Современная картина небесного мира. Общая структура, космические расстояния и их измерение. Гипотезы об эволюции Вселенной

Космическая колыбель и дом человеческой цивилизации – это ничтожно малый в масштабах Вселенной космический объект под названием планета Земля (от слав. зем – «низ», «дол», «пол»; греч. Ge; лат. Terra; англ. Earth; нем. Erde), которая обращается вместе со своим естественным спутником Луной (греч. Selene; лат. Luna; англ. Moon; нем. Mond; древнеевр. Lebana) по эллиптической, почти круговой, орбите вокруг самой близкой к нам местной звезды по имени Солнце (греч. Gelios; лат. Sol; англ. Sun; нем. Sonne). Солнце совместно с Землей, семью другими планетами (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), малыми небесными телами (спутники планет, или их «луны»; малые планеты, или астероиды; кометы), метеорным веществом и межпланетной средой образует Солнечную систему, которая является нашим собственным звездным миром. Ищущее человечество не прекращает попыток найти в наблюдаемой Вселенной и другие звездные миры – звезды с планетными системами, на которых возможно существование различных форм жизни, включая разумную.

Среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 149,6 млн км, принимают за астрономическую единицу (а.е.) измерения расстояний в ближнем космосе: 1 а.е. = 149,6 млн км ≈ 150 млн км. С учетом этой единицы, минимальный, видимый, «планетный» размер Солнечной системы можно определить диаметром орбиты самой удаленной от Солнца планеты Нептун. Он равен приблизительно 60 а.е., или 9 млрд км (внешнюю границу Солнечной системы часто определяют не диаметром или радиусом орбиты наиболее удаленной планеты, а радиусом гелиосферы – сферы солнечного ветра и его магнитного поля, простирающейся примерно на 100 – 130 а.е., или сферой гравитационного влияния Солнца радиусом до 200 – 230 тыс. а.е.). Свет, скорость которого, как известно, составляет в вакууме 299792,5 км/с ≈ 300 тыс. км/с, преодолевает эти «планетные» 60 а.е. за 30 тыс. сек, или 8,3 часа (1 а.е. свет проходит за 499 с, или 8 мин 19 с).

Путь, проходимый светом в космосе за один солнечный год, или 365,25 земных суток (можно говорить и о простом календарном годе длиной в 365 суток, поскольку погрешность в этом случае не превысит 0,07%), определяет другую, значительно более крупную единицу космических расстояний – световой год (1 с.г. ≈ 9,46·10¹² км ≈ 10 трлн км ≈ 63241 а.е.) с ее производными долями: световыми сутками (с.ст.), часами (с.ч.), минутами (с.м.) и секундами (с.с.). Очевидно, что 1 с.с. ≈ 300 тыс. км, 1 с.м. ≈ 18 млн км, 1 с.ч. ≈ 1,08 ≈ 1млрд км, 1 с.ст. ≈ 25,92 ≈ 26 млрд км, а 1 а.е. ≈ 500 с.с. От соседней, самой ближайшей в современную эпоху к Солнечной системе звезды Толиман, или Проксима (от лат. proximus ближайший; красный карлик с диаметром в семь раз меньше солнечного; открыт в 1915 г.), – звезды С из тройной звездной системы α Cen А/В/С (Альфа Центавра; Центавр, или Кентавр, – созвездие, расположенное в южном полушарии поблизости от знаменитого Южного Креста), свет доходит к нам за ~ 4,25 года, преодолевая расстояние в ~ 270 тыс. а.е., но многие другие космические объекты (звездные скопления, туманности, галактики) удалены от нас на тысячи, миллионы и даже миллиарды световых лет.

Распространенной и более крупной, чем световой год, космической единицей длины, используемой для измерений расстояний до звезд и галактик, является парсек (от греч. parallaxis – «уклонение» + лат. secunda – «второе» [деление градуса] = параллакс-секунда). Определение этой единицы основано на понятии параллакса, которое имеет несколько значений: 1) параллакс – видимое изменение положения выделенного предмета относительно других окружающих предметов вследствие перемещения глаза наблюдателя (параллакс может стать причиной ошибок измерений при использовании измерительных шкал или координатных сеток в случае их удаленности от объекта измерения); 2) астрономический параллакс – изменение направления на небесное тело, видимое наблюдателем из двух широко разнесенных точек (измерительная база), образующих совместно с самим телом треугольник. Угол при вершине этого треугольника со стороны небесного тела равен удвоенному параллаксу, и он тем меньше, чем дальше тело находится от наблюдателя и чем короче измерительная база.

Различают несколько видов астрономических параллаксов: суточный (связан с вращением Земли и ее радиусом как измерительной базой, зависящей от широты нахождения земного наблюдателя), годичный (связан с обращением Земли вокруг Солнца и радиусом орбиты Земли, равным 1 а.е.) и вековой (связан с годовым движением Солнечной системы в Галактике и радиусом ее галактической орбиты, равным приблизительно 27 тыс. световых лет). В звездной астрономии широко используется годичный параллакс звезды – плоский угол, под которым со звезды была бы видна полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения наблюдателя, гипотетически находящемуся на данной звезде. Парсек (пк) – это расстояние, для которого годичный параллакс звезды равен 1 секунде дуги (угловая секунда 1'' равна 1/60 части угловой минуты 1', а последняя равна 1/60 части градуса, т.е. 1⁰ = 60' = 60×60'' = 3600''; сам градус как угловая мера длины дуги окружности равен 1/360 части окружности).

Небесный объект на расстоянии в 1 пк имеет параллакс 1'', и эти величины обратно пропорциональны друг другу. Геометрические расчеты показывают, что 1 пк ≈ 206265 а.е. ≈ 3,263 с.г. ≈ 30,86 трлн км. Так, например, расстояние от Земли до Альфа Центавра равно 1,31 пк, а ее параллакс равен 1/1,31 ≈ 0,76'', т.е. меньше угловой секунды. Для сравнения, угловой диаметр Марса для невооруженного взгляда земного наблюдателя изменяется при движении Марса по околосолнечной орбите и относительно Земли от 25'' в период великого противостояния (происходит раз в 15 – 17 лет) до 14'' в точке его максимального удаления от Земли. Наиболее крупные угловые диаметры имеют, конечно же, ближайшие к Земле небесные тела: Солнце – до 32' 36'' и Луна – до 33' 32'', т.е. немногим более полградуса дуги (близость их угловых диаметров позволяет наблюдать с Земли полные и частичные солнечные затмения).

Понятие параллакса было известно еще древнегреческим астрономам, в частности, основоположник идеи гелиоцентризма Аристарх Самосский (310–230 до н.э.) отсутствие наблюдаемого звездного параллакса связывал с громадным удалением звезд от Земли, а Гиппарх (190–125 до н.э.) с помощью параллакса определил достаточно точно расстояние в земных диаметрах до Луны (и ошибочно – до Солнца). Метод параллакса позволяет измерять с учетом предельного разрешения современных телескопов звездные расстояния до 1 килопарсека (1 кпк ≈ 3,26 тыс. световых лет). Для более далеких звезд параллакс столь мал, что тригонометрический метод уже не работает, и для измерения таких расстояний применяют другие астрофизические методы: фотометрический, цефеид, красного смещения.

Отметим, что очень малые параллаксы ближайших к нам звезд (менее 1''), не позволяли астрономам в течение многих столетий (и даже после наступления в начале XVII в. эры оптической астрономии), наблюдать визуально на звездной сфере какие-либо смещения звезд относительно звездного фона или друг друга. Иное дело – наблюдения перемещения «блуждающих» звезд (планеты), «хвостатых» звезд (кометы) и «падающих» звезд (метеориты). В истории астрономии первым успешно применил метод параллакса для объектов, находящихся далеко за пределами атмосферы Земли, датский астроном Тихо Браге (1546–1601). В 1577 г. он определил, хотя и с большой ошибкой, расстояние до кометы и нашел, что она находится далеко за пределами лунной «сферы», т.е. в звездном мире. Со времен Аристотеля считалось, что там, среди вечных и неподвижных звезд, не может быть никаких перемещений и изменений. Но эта архаичная философская догма оказалась ошибочной. Научно доказанный факт заключается в том, что мы со своей планетой Земля не являемся центром, или «пупом» не то, что Вселенной (у Вселенной в принципе нет центра, т.к. она бесконечна в пространстве и постоянно изменяет свою метрику), а затеряны даже в нашей Галактике «Млечный Путь» (содержит несколько сот миллиардов звезд) на ее периферии, среди множества других звездных систем и локальных, возможно обитаемых, звездных миров.

Всеобщее понятие «Вселенная» (лат. Universus; англ. Universe; нем. Universum) исторически меняло свое содержание и объем, расширяясь от древнего «заселенная людьми часть земли», или ойкумена (от греч. oikeo – «населяю»), до более позднего «вся земля, весь белый свет, весь мир, шар земной» и современного значения «универсум, все миры, все мироздание, вся природа, включая человека и человеческое общество как часть природы». Возможно, в будущем к этому перечислению придется добавить «включая и внеземные цивилизации как часть природы». Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, бесконечно разнообразный по формам, видам и состояниям, которые принимает материя в процессе своей эволюции, созидания и разрушения этого мира.

Современная наука рассматривает гипотезы об ограничении Вселенной во времени (о ее начале с момента так называемого Большого Взрыва, вероятно произошедшего около 14,5 млрд лет назад) и в пространстве (в виде объемного тела определенной формы, вне которого нет материи, движения, пространства, времени и за пределы которого знаменитый древнегреческий философ-пифагореец, математик Архит Тарентский, 430–345 до н.э., пытавшийся в свое время умозрительно отыскать край Вселенной, не смог бы протянуть свою любопытствующую руку в попытке нащупать этот край или то, что находится за ним). Предполагается, что до Большого Взрыва Вселенная находилась в точке сингулярности (от англ. singular – «необычайный», «исключительный», «странный», «своеобразный») – физико-математической абстракции, подразумевающей некую исчезающее малую, меньше размера атомного ядра (10^-12 см) область пространства с почти бесконечной плотностью.

В точке сингулярности предполагалось наличие неизвестного современной науке «Нечто» (подчеркнем, «Нечто», а не «Ничто»), которое в результате какой-то случайной внутренней флуктуации (от лат. fluctuation – «колебание») привело к разрушению, взрыву этой самой сингулярности и рождению физической, горячей и быстро расширяющейся Вселенной, которая в результате последующего остывания и длительной эволюции стала такой, какой мы ее сегодня наблюдаем. Парадоксальное изначальное «сворачивание Вселенной в точку» потребовалось физикам и математикам для объяснения множества численных характеристик процесса расширения Вселенной («разбегания галактик»), которое было открыто астрономами в 30-х годах XX века и наблюдается поныне. Считается, что Большой Взрыв привел к образованию материи в форме известного вещества: кварков, элементарных легких и тяжелых частиц, атомов, молекул и их скоплений в виде разнообразных материальных тел, начиная с газопылевых космических туманностей, звезд и звездных скоплений, экзопланет и заканчивая разумными существами на планетах с подходящими для зарождения жизни условиями.

Следует заметить, что существуют и другие, конкурирующие научные гипотезы, например, гипотеза вечной, циклической, пульсирующей Вселенной, рассматривающая периодические сжатия (схлопывания) и расширения (взрывы) Вселенной бесконечное число раз в бесконечном пространстве и времени. При этом в каждом очередном цикле расширения-сжатия может рождаться и гибнуть совсем иная, непохожая на предыдущую в физическом смысле Вселенная. То есть вместо процесса пульсирования одной и той же Вселенной теоретически возможен процесс рождения-гибели последовательности физически различных поколений Вселенных, каждая из которых «живет» лишь свои несколько десятков миллиардов лет, а затем, умирая, дает начало очередной Вселенной. Или еще, например, гипотеза хаотического раздувания Вселенной, не имеющей единого сингулярного начала или конца, но которая порождает бесконечные мини-вселенные («пузыри») со своими собственными индивидуальными свойствами. В какой-то мере все эти гипотезы начинают напоминать древние мифы о божественном происхождении мироздания. Для окончательного выбора той или иной гипотезы пока явно недостаточно фактов и знаний современного человечества, и поэтому нет смысла на них подробно останавливаться.

Важен лишь тот научно доказанный факт, что, во-первых, наблюдаемая нами Вселенная является нестационарной (стационарный – от лат. stationarius – «неподвижный»), т.е. непрерывно изменяется по своему составу, структуре и метрике, и, во-вторых, она полицентрична (от греч. poli – «много»), т.е. имеет внутри себя бесконечно много локальных центров масс (отсутствует какой-либо выделенный, единый центр Вселенной), вокруг которых происходят вращения и обращения различных космических тел (туманности, астероиды, кометы, планеты, звезды, звездные скопления, галактики, галактические скопления). Иными словами, во Вселенной нет ничего вечного (за исключением ее основы, ее субстанции – материи, существующей в различных формах, видах и состояниях, непрерывно переходящих друг в друга) и статичного (все течет, все меняется). Направления этих изменений определяются фундаментальными свойствами самодвижущейся, самоорганизующейся материи, которые изучает и пытается понять современная наука, включая астрономию, астрофизику, космологию, космогонию и другие космические науки.