Вселенная

У подавляющего числа людей знания и представления о Вселенной сводятся к тому минимуму, который они получили в школе. Вселенная, Космос, окружающий мир для большинства из нас являются понятиями  обыденными, повседневными, самим собой разумеющимися, а потому и малоинтересными. Или, наоборот, явлениями абстрактными, отвлеченными, и, следовательно, не интересными тоже. Я это говорю не для того, чтобы каким либо образом кого-то обидеть, а лишь констатирую факт. Люди не виноваты в том, что очень многим из них в нашем  мире приходится думать не о высоких материях, а о том как в этом мире выжить, как прокормить свою семью, вырастить и воспитать детей, как просто достойно существовать. 

Мы вряд ли часто задумываемся над тем, что вне зависимости от наших настроений и ощущений, но Вселенная не только существует вокруг нас, но и самым непосредственным образом на нас влияет. Влияет ежедневно, ежечасно, постоянно. Точно также как и мы влияем на нее. Более того, мы сами являемся неотделимой частью этой Вселенной.

Так частью чего мы являемся? Именно рассмотрению этого вопроса будет посвящена настоящая глава.

Итак, что мы знаем о Вселенной?

Википедия⁽¹⁾ понятие “Вселенная” трактует следующим образом:

Вселенная – это весь мир, который нас окружает, в том числе и все то, что не относится непосредственно к нашей Земле – звезды, их скопления, космическое пространство, другие планеты.

(1)   Википедия (англ. Wikipedia) - общедоступная многоязычная универсальная интернет-энциклопедия со свободным контентом.  

В понимании обычного человека Вселенная безгранична.

Самое современное астрономическое оборудование не в состоянии охватить всю Вселенную. Поэтому принято говорить о “видимой Вселенной”, то есть о той ее части, которая доступна для обозрения и изучения. 

Начнем с  вопроса о размере Вселенной. Для представления этого параметра обычные единицы измерений, такие как метры или километры, просто неприменимы, поэтому в астрономии используются другие единицы измерения расстояний, основными из которых являются световой год и парсек.

Световой год – равен расстоянию, которое электромагнитная волна (свет) проходит в вакууме не испытывая влияния гравитационных полей за один юлианский год⁽²⁾. При этом скорость света составляет 299 792 км/секунду.

(2) Юлианский год - единица измерения времени. Один юлианский год равен 365,25 юлианским дням по 86 400 секунд каждый, то есть 31 557 600 секунд. 

По определению Международного астрономического союза (МАС) один световой год равен 9 460 730 472 580 800 метрам или 9 460 миллиардам километров.  

В такой системе координат расстояние от Земли до Луны равно 1,28 световой секунды.

Но и световой год не совсем удобная единица для измерений и описания расстояний во Вселенной. Для облегчения работы используется внесистемная единица измерения расстояний – парсек⁽³⁾.

(3) Парсек – единица,  равная расстоянию до объекта, годичный тригонометрический параллакс которого составляет   одну угловую секунду. Название образовано из сокращений слов “паралакс” и “секунда”.

Если говорить более доступным языком, то  1 парсек равен 3,2616 световых лет или 30,8568 триллионов километров. 

Однако и парсек зачастую оказывается слишком мелкой единицей измерения. Для астрономов более привычной является работа с его производными величинами, такими  как килопарсек (кило - тысяча), мегапарсек (мега – миллион) и даже гигапарсек (гига – миллиард)!

Каковы же размеры Вселенной?

Современная наука не имеет однозначного мнения по этому вопросу, но все оценки сходны в главном – размеры нашей Вселенной колоссальны!

Наиболее распространенная оценка состоит в том, что размер наблюдаемой Вселенной  составляет приблизительно 45,7 млрд.  световых лет (около 14,6 гигапарсек).

Эта оценка основывается на современной научной модели Вселенной, согласно с которой Вселенная имеет некую начальную точку своего существования, то есть у Вселенной есть возраст (предел наблюдения). Поскольку возраст Вселенной составляет 13,75 млрд. лет, то никакой фотон за это время не смог бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд. световых лет. Из этого следует, что для любого наблюдателя Вселенная ограничена сферой с радиусом  13,75 млрд. световых лет (диаметр этой сферы – 27,5 млрд. световых лет).

В действительности дело обстоит несколько иначе. Наукой установлен факт расширения Вселенной, то есть наблюдаемые нами космические объекты постоянно удаляются от нас. Причем скорость этого “убегания” по земным меркам довольно значительная и увеличивается по мере возрастания расстояния до объекта.

Согласно исследованию, которое было опубликовано в Astrophysical Journal, скорость расширения составляет 73,8 километров в секунду (!) для объектов, удаленных от нас на расстояние 3,26 миллионов световых лет (1 мегапарсек). Для объектов, удаленных на 2 мегапарсека, скорость удваивается  и т.д. Как уже говорилось, современная астрономия оперирует расстояниями  во многие гигапарсеки, следовательно, для объектов на таких удалениях скорость их “убегания” от нас просто огромна.

С учетом постоянного расширения Вселенной ее размер оценивается в 45,7 млрд. световых лет. Таким образом, размер Вселенной имеет две количественные оценки – видимый размер (радиус Хаббла -  13,75 млрд. световых лет, диаметр – 27,5 млрд. световых лет) и реальный размер, который принято называть горизонтом частиц (45,7 (радиус) х 2 = 91,4 млрд. световых лет)). 

По своему химическому составу Вселенная на 75% состоит из водорода и на 23% из гелия. На остальные химические элементы, в том числе и на кислород, приходится менее 2%. 

Во Вселенной имеется огромное множество объектов, различных по своему размеру, состоянию, форме и способам проявления. Для того чтобы хотя бы в общем их описать, необходимо издать отдельную монографию. Поэтому ограничимся рассмотрением только некоторых, самых распространенных из них.

Основным, наиболее часто встречающимся объектом во Вселенной, является звезда.

Звезда – это, в общем случае, массивный газовый шар, который излучает свет и удерживается в состоянии равновесия внутренним давлением и силами собственной гравитации. В недрах этого шара происходят реакции термоядерного синтеза.

Звезды различаются между собой по температуре, размеру, массе, светимости, спектру, химическому составу и другим параметрам. По этим признакам звезды принято объединять в группы (классы).

Ниже приведена одна из подобных классификаций.

По спектральной классификации наше Солнце относится к классу G.

Некоторые звезды по своим характеристикам не попадают ни в один из классов представленной таблицы. Такие звезды называют пекулярными.

Классификация звезд по их основным физическим характеристикам представлена в таблице 2.

Естественно, что в рамки одной таблицы невозможно вместить описание всего огромного разнообразия звезд - от звезд-гигантов до различного рода карликов (белых, красных, коричневых, черных), а также нейтронных звезд, новых, сверхновых, двойных и т.д. Кроме того, существуют звезды, природа которых нам еще не известна.

Следует также заметить, что звезды не являются статическими образованиями. Они рождаются, эволюционируют, стареют и умирают. На протяжении всего периода существования какой-либо звезды, в зависимости от ее возраста, в ней происходят различного рода изменения, которые существенно влияют на ее физические и другие характеристики. То есть со временем одна и та же звезда может переходить из одного класса классификации в другой.

Следующий рисунок наглядно демонстрирует различия в размерах некоторых звезд.

Расстояния между звездами огромны. В частности, ближайшая к нам звезда – это маленький коричневый карлик, входящий в тройную систему звезд α Центавра. Расстояние до этой ближайшей к нам звезды составляет 4,22 световых года или 3992 миллиардов километров. По меркам Вселенной расстояние в несколько световых лет является совсем крошечным, но для человечества, при существующем уровне развития знаний и технологий, даже это расстояние является абсолютно непреодолимым барьером. 

Как уже было сказано, звезды, как и любые другие объекты во Вселенной имеют свой жизненный цикл: рождение - жизнь (эволюция) – смерть.

Процесс жизни всех звезд, вне зависимости от их характеристик – объема, массы, температуры, светимости и т.д., абсолютно одинаков. Он заключается в процессе термоядерной реакции преобразования водорода в гелий. При этом выделяется энергия в виде света, тепла, и других излучений.

Но процесс гибели звезд может протекать по разным сценариям, которые определяются их “прижизненной” массой.

Что же происходит, когда основное топливо – водород – в ядре звезды заканчивается? Звездный ядерный реактор временно прекращает работу. Это вызывает снижение выработки тепла и к уменьшение давления в ядре. Поэтому ядро начинает сжиматься и снова разогреваться. Когда температура возрастет до, примерно, 100 миллионов градусов Цельсия, реактор снова заработает. Только теперь топливом для него будет служить уже не водород, а гелий. При такой температуре ядра гелия сливаются между собой и образуют углерод. Тем временем для сохранения общего равновесия происходит расширение внешней оболочки звезды, которая становится красным гигантом. 

В самом общем случае такие циклы сжатия и расширения могут происходить снова и снова. Когда запасы топлива заканчиваются, ядро сжимается до тех пор, пока не разогреется до температуры, достаточной для возобновления ядерной реакции с новым видом топлива. Таким топливом становятся все более тяжелые металлы: гелий – углерод – кислород – неон – кремний - железо.

При этом на каждом цикле для сохранения  равновесия внешняя оболочка звезды расширяется все сильнее, то есть звезда-гигант приобретает все более внушительные размеры. Процессы синтеза прекращаются на ядрах группы железа.  К этому моменту гравитация уже не в силах удерживать звезду в равновесии. 

На каждом этапе для сохранения равновесия внешняя оболочка звезды расширяется все сильнее. Звезда-гигант становится все больше. Однако ядерная физика учит, что процесс синтеза не может продолжаться без конца, а прекращается на ядрах группы железа. Дальнейшее присоединение частиц к ядру железа уже не может привести к выделению энергии. К этому моменту температура ядра достигает около 10 млрд. градусов Цельсия, и звезда оказывается в катастрофическом положении.

Гравитации, которая до сих пор регулировала равновесие горячей звезды, это уже не под силу. В звезде развиваются неустойчивости, вследствие которых внешняя оболочка может быть сброшена. Этот процесс называется вспышкой сверхновой звезды. Продукты такого взрыва – атомные ядра, электроны, нейтрино и излучения. Атомные ядра образуют потоки космических лучей, которые способны распространяться на огромные расстояния. Однако вспышки сверхновых звезд – явление довольно редкое.

В большинстве случаев (для звезд с массой от 0,8 до 8 солнечных масс) коллапс звезды происходит с образованием белого карлика и планетарной туманности. После возгорания гелия (повторный разогрев звезды) происходит расширение внешней оболочки, но сравнительно легкая звезда не в состоянии удержать ее. Именно внешняя оболочка впоследствии становится планетарной туманностью, состоящей из пыли и газа. Ядро таких звезд продолжает коллапсировать, т.е. сжиматься до образования белого карлика. Такие карлики светятся очень долго за счет медленного гравитационного сжатия. Вспышки сверхновой в таких случаях не происходит.

 Если масса умирающей звезды более чем в 8 раз превышает массу  Солнца, то при ее коллапсе вещество падает внутрь звезды, причем отталкивание электронов не в состоянии остановить это падение. Вследствие этого вещество продолжает разгоняться в своем падении и сжиматься до тех пор, пока не начнет сказываться отталкивание между нуклонами атомного ядра (протонами и нейтронами).

Остановить такое сжатие уже невозможно. В результате огромная звезда сжимается до размеров шара с радиусом в 10-20 километров. При этом плотность вещества такой сферы достигает миллиардов тонн в кубическом сантиметре, а температура в центре достигает многих миллиардов градусов. При таких условиях происходит деформация ядер звездного вещества, которые распадаются на протоны и нейтроны. Кроме того, протоны, захватив по одному электрону, также превращаются в нейтроны (с выделением нейтрино). Таким образом, вещество звезды состоит преимущественно из нейтронов. Поэтому такие звезды называются нейтронными. Нейтронная звезда остывает очень медленно. Срок ее жизни составляет до 10¹⁶ лет.

Образование нейтронной звезды сопровождается чудовищным взрывом, который принято называть сверхновой II типа.

Коллапс особо массивных звезд может привести к образованию черной дыры⁽⁶⁾. Он происходит по такому же сценарию, что и образование нейтронной звезды.  Черная дыра возникает в том случае, когда масса коллапсирующей звезды настолько велика, что ее гравитационному сжатию не может противостоять даже сила взаимодействия между нуклонами (протонами, нейтронами).

(6) Понятие черной дыры будет рассмотрено отдельно.

Силы гравитации такой звезды настолько сильны, что ни одна материальная частица, даже фотон, не в состоянии преодолеть ее притяжение и оторваться от поверхности звезды.  Даже свет не в силах покинуть такую звезду.

Звезды в пространстве Вселенной, как правило, не существуют обособленно, а концентрируются в скопления, образующие галактики.

Галактики – это колоссальные космические образования, содержащие в своем составе миллиарды звезд и протянувшиеся на сотни тысяч световых лет.

Галактики, как и звезды, имеют определенную классификацию. Однако в связи с грандиозностью классифицируемых объектов, она носит весьма относительный характер.

По своей форме галактики можно условно разделить на эллиптические, спиральные, линзовидные, неправильные и т.д.

Из всего числа галактик  около 25% имеют эллиптическую форму, до 50% являются спиральными, 20% относятся к линзообразному типу и 5% неправильные.

По такой классификации наша галактика является спиральной.

Каждая галактика, вне зависимости от своего типа, содержит от сотен миллиардов до нескольких триллионов (!) звезд. Количество звезд даже в карликовых галактиках исчисляется десятками и сотнями миллионов!

В настоящее время доступно для наблюдения свыше 100 миллиардов галактик. Таким образом, количество звезд, которые они в себе содержат, просто не поддается осмыслению.

К основным физическим характеристикам галактик относятся: размер, масса и светимость.

Диаметр галактик варьируется в пределах от 5 до 250 килопарсек (16 - 800 тысяч световых лет). Однако самая большая известная (по состоянию на 2012 год) галактика в диаметре достигает 600 килопарсек.

Массы галактик, как правило, находятся в пределах от 10⁷ до 10¹² масс Солнца.

Однако  и галактики не являются высшей организационной формой во Вселенной. Они, как и звезды, образуют скопления и группы, из относительно близко расположенных друг к другу галактик, которые связаны в единую систему силами гравитации. Такие группы могут  содержать в себе несколько десятков, сотен и даже тысяч галактик.

Наша галактика Млечный Путь также входит в группу, которую принято называть Местной. В этой группе насчитывается более 50 галактик различных размеров. Самими крупными из них, помимо нашей, являются Туманность Андромеды и галактика Треугольника⁽⁸⁾.

(8) Галактика Треугольника (М 33) – спиральная галактика в созвездии Треугольника. Она в 5-10 раз меньше нашей галактики по массе. Ее диаметр составляет около 50 тысяч световых лет (в два раза меньше, чем у Млечного  Пути).

Каждая из этих крупных галактик имеет свои собственные подгруппы.

Диаметр Местной группы галактик составляет 4 миллиона световых лет, а диаметр подгруппы Млечного пути – около 500 тысяч световых лет.

В подгруппу Млечного Пути входят 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений, а также неправильные галактики, самыми крупными из которых являются Большое и Малое Магеллановы Облака.

В свою очередь Местная группа галактик является частью так называемого Местного Листа, который представляет собой плоское облако галактик радиусом около 7 мегапарсек (Мпк) или 23 миллиона световых лет. Толщина Местного листа составляет 1,5 Мпк (5 млн. световых лет).

Местный Лист также является частью более крупной космической структуры – Местного сверхскопления галактик или Сверхскопления Девы. Эта структура имеет размеры около 200 миллионов световых лет и включает в свой состав, помимо Местного Листа, скопление галактик в Деве, а также несколько других скоплений и групп галактик (всего до 30 тысяч галактик).

Наша “родная” галактика Млечный Путь является типичной спиральной галактикой. Она содержит около 200 миллиардов звезд, а также огромное количество различного типа звезд-карликов, облаков газа и пыли, всевозможных скоплений и туманностей. Диаметр нашей галактики равен приблизительно 30 тысячам парсек (около 100 000 световых лет или порядка 1 квинтиллиона километров). Толщина галактики составляет 1000 световых лет.

Приведенные выше цифры, при всей их грандиозности, отнюдь не уникальны. Для сравнения, ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды имеет протяженность 260 000 световых лет и содержит около триллиона звезд, то есть по этим показателям значительно превосходит Млечный Путь.

Как уже отмечалось, Млечный Путь имеет два крупных спутника – Большое и Малое Магеллановы облака, которые представляют собой карликовые галактики. Большое Магелланово Облако (БМО)  удалено от нас на расстояние 163 тысяч световых лет. Его диаметр составляет порядка 10 000 световых лет. БМО содержит около 30 миллиардов звезд.

Другой спутник Млечного Пути – карликовая галактика Малое Магелланово Облако (ММО) находится от нас на расстоянии 200 000 световых лет. Его диаметр – 7 000 световых лет. Содержит приблизительно 1,5 миллиарда звезд.

Подводя итог изложенному выше, следует отметить следующее. Давая даже самое общее и поверхностное описание нашей Вселенной  можно приводить множество цифр и характеристик, но все они настолько громадны, что просто поражают воображение и плохо укладываются в голове. Вместе с тем, Вселенная во всем своем непостижимом многообразии представляет собой очень четко отлаженный и сбалансированный механизм.

Вместе с тем, наши представления о Вселенной весьма относительны и далеко не полны. Наша цивилизация по уровню своих совокупных знаний и развитию техники стоит только лишь в начале длинного пути, ведущего к вершинам научно-технического прогресса.

В этой главе приведено краткое описание того, что мы сейчас способны наблюдать. Однако вполне уместным представляется вопрос о том, когда,  как и откуда все это  Непостижимое Великолепие появилось? Или было сотворено?