5.1.4. Устройство Вселенной

Звезды – это огромные раскаленные космические объекты, мощнейшие источники энергии. Основное вещество звезды – ионизированный газ.

В недрах звезд протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате которых выделяется колоссальная энергия. В звездах сосредоточено от 97 до 99,9 % вещества галактик.

Современные технические средства позволяют наблюдать около 2 млрд. звезд. Предполагается, что общее количество звезд в нашей Вселенной около 10²². Звезды имеют разную величину:

 большие звезды – сверхгиганты, масса которых равна 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз,

 маленькие звезды – карлики (финал эволюции звезд), размеры которых сравнимы или даже меньше размеров Земли (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Эволюция звезд (по Дубнищевой, 2005)

 

Наше Солнце – звезда со средними параметрами. Ближайшая к Солнцу звезда – α-Центавра – находится на расстоянии 4 световых лет.

Большинство звезд в Галактике имеют собственные планетные системы, аналогичные Солнечной системе.

Звезды могут образовывать:

1) звездные системы – две, три или несколько звезд, вращающиеся вокруг общего центра;

2) звездные скопления – от нескольких сотен до миллионов звезд;

3) галактики – миллиарды звезд.

Скопления постепенно теряют свои звезды, но все же, живут достаточно долго: от 500 млн. до нескольких млрд. лет.

Звезды имеют разный возраст – от сотен тысяч лет до 15 млрд.

В наблюдаемой Вселенной существуют также протозвезды (гр. protos первый), которые пока не преобразовались в настоящие звезды.

В отличие от звезд протозвезды имеют низкую температуру и представляют собой слабосветящиеся газовые шары. Процесс звездообразования происходит постоянно. Однако его темп в настоящее время гораздо ниже, чем миллиарды лет назад.

Ближайшие к нам области, где происходит возникновение новых звезд, – это темные газовые облака в созвездиях Тельца, Змееносца и Ориона. Звезды образуются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар – протозвезда.

 

 

Рис. 4. Протозвезда (изображение с сайта NASA)

 

В эволюции протозвезды различают три этапа.

Первый – связан с обособлением и уплотнением космического вещества.

Второй – представляет собой стремительное сжатие протозвезды. Давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс сжатия, однако температура во внутренних областях еще недостаточна для протекания термоядерных реакций.

На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься, ее температура повышается, что, в конце концов, приводит к началу термоядерных реакций.

Давление внутри протозвезды уравновешивает силы притяжения, и газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный объект – звезда. Преобразование протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по космическим меркам.

Молодые звезды (около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до 10–15 млн. К и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная энергия является источником собственного свечения звезд.

На той стадии, когда ядерные реакции уже не могут поддерживать устойчивость звезды, ее гелиевое ядро начинает сжиматься. При этом внутренняя температура звезды увеличивается (свыше 150 млн. К), а внешняя оболочка сначала расширяется, а затем выбрасывается в космическое пространство. Звезда превращается в красный гигант – относительно холодные звёзды высокой светимости с протяжёнными оболочками. Из-за низкой эффективной температуры этих звёзд поток энергии с единицы площади их поверхности мал – в 2–10 раз меньше, чем у Солнца.

Рис. 5. Протопланетарная туманность HD 44179: асимметричный

выброс газопылевой материи красным гигантом (изображение с сайта NASA)

 

Рис. 6. Белый карлик окруженный своим сброшенным

 коконом газа (изображение с сайта NASA)

 

В процессе дальнейшего охлаждения, если звезда имела небольшую массу (менее 1,4 массы Солнца), она превращается в белого карлика –стационарный космический объект с очень высокой плотностью.

Белые карлики представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд, в которых весь водород «выгорает», а ядерные реакции прекращаются. Свечение белого карлика происходит за счет его остывания.

Тепловая энергия белого карлика продолжает иссякать, вследствие чего звезда меняет свой цвет сначала на желтый, а затем на красный. Постепенно она превращается в небольшое холодное темное тело, становится черным карликом.

Размеры таких мертвых звезд сравнимы с размерами Земли, масса – с массой Солнца, а плотность превышает сотни тонн на 1 см².

Солнце превратится в красного гиганта, примерно, через 8 млрд. лет, затем станет белым и далее черным карликом.

КРУПНОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ – структура, образуемая гигантскими звездными островами – галактиками и их системами на различных пространственных масштабах. Современные представления о к.с.в. базируются как на изучении отдельных систем галактик, так и на статистическом исследовании распределения по небу галактик, находящихся на различном расстоянии от нас. Само существование к.с.в. отражает неоднородный характер распределения вещества во Вселенной вплоть до масштабов в cотни миллионов световых лет. Изучение к.с.в. необходимо для понимания процессов образования галактик и скоплений галактик в расширяющейся Вселенной и их последующей эволюции.

Даже поверхностное знакомство с астрономическим объектами и их положением на небе и в пространстве показывает, что космические тела входят в состав систем различного масштаба.

  Уже в начале XX века было известно, что звезды группируются в звездные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления и сверхскопления галактик. Разумно было бы предположить, что эта иерархия распространяется дальше на сколь угодно много уровней, но в 1990-х было выяснено, что на масштабах порядка 1 млрд.св.лет (300 мегапарсек  или около 3% от размера Метагалактики — видимой части вселенной, 1 пс = 3.26 св.г. — расстояние, с которого орбита Земли видна под углом 1’’, 1 св.г.=9.46*1017 см, орбита Земли = 0.000032 св.г., орбита Плутона = 0.0013 св.г.) Вселенная практически однородна.          По современным представлениям, Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских "листов", разделенных областями, в которых практически нет светящейся материи. Эти области (пустоты, voids) имеют размер порядка сотни Мпс. Первым наблюдаемым листом стала Великая Стена (проходит длинной дугой через южные созвездия Гидры–Центавра–Телескопа–Павлина–Индейца), находящаяся в 200 млн.св.лет и имеющая размер около 500 млн.св.лет и толщину всего 15 млн.св.лет.          Вопрос о ячеистой структуре Вселенной впервые был поставлен в 1970-х Яаном Эйнасто и его сотрудниками (Тартуская обсерватория, СССР). Впоследствии выяснилось, что самая крупномасштабная структура Вселенной действительно представляет собой ячейки различного размера, составленные из галактик и их систем. Галактики и их скопления концентрируются в своего рода изогнутых "стенках" толщиной порядка 10 млн.св.л., пересекающихся друг с другом. Некоторые "стенки" прослеживаются на сотни миллионов световых лет. Там, где стенки "смыкаются", галактик особенно много (сверхскопления). Внутри ячеек, между стенками, находятся пустоты (их называют "войды" от "void" — "пустое место"), в которых плотность галактик как минимум вдесятеро меньше, чем в среднем. Некоторым аналогом такой структуры может служить пена из мыльных пузырей. Правда, распределение галактик вдоль "стенок" ячеек, в отличие от распределения мыльного раствора в пузырях, очень неоднородно, да и сами ячейки не обладают правильностью форм. Формирование подобной мегаструктуры тесно связано с природой невидимой темной материи, которая составляет основную массу Вселенной. В цепочках галактик во Вселенной вероятнее всего преобладают частицы так называемой горячей темной материи (вроде массивных нейтрино), а не холодной темной материи (такие как аксионы, или другие гипотетические частицы).          Карта Вселенной, созданная в 2003 в проекте Sloan Digital Sky Survey, содержит 200 тысяч галактик на расстоянии свыше двух миллиардов световых лет на участке неба площадью 2400 квадратных градусов. Был использован телескоп в Нью Мехико, оптимизированный для записи спектра от множества галактик одновременно. Одна из основных особенностей карты — "Великая стена Sloan" длиной около 1,37 млрд.св.л. (5% от размера Метагалактики) — самая большая наблюдаемая сегодня структура во Вселенной. В сочетании с данными других телескопов, таких как Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), новые наблюдения Sloan помогли уточнить несколько основных астрономических постоянных: постоянная Хаббла — 0,70 с погрешностью около 0,04; доля вещества во Вселенной (в энергетическом эквиваленте) — 30% с точностью до 4%; верхний предел массы нейтрино 0,6 эВ; возраст Вселенной — около 14,1 миллиарда лет с точностью до 1 миллиарда.

  На APM-карте (Automatic Plate Measuring), построенной по результатам автоматического поиска галактик, осуществленного в начале 1990-х годов, в области размером 100 градусов находятся более 2 миллионов галактик. В центре области — южный полюс Галактики Млечный Путь. В ярких областях находится больше галактик, а голубым цветом отмечены места расположения галактик, чьи размеры больше средних. Из карты вырезаны области неба с очень яркими близкими звездами. Эти места соответствуют черным эллипсам.    Изображение скопления Абель 2218 получено с помощью Космического телескопа им. Хаббла. Скопление очень массивное и компактное, и его гравитационное притяжение отклоняет и фокусирует свет, испущенный галактиками, которые находятся за ним. Поэтому множество изображений далеких галактик искривляются в тонкие дуги. Это явление называется эффектом линзирования.

    Местное сверхскопление галактик (МСС, Сверхскопление Девы) принадлежит в другой "стенке" и представляет систему галактик размером около 200 млн.св.лет, включающую Местную группу галактик, скопление галактик в Деве (доминирующее центральное скопление, открыто в 1950-х американским астроном Жерар де Вокулером) и несколько других скоплений и групп галактик. В состав МСС входят 100 групп и скоплений галактик и около 30 тысяч галактик; его масса по порядку величины 1015 масс Солнца. Поскольку его светимость слишком мала для такого количества звезд, считается, что на большую часть массы сверхскопления приходится масса темной материи. МСС в целом притягивается к гравитационной аномалии под названием Великий аттрактор, которая расположена рядом со скоплением Наугольника.      Первое описание МСС принадлежит Джону Гершелю. В 1864 году он опубликовал компилятивный список всех известных туманностей. General Catalogue содержал 4630 объектов, открытых отцом Вильямом и сыном Джоном Гершелями, и только 450, обнаруженных другими исследователями. Концентрация туманностей в созвездии Девы сразу бросается в глаза. Треть всех туманностей, не связанных с Млечным Путем, находится всего в одной восьмой части неба. Д. Гершель предположил, что туманности образуют сферическую систему с центром в созвездии Девы. Наша Галактика является одним из ее периферийных членов. Распределение галактик далеко от однородного; из центрального ядра тянутся ветви или "протуберанцы"' и Галактика лежит в одном из них.           МСС — характерный пример крупномасштабной структуры Вселенной. Оно является уплощенным образованием, состоящим из нескольких цепочек галактик (филаментов), которое в проекции на небо выглядит как охватывающая весь небосвод полоса, в пределах которой наблюдается большинство ярких галактик. Впервые эту особенность в распределении объектов ночного неба обнаружил великий астроном Вильям Гершель еще в конце 18 века, затем ее несколько раз переоткрывали, пока, наконец, в 1953 году к ней не привлек внимание Жерар де Вокулер (Gerard de Vaucouleurs, США). В отличие от скоплений, сверхскопления галактик не являются гравитационно-связанными структурами, они принимают участие в общем расширении Вселенной, поэтому расстояния до объектов Местного сверхскопления можно измерять с помощью закона Хаббла.            Подробные карты МСС опубликованы в 1982 (Brent Tully, США). Координата x лежит в плоскости МСС, координата z направлена перпендикулярно этой плоскости, мы находимся в начале координат. Символ h=0.7 обозначает обезразмеренное значение постоянной Хаббла (H=100h км/с·Мпк). Как видно из карты, подавляющее большинство галактик (60%) находятся в узком слое толщиной всего около 10 млн.св.лет вблизи плоскости Сверхскопления. Большая концентрация галактик вблизи центра — скопление Девы. Лишь 40% галактик расположены вне плоскости МСС. При этом 98% галактик МСС принадлежат 11 облакам, суммарный объем которых не превышает 5% объема всего МСС. Некоторые из этих облаков показаны на карте. Если принять скопление Девы за центр циферблата, то часовая стрелка в 2 часа укажет на облако галактик в созвездии Дракона, в 3 часа — на облако в Большой Медведице, в 5 часов — на облако в созвездии Льва, в 7 часов — на облако в южном созвездии Чаши, в 9 часов — на облако в Деве (наблюдаемое непосредственно за скоплением Девы) и, наконец, в 11 часов — на еще одно облако, наблюдаемое в направлении созвездий Девы и Весов. Интересно, что все эти облака вытянуты в направлении скопления Девы, что объясняется, вероятно, приливным действием этого массивного образования.      Местная группа (МГ) — группа галактик, включающая около 30 галактик, среди которых выделяются три спиральные галактики, а именно Туманность Андромеды (M31), Млечный Путь и галактика Треугольника (M33), окруженные спутниками, такими как Большое и Малое Магеллановы Облака. Доминирующими в группе являются Туманность Андромеды и Млечный путь. В поперечнике МГ составляет порядка 3.3 млн.св.лет. При рассмотрении движения основной массы МГ нельзя игнорировать ни одну из близких галактик. В силу того, что сила притяжения зависит от квадрата расстояния, основной вклад вносят именно близкие галактики несмотря на их небольшие массы. Любопытно, что пять из восьми самых ярких галактик лежат в зоне избегания, они настолько близки и ярки, что их свет пробивает завесу. Эти галактики принадлежат к группам Центавр A и IC342/Maffei, близких соседей нашей МГ. МГ вместе с другими близкими галактиками участвуют в совместном движении к центру МСС с относительными скоростями порядка 250 км/с.

    Великий аттрактор (ВА). Простые измерения космического фонового излучения, являющегося остатком от Большого Взрыва, показали 180 градусную асимметрию, известную как диполь. Она проявляется в нагреве на 0.1% космического фонового излучения по сравнению со средним в одном направлении и в таком же охлаждении в противоположной стороне. Эти измерения были подтверждены исследованиями на спутнике Cosmic Background Explorer в период с 1989 по 1990, свидетельствующими о том, что МГ движутся со скоростью около 600 км/с в направлении созвездия Гидра. Это направление было получено после поправки за все известные движения, как то: вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение нашей Галактики по направлению к ее соседке, спиральной галактике Андромеда. Затянувшееся разногласие между направлением на диполь и ожидаемым вектором скорости вынудили астрономов вводить "аттракторы".