Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Галактические скопления, или «мыльные пузыри» Вселенной

В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл установил, что расстояние до туманности Андромеды намного превышает размеры нашей Галактики. С этого времени стало ясно, что спиральные, эллиптические и иррегулярные туманности являются родными сестрами Млечного Пути.

Поначалу считалось, что галактики расположены в полном беспорядке. Однако Природа оказалась отменным архитектором. Чем дальше в глубь космоса заглядывали телескопы, тем отчетливее было видно, что отдельные галактики образуют сообщества.

Так, рядом с Млечным Путем располагались туманность Андромеды, а также еще почти четыре десятка карликовых галактик, в том числе Большое и Малое Магеллановы Облака. Все они образовали Местную группу галактик. Последовали новые открытия. Мы словно были замурованы внутри целого ряда «матрешек». Едва нам удавалось осмотреть и исследовать очередную звездную систему, внутри которой была заключена Земля – крохотный шарик, затерянный на донышке безмерного сосуда, – как над нами вырисовывался следующий «горизонт».

Наша Местная группа оказалась частью огромного скопления галактик, расположенного в созвездии Девы. По своей структуре это скопление, насчитывающее шесть тысяч галактик, в том числе несколько десятков очень крупных галактик, немного напоминало Млечный Путь. «Звездные острова» внутри него были разбросаны, как звезды в Млечном Пути. По мере приближения к центру их плотность заметно росла. Впрочем, этого следовало ожидать, ведь галактики стягивала в единое целое сила гравитации. Судя по всему, Вселенная состояла из почти бесконечного множества шаровидных скоплений галактик, ведь, по законам гравитации, шар – идеальная форма. Однако опять последовало неожиданное открытие.

Шаровидное скопление галактик

В 1970-е годы американские астрономы Валери де Лаппарен, Маргарет Геллер и Джон Хукра задались целью изучить всю иерархию мироздания и понять, что скрывают отдаленные глубины космоса. Для этого не надо было гадать на «звездной гуще» – следовало предельно точно нанести на карту десятки тысяч галактик.

Вначале астрономы выбрали небольшой участок космоса – фрагмент шириной 135° и высотой 6° (затем его расширили до размеров 360° × 36°). Маргарет Геллер стала составлять каталог галактик, находившихся здесь, помечая их длину и ширину, а также расстояние до них.

Осенью 1986 года, когда в распоряжении ученых оказалось достаточно много собранных данных, Геллер заметила странный феномен. Все эти тысячи галактик образовали невероятную фигуру, напоминавшую… человека ростом в 500 миллионов световых лет.

Ее коллеги отказывались в это верить, считая, что допущена ошибка в измерениях. Зато сторонники эзотерических учений заговорили о том, что все наше мироздание – «автопортрет» Господа Бога, увековечившего себя в своем Творении. Памятную фразу – «Я видела Бога!» – произнесла и Маргарет Геллер.

Однако вскоре астрономам стало понятно, что фигура человека была лишь частью грандиозного космического узора. Так, приглядываясь к морозной вязи, разрисовавшей стекло, или облакам на небе, можно отыскать образы людей, но остальные части этой природной картины обычно не похожи на приглянувшийся портрет. Так же было со скоплениями галактик.

Вот только у звездного неба – в отличие от заиндевевшего окна или облачной чехарды – выявилась своя подлинная структура. Скопления галактик не были беспорядочно рассеяны в космической дали; они словно располагались на поверхности неких полых тел, занимавших все небо, – своего рода «мыльных пузырей». Внутри них царила абсолютная пустота. Впору было сказать, что сам Господь Бог, уподобляясь ребенку, выдувает бессчетные галактики, как мыльные пузыри.

Из таких вот «пузырей» – со звездами, «нарисованными» на поверхности, и жуткой пустотой внутри – складывается особый орнамент: гигантские системы звездных сверхскоплений. Открытие этого орнамента – ячеистой структуры Вселенной – стало одним из самых важных открытий ХХ века. Небо, напоминавшее древним мудрецам несколько сфер, расположенных одна над другой, скорее впрямь похоже на матрешку: ее части оказались вложены друг в друга.

Одна из самых крупных космических «матрешек» – «Великая стена», открытая в 1989 году в небе Северного полушария. Эта «стена» из многих тысяч галактик протяженностью в 500 миллионов световых лет, шириной в 200 миллионов световых лет и глубиной в 15 миллионов световых лет напоминает громадную постройку из мыльных пузырей. Этот объект оставался так долго незамеченным, поскольку выявить его можно было, лишь проанализировав трехмерную картину расположения галактик. Впоследствии были обнаружены и другие крупные структуры, насчитывавшие тысячи и десятки тысяч галактик.

Астрономам пока неизвестно, что именно удерживает воедино подобные сверхскопления – только лишь сила гравитации или какие-то другие факторы. Многие исследователи полагают, что важную роль играет и темное вещество, из которого во многом состоит наша Вселенная, но механизм этого влияния не очень понятен.

Появились два сценария зарождения таких объектов. По гипотезе Джеймса Пиблса из Принстонского университета, вначале возникли небольшие галактики, а потом сила гравитации стянула их в огромные скопления. Лишь из-за ускоренного расширения Вселенной эти сверхскопления перестали расти. По модели советского физика Я.Б. Зельдовича, первыми сформировались крупные объекты протяженностью в миллионы световых лет, которые позднее распались на галактики.

Этот грандиозный пейзаж мироздания смущал. Как ни велики были галактики длиной в сотни тысяч световых лет, все они оказались лишь песчинками в этом узоре. Впору было чувствовать себя не просто «затерянными в космосе», но потерянными в нем. Из «бесконечно малых точек», в которые превратились галактики, очерчивались бессчетные «мыльные пузыри» и рисовались тонкие, длинные нити; из этих нитей свивались фигуры вроде «человечка Маргарет Геллер». Если довериться физикам, отстаивающим «теорию струн», то тончайшие нити лежат и в основе всего Микромира – их вибрации рождают все элементарные частицы, – и ими же – «великими космическими нитями, или струнами» – замыкается известный нам Макромир.

После открытия космических сверхструктур сразу возникли вопросы: «Существуют ли они в самом деле? Или же нам кажется, что космическая материя принимает такую форму, как путнику, присевшему отдохнуть, может показаться, что облако над ним обретает очертания “жирафа”, “медведя”? Чему подчиняются эти структуры? Фундаментальным законам природы или особенностям нашего зрения? Есть ли, на самом деле, эти “мыльные пузыри” и “нити” Вселенной или мы выдумываем их, прибегая к удобной аллюзии?»

Последующие наблюдения, сделанные, например, участниками проекта «Sloan Digital Sky Survey», подтвердили правоту Геллер и ее коллег. Космос действительно имеет причудливую структуру. В нем есть свои «мыльные пузыри», «человечки», «струны». Если прибегнуть к очень смелой аналогии, то у космоса есть своя… клеточная структура, и сверхскопления галактик очерчивают границы каждой клеточки. Космос, хотя бы по своему строению, напоминает одно огромное – и все еще растущее – живое существо, в одной из клеток которого затерян атом под названием «Солнечная система». Поистине, высочайшие достижения современной науки лишь вторят озарениям мистиков! Макромир становится подобием Микромира, его непомерно увеличенным фотоснимком.

Что такое «Великий Аттрактор»?

Вплоть до начала ХХ века нашу Галактику считали уникальным объектом. Сегодня мы знаем, что в доступной нашему наблюдению части Вселенной насчитывается, пожалуй, не менее 125 миллиардов галактик. В каждой из них – миллиарды или триллионы звезд. Только лишь в ближайших «окрестностях» Солнечной системы – в радиусе 1,5 миллиардов световых лет – обнаружено уже около 130 сверхскоплений галактик. И все это отнюдь не напоминает некий застывший мир, этакую звездную карту, приклеенную к небесной сфере. Нет, все здесь проникнуто движением.

К середине 1980-х годов было обнаружено, что группы галактик разлетаются совместно. Наш Млечный Путь вместе со скоплением галактик в созвездии Девы, вместе со сверхскоплением галактик в созвездии Волосы Вероники, вместе с другими скоплениями космического вещества мчится со скоростью 600 километров в секунду в сторону некоего неизвестного пока, но невероятно мощного источника гравитации. Уже первые расчеты показали, что суммарная масса этого объекта примерно такова, как у нескольких десятков тысяч крупных галактик, вместе взятых.

Значительная часть видимой нами области Вселенной затягивается в эту странную «воронку», где уже скопилось, наверное, столько материи, что невозможно себе даже представить. Пытаясь прибегнуть хоть к какой-то понятной аллюзии, скажем, что так же неотвратимо вещество в центре нашей Галактики соскальзывает в черную дыру.

Один из космических картографов, Алан Дресслер, назвал этот таинственный, влекущий к себе объект «Великим аттрактором» (от английского attraction – тяготение), «Великим Источником Притяжения». Однако разглядеть что-либо в той дали, куда все мы мчимся, пока не удалось.

О природе этого объекта много спорили. Предполагали, например, что это – «космическая струна», невероятно массивный реликтовый объект, возникший в пору ранней молодости Вселенной, своего рода нитевидное искривление пространства-времени. Впрочем, дальнейшие наблюдения показали, что Великий аттрактор является самым крупным сверхскоплением галактик.

Фотография неба в направлении Великого аттрактора

Однако массы всех расположенных здесь галактических скоплений не хватит, чтобы объяснить наблюдаемый эффект. Очевидно, там, за Млечным Путем, скрываются еще какие-то грандиозные структуры, являющиеся частью Великого Источника Притяжения, но обнаружить их астрономы пока не могут. Вполне вероятно, что там сосредоточено также громадное количество темного вещества, не известного пока науке.

Расстояние от Млечного Пути до Великого аттрактора составляет примерно 250 миллионов световых лет. Расположен Великий Источник Притяжения в небе Южного полушария. Он тянется от созвездий Павлина и Индейца до созвездия Парусов. Его масса достигает ориентировочно 5 × 10¹⁶ солнечных масс. Посреди него лежит почти полностью закрытое Млечным Путем галактическое скопление в созвездии Наугольника – в его окрестностях находится множество больших и древних галактик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, испуская мощные потоки излучения.

Эта гигантская гравитационная аномалия воздействует на другие сверхскопления, например на Великую стену Это означает, что галактические скопления в этой части Вселенной удаляются друг от друга не так быстро, как было бы в случае однородного расширения Вселенной.

И вновь мы неотвратимо, как галактики – к Великому аттрактору, устремляемся к тому же вопросу, на который ученые пытаются ответить десятилетиями: «Как же возникли гигантские скопления галактик?» Подобный вопрос неминуемо влечет за собой другие вопросы: «Почему эти скопления выглядят так, а не иначе? И как вообще возник наш мир? Почему он таков, каким мы его видим?»

Согласно общепринятому мнению, наш мир родился около 14 миллиардов лет назад в пламени Большого взрыва. Единственной силой, упорядочившей материю, была гравитация. Однако сила эта слаба, и пока она упорядочит материю, пройдет слишком много времени. Чем больше структура, тем дольше она будет формироваться.

Становление космоса могло протекать двояким образом: «сверху вниз» (top down), когда в «первородном бульоне» зародились, а потом разрослись структуры, наблюдаемые нами теперь, или же «снизу вверх» (bottom up) – по этому сценарию, газовые туманности сгущались в звезды, звезды стягивались в галактики, те образовывали скопления и, наконец, возникала космическая пена.

В последнее время подобные процессы удалось смоделировать на компьютере. В первом случае все интересовавшие нас структуры – космическая «пена», сверхскопления и скопления галактик, а также отдельные галактики – возникали, но это занимало очень много времени, тогда как старейшие галактики появились уже 13 миллиардов лет назад. Во втором случае образовались лишь галактики и их скопления, но никакой космической «пены», никакого «Великого аттрактора» не было.

Зато не было, разумеется, недостатка в самых рискованных гипотезах, объяснявших влечение галактик друг к другу. Так, нобелевский лауреат по физике Ханнес Альфвен предположил, несмотря на скепсис коллег, что в космосе существует еще одна сила, пока неизвестная нам. Возможно, гигантские космические структуры возникают благодаря плазменным токам – электрически заряженным и высокоэнергетичным потокам газа – и созданным им магнитным полям.

Быть может, в мироздании есть и другие силы, о которых мы пока ничего не знаем? Возможно, галактики – это не просто скопление мертвой материи. Возможно, они, подобно животным, сами «сбиваются в стаи», испытывая друг к другу симпатию. Ведь никакие законы гравитации или магнетизма не заставляют муравьев строить себе общежитие – муравейник.

Бенуа Мандельброт – человек, придумавший термин «фрактал», – сравнил структуру Вселенной с перистым облаком. По его словам, весь мир организован по фрактальному принципу. Мироздание имеет «волокнистую», разветвленную структуру, напоминая крону дерева или бронхи легких. Если это действительно так, – а многое говорит в пользу этой гипотезы, – то сие будет иметь самые фатальные последствия для наших космологических спекуляций. Ведь они опираются в основном на формулы теории относительности. Однако те справедливы лишь для однородной Вселенной, в которой материя распределена сравнительно равномерно. Для фрактальной Вселенной они не действуют. Подводя итог, повторим: никто не знает, почему во Вселенной возникли эти громадные структуры и сколько времени ушло на их формирование.

Можно лишь отметить, как похож этот космический узор на «Мультивселенную» российского космолога Андрея Линде – множество не сообщающихся друг с другом Вселенных. Ведь ее тоже можно сравнить с мыльной пеной, усеянной множеством пузырьков: одни из них раздуваются, другие сдуваются – одни Вселенные рождаются, другие гибнут. Большой взрыв, породивший наш мир, возможно, вовсе не является уникальным событием. Это – не первый и не последний Большой взрыв, раздавшийся в Мультивселенной, но вся она, сотрясаемая бессчетными взрывами, порождает все новые Вселенные, размножаясь таким образом.

Если уж мы позволили себе сравнить Вселенную с живым существом, то эти пузырьки, возникающие в Мультивселенной, напоминают… икринки: многие из них вскоре погибнут, и лишь некоторые разовьются в огромные, полные жизни организмы – новые Вселенные. Впрочем, подобное сравнение скорее достойно пера писателя-фантаста.

Однако не будем забывать, что космос полон тайн, и, может быть, даже наша Вселенная обладает свойствами, которые нам трудно себе представить.

Загадка темного вещества

За последние годы мы свыклись с мыслью о том, что видимая материя – ее называют «барионной» – составляет меньшую часть Вселенной. Какими бы громадными ни казались нам звезды, они – песчинки, брошенные в океан тьмы. Все остальное – невидимый и неведомый мир, сказочное «то, не знаю что». Оно не затмевает свет и не улавливает потоки частиц; оно не излучает электромагнитные волны и не отражает их. Безмерная шапка-невидимка накинута на весь окружающий космос, и лишь россыпь звезд, разбросанных вокруг этого таинственного Нечто, выдает нам его очертания. Мы ощущаем неимоверную тяжесть, исходящую от него.

Это Нечто все важнее для астрономов. Оно разрослось на наших глазах. Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились еще в 1930-е годы, когда нидерландский астроном Ян Хендрик Оорт убедился, что толщина диска Млечного Пути меньше, чем того допускает масса имеющихся здесь звезд, а работавший в США швейцарский астроном Фриц Цвикки, наблюдая за галактическим скоплением Волосы Вероники, пришел к выводу, что массы видимого вещества недостаточно, чтобы объяснить, почему все эти галактики удерживаются вместе. Однако гипотеза того же Цвикки, гласившая, что в этом скоплении галактик содержится какая-то скрытая масса – некое не видимое нами вещество – не встретила понимания у специалистов. Большинство астрономов отнеслись к его идее скептически.

Распределение темной материи в космосе

На протяжении нескольких десятилетий ученые избегали возвращаться к фактам, выявленным Оортом и Цвикки, поскольку объяснить их можно было, лишь радикально пересмотрев научную систему мира и предположив, что огромное количество вещества (или астрономических объектов?) недоступно нашему наблюдению. Точно так же физики не могут истолковать пока результаты опытов, проведенных в 2011 году в ЦЕРН и лаборатории Гран-Сассо (Швейцария / Италия), во время которых нейтрино перемещались со сверхсветовой скоростью. Может быть, и в этом случае ждать придется несколько десятилетий?

Вновь к этой загадке вернулись лишь в начале 1960-х годов, когда американский астроном Вера Рубин, анализируя, как распределяются скорости звезд в спиральных галактиках, убедилась, что они не уменьшаются по мере удаления от галактического центра, а остаются почти неизменными – около 200 километров в секунду. С этого времени в научных кругах всерьез заговорили о существовании темного вещества.

В 1980-ые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше вещества, чем мы можем заметить. Иначе бы их не было и по сей день! Очевидно, сгустки темного вещества становились своего рода «центрами конденсации» при образовании галактик. Вокруг них скапливалось обычное, видимое нами вещество. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления. Они расположены очень причудливо. Они напоминают бусины, нанизанные на нити. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.

Точнейшие измерения космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, показали, что темное вещество не может быть горячим, то есть не может состоять из нейтрино, движущихся почти со скоростью света. Нельзя его трактовать и как совокупность массивных несветящихся объектов – коричневых карликов. Мы живем в занимательное время, подчеркивают физики, хотя общее количество темного вещества известно довольно точно – Вселенная на 23 % состоит из него, его по-прежнему невозможно идентифицировать.

До недавних пор ученые знали о темном веществе лишь одно – что оно должно быть. Появляющиеся в последнее время модели можно назвать первыми бликами в этом темном мире неведомых субстанций. В современных суперкомпьютерах наше мироздание предстает перед нами во всей его полноте и сложности. «Поразительно, что столь изящное расположение галактик не объяснить ничем иным, кроме динамики темного вещества, – отмечает автор одной из таких компьютерных моделей, астрофизик Андрей Кравцов из Чикагского университета. – Результаты подтверждают, что наши представления о том, как формировались структуры Вселенной, – а именно теория Большого взрыва и идея расширения Вселенной, – принципиально верны. Количественный анализ показывает, что именно так шло становление крупных космических структур».

Так, например, исследователи из кембриджского Института астрономии и Базельского университета составили трехмерную модель двенадцати карликовых галактик, входящих в нашу Местную группу. Анализируя движение звезд на экране монитора, ученые попробовали оценить влияние темного вещества – той тайной силы, без которой эти коллекции небесных тел рассыпались бы в беспорядке, как… музейные экспонаты, исчезни вдруг темные остовы стеллажей, удерживающие их. По какому же каркасу скользили компьютерные светила? По пузырям из темного вещества, протянувшимся в среднем на тысячу световых лет.

Тем временем существование темного вещества подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние двадцать лет с помощью телескопа «Хаббл» не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, их масса должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих скопления. Таким образом, эти «линзы», вероятно, состоят в основном из темного вещества.

Первое, как полагают, прямое свидетельство существования темного вещества обнародовали в 2006 году Дуглас Клоув и Максим Маркевич. Группа американских астрономов наблюдала под их руководством за столкновением двух галактических скоплений в 3,8 миллиардах световых лет от Земли. Во время этой коллизии одно скопление прошило другое – пробило его насквозь, как пуля, а потому их конгломерат, помимо официального наименования 1Е0657—56, наградили еще и прозвищем «Пулевидное скопление».

Как известно, в галактическом скоплении масса горячего газа, находящегося между галактиками, намного превышает суммарную массу звезд галактики. Поэтому такие коллизии начинаются с того, что громадные массы газа сталкиваются друг с другом, замедляют свое движение и разогреваются. После столкновения большая часть обычного вещества образовала огненный газовый шар, он расположился посредине Пулевидного скопления, в то время как темное вещество, как и ожидали ученые, окружило его.

Это выяснилось вот почему. Такой массивный объект, как Пулевидное скопление, служит настоящей гравитационной линзой. Однако здесь основной фокусирующий эффект создавала не центральная часть скопления, где и были видны газовые массы, а периферическая, где зримого нами вещества почти не было. Очевидно, там находилось темное вещество. Оно не взаимодействует ни с обычным веществом, ни с самим собой. Поэтому, кстати, оно вообще не заметило столкновения галактик – осталось не потревожено им.

Физики выдвигают различные гипотезы, пытаясь объяснить, какими могут быть частицы, составляющие темное вещество. Однако его происхождение по-прежнему остается загадкой.