1.2. Структура Вселенной

Вселенная включает в себя множество Галактик. Галактики подобно звездам, располагаются группами. Наша Галактика и Туманность Андромеды, её ближайшая соседка, входят в Местную группу Галактик, размеры которой достигают сотен тысяч парсек. Ближайшее к нам скопление Галактик находится в созвездии Девы и насчитывает сотни крупных Галактик. Таким образом, Галактики и составляющие их звездные скопления имеют определенную иерархию организации.

В конце 70-х годов XX столетия было обнаружено, что Вселенная имеет ячеистую структуру, которая напоминает паутину: Галактики в ней распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых Галактик почти нет. Причем, в сравнительно небольших масштабах, например, в пределах Солнечной системы или Галактики, вещество распределено явно неравномерно, но в масштабах сверхскоплений Галактик вещество распределено относительно равномерно. Поэтому полагают, что в больших масштабах Вселенную можно считать и изотропной, и однородной.

Звезды нашей Галактики принято называть звездным населением. Возраст звезд меняется в большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, что соответствует возрасту Вселенной, до сотен тысяч лет – для самых молодых звезд. Есть звезды, которые находятся в протозвездной стадии, то есть только рождаются. Некоторые звезды рождаются со вспышкой. Наиболее мощные взрывы называют Сверхновыми звездами. До сих пор зарегистрировано 170 новых звезд в нашей Галактике и около 200 – в Галактике Андромеды. Звезды отличаются свечением, в зависимости от которого, делятся на классы. Звезды различаются не только по температуре, плотности, яркости, но и по размеру и массе. Самые многочисленные – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. Есть красные и желтые гиганты и сверхгиганты, во много раз превосходящие по размеру и массе наше Солнце. Многие звезды имеют своих спутников. Звезды могут образовывать звездные скопления. В состав Галактики входят, так называемые, туманности, которые состоят из космического газа и пыли. В центре некоторых туманностей, например Крабовидной туманности, обнаружены источники импульсного электромагнитного излучения, это, так называемые, пульсары. У них наряду с пульсациями радиоизлучения были открыты оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Некоторые Галактики обладают очень мощным радиоизлучением. Считают, что одной из причин существования радиогалактик является деятельность квазаров – звездоподобных источников радиоизлучения. Для обоснования источника огромной энергии квазаров предложены разнообразные варианты, в том числе и вариант аннигиляции. Однако ни один из них пока не принят. Пространство Вселенной не имеет пустоты, оно заполнено очень разряженным межзвездным газом и космической пылью.

Вселенная и Галактики являются «живой» системой. Звезды и туманности участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения. Все космические объекты претерпевают эволюционные превращения. Например, звезды со временем превращаются в «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры». Конечные судьбы звезд определяются их массами.

«Белый карлик» – так называется электронная постзвезда на заключительной стадии своей эволюции. Превращение звезды происходит за счет медленного сжатия. Она имеет очень высокую плотность (10 т/см³, что в сотни раз больше земной плотности), массу, меньшую 1,2 солнечной массы, диаметр сравнимый с диаметром Земли, температура ее достигает миллиарда градусов. Звезда продолжает светить уже не за счет ядерных реакций, а в результате освобождающейся в процессе сжатия гравитационной энергии. «Белый карлик» медленно остывает, превращаясь в не излучающий света «черный карлик».

«Нейтронные звезды» возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс (масса Солнца 1,99·10³³ г). В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях активно начинается процесс ядерных реакций, в котором задействуются остатки ядерного вещества звезды. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды, а внутренние же области резко сжимаются. Остаток звезды уменьшается до размеров в 20-30 км, а средняя плотность возрастает до 100 млн. т/см³. «Нейтронная звезда» состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов, так как силы гравитации разрушили в ней ядра. Пульсары являются намагниченными вращающимися нейтронными звездами.

Если масса постзвезды превысит 2 солнечные массы, она должна превратиться в «черную дыру». Масса в «черных дырах» заключена в очень малом объеме – критическом для данной массы. Под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс, в результате которого концентрация массы растет дальше и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость, большую скорости света. Поэтому «черная дыра» никого не выпускает наружу и не отражает. Теоретические расчеты показывают, что «черные дыры», обладая гигантской массой, должны иметь микроскопический размер 10³ см. Вещество и излучение как бы проваливаются в «черную дыру» и не могут выйти обратно. Предполагают существование реликтовых «черных дыр». Это предположение вызывает огромный интерес исследователей, поскольку в них органически объединяются микро- и макромасштабы. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предполагают, что «черные дыры» находятся в ядрах Галактик, являясь сверхмощным источником энергии, их отождествляют с источниками рентгеновского излучения.

По внешнему виду Галактики условно делят на три типа: спиральные, эллиптические и неправильные. Более 70% Галактик, в том числе и наша Галактика, имеют спиральную структуру. Такие Галактики вращаются вокруг своих центров масс со скоростями порядка 100-300 км/с, совершая вихревое движение. Как возникли вихревые движения в расширяющейся однородной Вселенной, изначально или в силу каких-либо обстоятельств, долгое время объяснить не могли. Предложение об изначальном их существовании отбросили, как только появились доказательства о высочайшей однородности и изотропности Вселенной в раннем возрасте. Многочисленные гипотезы были неудовлетворительны. Лишь в 70-е годы был предложен, так называемый, газодинамический механизм вихреобразования, который позволил удовлетворительно обосновать наблюдаемые скорости вращения Галактик. Согласно этому механизму процесс образования Вселенной сопровождался движением потоков вещества со сверзвуковыми скоростями. От столкновения потоков образовались ударные волны. При пересечении потоком вещества фронта ударной волны возникли мощные вихревые движения во Вселенной. Так как газодинамический механизм всегда сочетается с электромагнитными, магнитогидродинамическими явлениями и гравитацией, то образование структур во Вселенной рассматривается как сложный процесс самоорганизации сложных систем.

Солнце вместе со своей планетной системой является малой частью нашей Галактики, условный радиус которой 4.10¹⁷ км. Наша Галактика считается рядовой звездной системой. Она состоит почти из 200 млрд. звезд и имеет довольно сложное строение. Считают, что звезды и туманности, из которых она состоит, заполняют объем, имеющий форму эллипсоида вращения – диска с утолщением в центре и спиралевидными рукавами, выходящими из ядра Галактики, в которых сконцентрированы наиболее яркие звезды и массивные газовые облака. Ядро – самая яркая область любой Галактики. Ядро нашей Галактики расположено в направлении созвездия Стрельца. Мы ядро нашей Галактики не видим, так как оно закрыто от нас межзвездной пылью и обнаруживает себя только в инфракрасном и радиодиапазонах. Солнечная система расположена на периферии нашей Галактики, на расстоянии 2.10¹⁷ км от ее центра, между спиральными рукавами, один из которых виден в направлении на центр Галактики в созвездии Стрельца, а другой – в противоположном направлении, в созвездии Персея. Основную массу звезд нашей Галактики мы наблюдаем в виде Млечного Пути. Млечный Путь образует на себе полный круг, то есть проходит в северном и южном полушарии. В нашем полушарии одна ветвь его, которая хорошо наблюдается вечером, простирается через созвездия Скорпиона, Стрельца, Орла к Лебедю, Цефее и Кассиопее. Другая ветвь, наблюдаемая утром, происходит по созвездиям Персея, Возничего, Тельца, Близнецов, Ориона и Большого Пса. Само Солнце находится на расстоянии 33 тыс. световых (световой год – это расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год) лет от центра Галактики, там, где линейная скорость движения максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет. Исходя из этих скоростей движения, оказывается, что наша Земля вокруг центра Галактики пролетела не более 30 раз.