасных созданий природы, космических «чудес света» -- спиральные галактики, олицетворением которых может служить туманность в созвездии Андромеды (М31 -- по каталогу Ш. Мессье), видимая, кстати, при благоприятных условиях наблюдения невооруженным глазом -- в форме небольшого размытого светящегося пятнышка. Другие (неспиральные) галактики, видимые без зрительных приборов, но только в Южном полушарии, -- Большое и Малое Магеллановы облака, -- были открыты во время кругосветного плавания сподвижников великого португальского мореплавателя и названы в его честь. Впоследствии оказалось, что это ближайшие к нам «звездные континенты». Спиральная форма далеко не обязательная и тем более не доминирующая во Вселенной. Достаточно распространены, к примеру, эллиптические галактики. Чрезвычайный исследовательский интерес представляют те из галактик, которые связаны между собой перемычками («мостами»). Существуют и небольшие—карликовые галактики (одна такая была открыта совсем недавно британскими астрономами в качестве крохотного спутника Млечного Пути). Чтобы достичь самых близких галактик, свету требуются сотни лет. Самые дальние из открытых на сегодня удалены от Земли на миллиарды световых лет. До 20-х годов нынешнего века не было доподлинно известно, чем же на самом деле являются галактики. Бытовало мнение, что это космическое газообразное вещество, из которого формируются звезды и планеты. Мало у кого вызывало сомнение, что таинственные туманности составляют структуру однородного звездного мира. Хотя еще шведский натурфилософ и теософ-мистик Эммануил Сведенборг (1688--1772) высказывал проницательную догадку, что хорошо всем известный Млечный Путь, быть может, является гигантской «звездной сферой», одной из бесчисленных и необъятных множеств подобных сфер. В конце ХVIII века Вильям Гершель, наблюдавший туманности с помощью своего гигантского телескопа, сумел различить в них отдельные звезды. Время от времени высказывались соображения о туманностях как об объектах, находящихся за пределами гигантской звездной структуры, куда входит наше Солнце. Но к единому мнению ученые-астрономы не пришли. Не хватало достоверных фактов. Главным виновником очередной революции в астрономии стал выдающийся американский ученый-космист Эдвин Хаббл. Америке невероятно повезло, причем вдвойне. Во-первых, в начале 1920-х годов в Маунт-Вилсонсовской обсерватории (Калифорния) вступил в строй крупнейший для того времени телескоп с диаметром зеркала 2,5 м. Он позволял делать высокоразрешающие снимки далеких объектов. Во-вторых, с этим телескопом стал работать не кто-то иной, а именно Хаббл. По полученным фотографиям он быстро установил, что все размытые пятнышки многочисленных туманностей в действительности—гигантские космические системы, состоящие из миллиардов звезд. Хаббл же предложил и первую классификацию галактик, выполненную в удобной графической форме -- в виде «камертона» (рис. 56). В ручке «камертона» находятся эллиптические галактики различных форм—от шара до линзы. По развилке располагаются спиральные галактики -- по мере изменения их «орнамента». Спиральные рукава -- результат вихреобразного вращения гигантских звездных систем. Но закономерности их образования те же, что и в обычной гидродинамике. Точно так же образуются, к примеру, циклоны в атмосфере Земли и похоже они выглядят на фотографиях, сделанных со спутников из Космоса. Вихревая концепция Мироздания давно и плодотворно используется в космогонии и восходит к классическим работам Кеплера и Декарта. Впоследствии вихревую модель успешно применили Кант и Лаплас при разработке чрезвычайно популярной в свое время небулярной теории происхождения Солнечной системы. Установлено, что основную массу во Вселенной составляют спиралевидные галактики: их около 75%, эллиптических -- 20%, а имеющих неправильную форму -- 5 %. Самих же галактических систем в безднах Космоса просто не счесть: чем дальше вглубь -- тем все больше новых и новых галактик. Расположены они на значительном отдалении от нашей собственной Галактики—системы Млечного Пути. И главное -- являются основными структурными элементами самой Вселенной. Раздвинув границы наблюдаемой Вселенной до 500 миллионов световых лет, Хаббл насчитал в этом участке бесконечного Космоса до 100 миллионов галактик. В настоящее время счет галактик ведется на миллиарды. Число звезд в самых больших из них оценивается до 1012 --10 13 (для сравнения: количество звезд в нашей собственной Галактике -- 1011). Подсчет звезд и галактик в настоящее время производится автоматически с помощью специального оборудования. Ученые обнаружили в мире галактик даже такие процессы, которые наталкивают на аналогии с миром живых явлений. Так, американский астроном Джон Гриббин привел в 1977 году фотографию, напоминающую процесс родов у животных и человека: из материнской галактики как бы извергаются галактики-эмбрионы. У других галактик, по-видимому, есть щель, сопряженная с расположенными поблизости галактиками и вращающимися вокруг «матки»*. Хабблу принадлежит и названный его именем закон установления зависимости расстояния галактик от красного смещения в их спектрах. Впоследствии на данном основании было сделано предположение о разбегании галактик. Парадоксальность ситуации заключается в том, что сам Хаббл долгое время отрицал сам факт расширения Вселенной и отстаивал ее устойчивую модель. В главном своем труде «Мир туманностей» он писал: «Тщательное исследование возможных источников ошибок показывает, что наблюдения, по-видимому, согласуются с представлениями о нескоростной природе красных смещений <...> В теории до сих пор продолжается релятивистское расширение Вселенной, хотя наблюдения и не позволяют установить характер расширения <...> Исследование будет продолжено. Пока не исчерпаны возможности эмпирического подхода, не следует погружаться в призрачный мир умозрительных построений»**. Хотя в представлении современного читателя Хаббл считается чуть ли не отцом концепции «Большого взрыва», сам он до конца дней своих относился подчеркнуто осторожно (и даже настороженно) к подобной «славе», предпочитая использовать по отношению к новомодной теории сослагательное наклонение, оговорки и вводные предложения и постоянно высказываясь в том смысле, что не за горами, дескать, более надежное и непарадоксальное представление о начальных и ранних этапах происхождения Вселенной. Вот что, к примеру, говорил он на лекции, прочитанной на собрании английского королевского астрономического общества за четыре месяца до смерти: Я намерен рассмотреть закон красного смещения,-- связь между расстояниями туманностей и смещениями линий в их спектрах. Это одна из двух обнаруженных характеристик той части Вселенной, которая может быть изучена и, вероятно, способна дать представление о состоянии Вселенной как целого. По этой причине важно, что закон, определяющий эмпирическую связь между данными наблюдений, был установлен вплоть до пределов, достижимых самыми крупными телескопами. Тогда с ростом точности перечень возможных интерпретаций, допускаемых неуверенностью наблюдения, может быть соответственно сокращен. Итак, когда будет достигнута окончательная формулировка [закона], свободная от систематических ошибок и с достаточно малыми случайными погрешностями, число конкурирующих интерпретаций будет сведено к минимуму. Эдвин Хаббл. Закон красного смещения. Красное смещение—обычное физическое явление (рис. 57), но объясняется оно вовсе не «разбеганием» источников электромагнитного излучения, а тормозящим действием сил тяготения, приводящим к уменьшению скорости света. В спектре Солнца также наблюдается красное смещение, но из этого, разумеется, не вытекает, что Солнце «убегает» от Земли. Существуют и иные объяснения факта красного смещения: 1) «старение» света, то есть потеря фотоном части своей энергии при движении в пространстве (А.А. Белопольский -- Россия); 2) аннигиляция (исчезновение) вещества (Х. Альвен—Швеция); 3) зависимость массы элементарных частиц и излучения от времени (Ф. Хойл -- Англия; Дж. Нарликар—Индия) и т.д. Как тут не вспомнить старый афоризм Паскаля: «Нет несчастия хуже того, когда человек начинает бояться истины, чтобы она не обличила его». Хотя нас окружает бессчетное число галактик, человека, конечно же, в первую очередь интересует и всегда будет интересовать его собственный дом -- Галактика Млечного Пути (рис. 58). Он постоянно напоминал о себе, всегда был перед глазами—во всякие эпохи и в любых концах земли. И во все времена люди задавались вопросом: что же за расчудесное явление раскинулось у них перед глазами. В одном из астрономических трактатов Аристотеля Млечному Пути посвящена отдельная глава. Великий Стагирит приводит различные мнения относительно его происхождения, высказанные различными мыслителями -- от Пифагора до современных ему ученых. Но формулирует и собственную точку зрения, исходя из науки того времени. При этом выдвигается верная в общем-то догадка, что Млечный Путь является своего рода «хвостом», наподобие кометного, но созданным не одним небесным телом, а множеством звезд. Мы же поведем рассуждение, повторив наши исходные положения. Как уже было сказано, внешний [слой] так называемого воздуха имеет свойства огня, так что, когда движение [неба] разрежает воздух, выделяется такой состав, каким и являются, по нашему учению, кометы. Нам следует представлять себе возникновение [Млечного Пути] подобным возникновению [комет], когда такое выделение образовалось не само по себе, но под действием какой-нибудь неподвижной или блуждающей звезды. Эти [светила] кажутся тогда кометами, потому что при перемещении им сопутствует такое же образование, что и Солнцу, из-за которого, как мы утверждаем, благодаря отражению и появляется гало (когда у воздуха оказывается необходимый [для этого] состав). Следует признать, что происходящее с одной из звезд происходит и со всем небом, и со всем верхним обращением, ибо вполне разумно [предположить], что если движение одной звезды, то тем более движение всех [звезд] производит такое действие и воспламеняет [воздух], разрежая его из-за величины круга [вращения], прежде всего там, где звезды особенно часты, особенно многочисленны и велики. В круге Зодиака такой состав разрушается ходом Солнца и блуждающих звезд, именно поэтому большинство комет образуется вне тропиков. Кроме того, у Солнца и Луны хвосты, [как у комет], не образуются, ибо рассеивание [происходит] слишком быстро, чтобы такой состав успел образоваться. Между тем круг, в котором является наблюдателю Млечный Путь, -- самый большой круг и расположен он так, что далеко выходит за тропики. Добавим к этому, что эта область заполнена самыми большими и яркими звездами, а кроме того, так называемыми рассеянными звездами (они видны совершенно ясно). Аристотель. Метеорологика Лишь в середине нынешнего века стало ясно, что Млечный Путь—гигантский рукав скрученной в спираль огромной звездной системы, одной из множества давно известных спиральных галактик. Диаметр Млечного Пути -- 100 000 световых лет. Количество составляющих его звезд превышает 100 миллиардов (точная цифра пока не установлена). Спиралью Млечный Путь -- так же, как и любая другая галактика данного типа, -- предстает, естественно, только будучи повернутым к наблюдателю своим «лицом». С ребра спиральная галактика выглядит наподобие линзы—выпукло-шарообразная центральная часть и дископодобный обод (рис. 59). Однако наша Галактика не ограничивается одними лишь звездами, образующими ее диск. Несколько процентов от общей галактической массы составляют межзвездный газ и галактическая пыль. На некотором отдалении от галактического диска разбросано множество звездных шаровых скоплений—своего рода спутников Галактики. Каждое такое скопление содержит до миллиона звезд. Наконец, сравнительно недавно выяснилось, что Галактика имеет еще и протяженную корону, которая простирается на расстояние, в несколько десятков раз превышающее диаметр диска. (Схематически это изображено на рис. 60.) Диск Галактики вращается в виде целостности -- наподобие тарелки. Угловая скорость вращения вокруг центра отдельных звезд разная. Вращение Галактики было открыто в 1925 году нидерландским астрономом Яном Хендриком Оортом (1900--1992). Он же определил и положение ее центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца. Расстояние до него составляет приблизительно 30 000 световых лет. Изучая относительное движение звезд, Оорт установил также, что Солнце движется и вокруг центра Галактики по орбите, близкой к круговой, со скоростью 220 км/сек (современные измерения доводят эту величину до 250 км/сек). Полный оборот вокруг центра совершается примерно за 2,2.108 лет. Подсчитано, что для создания притяжения, которое заставило бы Солнце двигаться по орбите на указанном расстоянии и с указанной скоростью, центр Галактики должен иметь массу, в 90 000 000 000 раз превосходящую массу Солнца. Если принять, что в центре Галактики сосредоточено 90% ее массы, то общая масса Галактики должна быть в 100 000 000 000 раз больше массы Солнца. Отсюда делается вывод, что именно такое количество звезд (то есть единица с 11 нулями) составляет нашу Галактику (хотя некоторые ученые называют более высокую цифру). Установлена и скорость вращения некоторых других галактик; она колеблется от 100 до 300 км/сек. Так как мы находимся внутри собственного дома -- Галактики, -- нам не дано воочию увидеть ни великолепия спиральных рукавов, ни ядра, в центре которого находится таинственный источник колоссальной энергии (подсчитано, что его мощность равна 100 миллионов Солнц, хотя размеры не столь велики—примерно в пределах орбиты Юпитера). Ученые верно подметили, что наша Галактика (как, впрочем, и другие) чрезвычайно напоминает живой организм. Она обладает своего рода обменом веществ -- своего рода «космическим метаболизмом». Различные объекты Галактики и составные элементы ее иерархии находятся в состоянии непрерывного взаимодействия*. А что же творится вокруг нашего галактического острова? Что находится в далях бесконечности, там, куда едва достают самые мощные радиотелескопы? Еще совсем недавно ученые полагали, что галактики образуют во Вселенной достаточно однородную массу, равномерно и монотонно распределяясь в необозримом космическом пространстве. Все оказалось не так! Обнаружилось, что на самом деле галактики сбиты в комки, а между ними -- зияющие пустоты. Причем комья эти образованы не отдельными галактиками, а их скоплениями, известными астрономам и раньше. По существу, вся Вселенная состоит из подобных сверхскоплений. Обычные скопления образуют сверхскопления, подобно бусинкам на нитке. Так была открыта крупномасштабная структура Вселенной -- одно из значительных достижений теоретической космологии, наблюдательной астрономии и практической астрофизики в конце ХХ века**. См.: Мухин Л.М. Мир астрономии: Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках. М., 1987. С. 108. ** См.: Пиблс Ф.Дж.Э. Структура Вселенной в больших масштабах. М., 1983; Бернс Дж. О. Гигантские структуры Вселенной // В мире науки. 1986. No 9. Самые большие из обнаруженных на сегодня сверхскоплений напоминают длинные волокна или же сферические оболочки, состоящие из сотен и даже тысяч галактик. Самое большое из обнаруженных скоплений имеет протяженность более 1 миллиарда световых лет. Такое вытянутое галактическое волокно было открыто в области созвездий Персей и Пегас. Начинаясь вблизи Персея, оно, плавно изгибаясь, уходит в южном направлении. Здесь можно насчитать 16 структурных элементов, состоящих из галактических «кучек». Между ними равномерные зазоры длиной по 160 миллионов световых лет. Космические пустоты столь же протяженны. Так, измеренные расстояния между волокнами достигают 300 миллионов световых лет. Все это позволило космологам сравнивать структуру Вселенной с гигантской губкой или ноздрястой головкой сыра. Интенсивное изучение галактик, в том числе и с помощью радиотелескопов, открытие фонового излучения, новых, совершенно необычных космических объектов типа квазаров привело к возникновению новых загадок и к созданию множества космологических моделей строения и происхождения Вселенной. Как же современные ученые представляют себе происхождение и эволюцию различных космических структур? Автор данной книги исходит из традиционно-классической предпосылки правильного понимания данной проблемы, подтвержденного авторитетом мирового космистского мировоззрения. Суть такого подхода в следующем. Вселенная существует вечно, пребывая, однако, в непрерывном движении, развитии, возникновении и исчезновении ее многоразличных и неисчерпаемых форм, их постоянной трансформации и взаимопереходах друг в друга. Конкретные космические объекты (конечные -- в отличие от бесконечно-целостной Вселенной) постоянно эволюционируют: они рождаются, живут и умирают, но на их месте незамедлительно появляются новые. Все в мире устроено так, что если, к примеру, конкретные отдельно взятые звезды, планеты, галактики гибнут, то звезда, планета, галактика как явление природы не исчезают, и их общее невообразимо большое количество во Вселенной сохраняется.
Все космогонические старые и новые естественно-научные теории (а точнее -- гипотезы) -- сколь бы сложны или вычурны они ни были—крутятся вокруг двух простых слов «холодно» и «горячо». Первые утверждают, что исходный материал, из которого образовались небесные тела, был сначала холодным, а затем постепенно (или, напротив, мгновенно) разогревался. Вторые доказывают обратное: исходный материал изначально был горячим (и даже -- сверхгорячим), а остывание началось после образования космических протообъектов. В первом случае мы имеем дело с так называемыми «холодными моделями», во втором—с «горячими». Но, как уже говорилось: моделей много—мир один. Весомый вклад в разработку космогонических идей внес известный советский астроном В.А. Амбарцумян (1908--1996). Его взгляды и подходы разделяют ученые разных стран. Особенно конструктивными и плодотворными астрономические и космологические наработки Амбарцумяна оказались в области галактической и внегалактической астрономии. По мнению ученого, эволюция любой галактики в очень большой степени зависит от активности и деятельности ее ядра. Эта точка зрения не считается общепринятой. Наличие ядра -- распространенное свойство галактик (хотя есть галактики и без ядер). Ядра есть и в нашей Галактике, и в галактике Андромеды, и во многих других. Что они собой представляют? Ядро галактики Андромеды, например, -- небольшая звездная система, диаметром около 10 световых лет. Это небольшая величина, если учитывать, что диаметры самих галактик измеряются иногда несколькими десятками тысяч световых лет. Ядра галактик—очень плотные образования, там множество звезд, и есть предположение, что ядра состоят только из звезд. Но еще в 40-х годах нашего столетия было открыто, что некоторые ядра, видимо, находятся в каком-то странном, возбужденном состоянии, там происходит движение газов со скоростью около 1 000 километров в секунду. Массы этих газов огромны, они измеряются тысячами солнечных масс, а иногда и сотнями тысяч. Каков же источник газов? Изучение радиогалактик позволило предположить, что в каждом ядре есть какое-то тело, обладающее незвездными свойствами, которое выбрасывает из себя огромные массы газов. Наконец, существуют компактные галактики. Это, по сути дела, одно ядро, и ничего больше. Галактики, вероятно, начинают свое существование как образования неопределенной формы—типа Магеллановых облаков. Под влиянием активности их ядер они постепенно принимают спиральную структуру. Выбрасывающиеся из ядра массы располагаются вблизи ядра вдоль магнитных силовых линий, которые затем из-за вращения галактики закручиваются и образуют спиральные ветви. Эти ветви должны беспрерывно возобновляться путем выбросов вещества из ядра, так как из-за утечки вещества вдоль магнитных силовых линий ветви могут исчезнуть через относительно короткое время в несколько сотен миллионов лет. Каким образом пополняется масса ядер, мы пока еще не знаем. Астрономы считают, что в течение существования нашей собственной Галактики (системы Млечного Пути) из ее ядра было выброшено около 10% ее общей массы, что составляет массу 20 миллионов Солнц. Такое большое уплотнение вещества в сравнительно небольшом объеме, которое имеется в ядре нашей Галактики, нигде больше не наблюдается. В. А. Амбарцумян высказал мнение, что само ядро состоит из так называемого гиперонного газа с фантастической плотностью, а именно 1015 г/см3: один кубический сантиметр этого газа должен весить 100 000 000 тонн. На поверхности этого гиперонного ядра происходит превращение гиперонов в нейтроны, которые затем распадаются на протоны и электроны. Это приводит к наблюдаемому образова-нию межзвездного водорода в ядрах галактики. В своем дальнейшем развитии галактика продолжает сжиматься и принимает форму плоского диска, который сохраняет свою спиральную структуру. Плотность галактики повышается, и число образующихся в ней звезд увеличивается. В течение нескольких десятков миллиардов лет активность ядер в конце концов истощается, спиральная структура исчезает и галактика становится эллиптической, без признаков внутренней структуры и без сверхплотного ядра. В эллиптической галактике звезды образуются в ограниченном числе. Английские астрономы оценили возраст некоторых бесструктурных и спиралеобразных галактик по содержанию в них массы и по их яркости: одной из самых молодых галактик является Малое Магелланово облако, которое образовалось около 5 миллиардов лет тому назад, галактика М31 в созвездии Андромеды имеет возраст 35 миллиардов лет, а галактика М101 в созвездии Большой Медведицы даже 140 миллиардов лет. Наша Галактика, по мнению большинства ученых, относится к сравнительно молодым галактикам.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ГАЛАКТИКИ—ОСТРОВА В БЕСКОНЕЧНОСТИ» з дисципліни «Таємниці всесвіту»
