Земля, зірки, галактики, Всесвіт
Невеликі (такі, як Місцева група) скупчення галактик, середні і великі їх скупчення створюють у Всесвіті групи, які прийнято називати надскупченнями галактик. Сверхскопления галактик, таким чином, є ні що інше, як скупчення скупчень галактик. Цікаво буде помітити, що скупчення, як ми бачимо, утворюються на багатьох рівнях організації небесних тіл. Нам вже відомо про скупчення зірок, галактик і скупчень галактик. Спорідненість не покажеться дивним, якщо згадати, що головною силою в світобудові в космічних масштабах є сила гравітаційних взаємодій. Ці сили діють завжди однаково: ростуть з масами взаємодіючих об'єктів і зменшуються з віддаленістю їх один від одного. Чи належить Місцева група до якого-небудь надскупчення? Так, воно називається надскупчення Діви. У сузір'ї Діви знаходиться велике скупчення галактик, в якому переважають еліптичні зоряні системи. Серед останніх зустрічаються і надгігантський освіти, такі, як галактика М87. 16 галактик цього скупчення увійшли в каталог Месьє. Скупчення в Діві, в якому налічують близько 2,5 тисячі галактик, і є центром однойменного надскупчення галактик. У нього входять також, наприклад, скупчення в сузір'я Великої Ведмедиці і Гончих Псів. Сусіди по небу, ці два скупчення займають на небі площу 30 ° х 40 °. До скупчень Діви і Великої Ведмедиці приблизно одне відстань: близько 20 мегапарсек (порівняйте з приблизно 800 КПС до Туманності Андромеди). Розміри сверхскоплений досягають сотень мільйонів світлових років (до скупчення в волоссі Вероніки, що входить в наше надскупчення, близько 300 млн. Світлових років). Всього ж сверхскоплений виявлено близько півсотні. У кожне (в середньому) входить близько 10 скупчень, хоча бувають і значні відхилення в більшу і меншу сторони. Сверхскопления галактик є найбільшими з відомих структур, цілісність яких забезпечується гравітацією. У всій спостережуваного Всесвіту надскупчення розподілені рівномірно, хоча і не без деяких особливостей. Ми підійшли до питання, з якого, как не странно, може бути, варто було і почати. Ми спробуємо в загальних рисах уявити собі як народилася Всесвіт, як виникли галактики і їх скупчення, як взагалі виникла то, з чого все виникло. Існувало й існує безліч теорій еволюції Всесвіту. Дізнаємося про деякі з них. Теорія Вічної Всесвіту. Як відомо, в зірках йде ядерне згоряння водню з перетворенням його в гелій. Не розглядаючи тут інших ядерних реакцій, які можуть протікати в надрах зірок, скажімо, що синтез гелію з водню є найголовнішим джерелом енергії у Всесвіті з числа відомих. Виникає питання про те, чи є межа пальному - водню, наскільки довго вистачить його? За однією з версій, що спираються на філософські вигадки про сталість і вічності Всесвіту, десь у Всесвіті існують джерела освіти водню, по суті, з нічого. Філософські принципи нерідко перегукуються з науковими. Але одна з головних опор сучасної наукової думки - закони збереження - не дозволяють більшості вчених прийняти цю модель вічного Всесвіту. Ідея про можливість появи чогось з нічого суперечить науковим принципам. Ви в житті зустрінете мало прихильників викладеної гіпотези. Теорія великого вибуху. Спираючись на наукові дані, які отримали підтвердження в багатьох розвинених країнах, майже всі сучасні астрономи вважають, що початок Всесвіту поклав так званий Великий вибух. Все речовина Всесвіту, за цією гіпотезою, перед Вибухом знаходилося в кулі мікроскопічних розмірів і, як не важко здогадатися, жахливої щільності і температури. Розміри зародка зіставляють з розмірами атомного ядра, а це 10-15 метра. Поява цього зародка, по-перше, оповите науковими суперечками і таємницями, а по-друге, послужило початком вибуху. До самого вибуху не існувало ні речовини, ні часу, ні простору. Це в мільярд разів простіше Вам прийняти на віру, ніж тут пояснити. Події в першу секунду протікали дуже стрімко. Утворилися частки речовини, звані кварками і антікваркмі, і випромінювання (фотони). Протягом тієї ж секунди з кварків і антикварків утворилися протони, антипротона і нейтрони. Антипротон відрізняється від протона протилежним зарядом, а в іншому ці частинки є майже тотожними. При зіткненні протона і антипротона відбувається реакція анігіляції, в ході яких обидві частки зникають, перетворюючись в випромінювання (фотони). Також можливі ядерні реакції зворотні реакції анігіляції, коли з фотонів утворюється пара протон-антипротон. Сказане про протоні і антипротонів вірно також і для будь-якої іншої пари частки і відповідної античастинки. Після утворення протонів, антипротонів і нейтронів стали частими реакції анігіляції, так як речовина новонародженої Всесвіту було дуже щільно, частинки постійно між собою стикалися. У Всесвіті переважало випромінювання. На кінець першої секунди, коли температура Всесвіту впала до 10 млрд. Градусів, утворилися і деякі інші елементарні частинки, в тому числі електрон і парна йому античастинка - позитрон. До того ж тимчасового рубежу велика частина часток анігілював. Так вийшло, що частинок речовини було на мізерну частку відсотка більше, ніж частинок антиматерії. Цей факт досі потребує пояснення. Але так чи інакше, наш Всесвіт складається з речовини, а не з антиречовини. Треба сказати, що назви "речовина" і "антиречовину" умовні. Склалася доля Всесвіту по-іншому, складалися б ми з Вами з антиречовини. До третьої хвилині з чверті всіх протонів і нейтронів утворилися ядра гелію. Через кілька сот тисяч років розширюється Всесвіт охолола настільки, що ядра гелію і протони змогли утримувати біля себе електрони. Так утворилися атоми гелію і водню. Всесвіт стала просторіше. Випромінювання, не стримувана більше вільними електронами, змогло поширюватися на значні відстані. Ми до сих пір можемо на Землі "чути" відгомони того випромінювання. Воно рівномірно приходить з усіх боків і, значно "охолонувши" за 15 мільярдів років з моменту Вибуху, відповідає випромінюванню тіла, нагрітого за все до 3 К. Це випромінювання прийнято називати реліктовим. Його виявлення і існування підтверджують теорію Великого вибуху. Випромінювання є мікрохвильовим. При розширенні, в загальному, однорідної Всесвіту в тих чи інших її місцях утворювалися випадкові згущення. Але саме ці "випадковості" стали зачатками великих ущільнень і центрами концентрації речовини. Так у Всесвіті утворилися області, де речовина збиралося, і області, де його майже не було. Комусь така Всесвіт нагадує стільники, кому-то - губку. Під впливом гравітації з'явилися ущільнення росли. Двадцять мільярдів років тому в місцях таких ущільнень стали утворюватися галактики, скупчення і надскупчення галактик. Як зрозуміло з розказаного, до складу вихідного матеріалу для будівництва галактик входили лише водень і гелій в співвідношенні три до одного.
Якщо факт Великого вибуху майже ніким не ставиться під сумнів, то майбутнє і сьогодення Всесвіту оповите питаннями, сумнівами і суперечками, спорами, спорами.
Чому ж галактики від нас віддаляються? Невже ми знаходимося в центрі Всесвіту? Ні. Згадаймо про те, що Всесвіт розширюється (якщо вже спостерігається видалення галактик від нас). У розширенні кулі (уявімо собі Всесвіт саме так, для простоти) один від одного видаляються будь-які дві навмання взяті точки. Намалюйте на повітряній кульці кілька значків (галактик). Надувайте його. Зауважте, що віддаляються один від одного будь-які пари значків. Для визначення відстаней до галактик важливо точно знати постійну Хаббла - величину, яка б пов'язала між собою швидкість віддалення галактик і відстані до них. В точному визначенні постійної теж полягає завдання спостережної астрономії. Космологічна значимість постійної Хаббла така, що величина, зворотна постійної Хаббла, задає вік Всесвіту. Для уточнення величини необхідно копітка зіставлення спостережуваних червоних зсувів в спектрах недалеких галактик з відстанями до них, визначеними іншими названими способами. А чи існує ще який-небудь спосіб вимірювання відстаней до далеких об'єктів? Виявляється, так. Гравітаційні лінзи. Альберт Ейнштейн на початку 20-го століття виклав нову фізичну теорію (Загальну Теорію відносності - ОТО), яка, в чому, перевернула світогляд усього наукового світу. Одним з другорядних висновків цієї теорії полягає в тому, що гравітація може викривляти хід світлових променів. Якщо промінь світла (або фотони - носії світла) проходить недалеко від масивного небесного тіла, то траєкторія поширення променя згинається в бік небесного тіла під впливом гравітаційного тяжіння. Тепер уявімо собі, що в просторі в одну лінію вишикувалися три небесних тіла: Земля, масивна галактика і далекий, але досить яскравий об'єкт. Спотворюючись в гравітаційному полі галактики світло від далекого об'єкта може так викривити, що розходилися на всі боки промені можуть зібратися недалеко від Землі. В такому випадку, при розгляді з Землі, навколо галактики має з'явитися кільце (кільце Ейнштейна) - спотворене зображення далекого об'єкта! Якщо Ви помітили, то промені в такій системі поводяться як в збирає лінзі, тому саме явище назвали гравітаційної лінзою. За допомогою розроблених методів, в таких системах, шляхом вирішення багато в чому лише геометричній завдання, вдається безпосередньо визначити відстань до далекого об'єкта. На жаль, здійснення такої ситуації з трьома об'єктами, яка була нами описана, малоймовірно. Але ситуації, близькі до ідеальної, у багатьох випадках зустрічаються. Правда, замість кільця навколо масивної галактики часто видно лише три-чотири зображення далекого об'єкта або зображення у вигляді невеликої дуги, але суть від цього не змінюється. Таким чином, вчені не так давно отримали в свої руки новий інструмент для вимірювання відстаней, хоча таким способом можна вимірювати віддаленість лише поодиноких небесних тіл, для яких відбулося таке рідкісне збіг. Зіставивши результати вимірювання з результатами, заснованими на певному червоному зміщенні, можна точніше дізнатися величину постійної Хаббла. Дослідження в цій області в наші дні активно ведуться. Дуже часто віддаленими об'єктами, які потрапляють в поле зору гравітаційних лінз, є не так давно відкриті освіти - квазари, або квазізвездние (зірко-подібні) джерела. Вони дуже компактні: в телескопи і на знімках виглядають як зірки. Але їх великий червоний зсув говорить про те, що вони віддалені від нас на мільярди світлових років. За яскравості своїй вони перевершують галактики. При таких малих розмірах, квазари випромінюють величезну кількість енергії, джерела якої не ясні. Можливо, що квазари - видимі ядра зароджуються галактик, в яких відбуваються процеси, поки не дуже піддаються поясненням. Може бути, квазар - наслідок якоїсь катастрофи галактичного масштабу. Квазари знайдені тільки у віддалених від нас областях Всесвіту, отже, все, що відбувалося з ними, було можливо лише в далекому минулому, на ранніх стадіях освіти галактик. Отже, наша Земля утворилася близько 4,5 млрд. Років тому і належить Сонячній системі, де провідна роль відведена Сонця - однієї з зірок Галактики, другий за величиною серед галактик Місцевої групи. Місцева група є одним з скупчень, що входять в надскупчення Діви. Надскупчення Діви - одне з десятків, а може і сотень, тисяч сверхскоплений у Всесвіті, що виникла після Великого вибуху близько 15 мільярдів років тому. Та частина Всесвіту, яку ми можемо сьогодні спостерігати прийнято називати Метагалактикою. Залежно від розмірів Всесвіту, Метагалактика може виявитися або майже всьому Всесвіті, або її частиною, можливо дуже малою. Минуле і майбутнє Всесвіту описують космологічні моделі, такі, наприклад, як модель пульсуючого Всесвіту. Космологічні дослідження вимагають залучення самої передової техніки і самих нових фізичних теорій. Пошук прихованої маси, уточнення величини постійної Хаббла, дослідження природи квазарів і активних галактик - ось ті проблеми, які, може бути, допоможуть нам дізнатися точніше минуле і майбутнє нашого Всесвіту. Хтозна, може бути, не виключено існування і інших всесвітів, з іншим часом, простором і законами.