Большая вселенная интернет журнал. Вселенная – Журнал "Все о Космосе". Проблемы и современные дискуссии

Существование Большой Вселенной во все времена вызывало огромное количество вопросов и догадок и дало жизнь многим открытиям и гипотезам.

На краю света

Когда хотят сказать о чем-то, находящемся очень далеко от нас, нередко говорят: А где этот край света ? Вероятно, в течение многих веков, прошедших с рождения этой поговорки, представление о крае света не раз изменялось. Для древних греков пределами ойкумены - обитаемой земли - была крохотная область . За Геракловыми Столпами для них уже начиналась «терра инкогнита», неведомая земля. О Китае они не имели никакого понятия. Эпоха Великих показала, что у Земли нет края, а Коперник, (подробнее: ), открывший , отбросил край света за сферу неподвижных звезд. Николай Коперник - открыл Солнечную систему. , сформулировавший , отодвинул его вообще в бесконечность. Но Эйнштейн, чьи гениальные уравнения были решены советским ученым А. А. Фридманом, создал учение о нашей Малой Вселенной, дал возможность более точно определить край света. Он оказался от нас на расстоянии примерно 12-15 миллиардов световых лет.
Исаак Ньютон - открыл закон всемирного тяготения. Последователями Эйнштейна было четко сказано, что никакое материальное тело не может покинуть пределы Малой Вселенной, замкнутой силой всемирного тяготения, и мы никогда не узнаем, что же находится за ее пределами. Казалось, мысль человека достигла крайних возможных границ, и сама постигла их неизбежность. И, значит, и рваться дальше не следует. Альберт Эйнштейн - создал учение о нашей Малой Вселенной. И более полвека человеческая мысль старалась не пересекать установленного крайнего рубежа, тем более что и в очерченных уравнениями Эйнштейна пределах было достаточно много загадочного и таинственного, над чем имело смысл подумать. Даже фантастов, смелому полету мыслям которых никто никогда не ставил препон, и тех в общем, видимо, устраивали отведенные им области, заключавшие в себе несчетное количество миров самых различных классов и категорий: планет и звезд, Галактик и квазаров.

Какова Большая Вселенная

И лишь в ХХ столетии физики-теоретики впервые поставили перед собой вопрос о том, что же находится за пределами нашей Малой Вселенной, какова Большая Вселенная , в которую непрерывно со скоростью света продвигаются расширяющиеся границы нашей Вселенной? Нам предстоит совершить самое дальнее путешествие. Мы следуем за мыслью ученых, совершивших это путешествие, с помощью математических формул. Мы совершим его на крыльях мечты. За нами идут этим же путем бесчисленные фантасты, которым тесными станут и те 12-15 миллиардов световых лет радиуса нашей Вселенной, отмеренные учеными согласно формулам Эйнштейна... Итак, в путь! Стремительно набираем скорость. Здесь, конечно, недостаточны сегодняшние космические. Скорости и в десять раз больше едва-едва будут достаточны для изучения нашей Солнечной системы. Нам будет недостаточно и скорости света, не можем же мы потратить только на преодоление пространства нашей Вселенной десяток миллиардов лет!
Планеты солнечной системы. Нет, мы должны пройти этот участок пути за десяток секунд. И вот мы у границ Вселенной. Нестерпимо полыхают гигантские костры квазаров, которые всегда расположены почти у ее крайних рубежей. Вот они остались позади и словно бы подмигивают нам вслед: ведь излучение квазаров пульсирует, периодически изменяется. Мы летим с прежней фантастической скоростью и вдруг оказываемся в окружении полного мрака. Ни искр далеких звезд, ни цветного молока загадочных туманностей. Может быть, Большая Вселенная и есть абсолютная пустота? Включаем все возможные приборы. Нет, кое-какие намеки на присутствие материи есть. Изредка попадаются кванты различных участков электромагнитного спектра. Удалось зафиксировать несколько метеорных пылинок - вещество. И еще. Довольно плотное облако гравитонов, мы четко ощущаем действие многих гравитационных масс. Но где же эти самые тяготеющие тела? Ни различные телескопы, ни разнообразные локаторы не могут нам их показать. Так, может быть, это все уже «прогоревшие» пульсары и «черные дыры», конечные стадии развития звезд, когда материя, собранная в гигантские образования, не может сопротивляться собственному полю тяготения и, наглухо перепеленав себя, погружается в долгий, почти беспробудный сон? Такое образование невозможно увидеть в телескоп - оно ничего не излучает. Его нельзя обнаружить и локатором: оно безвозвратно поглощает любые попадающие на него лучи. И лишь гравитационное поле выдает его присутствие.
Что же, Большая Вселенная бесконечна не только в пространстве, но и во времени. 15 миллиардов лет существования Малой Вселенной по сравнению с вечностью существования Большой Вселенной - даже не мгновение, не секунда по сравнению с тысячелетием; мы можем высчитать, сколько секунд входит в состав тысячелетия и получим хотя и большую, но конечную цифру. А сколько миллиардолетий входит в состав вечности? Бесконечное количество! Вечность просто несоизмерима с миллиардолетиями! Так вот, за эти неисчислимые времена успели «прогореть» любые, самые экономно горевшие звездные костры, успели они пройти все стадии звездной жизни, успели потухнуть и остыть почти до абсолютного нуля. Кстати, температура тела, оказавшегося в пространстве Большой Вселенной, ни на тысячную долю градуса не отличается от абсолютного нуля шкалы Кельвина. Между тем градусник, помещенный в любой точке Малой Вселенной, покажет несколько градусов положительной температуры: ведь свет самых далеких звезд несет в себе некоторую энергию. В нашей Малой Вселенной не только светло, но и тепло! Да, в Большой Вселенной не очень уютно! Притормаживаем скорость нашего полета до обычных в Малой Вселенной величин - десятков и сотен километров в секунду.

Объекты, населяющие Большую Вселенную

Рассмотрим некоторые из населяющих Большую Вселенную объектов . Вот пролетает мимо гигантская (судя по величине ее гравитационного поля) масса вещества. Вглядываемся в экран сверхлокатора. Оказывается, могучее поле порождает крохотное образование, его диаметр всего около десятка километров. Нейтронная звезда! Осматриваем ее поверхность, она идеально гладкая, словно прошла тщательную полировку в хорошей мастерской. Вдруг на этой поверхности мгновенная вспышка: притянутый могучим притяжением, в нашу мертвую звезду врезался метеорит, кусочек обычного для нас вещества. Нет, он не остался лежать на поверхности звездного трупа. Он как-то очень быстро растекся по его поверхности лужицей твердого вещества, а затем впитался без остатка в грунт... Шутки плохи с такими могучими карликами! Ведь их всемогущее тяготение точно так же без остатка впитает и звездолет, и его экипаж, и приборы и все превратит в нейтронную жидкость, из которой возникнут, спустя времена, водород и гелий новой Малой Вселенной. И конечно, в этой переплавке будут забыты все события, которые были у веществ в наши дни, так же, как после переплавки металла нельзя восстановить прежних контуров пошедших в лом деталей машин.

Какое пространство Большой Вселенной

Да, здесь многое не так, как в нашей Малой Вселенной. Ну а какое пространство Большой Вселенной ? Каковы его свойства? Ставим опыты. Пространство такое же, как и у нас, трехмерное . Как и у нас, оно искривлено местами гравитационным полем. Да, являясь одной из форм существования материи, пространство накрепко связано с материей, его наполняющей. Особенно ярко проявляется эта связь здесь, где гигантские массы материи сконцентрированы в крохотные образования. Мы уже видели некоторые из них - «черные дыры» и нейтронные звезды. Эти образования, являющиеся закономерным результатом развития звезд, уже найдены и в нашей Вселенной.
Черная дыра в большой Вселенной. Но встречаются здесь и материальные образования, значительно меньшие по величине - всего в метры, сантиметры или даже микроны диаметром, однако масса их достаточно велика, они тоже состоят из сверхуплотненной материи. Сами собой такие тела возникнуть не могут, их собственного тяготения недостаточно, чтобы плотно себя спеленать. Но они могут существовать устойчиво, если посторонняя сила стиснула их до такого состояния. Что это за сила? Или, может быть, это обломки по каким-либо причинам разрушившихся более крупных глыб сверхплотного вещества? Это - планкеоны К. П. Станюковича. В Большой Вселенной встречается материя и в обычном для нас виде. Нет, это не звезды, они меньше звезд. В нашей Малой Вселенной эти образования могли бы быть небольшими планетами или спутниками планет. Может быть, они и были когда-либо ими в какой-то неизвестной нам Малой Вселенной, но погасли и съежились звезды, вокруг которых они вращались, какая-то случайность оторвала их от центральных светил, и с тех пор, как распались их «малые вселенные», блуждают они по бесконечности Большой Вселенной «без руля и без ветрил».

Блуждающие планеты

Может быть, среди этих блуждающих планет есть и такие, что были населены разумными существами? Конечно, в условиях Большой Вселенной жизнь на них не может долго существовать. Эти насквозь промороженные планеты лишены энергетических источников. У них давно распались до последней молекулы запасы радиоактивных веществ, у них начисто отсутствует энергия ветра, воды, ископаемых топлив: ведь все эти источники энергии имеют своим первоисточником лучи центрального светила, а они давным-давно погасли. Но если обитатели этих миров умели предвидеть предстоящую судьбу, они могли запечатать в этих своих планетах письма к тем, кто через неведомые времена посетит их и сможет прочитать и понять. Впрочем, так ли уж вероятна возможность их длительного существования в бесконечном пространстве этой, столь враждебной живому Вселенной? Большая Вселенная наполнена веществом примерно столь же «неплотно», как и наша, Малая. При этом надо помнить, что то обилие звезд, которое мы наблюдаем в безлунную ночь на небе, не типично для Малой Вселенной. Просто наше Солнце, а значит, и Земля входят в состав звездного роя - нашей Галактики.

Межгалактическое пространство

Более типично межгалактическое пространство , из которого были бы видны только несколько Галактик, легкими, чуть светящимися облачками, упавшими на черный бархат неба. Близкие друг к другу звезды и Галактики движутся относительно друг друга со скоростями в десятки и сотни километров в секунду.
Звезды межгалактического пространства. Как видите, эти скорости невелики. Но они таковы, что препятствуют падению одних небесных тел на другие. При сближении, скажем, двух звезд их траектории несколько искривятся, но звезды полетят каждая своим путем. Вероятность столкновения или сближения звезд практически равна нулю даже в густонаселенных звездных городах, вроде нашей Галактики. Примерно такова же вероятность столкновения материальных тел в Большой Вселенной. И запечатанные для сверхдалеких потомков письма, учитывая и сверхнизкие температуры, которые остановили даже тепловое движение молекул, также смогут существовать неограниченно долгое время. Не это ли может служить великолепным материалом для фантастической повести под названием «Письмо из вечности»? Итак, в Большой Вселенной мы не нашли пространства, несхожего с нашим трехмерным. По всей вероятности, пространства четырех и многих измерений - голая математическая абстракция, не имеющая реальных воплощений, если, конечно, не считать четвертым измерением время. Но оно резко отличается от трех первых измерений (вперед-назад, влево-право, вверх-вниз) самим своим характером.

Образование Малой Вселенной

Ну а как возникла в Большой Вселенной наша Малая Вселенная ? Некоторые ученые полагают, что в результате столкновения двух сверхмассивных образований материи, находившейся в некой «дозвездной» форме, единым махом выделилась вся материя, входящая в состав нашей Вселенной. Она начала стремительно расширяться со скоростью света во все стороны, образуя в бесконечном теле Большой Вселенной своеобразный светящийся пузырек.

Теория большого взрыва Вселенной

Автор излагаемой гипотезы строения Большой Вселенной, профессор, доктор физико-математических наук К. П. Станюкович считает, что этот первоначальный взрыв носит несколько иной характер.
Кирилл Петрович Станюкович - автор теории большого взрыва Вселенной. Трудно сказать, почему начался этот большой взрыв Вселенной . Может быть, при столкновении двух планкеонов, может быть, случайная флуктуация плотности какого-либо планкеона вызвала появление первых искр этого взрыва. Он мог быть очень скромным по масштабам, но он выбросил гравитационную волну, и, когда она достигла ближайших планкеонов, те тоже «вступили реакцию» - началось высвобождение скованной притяжением материи, сопровождающееся огромными выбросами и веществами и квантов электромагнитного излучения. Небольшие планкеоны осуществляли это превращение сразу, а крупные, образовавшие впоследствии ядра Галактик, затрачивали на этот процесс миллиарды лет. И сегодня еще астрономы удивляются не иссякающей щедрости ядер некоторых Галактик, выбрасывающих неистовые потоки газов, лучей, скоплений звезд. Это означает, что не завершился в них процесс превращения дозвездного вещества материи в звездное вещество... Все дальше разлетаются искры великого гравитационного пожара и все новые планкеоны вспыхивают, подожженные этими искрами.

Квазары

Астрономы знают несколько сравнительно молодых пожаров, которые, вероятно, в будущем расцветут роскошными Галактиками. Это так называемые квазары . Все они находятся очень далеко от нас, на самом «краю» нашей Малой Вселенной. Это самое начало горения ядер будущих Галактик. Пройдут миллиарды лет, и высвобождающееся из пламени этих пожаров вещество сформируется в потоки звезд и планет, которые образуют вокруг этих ядер красивые спиральные венцы. Они станут удивительно похожи на существующие сейчас спиральные Галактики. Но, к сожалению, в те времена уже догорят наши Галактики и разлетятся в пространство пригоршнями остывших мертвых тел, вероятно, во многом подобных по характеру составляющей их материи дозвездному веществу. Для них цикл замкнется, пока не случится новый «пожар материи». А в Галактиках, образуемых горением сегодняшних квазаров, появятся планеты, пригодные для развития и жизни, а, быть может, и разума. И их мудрецы будут смотреть на свои звездные небеса и гадать о том, почему они так одиноки во Вселенной? Будет ли в те сверхдалекие времена жить разум людей? Пройдет ли он сквозь немыслимые бездны времени? Или переплавятся все создания нашей культуры в каком-либо планкеоне без следа, так что останется только одна материя - вечная и неуничтожимая? Нет ответа на все эти вопросы, и неизвестно, когда даст на них ответы наука. Но, раз возникнув, разумная жизнь, если она перейдет первые рискованные этапы своего развития, будет все укреплять позиции. Что может угрожать культуре землян, когда она распространится на группу планетных систем ближайших звезд? Космическая катастрофа? Взрыв Солнца, внезапно оказавшегося сверхновой звездой? Это нанесет ей не больше ущерба, чем сегодня волна цунами, смывшая пару островов, культуре человечества? Да, разумная, жизнь, вышедшая на такой рубеж, будет такой же неуничтожимой, как сама материя. И не будут ей страшны ни гигантские пропасти времени, ни неизмеримые провалы пространства. И, все-таки, наше путешествие в Большую Вселенную следует считать ненаучной фантастикой, нелепым вымыслом. Нет, дело не в том, что окажется иным, представляемое нами пространство Большой Вселенной, что окажется иным представляемое нами ее «население». Нет, во всех этих вопросах мы твердо придерживались известных нам научных фактов, шли по дорогам, уже пройденным гипотезами ученых. Дело в другом.

Невозможно путешествие в Большую Вселенную

Дело в том, что путешествие в Большую Вселенную может оказаться для нас, людей Земли невозможным , невыполнимым. Вспомните основные свойства нашей Вселенной. Ведь она «расширяющаяся». При этом ее «расширяющиеся» грани движутся со скоростью, максимально возможной в нашей Вселенной - со скоростью света в пустоте. Но такая скорость невозможна ни для какого материального тела. Ведь по мере того, как будет расти скорость, приближаясь к скорости света, будет непрерывно увеличиваться масса этого тела. Очень скоро она превзойдет все возможные величины - массы планет, звезд, квазаров, галактик, всей нашей Вселенной.
Путешествие в Большую Вселенную. Масса нашего разгоняемого тела станет бесконечно большой. Ну, а придать ускорение бесконечно большой массе можно только бесконечно большой силой. Легко понять, что мы зашли в тупик. Наш межзвездный корабль, обладающий бесконечно большой массой, мы не сможем сдвинуть с места. И никогда не удастся человечеству догнать луч света. А ведь речь идет не о скорости света, а о несравненно больших скоростях, которые позволили бы пересечь всю нашу Вселенную за считанные минуты. Этот метод космических путешествий был извлечен из томов ненаучной фантастики. Чаще всего соответствующий автор сообщает о том, что его межзвездный корабль движется в «подпространстве», «пронзает четвертое измерение», ничего по существу не сообщая о «подпространстве» и «четвертом измерении». Подобная скромность понятна: ничего конкретного о придуманных фантастами терминах сообщить невозможно. Ибо любое утверждение о скоростях выше скоростей света сегодня ненаучно, фантастично. И с современной точки зрения, разговор о сверхскоростных перемещениях - бессмыслица. Конечно, она недопустима в научно-популярных книгах. Разве только в особо отмеченном случае, когда очевидно, что это простая выдумка, допущенная в «служебных целях», чтобы нагляднее показать главное. Итак, путешествия, с целью доказать существование Большой Вселенной - невозможны...

28.02.1993 15:16 | А. Д. Чернин /Вселенная и Мы

Звездное небо во все времена занимало воображение людей. Почему зажигаются звезды? Сколько их сияет в ночи? Далеко ли они от нас? Есть ли границы у звездной Вселенной? С глубокой древности человек задумывался над этим, стремился понять и осмыслить устройство того большого мира, в котором он живет.

Самые ранние представления людей о звездном мире сохранились в сказаниях и легендах. Прошли века и тысячелетия, прежде чем возникла и получила глубокое обоснование и развитие наука о Вселенной, раскрывшая нам замечательную простоту и удивительный порядок мироздания. Недаром в древней Греции Вселенная называлась Космосом: это слово первоначально означало порядок и красоту.

Картина мира

В древнеиндийской книге, которая называется "Ригведа", что означает "Книга гимнов", можно найти одно из самых первых в истории человечества описаний всей Вселенной как единого целого. В ней имеется прежде всего Земля. Она представляется безграничной плоской поверхностью - "обширным пространством". Эта поверхность покрыта сверху небом - голубым, усеянным звездами сводом. Между небом и Землей - "светящийся воздух".

Очень похожи на эту картину и ранние представления о мире у древних греков и римлян - тоже плоская Земля под куполом неба.

От науки это было очень далеко. Но важно здесь другое. Замечательна и грандиозна сама дерзкая цель - объять мыслью всю Вселенную. Отсюда берет начало наша уверенность в том, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадать устройство Вселенной, создать в своем воображении полную картину мира.

Небесные сферы

Научная картина мира складывалась по мере того как шло накопление важнейших знаний о Земле, Солнце, Луне, планетах, звездах.

Еще в VI в. до н.э. великий математик и философ древности Пифагор учил, что Земля шарообразна. Доказательством этому служит, например, круглая тень нашей планеты, падающая на Луну во время лунных затмений.

Другой великий ученый античного мира, Аристотель, и всю Вселенную считал шарообразной, сферической. На эту мысль наводил не только округлый вид небосвода, но и круговые суточные движения светил. В центре своей картины Вселенной он помещал Землю. Вокруг нее расположились Солнце, Луна и известные тогда пять планет. Каждому из этих тел соответствовала своя сфера, обращающаяся вокруг нашей планеты. Тело "прикреплено" к своей сфере и поэтому тоже движется вокруг Земли. Самой удаленной сферой, охватывающей все остальные, считалась восьмая. К ней "прикреплены" звезды. Она тоже обращалась вокруг Земли в соответствии с наблюдаемым суточным движением неба.

Аристотель полагал, что небесные тела, как и их сферы, сделаны из особого "небесного" материала - эфира, который не имеет свойств тяжести и легкости и совершает вечное круговое движение в мировом пространстве.

Такая картина мира царила в умах людей на протяжении двух тысячелетий - вплоть до эпохи Коперника. Во II веке нашей эры эту картину усовершенствовал Птолемей, знаменитый астроном и географ, живший в Александрии. Он дал подробную математическую теорию движения планет. Птолемей мог точно вычислять видимые положения светил - где они находятся сейчас, где были раньше и где окажутся потом.

Правда, для воспроизведения всех тонких деталей движения планет по небу пяти сфер оказалось недостаточно. К пяти круговым движениям пришлось добавить новые, да и прежние перестроить. У Птолемея каждая планета участвовала в нескольких круговых движениях, а их сложение и давало видимое перемещение планет по небу.

Позднее, в средние века, учение Аристотеля о небесных сферах, ставшее тогда общепринятым, пытались развивать и в совсем другом направлении. Например, сферы предлагалось считать хрустальными. Почему? Потому, наверное, что хрусталь прозрачен и к тому же хрустальная сфера - это красиво! И все же такие добавления отнюдь не улучшали картину мироздания.

Мир Коперника.

Книга Коперника, вышедшая в год его смерти (1543 г.), носила скромное название "Об обращениях небесных сфер". Но это было полное ниспровержение аристотелева взгляда на мир. Сложная махина полых прозрачных хрустальных сфер отходила в прошлое не сразу. С этого времени началась новая эпоха в нашем понимании Вселенной. Продолжается она и поныне.

Благодаря Копернику мы узнали, что Солнце занимает надлежащее ему положение в центре планетной системы. Земля же - не центр мира, а одна из рядовых планет, обращающихся вокруг Солнца. Так все стало на свои места. Строение Солнечной системы было, наконец, разгадано.

Дальнейшие открытия астрономов пополнили семью планет. Их девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. В таком порядке они занимают свои орбиты вокруг Солнца. Открыто множество малых тел Солнечной системы - астероидов и комет. Но это не изменило коперниковской картины мира. Напротив, все эти открытия только подтверждают и уточняют ее.

Теперь мы понимаем, что живем на небольшой планете, похожей по форме на шар. Земля вращается вокруг Солнца по орбите, не слишком отличающейся от окружности. Радиус этой орбиты близок к 150 миллионам километров.

Расстояние от Солнца до Сатурна - самой дальней из известных во времена Коперника планет - приблизительно в десять раз больше радиуса земной орбиты. Это расстояние совершенно правильно определил еще Коперник. Расстояние от Солнца до самой далекой из известных планет (Плутона) еще почти в четыре раза больше и составляет приблизительно шесть миллиардов километров.

Такова картина Вселенной в нашем непосредственном окружении. Это и есть мир по Копернику.

Но Солнечная система - еще не вся Вселенная. Можно сказать, что это только наш малый мир. А как же далекие звезды? О них Коперник не рискнул высказать какого-либо мнения. Он просто оставил их на прежнем месте, на дальней сфере, где они были у Аристотеля, и лишь говорил - и совершенно правильно - что расстояние до них во много раз больше размеров планетных орбит. Как и античные ученые, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным этой сферой.

Сколько звезд на небе?

На этот вопрос каждый ответит: о, очень много. Но все же сколько - сто или тысяча?

Гораздо больше, миллион или миллиард.

Такой ответ можно услышать часто.

И правда, вид звездного неба создает у нас впечатление бесчисленности звезд. Как сказано у Ломоносова в знаменитом стихотворении: "Открылась бездна, звезд полна, звездам числа нет..."

Но в действительности число видимых простым глазом звезд вовсе не так уж велико. Если не поддаваться впечатлению, а попытаться пересчитать их, то окажется, что даже в ясную безлунную ночь, когда ничто не мешает наблюдению, человек с острым зрением увидит на небосводе не более двух- трех тысяч мерцающих точечек.

В списке, составленном во II веке до н.э. знаменитым древнегреческим астрономом Гиппархом и дополненном позднее Птолемеем, значится 1022 звезды. Гевелий же, последний астроном, производивший такие подсчеты без помощи телескопа, довел их число до 1533.

Но уже в древности подозревали о существовании большого числа звезд, невидимых простым глазом. Демокрит, великий ученый древности, говорил, что белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в действительности соединение света множества невидимых по отдельности звезд. Споры о строении Млечного Пути продолжались веками. Решение - в пользу догадки Демокрита - пришло в 1610 году, когда Галилей сообщил о первых открытиях, сделанных на небе с помощью телескопа. Он писал с понятным волнением и гордостью, что теперь удалось "сделать доступными глазу звезды, которые раньше никогда не были видимыми и число которых по меньшей мере в десять раз больше числа звезд, известных издревле".

Солнце и звезды

Но и это великое открытие все еще оставляло мир звезд загадочным. Неужели все они, видимые и невидимые, действительно сосредоточены в тонком сферическом слое вокруг Солнца?

Еще до открытия Галилея была высказана неожиданная по тем временам замечательно смелая мысль. Она принадлежит Джордано Бруно, трагическая судьба которого всем известна. Бруно выдвинул идею о том, что наше Солнце - это одна из звезд Вселенной. Всего только одна из великого множества, а не центр Мироздания.

Если Коперник указал место Земле - отнюдь не в центре мира, то Бруно и Солнце лишил этой привилегии.

Идея Бруно породила немало поразительных следствий. Из нее вытекала оценка расстояний до звезд. Действительно, Солнце - это звезда, как и другие, но только самая близкая к нам. Поэтому-то оно такое большое и яркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть светило, чтобы оно выглядело так, как, например, звезда Сириус? Ответ на этот вопрос дал голландский астроном Гюйгенс (1629-1695). Он сравнил блеск этих двух небесных тел, и вот что оказалось: Сириус находится от нас в сотни тысяч раз дальше, чем Солнце.

Чтобы лучше представить, сколь велико расстояние до звезды, скажем так: луч света, пролетающий за одну секунду триста тысяч километров, затрачивает на путешествие от нас к Сириусу несколько лет. Астрономы говорят в этом случае о расстоянии в несколько световых лет. По современным уточненным данным, расстояние до Сириуса 8,7 световых лет. А расстояние от нас до Солнца - всего 8 1/3 световых минут.

Конечно, разные звезды отличаются сами по себе от Солнца и друг от друга (это учтено в современной оценке расстояния до Сириуса). Поэтому определение растояний до них и сейчас часто остается трудной, иногда и просто неразрешимой задачей для астрономов, хотя со времени Гюйгенса придумано для этого немало новых способов.

Замечательная идея Бруно и основанный на ней расчет Гюйгенса стали очень важным шагом в науке о Вселенной. Благодаря этому границы наших знаний о мире сильно раздвинулись, они вышли за пределы Солнечной системы и достигли звезд.

Галактика

С XVII века важнейшей целью астрономов стало изучение Млечного Пути - этого гигантского собрания звезд, которые Галилей увидел в свой телескоп. Усилия многих поколений астрономов-наблюдателей были направлены на то, чтобы узнать, каково полное число звезд Млечного Пути, определить его действительную форму и границы, оценить размеры. Лишь в XIX веке удалось понять, что это единая система, заключающая в себе все видимые и множество еще и невидимых звезд. На равных правах со всеми входит в эту систему и наше Солнце, а с ним Земля и планеты. Причем располагаются они далеко не в центре, а на окраине системы Млечного Пути.

Потребовались еще многие десятилетия тщательных наблюдений и глубоких раздумий, прежде чем удалось выяснить строение Галактики. Так стали называть звездную систему, которую мы видим изнутри как полосу Млечного Пути. (Слово "галактика" образовано из новогреческого "галактос", что означает "млечный").

Оказалось, что Галактика имеет довольно правильное строение и форму, несмотря на видимую клочковатость Млечного Пути, на беспорядочность, с которой, как нам кажется, рассеяны звезды по небу. Она состоит из диска, гало и короны. Как видно из схематического рисунка, диск представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. Он образован звездами, которые внутри этого объема движутся по почти круговым орбитам вокруг центра Галактики.

Диаметр диска измерен - он составляет приблизительно сто тысяч световых лет. Это означает, что свету требуется сто тысяч лет, чтобы пересечь диск из конца в конец по диаметру. А число звезд в диске - приблизительно сто миллиардов.

В гало звезд раз в десять меньше. (Слово "гало" означает "круглый".) Они заполняют слегка сплюснутый сферический объем и движутся не по круговым, а по сильно вытянутым орбитам. Плоскости этих орбит проходят через центр Галактики. По разным направлениям они распределены более или менее равномерно.

Диск и окружающее его гало погружены в корону. Если радиусы диска и гало сравнимы между собой по величине, то радиус короны в пять, а может быть и в десять раз больше. Почему "может быть"? Потому, что корона невидима - из нее не исходит никакого света. Как же узнали тогда о ней астрономы?

Скрытая масса

Все тела в природе создают тяготение и испытывают его действие. Об этом говорит всем известный закон Ньютона. О короне узнали не по свету, а по тяготению, создаваемому ею. Оно действует на видимые звезды, на светящиеся облака газа. Наблюдая за движением этих тел, астрономы обнаружили, что на них кроме диска и гало действует еще что-то. Детальное изучение позволило в конце концов обнаружить корону, которая и создает дополнительное тяготение. Она оказалась очень массивной - в несколько раз больше общей массы всех звезд, входящих в диск и гало. Таковы сведения, полученные эстонским астрономом Я. Эйнасто и его сотрудниками в Тартуской обсерватории, а затем и другими астрономами.

Конечно, изучать невидимую корону трудно. Из-за этого пока и не слишком точны оценки ее размеров и массы. Но главная загадка короны в другом: мы не знаем, из чего она состоит. Мы не знаем, есть ли в ней звезды, пусть даже и какие-то необычные, совсем не излучающие свет.

Сейчас многие предполагают, что ее масса складывается вовсе не из звезд, а из элементарных частиц - например, нейтрино. Эти частицы известны физикам уже давно, но и сами по себе они тоже остаются загадочными. Не известно о них, можно сказать, самое главное: есть ли у них масса покоя, то есть такая масса, которой частица обладает в состоянии, когда она не движется. Многие элементарные частицы (электрон, протон, нейтрон), из которых состоят все атомы, такую массу имеют. А вот у фотона, частички света, ее нет. Фотоны существуют лишь в движении. Нейтрино могли бы служить материалом для короны, но лишь в том случае, если у них есть масса покоя.

Легко представить себе, с каким нетерпением ожидают астрономы вестей из физических лабораторий, где ставятся специальные эксперименты, чтобы выяснить, есть ли у нейтрино масса покоя. Физики-теоретики, между тем, обдумывают и другие варианты элементарных частиц, не обязательно только нейтрино, которые могли бы выступать в роли носителей скрытой массы.

Звездные миры.

К началу нашего века границы Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие, если не все, думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная.

Но в двадцатые годы были построены первые крупные телескопы, и перед астрономами открылись новые неожиданные горизонты. Оказалось, что за пределами Галактики мир не кончается. Миллиарды звездных систем, галактик, и похожих на нашу, и отличающихся от нее, рассеяны тут и там по просторам Вселенной.

Фотографии галактик, сделанные с помощью самых больших телескопов, поражают красотой и разнообразием форм. Это и могучие вихри звездных облаков, и правильные шары или эллипсоиды; иные же звездные системы не обнаруживают правильного строения, они клочковаты и бесформенны. Все эти типы галактик - спиральные, эллиптические, неправильные, получившие название по своему виду на фотографиях, были обнаружены и описаны американским астрономом Эдвином Хабблом в 20-30-е годы нашего века.

Если бы мы могли увидеть нашу Галактику со стороны и издалека, то она предстала бы перед нами совсем не такой, как на схематическом рисунке, по которому мы знакомились с ее строением. Мы не увидели бы ни диска, ни гало, ни, естественно, короны, которая вообще невидима. С больших расстояний были бы видны лишь самые яркие звезды. А все они, как выяснилось, собраны в широкие полосы, которы дугами выходят из центральной области Галактики. Ярчайшие звезды образуют ее спиральный узор. Только этот узор и был бы различим издалека. Наша Галактика на снимке, сделанном астрономом из какой-то другой галактики, выглядела бы очень похожей на Туманность Андромеды, какой она представляется нам по фотографиям.

Исследования последних лет показали, что многие крупные галактики (не только наша) обладают протяженными и массивными невидимыми коронами. И это очень важно: ведь если так, то, значит, и вообще чуть ли не вся масса Вселенной или, во всяком случае, ее подавляющая часть - это загадочная, невидимая, но тяготеющая "скрытая" масса.

Цепочки и пустоты

Многие, а, может быть, и почти все галактики собраны в различные коллективы, которые называются группами, скоплениями и сверхскоплениями - смотря по тому, сколько их там. В группу может входить всего 3 или 4 галактики, а в сверхскопление - десятки тысяч. Наша Галактика, Туманность Андромеды и еще более тысячи таких же объектов входят в Местное Сверхскопление. Оно не имеет четко очерченной формы и в целом выглядит довольно уплощенным.

Приблизительно так же выглядят и другие сверхскопления, лежащие далеко от нас, но довольно отчетливо различимые с помощью современных крупных телескопов.

До недавнего времени астрономы полагали, что сверхскопления представляют собой самые крупные образования во Вселенной и что какие-либо еще большие системы просто отсутствуют. Выяснилось, однако, что это не так.

Несколько лет назад астрономы составили удивительную карту Вселенной. На ней каждая галактика представлена всего лишь точкой. На первый взгляд они рассеяны на карте хаотично. Если же приглядеться внимательно, то можно обнаружить группы, скопления и сверхскопления, причем последние представляются цепочками точек. Карта позволяет обнаружить, что некоторые такие цепочки соединяются и пересекаются, образуя какой-то сетчатый или ячеистый узор, напоминающий кружева или, может быть, пчелиные соты с размером ячеек в 100-300 миллионов световых лет.

Покрывают ли такие "сетки" всю Вселенную, еще предстоит выяснить. Но несколько отдельных ячеек, очерченных сверхскоплениями, удалось подробно изучить. Внутри них галактик почти нет, все они собраны в "стенки", ограничивающие огромные пустоты, которые называют сейчас "войдами" (т.е."пустотами").

Ячейка и войд - это предварительные рабочие названия для самого большого по размеру образования во Вселенной. Более крупные системы в природе нам неизвестны. Поэтому можно сказать, что ученые решили сейчас одну из самых грандиозных задач астрономии - вся последовательность или, как еще говорят, иерархия астрономических систем, теперь целиком известна.

Вселенная

Больше всего на свете - сама Вселенная, охватывающая и включающая в себя все планеты, звезды, галактики, скопления, сверхскопления и ячейки с войдами. Дальность действия современных телескопов достигает нескольких миллиардов световых лет. Это и есть размеры наблюдаемой Вселенной.

Все небесные тела и системы поражают разнообразием свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная, Вселенная как целое? Оказывется, она в высшей степени однообразна и проста!

Ее главное свойство - однородность. Об этом можно сказать и точнее. Представим себе, что мы мысленно выделили во Вселенной очень большой кубический объем с ребром, скажем, в пятьсот миллионов световых лет. Подсчитаем, сколько в нем галактик. Произведем такие же подсчеты для других, но столь же гигантских объемов, расположенных в различных частях Вселенной. Если все это проделать и сравнить результаты, то окажется, что в каждом из них, где бы их ни брать, содержится одинаковое число галактик. То же самое будет и при подсчете скоплений и даже ячеек.

Итак, если отвлечься от таких "деталей" как скопления, сверхскопления, ячейки, и взглянуть на Вселенную шире, мысленно охватив взглядом сразу все множество звездных миров, то она предстанет перед нами всюду одинаковой - "cплошной" и однородной.

Проще устройства и не придумать. Нужно сказать, что об этом люди уже давно подозревали. Например, замечательный мыслитель Паскаль (1623-1662 гг.) говорил, что мир - это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он говорил об однородности мира.

В однородном мире все "места", можно сказать, равноправны и любое их них может претендовать на то, что оно - Центр мира. А если так, то, значит, никакого центра мира вовсе не существует.

Расширение

У Вселенной есть и еще одно важнейшее свойство, но о нем до конца 20-х годов нашего века никто и не догадывался. Вселенная находится в движении - она расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой структуры растягивается.

Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и неизменной. Эта точка зрения и господствовала вплоть до 20-х годов. Считалось, что Вселенная ограничена размерами нашей Галактики. И хотя отдельные звезды Млечного Пути могут рождаться и умирать, Галактика все равно остается все той же - как неизменным остается лес, в котором поколение за поколением сменяются деревья.

Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922-24 гг. работы петербургского математика Александра Александровича Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда Энштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир - это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определенным законам.

Фридман открыл нестационарность Вселенной. Это было теоретическое предсказание. Окончательно решить, расширяется Вселенная или сжимается, можно было лишь на основании астрономических наблюдений. Такие наблюдения в 1928-29 гг. удалось проделать Хабблу.

Он обнаружил, что далекие галактики и целые их коллективы разбегаются от нас во все стороны. В соответствии с предсказаниями Фридмана именно так и должно выглядеть общее расширение Вселенной.

Если Вселенная расширяеся, значит, в далеком прошлом скопления и сверхскопления были ближе друг к другу. Более того, из теории Фридмана следует, что 15-20 миллиардов лет назад ни звезд, ни галактик еще не существовало и все вещество было перемешано и сжато до колоссальной плотности. Это вещество имело тогда и чудовищно высокую температуру.

Большой взрыв

Гипотезу о высокой температуре космического вещества в ту отдаленную эпоху выдвинул Георгий Антонович Гамов (1904-1968), который начинал свои занятия космологией в ленинградском университете под руководством профессора А. А. Фридмана. Гамов утверждал, что расширение Вселенной началось с Большого взрыва, произшедшего одновременно и повсюду в мире. Большой взрыв заполнил пространство горячим веществом и излучением.

Первоначальной целью исследований Гамова было выяснение происхождения химических элементов, из которых состоят все тела во Вселенной - галактики, звезды, планеты и мы сами.

Астрономы уже давно установили, что самый распространенный элемент во Вселенной - это водород, стоящий под номером один в таблице Менделеева. На него приходится примерно 3/4 всего "обычного" (не скрытого) вещества Вселенной. Около 1/4 составляет гелий (элемент N2), а на все остальные элементы (углерод, кислород, кальций, кремний, железо и т.д.) приходится совсем мало, до 2% (по массе). Таков химический состав Солнца и большинства звезд.

Как же сложился универсальный химический состав космического вещества, как возникло прежде всего "стандартное" соотношение между водородом и гелием?

В поисках ответа на этот вопрос астрономы и физики обратились сначала к звездным недрам, где интенсивно протекают реакции превращения атомных ядер. Вскоре, однако, выяснилось, что в условиях, которые существуют в центральных областях звезд, подобных Солнцу, никакие элементы тяжелее гелия в сколько-нибудь существенных количествах образоваться не могут.

А что если химические элементы появились не в звездах, а сразу во всей Вселенной на первых же этапах космологического расширения? Универсальность химического состава при этом автоматически обеспечивается. Что же касается физических условий, то в ранней Вселенной вещество несомненно было очень плотным, во всяком случае, много плотнее, чем в недрах звезд. Высокая плотность, гарантируемая космологией Фридмана - непременное условие протекания ядерных реакций синтеза элементов. Для этих реакций необходима также и высокая температура вещества. Ранняя Вселенная была, по идее Гамова, тем "котлом", в котором произошел синтез всех химических элементов.

В итоге большой многолетней коллективной деятельности ученых разных стран, инициированной Гамовым, в 40-60-е гг. стало очевидным, что космическая распространенность двух главных элементов - водорода и гелия - действительно может быть объяснена ядерными реакциями в горячем веществе ранней Вселенной. Более тяжелые элементы должны, по-видимому, синтезироваться иным путем (при вспышках сверхновых звезд).

Синтез элементов возможен, как уже говорилось, лишь при высокой температуре; но в разогретом веществе, согласно общим законам термодинамики, всегда должно иметься и излучение, находящеся с ним в тепловом равновесии. После эпохи нуклеосинтеза (которая, кстати, длилась всего несколько минут) излучение никуда не исчезает и продолжает движение вместе с веществом в ходе общей эволюции расширяющейся Вселенной. Оно должно сохраниться и к настоящей эпохе, только его температура должна быть - из-за значительного расширения - гораздо ниже, чем в начале. Такое излучение должно создавать общий фон неба в диапазоне коротких радиоволн.

Крупнейшим событием во всей науке о природе, настоящим триумфом космологии Фридмана-Гамова стало открытие в 1965 г. предсказанного этой теорией космического радиоизлучения. Это было самое важное наблюдательное открытие в космологии со времени обнаружения общего разбегания галактик.

Как образовались галактики

Наблюдения показали, что космическое излучение приходит к нам из всех направлений в пространстве исключительно равномерно. Этот факт установлен с рекордной для космологии точностью: до сотых долей процента. Именно с такой точностью можно говорить теперь и об общей равномерности, однородности самой Вселенной как целого.

Итак, наблюдения надежно подтвердили не только идею горячего начала Вселенной, но и заложенные в космологию представления о геометрических свойствах мира.

Но и это еще не все. Совсем недавно в космическом фоне найдены очень слабые, меньше тысячной доли процента, отклонения от полной и идеальной равномерности. Космологи радовались этому открытию едва ли не больше, чем некогда обнаружению самого излучения. Это было долгожданное открытие.

Уже давно теоретики предсказывали, что в космическом излучении должна существовать мелкая "рябь", возникшая в нем в ранние времена жизни Вселенной, когда в ней не было еще ни звезд, ни галактик. Вместо них имелись лишь очень слабые сгущения вещества, из которых впоследствие "родились" современные звездные системы. Эти сгущения постепенно уплотнялись благодаря собственному тяготению и в определенную эпоху смогли "отключиться" от общего космологического расширения. После этого они и превратились в наблюдаемые галактики, их группы, скопления и сверхскопления. Присутствие догалактических неоднородностей в ранней Вселенной оставило свой отчетливый отпечаток и в космическом фоне излучения: из-за них он не может быть идеально равномерным, что и было обнаружено в 1992 г. (см. "Новости астрономии" на стр. 14 - Ред).

Об этом сообщили две группы астрономов-наблюдателей - из Института космических исследований в Москве и из Годдардского космического центра близ Вашингтона. Их исследования проводились на орбитальных станциях, оборудованных специальными очень чувствительными приемниками радиоволн. Космическое излучение, предсказанное Гамовым, сослужило тем самым новую службу астрономии.

Скрытые массы, нужно полагать, тоже были рождены в едином грандиозном событии Большого Взрыва. Они собиралиссь в будущие короны, внутри которых "обычное" вещество продолжало сжиматься и распадалось на сравнительно малые, но плотные фрагменты - газовые облака. Те, в свою очередь, продолжали еще больше сжиматься под действием собственного тяготения и разделялись на протозвезды, которые в конце концов превратились в звезды, когда в их самых плотных и горячих областях "включились" термоядерные реакции.

Выделение большой энергии в реакциях превращения водорода в гелий, а затем и в более тяжелые элементы есть источник светимости и самых первых звезд, и звезд последующих поколений. Сейчас астрономы могут впрямую наблюдать в диске Галактики рождение молодых звезд: оно происходит на наших глазах. Физическая природа звезд, причина, по которой эти физические тела излучают свой свет, и даже само их происхождение перестали быть неразрешимой загадкой.

Почему она расширяется?

Гораздо труднее продвигается наука в изучении ранних, дозвездных, догалактических стадий эволюции мира, которые не удается наблюдать непосредственно. Очень многое сообщило нам о прошлом Вселенной космическое фоновое излучение. Но главные вопросы космологии остаются открытыми. Это прежде всего вопрос о причине всеобщего расширения вещества, которое продолжается 15-20 миллиардов лет.

О физической природе этого самого грандиозного по масштабам явления природы можно пока что лишь строить гипотезы, выдвигать теоретические предположения, высказывать догадки. Одна из такого рода гипотез завоевала сейчас большое число увлеченных сторонников.

Ее исходная идея состоит в том, что в самом начале Вселенной, еще до эпохи нуклеосинтеза, в мире царило не всемирное тяготение, а всемирное антитяготение. Общая теория относительности, на которой строится космология, такой возможности в принципе не исключает. Эта идея была, в сущности, как бы подсказана еще самим Эйнштейном много лет назад.

Если такую идею принять, то нетрудно догадаться, что из-за антитяготения все тела в мире должны не притягиваться, а, напротив, отталкиваться и разлетаться друг от друга. Этот разлет не останавливается и продолжается по инерции даже после того, как антитяготение сменяется в какой-то момент привычным нам всемирным тяготением.

Эта яркая и плодотворная гипотеза активно развивается сейчас в теоретическом плане, но она должна пройти еще строгую наблюдательную проверку, чтобы в случае удачи превратиться в убедительную концепцию, как это проиэошло раньше с теориями Фридмана и Гамова. А пока это - лишь одно из любопытных направлений научного поиска в космологии. Разгадка самых удивительных тайн Большой Вселенной еще впереди.

И её характерные особенности, а также точное устройство и организованность Вселенной дают нам основание предположить, что за этим кто-то стоит. Книга — Думай и Богатей!

Наша внушающая благоговение вселенная

Тысячелетиями люди восхищаются звездным небом. Ясной ночью прекрасные звезды выделяются, подобно сверкающим драгоценным камням, на черном
фоне космического пространства. Ночь во всей своей красоте заливает землю лунным светом.

У людей, задумывающихся над подобным зрелищем, часто возникают вопросы: «Что же, все-таки, там, в космосе? Как все это устроено? Можем ли мы выяснить, как все это возникло?». Ответы на эти вопросы, несомненно, помогут разъяснить, почему появилась Земля и всякая жизнь на ней и какое впереди будущее.

Столетиями назад считалось, что вселенная состоит из нескольких тысяч звезд, которые видны невооруженным глазом. Но теперь, благодаря мощным приборам, с помощью которых небо тщательно просматривается, ученым известно, что их намного больше.

На самом деле то,что можно наблюдать в наши дни, внушает гораздо больше благоговения, чем кто-либо мог себе представить раньше. Неизмеримые
масштабы и сложность всего этого потрясают человеческое воображение.

Согласно журналу National Geographic (Нэшнл джиогрэфик), познания о вселенной, которые человек приобретает в настоящее время, «ошеломляют его».

Внушающие благоговение размеры

В предыдущие столетия астрономы, просматривавшие небо с помощью ранних телескопов, заметили какие-то неясные образования, подобные облакам.

Они предположили, что это - находящиеся неподалеку газовые облака. Но в 1920-е годы, когда стали использовать более крупные и мощные телескопы, эти «газы» оказались явлением гораздо более огромным и значительным - галактиками.

Галактика - это огромное скопление звезд, газов и другой материи, вращающееся вокруг центрального ядра. Галактики назвали островными вселенными, так как каждая сама по себе напоминает вселенную.

Рассмотрим, например, галактику под названием Млечный Путь, в которой живем мы. Наша солнечная система, то есть Солнце, Земля и другие планеты с их спутниками, является частью этой галактики. Но она является всего лишь крохотной ее частью, так как наш Млечный Путь состоит из более чем 100
миллиардов звезд!

Некоторые ученые предполагают, что звезд по меньшей мере от 200 до 400 миллиардов. Один научный редактор даже заявил: «Возможно, что в Млечном
Пути содержится от пяти до десяти триллионов звезд».

Диаметр нашей Галактики до того велик, что тебе, даже если бы ты мог перемещаться со скоростью света (299 793 километра в секунду), понадобилось бы 100 000 лет для того, чтобы пересечь ее! Сколько это километров?

Поскольку за год свет проходит около десяти триллионов (10 000 000 000 000) километров, ответ ты получишь умножением этого числа на 100 000: диаметр
нашего Млечного Пути составляет приблизительно один квинтиллион (1 000 000 000 000 000 000) километров!

Среднее расстояние между звездами внутри нашей Галактики составляет, согласно предположениям, около шести световых лет, или около 60 триллионов километров.

Такие размеры и расстояния почти невозможно охватить человеческим разумом. И все-таки наша Галактика это только начало того, что находится в космическом пространстве! Есть нечто еще более потрясающее: до настоящего времени обнаружено столько галактик, что их теперь считают «таким же заурядным явлением, как былинки травы на лугу».

В пределах видимой вселенной находится около десяти миллиардов галактик! Но за пределами видимости современных телескопов существует гораздо больше. Некоторые астрономы полагают, что вселенная насчитывает 100 миллиардов галактик! И каждая галактика может состоять из сотен миллиардов звезд!

Скопления галактик

Но это еще не все. Эти внушающие благоговение галактики не рассеяны в космическом пространстве как попало. Наоборот, они, как правило, расположены в определенных группах, так называемых скоплениях, как ягоды в виноградной кисти. Тысячи из этих галактических скоплений уже наблюдались и были сфотографированы.

Некоторые скопления содержат сравнительно мало галактик. Млечный Путь, например, является частью скопления, состоящего приблизительно из двадцати галактик.

В составе этой местной группы имеется одна «соседняя» к нам галактика, которую можно увидеть в ясную ночь без телескопа. Речь идет о галактике Андромеды, которая, как и наша Галактика, имеет спиральную структуру.

Другие скопления галактик состоят из многих десятков и, возможно, из сотен или даже тысяч галактик. Предполагается, что в одном таком скоплении содержится около 10 000 галактик!

Расстояние между галактиками внутри скопления может составлять в среднем один миллион световых лет. Однако расстояние от одного скопления галактик до другого может быть в сто раз больше. И имеются даже данные о том, что сами скопления расположены в «сверх скоплениях», как кисти на виноградной лозе. Какие колоссальные размеры и какая блестящая организация!

Аналогичная организация

Возвращаясь назад к нашей солнечной системе, мы находим подобное, великолепно организованное устройство. Солнце - звезда средней величины -
является «ядром», вокруг которого по точно заданным орбитам двигаются Земля и другие планеты вместе со своими спутниками.

Из года в год они обращаются с такой математической неизбежностью, что астрономы могут безошибочно предсказать, где они будут находиться в тот или иной момент.

Такую же точность мы обнаруживаем, разглядывая бесконечно малый мир атомов. Атом - это чудо порядка, подобие миниатюрной солнечной системы. В состав атома входят ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и крошечные электроны, окружающие это ядро. Вся материя сложена из этих строительных
деталей.

Одно вещество отличается от другого количеством протонов и нейтронов в ядре, а также количеством и расстановкой вращающихся вокруг него электронов. Во всем этом прослеживается идеальный порядок, так как все элементы, из которых состоит материя, можно привести в аккуратную систему, соответственно наличному числу этих строительных деталей.

Чем объясняется эта организация?

Как мы отметили, размеры вселенной поистине внушают благоговейный страх. То же самое можно сказать и об ее чудесном устройстве. От безмерно большого до бесконечно малого, от скоплений галактик до атомов - повсюду для вселенной характерна великолепная организация.

Журнал Discover (Дискавер) заявил: «Мы с удивлением ощутили порядок, и наши космологи и физики продолжают находить новые, удивительные грани этого порядка…

Мы привыкли говорить, что это чудо, и по-прежнему позволяем себе говорить о всей вселенной как о чуде». Упорядоченная структура подтверждается даже употреблением слова, которым в астрономии обозначается вселенная: «космос».

В одном справочном пособии это слово определяется как «стройная, организованная система, в противоположность хаосу, беспорядочному нагромождению материи».

Бывший астронавт Джон Гленн обратил внимание на «порядок во всей окружающей нас вселенной» и на то, что галактики «все движутся по
установленным орбитам в определенном соотношении друг ко другу».

Поэтому он спросил: «Могло ли это произойти просто случайно? Было ли это
случайностью, что дрейфующие предметы вдруг сами по себе начали перемещаться по этим орбитам?».

Его заключение гласило: «Я не могу в это поверить… Некая Сила привела все эти предметы на орбиту и удерживает их там».

Поистине, вселенная организована настолько точно, что человек может использовать небесные тела как основу для измерения времени. Но любые
хорошо сконструированные часы, очевидно, являются произведением упорядоченно мыслящего ума, способного конструировать. Упорядоченно же
мыслящим умом, способным конструировать, может обладать только разумная личность.

Как же в таком случае рассматривать гораздо более сложное устройство и надежность, которые обнаруживаются повсюду во вселенной? Не указывает ли
также и это на конструктора, на создателя, на замысел - на интеллект? И есть ли у тебя какое-нибудь основание полагать, что интеллект может существовать отдельно от личности?

Мы не можем не признать одно: превосходная организация требует превосходного организатора. В нашем жизненном опыте не найдется ни одного
случая, который свидетельствовал бы о случайном возникновении чего-либо организованного. Наоборот, весь наш жизненный опыт показывает, что любая организация должна иметь организатора.

У каждой машины, компьютера, здания, даже у карандаша и листа бумаги был изготовитель, организатор. Логично, что гораздо более сложная и внушающая благоговение организация вселенной тоже должна была иметь организатора.

Закон требует законодателя

К тому же, вся вселенная, начиная с атомов и кончая галактиками, управляется определенными физическими законами. Например, есть законы, управляющие теплом, светом, звуком и тяготением.

Физик Стивен У. Хокинг сказал: «Чем больше мы исследуем вселенную, тем яснее становится, что она вовсе не бессистемна, а подчиняется определенным четко установленным законам, действующим в различных областях.

Предположение, что существуют некоторые всеобщие принципы, так что все законы являются частью некоего большего закона, кажется вполне разумным».

Специалист по ракетам Вернер фон Браун пошел еще дальше, когда заявил: «Законы природы во вселенной настолько точны, что у нас нет трудностей с
постройкой космического корабля для полета на Луну, и мы можем рассчитать полет по времени с точностью до доли секунды.

Эти законы должны были быть кем-то установлены». Учёные, желающие успешно вывести ракету на орбиту вокруг Земли или Луны, должны действовать в согласии с этими универсальными законами.

Когда мы размышляем о законах, мы сознаем, что они должны исходить от законодательной инстанции. За дорожным знаком с надписью «Стоп» безусловно стоит лицо или группа лиц, установивших этот закон.

Что же тогда можно сказать о всеобъемлющих законах, которые управляют материальной вселенной? Такие блестяще рассчитанные законы несомненно свидетельствуют о в высшей степени разумном законодателе.

Организатор и Законодатель

После комментария о множестве столь очевидных во вселенной особенных условий, отличающихся порядком и закономерностью, в журнале Science News
(Сайенс ньюс) отмечалось: «Размышление об этом тревожит космологов, потому что кажется, что такие исключительные и точные условия вряд ли могли создаться случайно.

Один из способов разрешения этой проблемы состоит в том, чтобы предположить, что все было изобретено, и приписать это Божьему Промыслу».

Многие лица, в том числе и многие ученые, неохотно допускают эту возможность. Но другие готовы признать то, в чем настойчиво убеждают факты, - разум. Они признают, что такие колоссальные размеры, точность и закономерность, встречающиеся повсюду во вселенной, никогда не могли образоваться просто случайно. Все это должно быть результатом деятельности сверх разума.

Именно такое заключение выразил один из писателей Библии, который сказал относительно материальных небес: «Поднимите глаза ваши на высоту небес, и посмотрите, кто сотворил их? Кто выводит воинство их счетом? Он всех их называет по имени». «Он» - это не кто иной, как , «сотворивший небеса и пространство их» (Исаия 40:26; 42:5).

Источник энергии

Существующая материя подчинена универсальным законам. Но откуда взялась вся эта материя? В книге Cosmos (Космос) Карл Сейган говорит: «В начале
существования этой вселенной не было ни галактик, ни звезд или планет, ни жизни или цивилизаций».

Переход из этого состояния к современной вселенной он называет «самой впечатляющей трансформацией материи и энергии, представить себе которую мы имели честь».

Это является ключом к пониманию того, каким образом могла начать существовать вселенная: должна была произойти трансформация энергии и материи.

Эта взаимосвязь подтверждается знаменитой формулой Эйнштейна E=mc2 (энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света). Из этой формулы
следует вывод, что из энергии может быть создана материя так же, как и из материи можно получить колоссальную энергию.

Доказательством последнего явилась атомная бомба. Поэтому астрофизик Иосип Клечек заявил: «Бо́льшая часть элементарных частиц, а, возможно, и все
они могут быть созданы путем материализации энергии».

Следовательно, предположение, что источник неограниченной энергии обладал бы исходным материалом для создания вещества вселенной, имеет научное доказательство.

Ранее процитированный писатель Библии отметил, что этот источник энергии является живой, мыслящей личностью, сказав: «По множеству могущества и
великой силе у Него ничто (ни одно из небесных тел) не выбывает».

Таким образом, с библейской точки зрения, за тем, что описывается в Бытие 1:1 словами: «В начале сотворил Бог небо и землю», кроется этот источник
неиссякаемой энергии.

Начало не было хаотичным

В настоящее время ученые обычно признают, что вселенная имела начало. Одна известная теория, которой пытаются описать это начало, называется теорией «Большого взрыва». «Почти все последние дискуссии о происхождении вселенной базируются на теории „ “», - отмечает Фрэнсис Крик.

Ястров говорит об этом космическом «взрыве» как о «буквальном моменте сотворения». Ученые, как признался астрофизик Джон Гриббин в журнале New
Scientist (Нью сайентист), «утверждают, что они, в общем и целом, в состоянии довольно детально описать», что случилось после этого «момента», но по
какой причине наступило это «мгновение сотворения, остается тайной».

«Возможно, что это сделал все-таки Бог», - заметил он в раздумьях.

Однако большинство ученых не желают связывать это «мгновение» с Богом. Поэтому «взрыв» обычно описывается как нечто хаотичное, подобное взрыву
атомной бомбы. Но приводит ли подобный взрыв к совершенствованию организации чего-либо? Создают ли бомбы, сбрасываемые на города во время
войны, великолепно построенные здания, улицы и дорожные знаки?

Наоборот, такие взрывы вызывают гибель, беспорядок, хаос и разрушение. А когда взрывается ядерное оружие, дезорганизация является тотальной, как
это испытали на себе в 1945 году японские города Хиросима и Нагасаки.

Нет, простой «взрыв» не мог создать нашу внушающую благоговение вселенную с ее удивительным порядком, целесообразным устройством и законами.

Только могущественный организатор и законодатель мог направить огромные действующие силы так, чтобы результатом явились великолепная организация и превосходные законы.

Следовательно, научные данные и логика служат прочной опорой для следующего заявления Библии: «Небеса проповедуют славу Божию, и о делах рук Его вещает твердь» (Псалом 18:2).

Итак, Библия вплотную занимается вопросами, на которые эволюционная теория не смогла ответить убедительно. Вместо того чтобы оставлять нас в неведении в отношении того, что кроется за происхождением всего, Библия дает нам простой и ясный ответ.

Она подтверждает научные, а также наши собственные наблюдения, что ничто не создаётся само по себе.

Хотя мы лично не присутствовали, когда была воздвигнута вселенная, но очевидно, что для этого требовался мастер конструктор, соответственно рассуждению Библии: «Всякий дом устраивается кем-либо; а устроивший всё есть Бог» (Евреям 3:4).

МОСКВА, 15 июн - РИА Новости. Вселенная могла родиться только в результате Большого Взрыва, так как все альтернативные сценарии ее формирования приводят к немедленному коллапсу новорожденной Вселенной и ее разрушению, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review D.

"Все эти теории были разработаны для того, чтобы объяснить изначальную "гладкую" структуру Вселенной в момент ее рождения и "нащупать" первичные условия ее формирования. Мы показали, что на самом деле они порождают противоположную картину - в них возникают мощные возмущения, которые в конечном итоге приводят к коллапсу всей системы", — пишут Жан-Люк Ленерс (Jean-Luc Lehners) из Института гравитационной физики в Потсдаме (Германия) и его коллеги.

Большая часть космологов считает, что Вселенная родилась из сингулярности, начавшей стремительно расширяться в первые мгновения после Большого Взрыва. Другая группа астрофизиков полагает, что рождению нашей Вселенной предшествовала смерть ее "прародительницы", которая, вероятно, случилась в ходе так называемого "Большого Разрыва".

Физики: Большой взрыв мог родить Вселенную, где время течет назад Знаменитые физики-теоретики Алан Гут и Шон Кэрролл предполагают, что Большой взрыв мог родить не только нашу Вселенную, но и ее "зеркальную" копию, где время - для наблюдателей на Земле - течет не вперед, а назад.

Главной проблемой этих теорий является то, они являются несовместимыми с теорией относительности - в тот момент, когда Вселенная представляла собой безразмерную точку, она должна была обладать бесконечной плотностью энергии и кривизной пространства и внутри нее должны были возникать мощные квантовые флуктуации, что является невозможным с точки зрения детища Эйнштейна.

Для решения этой проблемы ученые разработали в последние 30 лет несколько альтернативных теорий, в которых Вселенная рождается в иных, менее экстремальных условиях. К примеру, Стивен Хокинг и Джеймс Хартл еще 30 лет назад предположили, что Вселенная была точкой не только в пространстве, но и во времени, и до ее рождения времени, в нашем понимании этого слова, просто не существовало. Когда время появилось, пространство уже было относительно "плоским" и однородным для того, чтобы могла возникнуть "нормальная" Вселенная с "класическими" законами физики.

Космологи нашли способ увидеть Вселенную до Большого Взрыва Американские и китайские астрофизики предполагают, что мы можем узнать о некоторых свойствах Вселенной до того, как произошел Большой Взрыв, изучая квантовые флуктуации сверхтяжелых частиц, существовавших на заре мироздания, в микроволновом фоновом излучении Вселенной.

В свою очередь, советско-американский физик Александр Виленкин считает, что наша Вселенная представляет своеобразный "пузырь" ложного вакуума внутри вечной и постоянно расширяющейся гигантской мульти-Вселенной, где постоянно возникают подобные пузыри в результате квантовых флуктуаций вакуума, рождаясь в буквальном смысле из ничего.

Обе эти теории позволяют обойти вопрос "начала времени" и несовместимости условий Большого Взрыва с эйнштейновской физикой, но при этом они ставят новый вопрос - способны ли подобные варианты расширения Вселенной породить ее в том виде, в котором она сейчас существует?

Как показывают расчеты Ленерса и его коллег, на самом деле подобные сценарии рождения Вселенной не могут работать в принципе. В большинстве случаев они приводят не к рождению "плоской" и спокойной Вселенной, подобной нашей, а к появлению мощных возмущений в ее структуре, которые сделают подобные "альтернативные" Вселенные нестабильными. Более того, вероятность рождения подобной нестабильной Вселенной гораздо выше, чем ее стабильных аналогов, что ставит под сомнение идеи Хокинга и Виленкина.

Астрофизики: расширение Вселенной замедлялось и ускорялось семь раз Процесс расширения нашей Вселенной идет своеобразными волнами – в одни периоды времени скорость этого "распухания" мироздания растет, а в другие эпохи она падает, что уже происходило как минимум семь раз.

Соответственно, Большого Взрыва избежать не удастся - ученым, как заключают Ленерс и его коллеги, придется найти способ примирить квантовую механику и теорию относительности, а также понять, как квантовые флуктуации подавлялись при экстремально высокой плотности материи и кривизне пространства-времени.

Крупномасштабная структура Вселенной, как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм - 1 600 000 галактик, зарегистрированных в Extended Source Catalog как результат Two Micron All-Sky Survey. Яркость галактик показана цветом от синего (самые яркие) до красного (самые тусклые). Тёмная полоса по диагонали и краям картины - расположение Млечного Пути, пыль которого мешает наблюдениям

Вселенная - не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную , доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то, следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую - астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления). Вселенная является предметом исследования космологии.

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «космос», «мир», «небесная сфера». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба.

Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой , - всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология; при этом под Вселенной понимается или область мира, охваченная наблюдениями и космическими экспериментами, или объект космологических экстраполяций - физическая Вселенная как целое.

Предметом статьи являются знания о наблюдаемой Вселенной как о едином целом: наблюдения, их теоретическая интерпретация и история становления.

Среди однозначно интерпретируемых фактов относительно свойств Вселенной приведём здесь следующие:

В основу теоретических объяснений и описаний этих явлений положен космологический принцип, суть которого в том, что наблюдатели, независимо от места и направления наблюдения, в среднем обнаруживают одну и ту же картину. Сами теории стремятся объяснить и описать происхождение химических элементов, ход развития и причину расширения, возникновение крупномасштабной структуры.

Первый значительный толчок в сторону современных представлений о Вселенной совершил Коперник. Второй по величине вклад внесли Кеплер и Ньютон. Но поистине революционные изменения в наших представлениях о Вселенной происходят лишь в XX веке.

Этимология

В русском языке слово «Вселенная» является заимствованием из старославянского «въсєлена», что является калькой древнегреческого слова «ойкумена» (др.-греч. οἰκουμένη), от глагола οἰκέω «населяю, обитаю» и в первом значении имело смысл лишь обитаемой части мира. Поэтому русское слово «Вселенная» родственно существительному «вселение» и лишь созвучно определительному местоимению «всё». Самое общее определение для «Вселенной» среди древнегреческих философов, начиная с пифагорейцев, было τὸ πᾶν (Всё), включавшее в себя как всю материю (τὸ ὅλον), так и весь космос (τὸ κενόν).

Облик Вселенной

Представляя Вселенную как весь окружающий мир, мы сразу делаем её уникальной и единственной. И вместе с этим лишаем себя возможности описать её в терминах классической механики: из-за своей уникальности Вселенная ни с чем не может взаимодействовать, она - система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер. Вместо этого приходится прибегать к языку термодинамики, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав.

Расширение Вселенной

Однако, Вселенная мало похожа на обычный газ. Уже на самых крупных масштабах мы сталкиваемся с расширением Вселенной и реликтовым фоном. Природа первого явления - гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно его развитием определяется будущее Вселенной. Второе же явление - это наследство ранних эпох, когда свет горячего Большого взрыва практически перестал взаимодействовать с материей, отделился от неё. Сейчас, из-за расширения Вселенной, из видимого диапазона большинство излучённых тогда фотонов перешли в микроволновой радиодиапазон.

Иерархия масштабов во Вселенной

При переходе к масштабам меньше 100 Мпк обнаруживается чёткая ячеистая структура. Внутри ячеек пустота - войды. А стенки образованы из сверхскоплений галактик. Эти сверскопления - верхний уровень целой иерархии, затем идут скопления галактик, потом локальные группы галактик, а самый нижний уровень (масштаб 5-200 кпк) - это огромное многообразие самых различных объектов. Конечно, все они - галактики, но все они различны: это и линзовидные, неправильные, эллиптические, спиральные, с полярным кольцами, с активными ядрами и т. д.

Из них отдельно стоит упомянуть , отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» - . Болометрическая светимость квазаров может достигать 10 46 - 10 47 эрг/с.

Переходя к составу галактики мы обнаруживаем: тёмную материю, космические лучи, межзвёздный газ, шаровые скопления, рассеянные скопления, двойные звёзды, звёздные системы большей кратности, сверхмассивные и чёрные дыры звёздной массы, и, наконец, одиночные звёзды разного населения.

Их индивидуальная эволюция и взаимодействие друг с другом порождает множество явлений. Так предполагается, что источником энергии у упомянутых уже квазаров служит аккреция межзвёздного газа на сверхмассивную центральную чёрную дыру.

Отдельно стоит упомянуть и о гамма-всплесках - это внезапные кратковременные локализуемые повышения интенсивности космического гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ. Из оценок расстояний до гамма-всплесков можно сделать вывод, что излучаемая ими энергия в гамма-диапазоне достигает 10 50 эрг. Для сравнения, светимость всей галактики в этом же диапазоне составляет «всего» 10 38 эрг/c. Такие яркие вспышки видны из самых далеких уголков Вселенной, так у GRB 090423 красное смещение z = 8,2.

Сложнейшим комплексом, включающим в себя множество процессов, является эволюция галактики:

Ход эволюции малозависим от того, что происходит со всей галактикой в целом. Однако, общее число вновь образующихся звёзд и их параметры подвержены значительному внешнему влиянию. Процессы, масштабы которых сравнимы или больше размера галактики, меняют морфологическую структуру, темп звездообразования, а значит, и скорость химической эволюции, спектр галактики и так далее.

Наблюдения

Описанное выше многообразие порождает целый спектр задач наблюдательного характера. В одну группу можно включить изучение отдельных феноменов и объектов, а это:

Феномен расширения. А для этого нужно измерять расстояния и красные смещения и как можно более далеких объектов. При ближайшем рассмотрении это выливается в целый комплекс задач, называемый шкалой расстояний.
Реликтовый фон.
Отдельные удалённые объекты, как квазары и гамма-всплески.

Далёкие и старые объекты излучают мало света и необходимы гигантские телескопы, такие как обсерватория Кека, VLT, БТА, «Хаббл» и строящиеся E-ELT и «Джеймс Уэбб». Кроме того, для выполнения первой задачи необходимы и специализированные средства - такие, как Hipparcos и разрабатывающаяся Gaia.

Как было сказано, излучение реликтового лежит в микроволновом диапазоне длин волн, следовательно, для его изучения необходимы радионаблюдения и, желательно, космическими телескопами, такими как WMAP и «Планк».

Уникальные особенности гамма-всплесков требуют не только гамма-лабораторий на орбите, наподобие SWIFT, но и необычных телескопов - робот-телескопов - чьё поле зрения больше, чем у вышеупомянутых инструментов SDSS, и способных наблюдать в автоматическом режиме. Примерами таких систем может служить телескопы российской сети «Мастер» и российско-итальянский проект Tortora.

Предыдущие задачи - это работа по отдельным объектам. Совсем иной подход требуется для:

Изучения крупномасштабной структуры Вселенной.
Изучение эволюции галактик и процессов её составляющие. Таким образом нужны наблюдения как можно более старых объектов и как можно в большем числе. С одной стороны необходимы массовые, обзорные наблюдения. Это вынуждает использовать телескопы с широким полем, например, такие, как в проекте SDSS. С другой стороны требуется детализация, на порядки превышающая надобности большинства задач предыдущей группы. А это возможно только с помощью РСДБ-наблюдений, с базой в диаметр , или ещё больше как эксперименте «Радиоастрон».

Отдельно стоит выделить поиск реликтовых нейтрино. Для её решения необходимо задействовать специальные телескопы - нейтринные телескопы и нейтринные детекторы, - такие как Баксанский нейтринный телескоп, Байкальский подводный, IceCube, KATRIN.

Одно изучение гамма-всплесков, да реликтового фона свидетельствует о том, что только оптическим участком спектра тут не обойтись. Однако атмосфера Земли имеет всего два окна прозрачности: в радио- и оптическом диапазоне, и поэтому без космических обсерваторий не обойтись. Из ныне действующих в пример тут приведем Chandra, Integral, XMM-Newton, Гершель. В разработке находятся «Спектр-УФ», IXO, «Спектр-РГ», Astrosat и многие другие.

Шкала расстояний и космологическое красное смещение

Измерение расстояния в астрономии - многоступенчатый процесс. И основная сложность заключается в том, что наилучшие точности в разных методах достигаются на разных масштабах. Поэтому для измерений всё более и более далёких объектов используется всё более и более длинная цепочка методов, каждый из которых опирается на результаты предыдущего.

В основании всех эти цепочек лежит метод тригонометрического параллакса - базовый, единственный, где расстояние измеряется геометрически, с минимальным привлечением допущений и эмпирических закономерностей. Прочие методы, в большинстве своем, для измерения расстояния используют стандартную свечу - источник с известной светимостью. И расстояние до него можно вычислить:

где D - искомое расстояние, L - светимость, а F - измеренный световой поток.

Схема возникновения годичного параллакса

Метод тригонометрического параллакса:

Параллакс - это угол, возникающий благодаря проекции источника на небесную сферу. Различают два вида параллакса: годичный и групповой.

Годичный параллакс - угол, под которым был бы виден средний радиус земной орбиты из центра масс звезды. Из-за движения Земли по орбите видимое положение любой звезды на небесной сфере постоянно сдвигается - звезда описывает эллипс, большая полуось которого оказывается равной годичному параллаксу. По известному параллаксу из законов евклидовой геометрии расстояние от центра земной орбиты до звезды можно найти как:

,

где D - искомое расстояние, R - радиус земной орбиты, а приближённое равенство записано для малого угла (в радианах). Данная формула хорошо демонстрирует основную трудность этого метода: с увеличением расстояния значение параллакса убывает по гиперболе, и поэтому измерение расстояний до далеких звёзд сопряжено со значительными техническими трудностями.

Суть группового параллакса состоит в следующем: если некое звёздное скопление имеет заметную скорость относительно Земли, то по законам проекции видимые направления движения его членов будут сходиться в одной точке, называемой радиантом скопления. Положение радианта определяется из собственных движений звёзд и смещения их спектральных линий, возникшего из-за эффекта Доплера. Тогда расстояние до скопления находится из следующего соотношения:

где μ и V r - соответственно угловая (в секундах дуги в год) и лучевая (в км/с) скорость звезды скопления, λ - угол между прямыми -звезда и звезда-радиант, а D - расстояние, выраженное в парсеках. Только Гиады имеют заметный групповой параллакс, но до запуска спутника Hipparcos только таким способом можно откалибровать шкалу расстояний для старых объектов.

Метод определения расстояния по цефеидам и звёздам типа RR Лиры

На цефеидах и звёздах типа RR Лиры единая шкала расстояний расходится на две ветви - шкалу расстояний для молодых объектов и для старых. Цефеиды расположены, в основном, в областях недавнего звёздообразования и поэтому являются молодыми объектами. типа RR Лиры тяготеют к старым системам, например, особенно их много в шаровых звёздных скоплениях в гало нашей Галактики.

Оба типа звёзд являются переменными, но если цефеиды - недавно образовавшиеся объекты, то звёзды типа RR Лиры сошли с главной последовательности - гиганты спектральных классов A-F, расположенные, в основном, на горизонтальной ветви диаграммы «цвет-величина» для шаровых скоплений. Однако, способы их использования как стандартных свеч различны:

Определение данным методом расстояний сопряжено с рядом трудностей:

Необходимо выделить отдельные звёзды. В пределах Млечного Пути это не составляет особого труда, но чем больше расстояние, тем меньше угол, разделяющий звёзды.

Необходимо учитывать поглощение света пылью и неоднородность её распределения в пространстве.

Кроме того, для цефеид остаётся серьёзной проблемой точное определение нуль-пункта зависимости «период пульсации - светимость». На протяжении XX века его значение постоянно менялось, а значит, менялась и оценка расстояния, получаемая подобным способом. Светимость звёзд типа RR Лиры, хотя и почти постоянна, но всё же зависит от концентрации тяжёлых элементов.

Метод определения расстояния по сверхновым типа Ia:

Кривые блеска различных сверхновых.

Колоссальный взрывной процесс, происходящий по всему телу звезды, при этом выделившейся энергии лежит в диапазоне от 10 50 - 10 51 эрг. А также сверхновые типа Ia имеют одинаковую светимость в максимуме блеска. Вместе это позволяет измерять расстояния до очень далёких галактик.

Именно благодаря им в 1998 году две группы наблюдателей открыли ускорение расширения Вселенной. На сегодняшний день факт ускорения почти не вызывает сомнений, однако, по сверхновым невозможно однозначно определить его величину: всё ещё крайне велики ошибки для больших z.

Обычно, помимо общих для всех фотометрических методов, к недостаткам и открытым проблемам относят:

Проблема К-поправки. Суть этой проблемы состоит в том, что измеряется не боллометрическая интенсивность (интегрированная по всему спектру), а в определённом спектральном диапазоне приёмника. Это значит, что для источников, имеющие разные красные смещения, измеряется интенсивность в разных спектральных диапазонах. Для учёта этого различия вводится особая поправка, называемая К-поправка.

Форма кривой зависимости расстояния от красного смещения измеряется разными обсерваториями на разных инструментах, что порождает проблемы с калибровками потоков и т. п.

Раньше считалось, что все сверхновые Ia - это взрывающиеся в тесной двойной системе, где второй компонент - это . Однако появились свидетельства, что по крайне мере часть из них могут возникать в ходе слияния двух белых карликов, а значит этот подкласс уже не походит для использования в качестве стандартной свечи.

Зависимость светимости сверхновой от химического состава звезды-предшественницы.

Геометрия гравитационного линзирования:

Геометрия гравитационного линзирования

Проходя около массивного тела, луч света отклоняется. Таким образом, массивное тело способно собирать параллельный пучок света в некотором фокусе, строя изображение, причём их может быть несколько. Это явление называется гравитационным линзированием. Если линзируемый объект - переменный, и наблюдается несколько его изображений, это открывает возможность измерения расстояний, так как между изображениями будут различные временны́е задержки из-за распространения лучей в разных частях гравитационного поля линзы (эффект аналогичен эффекту Шапиро в ).

Если в качестве характерного масштаба для координат изображения ξ и источника η (см. рисунок) в соответствующих плоскостях взять ξ 0 =D l и η 0 =ξ 0 D s /D l (где D - угловое расстояние), тогда можно записывать временно́е запаздывание между изображениями номер i и j следующим образом:

где x =ξ /ξ 0 и y =η /η 0 - угловые положения источника и изображения соответственно, с - скорость света, z l - красное смещение линзы, а ψ - потенциал отклонения, зависящий от выбора модели. Считается, что в большинстве случаев реальный потенциал линзы хорошо аппроксимируется моделью, в которой вещество распределено радиально симметрично, а потенциал превращается в бесконечность. Тогда время задержки определяется по формуле:

Однако, на практике чувствительность метода к виду потенциала гало галактики существенна. Так, измеренное значение H 0 по галактике SBS 1520+530 в зависимости от модели колеблется от 46 до 72 км/(с Мпк).

Метод определения расстояния по красным гигантам:

Ярчайшие красные гиганты имеют одинаковую абсолютную звёздную величину −3.0 m ±0.2 m , а значит, подходят на роль стандартных свеч. Наблюдательно первым этот эффект обнаружил Сендидж в 1971 году. Предполагается, что эти звёзды либо находятся на верхней точке первого подъёма ветви красных гигантов звёзд малой массы (меньше солнечной), либо лежат на асимптотической ветви гигантов.

Основным достоинством метода является то, что красные гиганты удалены от областей звёздообразования и повышенной концентрации пыли, что сильно облегчает учёт поглощения. Их светимость также крайне слабо зависит от металличности как самих звёзд, так и окружающей их среды. Основная проблема данного метода - выделение красных гигантов из наблюдений звёздного состава галактики. Существует два пути её решения:

• Классический - метод выделения края изображений. При этом обычно применяют Собелевский фильтр. Начало провала - искомая точка поворота. Иногда вместо собелевского фильтра в качестве аппроксимирующей функции берут гауссиану, а функция выделения края зависит от фотометрических ошибок наблюдений. Однако, по мере ослабления звезды растут и ошибки метода. В итоге предельно измеряемый блеск на две звёздных величины хуже, чем позволяет аппаратура.

где a - коэффициент, близкий к 0,3, m - наблюдаемая звёздная величина. Основная проблема - расходимость в некоторых случаях рядов, возникающих в результате работы метода максимального правдоподобия.

Основная проблема - расходимость в некоторых случаях рядов, возникающих в результате работы метода максимального правдоподобия.

Проблемы и современные дискуссии:

Одной из проблем является неопределённость в значении постоянной Хаббла и её изотропии. Одна группа исследователей утверждает, что значение постоянной Хаббла флуктуирует на масштабах 10-20°. Возможных причин этому явлению несколько:

Реальный физический эффект - в таком случае космологическая модель должна быть кардинально пересмотрена;
Стандартная процедура усреднения ошибок некорректна. Это также ведёт к пересмотру космологической модели, но возможно, не такой значительной. В свою очередь, многие другие обзоры и их теоретическая интерпретация не показывают анизотропии, превышающей локально обусловленную ростом неоднородности, в которую входит и наша Галактика, в изотропной в целом Вселенной.

Спектр реликтового излучения

Изучение реликтового фона:

Информация, которую возможно получить, наблюдая реликтовый фон, крайне разнообразна: примечателен сам факт существования реликтового фона. Если Вселенная существовала вечно, то неясна причина его существования - массовых источников, способных создать такой фон, мы не наблюдаем. Однако если время жизни Вселенной конечно, то очевидно, что причина его возникновения кроется на начальных этапах её становления.

На сегодняшний день доминирует мнение, что реликтовое излучение - это излучение, высвободившееся в момент образования атомов водорода. До этого излучение было заперто в веществе, а вернее, в том, что тогда оно из себя представляло - плотной горячей плазме.

Метод анализа реликтового фона на этом предположении и базируется. Если мысленно проследить путь каждого фотона, то получится, что поверхность последнего рассеяния - сфера, тогда колебания температуры удобно разложить в ряд по сферическим функциям:

где - коэффициенты, называемые мультипольными, а - сферические гармоники. Получающаяся информация довольно разнообразна.

1. Различная информация заложена также и в отклонениях от чернотельного излучения. Если отклонения масштабны и систематичны, то наблюдается эффект Сюняева - Зельдовича, малые же флуктуации обусловлены флуктуациями вещества на ранних стадиях развития Вселенной.
2. Особо ценную информацию о первых секундах жизни Вселенной (в частности, о стадии инфляционного расширения) несёт поляризация реликтового фона.

Эффект Сюняева - Зельдовича

Если фотоны реликтового фона на своём пути встречают горячий газ скоплений галактик, то в ходе рассеяния за счёт обратного эффекта Комптона фотоны будут разогреваться (то есть увеличат частоту), забирая часть энергии у горячих электронов. Наблюдательно это будет проявляться снижением потока реликтового излучения в направлении крупных скоплений галактик в длинноволновой области спектра.

С помощью этого эффекта можно получить информацию:

о давлении горячего межгалактического газа в скоплении, а, возможно, и о самой массе скопления;
о скорости скопления вдоль луча зрения (из наблюдений на разных частотах);
о величине постоянной Хаббла H0, с привлечением наблюдений в гамма-диапазоне.

При достаточном количестве наблюдаемых скоплений можно определить и общую плотность Вселенной Ω.

Карта поляризации реликтового излучения по данным WMAP

Поляризация реликтового излучения могла возникнуть только в эпоху просветления. Так как рассеяние томпсоновское, то реликтовое излучение линейно поляризовано. Соответственно, параметры Стокса Q и U, характеризующие линейные параметры, отличны, а параметр V равен нулю. Если интенсивность можно разложить по скалярным гармоникам, то поляризацию можно разложить по так называемым спиновым гармоникам:

Выделяются E-мода (градиентная составляющая) и B-мода (роторная составляющая).

E-мода может появляться при прохождении излучения через неоднородную плазму вследствие томпсоновского рассеяния. B-мода, максимальная амплитуда которой достигает всего лишь , возникает лишь при взаимодействии с гравитационными волнами.

B-мода является признаком инфляции Вселенной и определяется плотностью первичных гравитационных волн. Наблюдение B-моды является сложной задачей вследствие неизвестного уровня шума для этой компоненты реликтового излучения, а также за счёт того, что B-мода смешивается слабым гравитационным линзированием с более сильной E-модой.

На сегодняшний день поляризация обнаружена, её величина на уровне в несколько (микрокельвинов). B-моду долгое время не наблюдали. Впервые её обнаружили в 2013 году, а в 2014 подтвердили.

Флуктуации реликтового фона

После удаления фоновых источников, постоянной составляющей дипольной и квадрупольной гармоник, остаются только разбросанные по небу флуктуации, разброс амплитуды которых лежит в диапазоне от −15 до 15 μK.

Для сравнение с теоретическими данным сырые данные приводятся к вращательно-инвариантной величине:

«Спектр» же строят для величины l(l+1)Cl/2π, из которого получают важные для космологии выводы. К примеру, по положению первого пика можно судить о полной плотности Вселенной, а по его величине - содержание барионов.

Так из совпадения кросс-корреляции между анизотропией и E-модой поляризации с теоретическими предсказанными для малых углов (θ<5°) и значительного расхождения в области больших можно сделать о наличии эпохи рекомбинации на z ≈ 15-20.

Так как флуктуации гауссовы, то можно использовать метод марковских цепей для построения поверхности максимального правдоподобия. В целом обработка данных по реликтовому фону это целый комплекс программ. Однако, как итоговый результат, так и используемые предположения и критерия вызывают дискуссию. Различными группами показано, отличие распределения флуктуаций от гауссова, зависимость карты распределений от алгоритмов его обработки.

Неожиданным результатом стало аномальное распределение на больших масштабах(от 6° и больше). Качество последних подтверждающих данных, полученные на космической обсерватории имени Планка, исключают ошибки измерений. Возможно, они вызваны ещё не обнаруженным и не исследованным явлением.

Наблюдение далёких объектов

Лайман-альфа лес

В спектрах некоторых далеких объёктов можно наблюдать большое скопление сильных абсорбционных линий на малом участке спектра (т. н. лес линий). Эти линии отождествляются как линии серии Лаймана, но имеющие разные красные смещения.

Облака нейтрального водорода эффективно поглощают свет на длинах волн от Lα(1216 Å) до лаймановского предела. Излучение, изначально коротковолновое, на пути к нам из-за расширения Вселенной поглощается там, где его длина волны сравнивается с этим «лесом». Сечение взаимодействия очень большое и расчёт показывает, что даже малой доли нейтрального водорода достаточно для создания большого поглощения в непрерывном спектре.

При большом количестве облаков нейтрального водорода на пути света, линии будут расположены настолько близко друг к другу, что на довольно широком интервале в спектре образуется провал. Длинноволновая граница этого интервала обусловлена Lα, а коротковолновая зависит от ближайшего красного смещения, ближе которого среда ионизована и нейтрального водорода мало. Подобный эффект носит названия эффекта Гана-Петерсона.

Эффект наблюдается в квазарах с красным смещением z > 6. Отсюда делается вывод, что эпоха ионизации межгалактического газа началась с z ≈ 6.

Гравитационно-линзированные объекты

К эффектам, наблюдения которых возможны также для любого объекта (даже не важно, чтобы он был далёким), необходимо отнести и эффект гравитационного линзирования. В прошлом разделе было указано, что с помощью гравитационного линзирования строят шкалу расстояний, это вариант так называемого сильного линзирования, когда угловое разделение изображений источника можно непосредственно наблюдать. Однако существует ещё и слабое линзирование, с его помощью можно исследовать потенциал изучаемого объекта. Так, с его помощью было установлено, что скопления галактик размером от 10 до 100 Мпк являются гравитационно связанными, тем самым являясь самыми крупными стабильными системами во Вселенной. Также выяснилось, что обеспечивает эту стабильность масса, проявляющаяся только в гравитационном взаимодействии - тёмная масса или, как её называют в космологии, тёмная материя.

Природа квазара

Уникальное свойство квазаров - большие концентрации газа в области излучения. По современным представлениям, аккреция этого газа на чёрную дыру и обеспечивает столь высокую светимость объектов. Высокая концентрация вещества означает и высокую концентрацию тяжёлых элементов, а значит и более заметные абсорбционные линии. Так, в спектре одного из линзируемых квазаров были обнаружены линии воды.

Уникальным преимуществом является и высокая светимость в радиодиапазоне, на её фоне поглощение части излучения холодным газом более заметно. При этом газ может принадлежать как родной галактике квазара, так и случайному облаку нейтрального водорода в межгалактической среде, или галактике, случайно попавшей на луч зрения (при этом нередки случаи, когда такая галактика не видна - она слишком тусклая для наших телескопов). Изучение межзвёздного вещества в галактиках данным методом называется «изучением на просвет», к примеру, подобным образом была обнаружена первая галактика со сверхсолнечной металличностью.

Также важным результатом применения данного метода, правда не в радио-, а в оптическом диапазоне, являются измерения первичного обилия дейтерия. Современное значение обилия дейтерия, полученное по таким наблюдениям, составляет .

С помощью квазаров получены уникальные данные о температуре реликтового фона на z ≈ 1,8 и на z = 2,4. В первом случае исследовались линии сверхтонкой структуры нейтрального углерода, для которых кванты с T ≈ 7,5 К (предполагаемая температура реликтового фона на тот момент) играют роль накачки, обеспечивая инверсную заселённость уровней. Во втором случае обнаружили линии молекулярного водорода H2, дейтерида водорода HD, а также молекулы оксида углерода СО, по интенсивности спектра которой как раз и измерили температуру реликтового фона, она с хорошей точностью совпала с ожидаемым значением.

Ещё одно достижение, состоявшееся благодаря квазарам - оценка темпа звездообразования на больших z. Сначала, сравнивая спектры двух различных квазаров, а потом сравнивая отдельные участки спектра одного и того же квазара, обнаружили сильный провал на одном из UV участков спектра. Столь сильный провал мог быть вызван только большой концентрацией пыли, поглощающей излучение. Ранее пыль пытались обнаружить по спектральным линиям, но выделить конкретные серии линий, доказывающее, что это именно пыль, а не примесь тяжёлых элементов в газе, не удавалось. Именно дальнейшее развитие этого метода позволило оценить темп звёздообразования на z от ~ 2 до ~ 6.

Наблюдения гамма-всплесков

Популярная модель возникновения гамма-всплеска

Гамма-всплески - уникальное явление, и общепризнанного мнения о его природе не существует. Однако подавляющее большинство учёных соглашается с утверждением, что прародителем гамма всплеска являются объекты звёздной массы.

Уникальные возможности применения гамма-всплесков для изучения структуры Вселенной состоят в следующем:

Так как прародителем гамма-всплеска является объект звёздной массы, то и проследить гамма-всплески можно на большее расстояние, нежели квазары, как по причине более раннего формирования самого прародителя, так и из-за малой массы чёрной дыры квазара, а значит и меньшей его светимости на тот период времени. Спектр гамма-всплеска - непрерывный, то есть не содержит спектральных линий. Это означает, что самые далёкие линии поглощения в спектре гамма-всплеска - это линии межзвёздной среды родительской галактики. Из анализа этих спектральных линий можно получить информацию о температуре межзвёздной среды, её металличности, степени ионизации и кинематике.

Гамма-всплески дают чуть ли не идеальный способ изучать межгалактическую среду до эпохи реионизации, так как их влияние на межгалактическую среду на 10 порядков меньше, нежели квазаров, из-за малого времени жизни источника. Если послесвечение гамма-всплеска в радиодиапазоне достаточно сильное, то по линии 21 см можно судить о состоянии различных структур нейтрального водорода в межгалактической среде вблизи от галактики-прародителя гамма-всплеска. Детальное изучение процессов формирования звёзд на ранних этапах развития Вселенной с помощью гамма-всплесков сильно зависит от выбранной модели природы явления, но если набрать достаточную статистику и построить распределения характеристик гамма-всплесков в зависимости от красного смещения, то, оставаясь в рамках довольно общих положений, можно оценить темп звёздообразования и функцию масс рождающихся звёзд.

Если принять предположение, что гамма-всплеск - это взрыв сверхновой звезды населения III, то можно изучать историю обогащения Вселенной тяжёлыми металлами. Также гамма-всплеск может служить указателем на очень слабую карликовую галактику, которую трудно обнаружить при «массовом» наблюдении неба.

Серьёзной проблемой для наблюдения гамма-всплесков в общем и применимости их для изучения Вселенной, в частности, является их спорадичность и краткость времени, когда послесвечение всплеска, по которому только и можно определить расстояние до него, можно наблюдать спектроскопически.

Изучение эволюции Вселенной и её крупномасштабной структуры

Изучение крупномасштабной структуры

Данные о крупномасштабной структуре 2df обзора

Первым способом изучения крупномасштабной структуры Вселенной, не потерявший своей актуальности, стал так называемый метод «звёздных подсчётов» или метод «звёздных черпков». Суть его в подсчёте количества объектов в различных направлениях. Применён Гершелем в конце XVIII века, когда о существовании далёких космических объектов только догадывались, и единственными объектами, доступными для наблюдений, были звёзды, отсюда и название. Сегодня, естественно, считают не звёзды, а внегалактические объекты (квазары, галактики), и помимо выделенного направления строят распределения по z.

Крупнейшими источниками данных о внегалактических объектах являются отдельные наблюдения конкретных объектов, обзоры типа SDSS, APM, 2df, а также компилятивные базы данных, такие как Ned и Hyperleda. Например, в обзоре 2df охват неба составлял ~ 5 %, среднее z - 0,11 (~ 500 Мпк), количество объектов - ~ 220 000.

Доминирующим является мнение, что при переходе к масштабам сотен мегапарсек ячейки складываются и усредняются, распределение видимого вещества становится однородным. Однако однозначность в этом вопросе пока не достигнута: применяя различные методики некоторые исследователи приходят к выводам об отсутствии однородности распределения галактик вплоть до самых больших исследованных масштабов. Вместе с тем, неоднородности в распределении галактик не отменяют факта высокой однородности Вселенной в начальном состоянии, выводимого из высокой степени изотропии реликтового излучения.

Вместе с этим установлено, что распределения количества галактик по красному смещению имеет сложный характер. Зависимость для разных объектов различна. Однако для всех них характерно наличие нескольких локальных максимумов. С чем это связано - пока не совсем понятно.

До последнего времени не было ясности в том, как эволюционирует крупномасштабная структура Вселенной. Однако работы последнего времени показывают, что первыми сформировались крупные галактики, и только потом уже мелкие (так называемый downsizing-эффект).

Наблюдения звёздных скоплений

Популяция белых карликов в шаровом звёздном скоплении NGC 6397. Синие квадраты - гелиевые белые карлики, фиолетовые кружки - «нормальные» белые карлики с высоким содержанием углерода.

Главное свойство шаровых скоплений для наблюдательной космологии - много звёзд одного возраста в небольшом пространстве. Это значит, что если каким-то способом измерено расстояние до одного члена скопления, то различие в расстоянии до других членов скопления пренебрежимо мало.

Одновременное формирование всех звёзд скопления позволяет определить его возраст: опираясь на теорию звёздной эволюции, строятся изохроны, то есть кривые равного возраста для звёзд различной массы. Сопоставляя их с наблюдаемым распределением звёзд в скоплении, можно определить его возраст.

Метод имеет ряд своих трудностей. Пытаясь их решить, разные команды, в разное время получали разные возраста для самых старых скоплений, от ~8 млрд лет, до ~ 25 млрд лет.

В галактиках шаровые скопления, входящие в старую сферическую подсистему галактик, содержат множество белых карликов - остатков проэволюционировавших красных гигантов относительно небольшой массы. Белые карлики лишены собственных источников термоядерной энергии и излучают исключительно за счёт излучения запасов тепла. Белые карлики имеют приблизительно одинаковую массу звёзд-предшественниц, а значит - и приблизительно одинаковую зависимость температуры от времени. Определив по спектру белого карлика его абсолютную звёздную величину на данный момент и зная зависимость время-светимость при остывании, можно определить возраст карлика.

Однако данный подход связан как с большими техническими трудностями, - белые карлики крайне слабые объекты, - необходимо крайне чувствительные инструменты, чтоб их наблюдать. Первым и пока единственным телескопом, на котором возможно решение данной задачи является космический телескоп им. Хаббла. Возраст самого старого скопления по данным группы, работавшей с ним: млрд лет, однако, результат оспаривается. Оппоненты указывают, что не были учтены дополнительные источники ошибок, их оценка млрд лет.

Наблюдения непроэволюционировавших объектов

NGC 1705 - галактика типа BCDG

Объекты, фактически состоящие из первичного вещества, дожили до нашего времени благодаря крайне малому темпу их внутренней эволюции. Это позволяет изучать первичный химический состав элементов, а также, не сильно вдаваясь в подробности и основываясь на лабораторных законах ядерной физики, оценить возраст подобных объектов, что даст нижний предел на возраст Вселенной в целом.

К такому типу можно отнести: звёзды малой массы с низкой металличностью (так называемые G-карлики), низкометалличные области HII, а также карликовые неправильные галактики класса BCDG (Blue Compact Dwarf Galaxy).

Согласно современным представлениям, в ходе первичного нуклеосинтеза должен был образоваться литий. Особенность это элемента заключается в том, что ядерные реакции с его участием начинаются при не очень больших, по космическим масштабам, температурах. И в ходе звёздной эволюции изначальный литий должен был быть практически полностью переработан. Остаться он мог только у массивных звёзд населения типа II. Такие звёзды имеют спокойную, не конвективную атмосферу, благодаря чему литий остаётся на поверхности, не рискуя сгореть в более горячих внутренних слоях звезды.

В ходе измерений, обнаружилось, что у большинства таких звёзд обильность лития составляет:

Однако есть ряд звёзд, в том числе и сверхнизкометалличные, у которых обильность значительность ниже. С чем это связано, до конца не ясно, предполагается, что это как-то связано с процессами в атмосфере.

У звезды CS31082-001, принадлежащей звёздному населению типа II, были обнаружены линии и измерены концентрации в атмосфере тория и урана. Эти два элемента имеют различный период полураспада, поэтому со временем их соотношение меняется, и если как-то оценить первоначальное соотношение обильностей, то можно определить возраст звезды. Оценить можно двояким способом: из теории r-процессов, подтверждённой как лабораторными измерениями, так и наблюдениями Солнца; или можно пересечь кривую изменения концентраций за счёт распада и кривую изменения содержания тория и урана в атмосферах молодых звёзд за счёт химической эволюции Галактики. Оба метода дали схожие результаты: 15,5±3,2 млрд лет получены первым способом, млрд лет - вторым.

Слабо металличные BCDG-галактикам (всего их существует ~10) и зоны HII - источники информации по первичному обилию гелия. Для каждого объекта из его спектра определяется металличность (Z) и концентрация He (Y). Экстраполируя определённым образом диаграмму Y-Z до Z=0, получают оценку первичного гелия.

Итоговое значения Yp разнится от одной группы наблюдателей к другой и от одного периода наблюдений к другому. Так, одна, состоящая из авторитетнейших специалистов в этой области: Изотова и Тхуан (Thuan) получили значение Yp=0,245±0,004 по BCDG-галактикам, по HII - зонам на данный момент (2010) они остановились на значении Yp=0,2565±0,006. Другая авторитетная группа во главе с Пеймберт (Peimbert) получали также различные значения Yp, от 0,228±0,007 до 0,251±0,006.

Теоретические модели

Из всего множества наблюдательных данных для построения и подтверждения теорий ключевыми являются следующие:

Их интерпретация начинается с постулата, утверждающего, что каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения обнаруживает в среднем одну и ту же картину. То есть на больших масштабах Вселенная пространственно однородна и изотропна. Заметим, данное утверждение не запрещает неоднородности во времени, то есть существования выделенных последовательностей событий, доступных всем наблюдателям.

Сторонники теорий стационарной Вселенной иногда формулируют «совершенный космологический принцип», согласно которому свойствами однородности и изотропности должно обладать четырёхмерное пространство-время. Однако наблюдаемые во Вселенной эволюционные процессы, по всей видимости не согласуются с таким космологическим принципом.

В общем случае для построения моделей применяются следующие теории и разделы физики:

Равновесная статистическая физика, её основные понятия и принципы, а также теория релятивистского газа.
Теория гравитации, обычно это ОТО. Хотя её эффекты проверены только в масштабах Солнечной системы, и её использование в масштабе галактик и Вселенной в целом может быть подвергнуто сомнению.
Некоторые сведения из физики элементарных частиц: список основных частиц, их характеристики, типы взаимодействия, законы сохранения. Космологические модели были бы много проще, если бы протон не был стабильной частицей и распадался бы, чего современные эксперименты в физических лабораториях не подтверждают. На данный момент, комплекс моделей, наилучшим образом объясняющий наблюдательные данные является:

Теория Большого Взрыва. Описывает химический состав Вселенной.
Теория стадии инфляции. Объясняет причину расширения.
Модель расширения Фридмана. Описывает расширение.
Иерархическая теория. Описывает крупномасштабную структуру.

Модель расширяющейся Вселенной

Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит ОТО и её геометрический взгляд на природу гравитации.

Если изотропно расширяющуюся среду рассматривать в системе координат, жёстко связанной с материей, то расширение Вселенной формально сводится к изменению масштабного фактора всей координатной сетки, в узлах которой «посажены» галактики. Такую систему координат называют сопутствующей. Начало же отсчёта обычно прикрепляют к наблюдателю.

Единой точки зрения, является ли Вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная конечна, поскольку конечна скорость света и существовал Большой Взрыв.

Модель Фридмана

Стадия	Эволюция	Параметр Хаббла
Инфляционная
Радиационное доминирование p=ρ/3
Пылевая стадия p=const
-доминирование

В рамках ОТО вся динамика Вселенной может быть сведена к простым дифференциальным уравнениям для масштабного фактора .

В однородном, изотропном четырёхмерном пространстве с постоянной кривизной, расстояние между двумя бесконечно приближенными точками можно записать следующим образом:

,

где k принимает значение:

• k=0 для трёхмерной плоскости
• k=1 для трёхмерной сферы
• k=-1 для трёхмерной гиперсферы

x - трёхмерный радиус-вектор в квазидекартовых координатах: .

Если же выражение для метрики подставить в уравнения ОТО, то получим следующую систему уравнений:

• Уравнение энергии

• Уравнение движения

• Уравнение неразрывности

где Λ - космологическая постоянная, ρ - средняя плотность Вселенной, P - давление, c - скорость света.

Приведённая система уравнений допускает множество решений, в зависимости от выбранных параметров. На самом деле значение параметров фиксированы только на текущий момент и с течением времени эволюционируют, поэтому эволюцию расширения описывает совокупность решений.

Объяснение закона Хаббла

Допустим, есть источник, расположенный в сопутствующей системе на расстоянии r 1 от наблюдателя. Приёмная аппаратура наблюдателя регистрирует фазу приходящей волны. Рассмотрим два интервала между точками с одной и тойже фазой:

С другой стороны для световой волны в принятой метрике выполняется равенство:

Если это уравнение проинтегрировать и вспомнить, что в сопутствующих координатах r не зависит от времени, то при условии малости длины волны относительно радиуса кривизны Вселенной получим соотношение:

Если теперь его подставить в первоначальное соотношение:

После разложения правой части в ряд Тейлора с учётом члена первого порядка малости получим соотношение в точности совпадающее с законом Хаббла. Где постоянная H принимает вид:

ΛCDM

Как уже говорилось, уравнения Фридмана допускают множество решений, в зависимости от параметров. И современная модель ΛCDM - это модель Фридмана с общепринятыми параметрами. Обычно в работе наблюдателей они приводятся в понятиях, связанных с критической плотностью:

Если выразить левую часть из закона Хаббла, то после приведения получим следующий вид:

,

где Ω m =ρ/ρ cr , Ω k = -(kc 2)/(a 2 H 2) , Ω Λ =(8πGΛc 2)/ρ cr . Из этой записи видно, что еслиΩ m +Ω Λ = 1 , т. е. суммарная плотность материи и тёмной энергии равна критической, то k = 0 , т. е. пространство плоское, если больше, то k = 1 , если меньше k= -1

В современной общепринятой модели расширения космологическая постоянная положительна и существенно отлична от нуля, то есть на больших масштабах возникают силы антигравитации. Природа таких сил неизвестна, теоретически подобный эффект можно было бы объяснить действием физического вакуума, однако ожидаемая плотность энергии оказывается на много порядков больше, чем энергия, соответствующая наблюдаемому значению космологической постоянной - проблема космологической постоянной .

Остальные варианты на данный момент представляют только теоретический интерес, однако это может измениться при появлении новых экспериментальных данных. Современная история космологии уже знает подобные примеры: модели с нулевой космологической постоянной безоговорочно доминировали (помимо короткого всплеска интереса к другим моделям в 1960-е гг.) с момента открытия Хабблом космологического красного смещения и до 1998 года, когда данные по сверхновым типа Ia убедительно опровергли их.

Дальнейшая эволюция расширения

Дальнейший ход расширения в общем случае зависит от значений космологической постоянной Λ , кривизны пространства k и уравнения состояния P(ρ) . Однако качественно эволюцию расширения можно оценить, опираясь на достаточно общие предположения.

Если значение космологической постоянной отрицательно, то действуют только силы притяжения и более никаких. Правая часть уравнения энергии будет неотрицательной только при конечных значениях R. Это означает, что при некотором значении R c Вселенная начнёт сжиматься при любом значении k и вне зависимости от вида уравнения состояния.

В случае, если космологическая постоянная равна нулю, то эволюция при заданном значении H 0 целиком и полностью зависит от начальной плотности вещества:

Если , то расширение продолжается бесконечно долго, в пределе с асимптотически стремящейся к нулю скоростью. Если плотность больше критической, то расширение Вселенной тормозится и сменяется сжатием. Если меньше, то расширение идёт неограниченно долго с ненулевым пределом H.

Если Λ>0 и k≤0, то Вселенная монотонно расширяется, но в отличие от случая с Λ=0 при больших значениях R скорость расширения растёт:

При k=1 выделенным значением является . В этом случае существует такое значение R, при котором и , то есть Вселенная статична.

При Λ>Λ c скорость расширения убывает до какого-то момента, а потом начинает неограниченно возрастать. Если Λ незначительно превышает Λ c , то на протяжении некоторого времени скорость расширения остаётся практически неизменной.

В случае Λ<Λ c всё зависит от начального значения R, с которого началось расширения. В зависимости от этого значения Вселенная либо будет расширяться до какого-то размера, а потом сожмётся, либо будет неограниченно расширяться.

Теория Большого взрыва (модель горячей Вселенной)

Теория Большого взрыва - теория первичного нуклеосинтеза. Отвечает на вопрос - каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается. Зиждется на экстраполяции законов ядерной и квантовой физики, в предположении, что при движении в прошлое, средняя энергия частиц (температура) возрастает.

Граница применимости - область высоких энергий, выше которых перестают работать изученные законы. При этом вещества как такового уже и нет, а есть практически чистая энергия. Если экстраполировать закон Хаббла на тот момент, то окажется, что видимая область Вселенный разместилась в небольшом объёме. Малый объём и большая энергия - характерное состояние вещества после взрыва, отсюда и название теории - теория Большого Взрыва. При этом остаётся за рамками ответ на вопрос: «Что вызвало это взрыв и какова его природа?».

Также теория Большого взрыва предсказала и объяснила происхождение реликтового излучения - это наследие того момента, когда ещё всё вещество было ионизованным и не могло сопротивляться давлению света. Иными словами, реликтовый фон - это остаток «фотосферы Вселенной».

Энтропия Вселенной

Главным аргументом, подтверждающий теорию горячей Вселенной, является значение её удельной энтропии. Она с точностью до численного коэффициента равна отношению концентрации равновесных фотонов n γ к концентрации барионов n b .

Выразим n b через критическую плотность и долю барионов:

где h 100 - современное значение Хаббла, выраженное в единицах 100 км/(c Мпк), и, учитывая, что для реликтового излучения с T=2,73 К

см −3 ,

получаем:

Обратная величина и есть значение удельной энтропии.

Первые три минуты. Первичный нуклеосинтез

Предположительно, с начала рождения (или по крайне мере с конца инфляционной стадии) и в течение времени, пока температура остаётся не ниже 10 16 ГэВ (10 −10 с), присутствуют все известные элементарные частицы, причём все они не имеют массы. Этот период называется периодом Великого объединения, когда электрослабое и сильное взаимодействия едины.

На данный момент невозможно сказать, какие же именно частицы присутствуют в тот момент, но кое-что всё же известно. Величина η - не только показатель удельной энтропии, но и характеризует избыток частиц над античастицами:

В момент, когда температура опускается ниже 10 15 ГэВ, вероятно, выделяются X- и Y-бозоны с соответствующими массами.

Эпоху Великого объединения сменяет эпоха электрослабого объединения, когда электромагнитное и слабое взаимодействия представляют единое целое. В эту эпоху идёт аннигиляция X- и Y-бозонов. В момент, когда температура понижается до 100 ГэВ, эпоха электрослабого объединения заканчивается, образуются кварки, лептоны и промежуточные бозоны.

Настаёт адронная эра, эра активного рождения и аннигиляции адронов и лептонов. В эту эпоху примечателен момент кварк-адронного перехода или момент конфайнмента кварков, когда стало возможным слияние кварков в адроны. В этот момент температура равна 300-1000 МэВ, а время от рождения Вселенной составляет 10 −6 с.

Эпохе адронной эры наследует лептонная эра - в момент, когда температура падает до уровня 100 МэВ, а на часах 10 −4 с. В эту эпоху состав Вселенной начинает походить на современный; основные частицы - это фотоны, помимо них есть только электроны и нейтрино со своими античастицами, а также протоны и нейтроны. В этот период происходит одно важное событие: вещество становится прозрачным для нейтрино. Возникает что-то наподобие реликтового фона, но для нейтрино. Но так как отделение нейтрино произошло раньше отделения фотонов, когда некоторые виды частиц ещё не проаннигилировали, отдав свою энергию остальным, то и остыли они больше. К настоящему времени нейтринный газ должен был остыть до 1,9 К, если нейтрино не имеют массы (или их массы пренебрежимо малы).

При температуре Т≈0,7 МэВ термодинамическое равновесие между протонами и нейтронами, существовавшее до этого, нарушается и отношение концентрации нейтронов и протонов застывает на значении 0,19. Начинается синтез ядер дейтерия, гелия, лития. Спустя ~200 секунд после рождения Вселенной температура падает до значений, при которых нуклеосинтез более невозможен, и химический состав вещества остаётся неизменным до момента рождения первых звёзд.

Проблемы теории Большого взрыва

Несмотря на значительные успехи, теория горячей Вселенной сталкивается с рядом трудностей. Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то в общем случае могло бы возникнуть сильное неоднородное распределение вещества, чего не наблюдается. Теория Большого Взрыва также не объясняет расширение Вселенной, она принимает его как факт.

Теория также предполагает, что соотношение числа частиц и античастиц на первоначальной стадии было таким, что дало в результате современное преобладание материи над антиматерией. Можно предположить, что вначале Вселенная была симметрична - материи и антиматерии было одинаковое количество, но тогда, чтобы объяснить барионную асимметрию, необходим некоторый механизм бариогенеза, который должен приводить к возможности распада протона, чего также не наблюдается.

Различные теории Великого объединения предполагают рождение в ранней Вселенной большого числа магнитных монополей, до сего момента также не обнаруженных.

Инфляционная модель

Задача теории инфляции - дать ответы на вопросы, которые оставили после себя теория расширения и теория Большого взрыва: «Почему Вселенная расширяется? И что такое Большой Взрыв?» Для этого расширение экстраполируется на нулевой момент времени и вся масса Вселенной оказывается в одной точке, образуя космологическую сингулярность, часто её и называют Большим Взрывом. По всей видимости, общая теория относительности на тот момент уже неприменима, что приводит к многочисленным, но пока, увы, только чисто умозрительным попыткам разработать более общую теорию (или даже «новую физику»), решающую эту проблему космологической сингулярности.

Основная идея инфляционной стадии - если вести скалярное поле, называемое инфлантоном, воздействие которого велико на начальных стадиях (начиная, примерно с 10 −42 с), но быстро убывает со временем, то можно объяснить плоскую геометрию пространства, хаббловское расширение же становится движением по инерции благодаря большой кинетической энергии, накопленной в ходе инфляции, а происхождение из малой изначально причинно-связанной области объясняет однородность и изотропность Вселенной.

Однако способов задать инфлатон - великое множество, что в свою очередь порождает целое множество моделей. Но большинство основывается на предположении о медленном скатывании: потенциал инфлантона медленно уменьшается до значения, равного нулю. Конкретный же вид потенциала и способ задания начальных значений зависит от выбранной теории.

Теории инфляции также делятся на бесконечные и конечные во времени. В теории с бесконечной инфляцией существуют области пространства - домены - которые начали расширяться, но из-за квантовых флуктуаций вернулись в первоначальное состояние, в котором возникают условия для повторной инфляции. К таким теориям относится любая теория с бесконечным потенциалом и хаотическая теория инфляции Линде.

К теориям с конечным временем инфляции относится гибридная модель. В ней существует два вида поля: первое ответственно за большие энергии (а значит за скорость расширения), а второе за малые, определяющие момент завершения инфляции. В таком случае квантовые флуктуации могут повлиять только на первое поле, но не на второе, а значит и сам процесс инфляции конечен.

К нерешенным проблемам инфляции можно отнести скачки температуры в очень большом диапазоне, в какой-то момент она падает почти до абсолютного нуля. В конце инфляции происходит повторный нагрев вещества до высоких температур. На роль возможного объяснения столь странного поведения предлагается «параметрический резонанс».

Мультивселенная

«Мультивселенная», «Большая Вселенная», «Мультиверс», «Гипервселенная», «Сверхвселенная», «Мультиленная», «Омниверс» - различные переводы английского термина multiverse. Появился он в ходе развития теории инфляции.

Области Вселенной, разделённые расстояниями больше размера горизонта частиц, эволюционируют независимо друг от друга. Любой наблюдатель видит только те процессы, которые происходят в домене, равном по объёму сфере с радиусом, составляющим расстояние до горизонта частиц. В эпоху инфляции две области расширения, разделённые расстоянием порядка горизонта, не пересекаются.

Такие домены можно рассматривать как отдельные вселенные, подобные нашей: они точно так же однородны и изотропны на больших масштабах. Конгломерат таких образований и есть Мультивселенная.

Хаотическая теория инфляции предполагает бесконечное разнообразие Вселенных, каждая из которых может иметь отличные от других Вселенных физические константы. В другой теории Вселенные различаются по квантовому измерению. По определению эти предположения нельзя экспериментально проверить.

Альтернативы теории инфляции

Модель космической инфляции вполне успешна, но не необходима для рассмотрения космологии. У неё имеются противники, в числе которых можно назвать Роджера Пенроуза. Их аргументы сводятся к тому, что решения, предлагаемые инфляционной моделью, оставляют за собой упущенные детали. Например, никаких фундаментальных обоснований того, что возмущения плотности на доинфляционной стадии должны быть именно такими малыми, чтобы после инфляции возникала наблюдаемая степень однородности, эта теория не предлагает. Аналогичная ситуация и с пространственной кривизной: она очень сильно уменьшается при инфляции, но ничто не мешало ей до инфляции иметь настолько большое значение, чтобы всё-таки проявляться на современном этапе развития Вселенной. Иными словами, проблема начальных значений не решается, а лишь искусно драпируется.

В качестве альтернативы предлагаются такие экзотические теории, как теория струн и теория бран, а также циклическая теория. Основная идея этих теорий заключается в том, что все необходимые начальные значения формируются до Большого взрыва.

Теория струн требует дополнить обычное четырёхмерное пространство-время ещё несколькими измерениями, которые играли бы роль на раннем этапе Вселенной, но сейчас находятся в компактифицированном состоянии. На неизбежный вопрос, почему же эти измерения компактифицированы, предлагается следующий ответ: суперструны обладают T-дуальностью, в связи с чем струна «наматывается» на дополнительные измерения, ограничивая их размер.

В рамках теории бран (М-теории) всё начинается с холодного, статичного пятимерного пространства-времени. Четыре пространственных измерения ограничены трёхмерными стенами или три-бранами; одна из этих стен и является пространством, в котором мы живём, в то время как вторая брана скрыта от восприятия. Существует ещё одна три-брана, «потерянная» где-то между двумя граничными бранами в четырёхмерном пространстве. Согласно теории, при столкновении этой браны с нашей высвобождается большое количество энергии и тем самым образуются условия для возникновения Большого взрыва.

Циклические теории постулируют, что Большой взрыв не является уникальным в своём роде, а подразумевает переход Вселенной из одного состояния в другое. Впервые циклические теории были предложены в 1930-е годы. Камнем преткновения таких теорий стал второй закон термодинамики, согласно которому энтропия может только возрастать. А значит, предыдущие циклы были бы намного короче и вещество в них было бы намного горячее, чем в момент последнего Большого взрыва, что маловероятно. На данный момент существует две теории циклического типа, сумевшие решить проблему всевозрастающей энтропии: теория Стейнхардта-Тюрока и теория Баум-Фрэмптона.

Теория эволюции крупномасштабных структур

Образование и коллапс протогалактических облаков в представлении художника.

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему. Вторая проблема - ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная - у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы (а также верно смоделировать морфологию галактик).

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория». Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магелланово облако), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.

В последнее время верность теории поставлена под вопрос и не в малой степени этому способствовал downsizing. Однако в теоретических исследованиях эта теория является доминирующей. Наиболее яркий пример подобного изыскания - Millennium simulation (Millennium run).

Общие положения

Классическая теория возникновения и эволюции флуктуаций в ранней Вселенной - это теория Джинса на фоне расширения однородной изотропной Вселенной:

где u s - скорость звука в среде, G - гравитационная постоянная, а ρ - плотность невозмущённой среды, - величина относительной флуктуации, Φ - гравитационный потенциал, создаваемый средой, v - скорость среды, p(x,t) - локальная плотность среды и рассмотрение происходит в сопутствующей системе координат.

Приведённую систему уравнений можно свести к одному, описывающий эволюцию неоднородностей:

,

где a - масштабный фактор, а k - волновой вектор. Из него, в частности, следует, что нестабильными являются флуктуации размер которорых превышает:

При этом рост возмущения идёт линейным образом или слабее, в зависимости от эволюции параметра Хаббла и плотности энергии.

Данная модель адекватно описывает коллапс возмущений в нерелятивистской среде, если их размер гораздо меньше текущего горизонта событий (в том числе и для тёмной материи во время радиационно-доминированной стадии). Для противоположных случаев необходимо рассматривать точные релятивистские уравнения. Тензор энергии-импульса идеальной жидкости с учётом малых возмущений плотности

ковариантно сохраняется, из чего следуют уравнения гидродинамики, обобщённые для релятивистского случая. Вместе с уравнениями ОТО они представляют исходную систему уравнений, определяющих эволюцию флуктуаций в космологии на фоне решения Фридмана.

Эпоха до рекомбинации

Выделенным моментом в эволюции крупномасштабной структуры Вселенной можно считать момент рекомбинации водорода. До этого момента действуют одни механизмы, после - совсем другие.

Первоначальные волны плотности больше горизонта событий и не влияют на плотность материи во Вселенной. Но по мере расширения размер горизонта сравнивается с длиной волны возмущения, как говорят «волна выходит из под горизонта» или «входит под горизонт». После этого процесс её расширения - распространение звуковой волны на расширяющемся фоне.

В эту эпоху под горизонт входят волны с длиной волны на нынешнюю эпоху не более 790 Мпк. Волны, важные для формирования галактик и их скоплений, входят в самом начале этой стадии.

В это время вещество представляет собой многокомпонентную плазму, в которой есть много различных эффективных механизмов затухания всех звуковых возмущений. Пожалуй, самый эффективный среди них в космологии - затухание Силка. После того, как все звуковые возмущения подавлены, остаются лишь адиабатические возмущения.

Какое-то время эволюция обычной и тёмной материи идут синхронно, но из-за взаимодействия с излучением температура обычного вещества падает медленнее. Происходит кинематическое и термическое разделение тёмной материи и барионного вещества. Предполагается, что этот момент наступает при 10 5 .

Поведение барион-фотонной компоненты после разделения и вплоть до окончания радиационной стадии описывается уравнением:

,

где k - импульс рассматриваемой волны, η - конформное время. Из его решения следует, что в ту эпоху амплитуда возмущений плотности барионной компоненты не росла и не убывала, а испытывала акустические осцилляции:

.

В это же время тёмная материя таких осцилляций не испытывала, так как ни давление света, ни давление барионов и электронов не оказывает на неё воздействия. Более того, амплитуда её возмущений растет:

.

После рекомбинации

После рекомбинации давление фотонов и нейтрино на вещество уже пренебрежимо мало. Следовательно, системы уравнений, описывающие возмущения тёмной и барионной материи, аналогичны:

, .

Уже из схожести вида уравнений можно предположить, а потом и доказать, что разность флуктуаций между тёмной и барионной материй стремится к константе. Иными словами, обычное вещество скатывается в потенциальные ямы, сформированные тёмной материей. Рост возмущений сразу после рекомбинации определяется решением

,

где С i - суть константы, зависящие от начальных значений. Как видно из вышенаписанного, на больших временах флуктуации плотности растут пропорционально масштабному фактору:

.

Все скорости роста возмущений, приведённые в этом параграфе и в предыдущем, растут с волновым числом k, следовательно, при начальном плоском спектре возмущений на стадию коллапса раньше выходят возмущения наименьших пространственных масштабов, то есть первыми образуются объекты с меньшей массой.

Для астрономии интерес представляют объекты с массой ~10 5 M ʘ . Дело в том, что при коллапсе тёмной материи образуется протогало. Водород и гелий, стремящиеся к его центру, начинают излучать, и при массах меньших, чем 10 5 M ʘ , это излучение вышвыривает газ обратно на окраины протоструктуры. При бо́льших массах запускается процесс формирования первых звёзд.

Важным следствием начального коллапса является то, что возникают звёзды большой массы, излучающие в жёсткой части спектра. Испущенные жёсткие кванты в свою очередь встречаются с нейтральным водородом и ионизуют его. Таким образом сразу после первой вспышки звездообразования происходит вторичная ионизация водорода.

Стадия доминирования тёмной энергии

Предположим, что давление и плотность тёмной энергии не меняется со временем, то есть она описывается космологической константой. Тогда из общих уравнений для флуктуаций в космологии следует, что возмущения эволюционируют следующим образом:

.

Учитывая, что потенциал при этом обратно пропорционален масштабному фактору a, это означает, что рост возмущений не происходит и их размер неизменен. Это означает, что иерархическая теория не допускает структур больше ныне наблюдаемых.

В эпоху доминирования тёмной энергии происходят два последних важных события для крупномасштабных структур: появление галактик, подобных Млечному Пути - это происходит на z~2, а немного погодя - образование скоплений и сверхскоплений галактик.

Проблемы теории

Иерархическая теория - логично вытекающая из современных, проверенных, представлений о формировании звёзд и использующая большой арсенал математических средств, в последнее время столкнулась с целым рядом проблем, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:

Самая большая теоретическая проблема лежит в том месте, где происходит сшивка термодинамики и механики: без введения дополнительных нефизических сил невозможно заставить два гало из тёмной материи слиться.
Войды формируются скорее ближе к нашему времени, нежели к рекомбинации, однако не так давно обнаруженные абсолютно пустые пространства размерами в 300 Мпк вступают в диссонанс с этим утверждением.
Также не вовремя рождаются гигантские галактики, их число в единице объёма на больших z гораздо больше того, что предсказывает теория. Более того, оно остаётся неизменным, когда по теории должно очень быстро расти.
Данные по самым старым шаровым скоплениям не хотят мириться со вспышкой образования звёзд массой порядка 100Мʘ и предпочитают звезды типа нашего Солнца. И это лишь часть тех проблем, которые встали перед теорией.

Если проэкстраполировать закон Хаббла назад во времени, то в итоге возникнет точка, гравитационная сингулярность, называемая космологической сингулярностью. Это большая проблема, так как весь аналитический аппарат физики становится бесполезным. И хотя, следуя путём Гамова, предложенным в 1946 году, можно надёжно экстраполировать до момента, пока работоспособны современные законы физики, но точно определить этот момент наступления «новой физики» пока не представляется возможным.

Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерной топологии пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной. Общая теория относительности как локальная теория не может дать полного ответа на этот вопрос, хотя некоторые ограничения вводит и она.

Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. В настоящее время большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской с локальными складками, где массивные объекты искажают пространство-время. Это мнение было подтверждено последними данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового излучения.

Во-вторых, неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна. Если Вселенная действительно пространственно ограничена, то в некоторых её моделях, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в отправную точку путешествия (в некоторых случаях это невозможно из-за эволюции пространства-времени).

В-третьих, существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза: группа исследователей из Мичиганского университета под руководством профессора физики Майкла Лонго (Michael Longo) установила, что спиральные рукава галактик, закрученные против часовой стрелки, встречаются на 7 % чаще, чем галактики с «противоположной ориентацией», что может свидетельствовать о наличии изначального момента вращения Вселенной. Данная гипотеза должна быть также проверена наблюдениями в Южном полушарии.