Сверхскопления галактик 

На рисунке мы сделали  попытку более объективно  представить то, как галактики распределены в пространстве. Небольшие (такие, как Местная группа) скопления галактик, средние и крупные их скопления создают во Вселенной группы, которые принято называть сверхскоплениями галактик. Сверхскопления галактик, таким образом, представляют собой ни что иное, как скопление скоплений галактик. Интересно будет заметить, что скопления, как мы видим, образуются на многих уровнях организации небесных тел. Нам уже известно о скоплениях звезд, галактик и скоплений галактик. Родство не покажется странным, если вспомнить, что главной силой в мироздании в космических масштабах является сила гравитационных взаимодействий. Эти силы действуют всегда одинаково: растут с массами взаимодействующих объектов и убывают с удаленностью их друг от друга.

Принадлежит ли Местная группа к какому-либо сверхскоплению? Да, оно называется сверхскоплением Девы. В созвездии Девы находится крупное скопление галактик, в котором преобладают эллиптические звездные системы. Среди последних встречаются и сверхгигантские образования, такие, как галактика М87. 16 галактик этого скопления вошли в каталог Месье. Скопление в Деве, в котором насчитывают около 2,5 тысяч галактик, и является центром одноименного сверхскопления галактик. В него входят также, например, скопления в созвездиях Большой Медведицы и Гончих Псов. Соседи по небу, эти два скопления занимают на небе площадь 30° х 40°. До скоплений Девы и Большой Медведицы примерно одно расстояние: около 20 мегапарсек (сравните с примерно 800 кпс до Туманности Андромеды). 

Размеры сверхскоплений достигают сотен миллионов световых лет(до скопления в Волосах Вероники, входящего в наше сверхскопление, около 300 млн. световых лет). Всего же сверхскоплений выявлено около полусотни. В каждое (в среднем) входит около 10 скоплений, хотя бывают и значительные отклонения в большую и меньшую стороны.

Сверхскопления галактик являются самыми большими из известных структур, целостность которых обеспечивается гравитацией. Во всей наблюдаемой Вселенной сверхскопления распределены равномерно, хотя и не без некоторых особенностей, о которых Вы можете прочитать дальше.

Эволюция Вселенной 

Мы подошли к вопросу, с которого, как не странно, может быть, стоило и начать. Мы попытаемся в общих чертах представить себе как родилась Вселенная, как возникли галактики и их скопления, как вообще возникло то, из чего все возникло.

Существовало и существует множество теорий эволюции Вселенной. Узнаем о некоторых из них.

Теория Вечной Вселенной.  Как известно, в звездах идет ядерное сгорание водорода с превращением его в гелий. Не рассматривая здесь других ядерных реакций, которые могут протекать в недрах звезд, скажем, что синтез гелия из водорода является главнейшим источником энергии во Вселенной из числа известных. Возникает вопрос о том, есть ли предел горючему - водороду, насколько долго хватит его? По одной из версий, опирающихся на философские измышления о постоянстве и вечности Вселенной, где-то во Вселенной существуют источники образования водорода, по сути, из ничего. Философские принципы нередко перекликаются с научными. Но одна из главных опор современной научной мысли - законы сохранения - не позволяют большинству ученых принять эту модель вечной Вселенной. Идея о возможности появления чего-то из ничего противоречит научным принципам. Вы в жизни  встретите мало приверженцев изложенной гипотезы.

Теория Большого Взрыва. Опираясь на научные данные, получившие подтверждение во многих развитых странах, почти все современные астрономы полагают, что начало Вселенной положил так называемый Большой взрыв. Все вещество Вселенной, по этой гипотезе, перед Взрывом находилось в  шаре микроскопических размеров и, как не трудно сообразить, чудовищной плотности и температуры. Размеры зародыша сопоставляют с размерами атомного ядра, а это 10^-15 метра. Появление этого зародыша, во-первых, окутано научными спорами и тайнами, а во-вторых, послужило началом взрыва. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. Это в миллиард раз проще Вам принять на веру, чем здесь объяснить. События в первую секунду протекали весьма стремительно. Образовались частицы вещества, называемые кварками и антикваркми, и излучение (фотоны). В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. 
 

Антипротон отличается от протона противоположным зарядом, а в остальном эти частицы являются почти тождественными. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которой обе частицы исчезают, превращаясь в излучение (фотоны). Также возможны ядерные реакции обратные реакции  аннигиляции, когда из фотонов образуется пара протон-антипротон.

Сказанное о протоне и антипротоне верно также и для любой другой пары частицы и соответствующей античастицы.

После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение. 

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала. Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества. Надо сказать, что названия "вещество" и "антивещество" условны. Сложись судьба Вселенной по-другому, состояли бы мы с Вами из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала попросторнее. Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того излучения. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 15 миллиардов лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым.

При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Кому-то такая Вселенная напоминает соты, кому-то - губку. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. Двадцать миллиардов лет назад в местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик. Как ясно из рассказанного, в состав начального вещества для строительства галактик входили лишь водород и гелий в соотношении три к одному.

Если факт Большого взрыва почти никем не ставится под сомнение, то будущее и настоящее Вселенной окутано вопросами, сомнениями и спорами, спорами, спорами...

Теория пульсирующей Вселенной. По одной из гипотез, расширение Вселенной, которое наблюдается в нынешнее время, впоследствии сменится сжатием. Как считается, это произойдет из-за того, что разлетающиеся галактики замедляют свой бег, тормозясь взаимным гравитационным притяжением. В один из моментов галактики остановятся и начнут вновь сближаться. Кончится все должно тем же, с чего и начиналось: образованием сверхкомпактного объекта и новым Большим взрывом. Таким образом, согласно этой теории, Вселенная пульсирует.

Будущее: холодная Вселенная. С другой стороны, еще отнюдь не известно, достаточно ли вещества во Вселенной, чтобы гравитация смогла остановить разлет галактик. Больше того, по современным подсчетам вещества как раз не хватает, в 10 раз меньше, чем того требует теория пульсирующей Вселенной. Если вещества и впрямь нет, то, со временем, Вселенная остынет, исчерпав все горючее. Остывшая и вечно расширяющаяся Вселенная будет темной, холодной и безжизненной. 

Одна из задач космологии - поиск скрытой массы, неизлучающего свет вещества, которое может быть распределено в галактиках и их окрестностях и которое может перевешивать светящееся вещество (звезды) в десятки раз. Если эти очень трудоемкие поиски увенчаются успехом, то можно будет оправдать теорию пульсирующей Вселенной. Все-таки, это очень неоптимистично, если Вселенную ожидает вечный холод...

Перейдем теперь к другим трудностям космологической науки.

Проблемы и задачи космологии 

Наука, изучающая эволюцию Вселенной, называют космологией. Основные задачи, которые стоят перед ней, это объяснение на основе наблюдательных фактов и теоретических моделей происхождения Вселенной и предсказание ее будущего. В этой научной области применяются все новейшие достижения теоретической, в том числе и ядерной, физики. Наблюдение за отдаленными галактиками и их скоплениями, за другими объектами дальнего космоса ведется с помощью самой современной техники, исследуются излучение всех длин волн. Такой серьезный подход к исследованиям в области космологии вызван не только стремлением познать будущее и прошлое Вселенной. Космология сталкивается с рядом проблем, которые иначе , чем острием современной науки не разрешить, если вообще эти проблемы решаемы в принципе. Что же это за проблемы?

Почти все естественные науки позволяют ставить эксперименты. Вселенная же настолько велика, что, конечно, ни о каких лабораторных исследованиях по зарождению Вселенной поставить невозможно. Те немногие опыты, которые можно было бы теоретически поставить в области ядерной физики, помогающей разобраться в первых мгновениях жизни Вселенной, требуют таких грандиозных затрат энергии, что они сравнимы с энергией излучения звезд или сильно превышают ее. Как видите, речь идет об исследованиях действительно в космических масштабах, что человеку в ближайшее время не будет доступно.

Приходится довольствоваться тем, что мы можем наблюдать, тем, чем нам по силам объяснить наблюдаемое. В конце концов, приходится довольствоваться физико-математическими моделями, которые на практике заведомо непроверяемы, и лишь в той или иной степени могут быть косвенно подтверждены или опровергнуты другими расчетами и теми же наблюдениями. Дальше речь пойдет как раз наблюдательной стороне вопроса.

Смотрим в прошлое 

Космология изучает и не то, что было, и не то, что будет. Она исследует то, что не прекращается ни на секунду - развитие Вселенной. Мы сами находимся внутри этого единственного природного эксперимента, и было бы неплохо знать то, что предшествовало тому, что мы видим вокруг себя. Особенность распространения излучения предоставляет нам такую возможность.

Все знают, про то, что свет распространяется с определенной скоростью, и что скорость эта очень велика. Велика, но не безгранична. От Луны свет идет к нам 1,5 секунды, от Солнца - 8 минут 19 секунд, от ближайшей звезды - 4 года и 4 месяца, от Туманности Андромеды - больше двух с половиной миллионов лет. Расстояния во Вселенной велики, их не измеряют километрами, используют световые года - расстояния, проходимые светом за год. Так, до Туманности   Андромеды больше 2,5 млн. световых лет. Что это означает? Во-первых, что свет добирался к нам от этой галактики именно такое время. Во-вторых, мы видим галактику такой, какой она была это число лет назад! 2,5 миллиона лет назад на Земле еще не было Интернет. Человечества вообще еще не существовало.

Значит, если изучать объекты еще больше удаленные от нас, можно увидеть то, что было миллионы, миллиарды лет назад. Мы можем посмотреть в наше прошлое, ведь это наша Вселенная! Именно поэтому астрономы привлекают самую совершенную технику для обнаружения очень далеких, еле заметных галактик. Изучая их, они изучают прошлое Вселенной. Расстояния до самых далеких галактик измеряется числом световых лет, перевалившим за 12 миллиардов! Ниже Вы видите число километров, которое примерно соответствует такому расстоянию.

Свет, покинув столь удаленную звездную систему, еще не мог догадываться, что его будет изучать несуществующее человечество с несуществующей планеты, еще не вращающейся около несуществующей звезды еще не сформировавшейся Галактики.

Еще один вывод: мы не можем видеть дальше, чем на то количество световых лет, которое равно возрасту Вселенной. Ото всего что, находится дальше, свет не успел до нас дойти. Если считать, что возраст Вселенной 20 млрд. лет, то 20 млрд. световых лет - наш рубеж, за который мы теоретически не в силах заглянуть: ничто не движется быстрее света. 20 млрд. лет - предел для изучения  прошлого времени и пространства.

Однако, как определяются столь большие расстояния? Это же не ширина оконной рамы?!

Измерение расстояний во Вселенной

Красное смещение. В разделе о звездах рассказано, как измеряются расстояния до близких галактик - по цефеидам и сверхновым. Но в далеких звездных островах не разглядишь даже такие яркие вспышки, какими являются вспышки сверхновых. К тому же, хотелось бы и для близких галактик чем-то проверить данные.

Эдвин Хаббл в середине двадцатого столетия изучал галактики, измерял расстояния до них (преимущественно, по цефеидам), вычислял скорость их движения. 

Как позже более подробно рассказано в разделе "Астрономическая кухня", измерить скорость звезды или галактики принципиально несложно. Это делается путем изучения спектра объекта, а точнее - положения темных линий в спектрах. Положения линий для неподвижного объекта известны. Если объект приближается к нам, то линии смещаются к синему концу спектра, если удаляется - к красному. По величине этого смещения (как говорят, синего или красного) можно по несложным формулам с учетом некоторых погрешностей определить скорость удаления или приближения светящегося объекта. Пока Вы можете обратиться к словарной статье "красное смещение" за некоторыми подробностями.

Почему же галактики от нас удаляются? Неужели мы находимся в центре Вселенной? Нет. Вспомним про то, что Вселенная расширяется (раз уж наблюдается удаление галактик от нас). В расширяющемся шаре (представим себе Вселенную именно так, для простоты) друг от друга удаляются любые две наугад взятые точки. Нарисуйте на воздушном шарике несколько значков (галактик). Надувайте его. Заметьте, что удаляются друг от друга любые пары значков.

Для определения расстояний до галактик важно точно знать постоянную Хаббла - величину, связывающую между собою скорость удаления галактик и расстояния до них. В точном определении постоянной тоже состоит задача наблюдательной астрономии. Космологическая значимость постоянной Хаббла такова, что величина, обратная постоянной Хаббла, задает возраст Вселенной. Для уточнения величины необходимо кропотливое сопоставление наблюдаемых красных смещений в спектрах недалеких галактик с расстояниями до них, определенными другими названными способами. А существует ли еще какой-нибудь способ измерения расстояний до далеких объектов? Оказывается, да. 

Гравитационные линзы. Альберт Эйнштейн в начале 20-го века изложил новую физическую теорию (Общую Теорию Относительности - ОТО), которая, во многом, перевернула мировоззрение всего научного мира. Одним из второстепенных выводов этой теории заключается в том, что гравитация может искривлять ход световых лучей. Если луч света (или фотоны - носители света) проходит недалеко от массивного небесного тела, то траектория распространения луча изгибается  в сторону небесного тела под влиянием гравитационного притяжения. Теперь представим себе, что в пространстве в одну линию выстроились три небесных тела: Земля, массивная галактика и далекий, но достаточно яркий объект (см. рисунок). Искажаясь в гравитационном поле галактики свет от далекого объекта может так искривиться, что расходившиеся во все стороны лучи могут собраться недалеко от Земли. В таком случае, при рассмотрении с Земли, вокруг галактики должно появиться кольцо (кольцо Эйнштейна) - искаженное изображение далекого объекта! Если Вы заметили, то лучи в такой системе ведут себя как в собирающей линзе, поэтому само явление назвали гравитационной линзой. С помощью разработанных методов, в таких системах, путем решения во многом лишь геометрической задачи, удается напрямую определить расстояние до далекого объекта. К сожалению, осуществление такой ситуации с тремя объектами, которая была нами описана, маловероятно. Но ситуации, близкие к идеальной, во многих случаях встречаются. Правда, вместо кольца вокруг массивной галактики часто видны лишь три-четыре изображения далекого объекта или изображение в виде небольшой дуги, но суть от этого не меняется. Таким образом, ученые не так давно получили в свои руки новый инструмент для измерения расстояний, хотя таким способом  можно  измерять удаленность лишь единичных небесных тел, для которых произошло эдакое редкое совпадение. Сопоставив результаты измерения с результатами, основанными на определенном красном смещении, можно точнее узнать величину постоянной Хаббла.  Исследования в этой области в наши дни активно ведутся.

Очень часто удаленными объектами, которые попадают в поле зрения гравитационных линз, являются не так давно открытые образования - квазары, или квазизвездные (звездо-подобные) источники. Они очень компактны: в телескопы и на снимках выглядят как звезды. Но их большое красное смещение говорит о том, что они удалены от нас на миллиарды световых лет. По яркости своей они превосходят галактики. При столь малых размерах, квазары излучают огромное количество энергии, источники которой не ясны. Возможно, что квазары - видимые ядра зарождающихся галактик, в которых происходят процессы, пока  не слишком поддающиеся объяснениям. Может быть, квазар - следствие какой-то катастрофы галактического масштаба. Квазары найдены только в отдаленных от нас областях Вселенной, следовательно, все, что происходило с ними, было возможно лишь в далеком прошлом, на ранних стадиях образования галактик.

Заключение 

Итак, наша Земля образовалась около 4,5 млрд. лет назад и принадлежит Солнечной системе, где ведущая роль отведена Солнцу - одной из звезд Галактики, второй по величине среди галактик Местной группы. Местная группа является одним из скоплений, входящим в сверхскопление Девы . Сверхскопление Девы - одно из десятков, а может и сотен, тысяч сверхскоплений во Вселенной, возникшей после Большого взрыва около 15 миллиардов лет назад. 

Та часть Вселенной, которую мы можем сегодня наблюдать принято называть Метагалактикой. В зависимости от размеров Вселенной, Метагалактика может оказаться либо почти всей Вселенной, либо ее частью, возможно очень малой. 

Прошлое  и будущее Вселенной описывают космологические модели, такие, например, как модель пульсирующей Вселенной.  Космологические исследования требуют привлечения самой передовой техники и самых новейших физических теорий. Поиск скрытой массы, уточнение величины постоянной Хаббла, исследование природы квазаров и активных галактик - вот те проблемы, которые, может быть, помогут нам узнать точнее прошлое и будущее нашей Вселенной. Как знать, может быть, не исключено  существование и других вселенных, с другим временем, пространством и законами?..