Текст книги "Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции"

Глава 9. Структура и эволюция космических систем

При взгляде на ночное небо оно нам кажется спокойным и умиротворённым. Сверкающие звёзды словно застыли в своём молчаливом великолепии. Проходят века, тысячелетия, а на небе можно найти те же созвездия, те же звёзды шлют нам свой свет сегодня, какой они посылали древним египтянам и шумерам на заре цивилизации.

Глядя на небо, человек успокаивается душой и предаётся философским размышлениям и медитативным состояниям. Он отрешается от житейской суеты и видит в Космосе образец вечного спокойствия. А между тем, Космос – сфера колоссальных скоростей, постоянных изменений, движения столь гигантских масштабов, что они совершенно несоизмеримы с кажущимися нам сверхскоростными передвижениями на нашей маленькой Земле. Невообразимо огромны и размеры космических систем, и расстояния между ними, и энергии, и катастрофы, и формы взаимодействия, и структурные образования космической материи. Здесь всё несётся с немыслимыми скоростями, вступает в бурные реакции, подвергается действию адских температур и могучих гравитационных полей. Так, наша Солнечная система несётся со скоростью 400 км в секунду в направлении созвездия Льва, но для нас, считающих огромными скорости автомобиля или самолёта, такая колоссальная скорость остаётся совершенно незаметной.

В Космосе постоянно разворачивается драматическая борьба двух фантастически огромных сил – расширения пространства-времени, подстёгиваемого скрытой энергией, и гравитации. Расширение пространства-времени приводит к «разбеганию», «разлетанию» галактик, увеличению расстояний между ними и соответствующему ослаблению гравитационного взаимодействия, поскольку его сила действует обратно пропорционально квадрату расстояния между тяготеющими массами. Но гравитация всё-таки берёт своё благодаря колоссальным массам вещественно-энергетических образований Космоса: она направляет движение по прямой линии между центрами тяжести взаимодействующих тел. В результате взаимодействий множества тяготеющих масс движение в Космосе происходит по самым разнообразным траекториям и вместе с тем формирует сходные категории объектов. Попадая в зону крупной тяготеющей массы, более мелкие образования либо падают на неё, либо движутся по касательной и становятся её спутниками, занимая определённую орбиту вращения.

Ещё одной силой, оказывающей влияние на движение в Космосе, выступают межзвёздные магнитные поля. Их существование было доказано в 1962 г. Они образуют наряду с тяготением газопылевые облака межзвёздной среды, конденсация которых при наличии благоприятных условий приводит к образованию звёзд. Возможно, магнитные поля играют более важную роль в движении космических систем, чем та, которая им отводится в современной космологии, исходя из возможностей наблюдательной астрономии. Логично предположить, что достаточно мощные магнитные поля имеют самые различные структурные образования Метагалактики, хотя с точки зрения современных астрофизических знаний это остаётся только предложением.

Структурная иерархия нашей Вселенной состоит из следующих соподчинённых компонентов: Матагалактика – её ячеистая крупномасштабная структура – сверскопления галактик – скопления галактик – группы галактик – скопления звёзд – звёзды – планеты. И каждая из этих систем состоит из мобилизационного ядра и движимой, мобилизуемой периферии.

Каждая из космических систем имеет свою историю происхождения и развития, которую мы воспроизводим, исходя из сравнений, сопоставлений, неполных и косвенных данных. И тем не менее мы знаем об эволюции этих систем же не так уж мало. Везде в Космосе мы находим свидетельства эволюции космических систем, все они определённым образом возникают, образуют определённый порядок, проходят путь становления и развития и уничтожаются, погружаясь в хаос, либо преобразуются в иные системы.

Важнейшими структурными компонентами Метагалактики являются галактики. Само название Метагалактики означает, что она объединяет все галактики, представляет собой надгалактическую, сверхгалактическую структуру. Слово же «галактика» произошло от греч. «галактикос» – «молочная». Древние греки называли Млечный путь галактическим, т. е. молочным кругом. Он представлялся им белым, как молоко из-за белого свечения множества звёзд, которые невооружённому глазу кажутся сплошной светлой пеленой, похожей на разлитое молоко.

Наша Галактика – Млечный путь – первой подверглась исследованию. Уже Демокрит догадывался о том, что «млечный круг» состоит из огромного множества звёзд, которые невозможно рассмотреть по отдельности из-за того, что они близко расположены на небосклоне по отношению к углу зрения наблюдателя, и вследствие этого сливаются воедино. Эта догадка была подтверждена наблюдениями Галилея, который рассмотрел отдельные звёзды в свой первый в мировой истории телескоп. Затем Уильям Гершель, систематически рассматривая в телескоп различные части нашей Галактики, нашёл её сходство с дорогой, по обеим сторонам которой высажены деревья. Это сходство обусловлено тем, что в направлении созвездия Геркулеса звёзды как бы раздвигаются, а на противоположной стороне – сближаются. Так Млечный круг превратился в Млечный путь.

Гершель же первым сделал попытку определить размеры нашей Галактики. К сожалению, не зная о существовании межзвёздного газа, поглощающего излучение звёзд, он преуменьшил масштабы Галактики почти в 15 раз.

Истинное расположение и пределы Галактики были определены в XX веке, хотя некоторые детали уточняются до сих пор и будут уточняться по мере дальнейшей эволюции науки.

Млечный путь особенно хорошо виден в безоблачную и безлунную ночь. Он тянется от одной стороны горизонта до другой туманной белёсой светящейся полосой, в которой можно выделить различные части. Его форма, наблюдаемая невооружённым глазом, напоминает сплюснутый шар, что и заметили в своё время древние греки, которые считали именно шарообразную форму наиболее совершенной и гармоничной.

Огромность и относительная близость Млечного пути, частью которого является Солнечная система и наша Земля, как бы заслоняет от нас другие галактики, которые из-за колоссальных расстояний, разделяющих нас, кажутся слегка размазанными световыми пятнышками на фотографиях, сделанных даже через мощнейшие телескопы. Однако неутомимая деятельность многих поколений астрономов и астрофизиков, вооружённых самой современной техникой наблюдений и теоретизированными способами восприятия, шаг за шагом раскрывает подлинные масштабны, структуры и особенности движения этих гигантов мироздания. Они познавались и познаются в сравнении с нашей Галактикой и в соответствии с данными, полученными при её изучении.

Простую и наиболее общую классификацию галактик по их видимой форме дал крупнейший астроном XX века Э. Хаббл. На основе изучения более тысячи галактик, он в 1925 г. выделил спиральные, эллиптические, линзообразные и пекулярные (т. е. неправильной формы) галактики. Он же весьма приблизительно определил количественно соотношение частоты возникновения этих типов. Согласно Хабблу, спиральных галактик насчитывается около 50 %, эллиптических – около 25 %, линзообразных – около 20 % и пекулярных – около 5 %. В настоящее время существуют значительные расхождения специалистов в определении этих процентных соотношений. Наряду с этими типами выделяется также тип сферических, шарообразных галактик. Считается, например, что спиральных галактик существует до 80 % от общего числа, эллиптических – около 17 % и «неправильных» – не более 3 %. Последние не имеют чётко выделенного ядра. Наряду с формой и внешним видом галактики различаются размерами, числом звёзд и светимостью, а также рядом других физических характеристик. Они представляют собой колоссальные вращающиеся звёздные системы, содержащие в себе десятки или сотни миллиардов звёзд. Наряду со звёздами, галактики охватывают и межзвёздное вещество – газ, пыль, частицы космических излучений и т. д.

Галактики своим мощным полем тяготения выстраивают огромные массы вещества и определяют порядок движения в охватываемой ими части Метагалактики. Галактики отличаются колоссальным разнообразием форм, размеров, движения. Они так же разнообразны, как «населяющие» их звёзды. Ядра галактик могут рассматриваться как мобилизационные структуры, связывающие периферийную материю и определяющие движение в пределах данной галактики. В галактиках правильной формы мобилизуемая периферия имеет сферическое строение, образующееся либо в виде огромных спиральных ветвей («рукавов»), либо в виде эллиптических дисков. Здесь находятся наиболее яркие и горячие звёзды и массивные газовые облака.

Спиральные галактики, как правило, представляют собой системы, состоящие из двух чётко выраженных подсистем – ядра и спиральных «рукавов». В ядрах наблюдается большое множество звёзд, находящихся в весьма тесном скоплении. Вращение ядра втягивает за собой закручивающиеся вокруг него по спирали ветви. Ядро обладает весьма ярким свечением, поскольку светящаяся материя в нём упакована весьма плотно, тогда как в «рукавах» эта материя хаотически разбросана и оставляет впечатление вихря или смерча, втягиваемого в находящуюся в ядре воронку.

Эллиптические галактики во многом сходны со спиральными, но у них имеются лишь сравнительно очень небольшие «рукава». Это происходит потому, что они не имеют крупных запасов межзвёздного газа, который тянулся бы длинными шлейфами за полем тяготения ядра и из которого могли бы рождаться в большом количестве новые звёзды. Считается, что эллиптические галактики являются самыми старыми, поскольку они утратили, по-видимому, бывшие у них ранее «рукава», и светящаяся материя у них имеет красноватый оттенок, что свидетельствует о значительном выгорании ядерного топлива. О старости и слабости мобилизационных процессов, способных поддерживать надлежащий порядок говорят также сравнительно низкие скорости вращения, составляющие не более 100 км в секунду, что по космическим меркам очень мало. В результате невысоких мобилизационных усилий в таких галактиках происходят хаотические перемещения звёзд по сильно вытянутым эллиптическим орбитам.

Галактики «неправильной» формы ещё более хаотичны, что отражается и в их форме, и в происходящем в них движении. Причиной этого хаоса является отсутствие чётко выраженных ядер. Такие галактики имеют, как правило, сравнительно небольшие размеры, незначительную массу и поле тяготения.

Выделенная Хабблом типология галактик, как и всякая, классификация, не охватывает многих существенных особенностей колоссального разнообразия их структур. Ведь только в доступном наблюдению космосе их количество оценивается в сотни миллиардов. Сколько же их остаётся за горизонтом наблюдения, мы не знаем.

Наряду с организацией движения мобилизационная роль ядер галактик заключается в непрерывном истечении водорода, газа, являющегося одним из важнейших строительных материалов «космической инженерии». Атом водорода, состоящий из одного протона в ядре и одного электронного облачка на орбите, может рассматриваться как простейший «кирпичик», из которого выстраиваются более сложные атомы в ядерных реакциях, протекающих в плазменных горнилах звёзд.

Ядра галактик активны по отношению к периферии. Эта активность может выражаться в непрерывном истечении потоков различных веществ, в выбросах колоссальных облаков газа, которые по своей массе превосходят миллионы солнечных масс, в выстреливании газовых сгустков, в нетепловых излучениях из околоядерных пространств. Приблизительно 1 % от общего числа ядер галактик составляют так называемые активные галактические ядра, которые отличаются не просто активностью, а сверхактивностью и представляют собой самые мощные энергетические источники в Метагалактике на данном этапе её эволюции. Они отличаются особо крупными выбросами гигантских газовых облаков и горячей плазмы. Их светимость может в десятки тысяч миллиардов раз превосходить светимость обычных ядер галактик, в том числе и нашей. Они излучают чрезвычайно мощные потоки электромагнитных волн в самом широком диапазоне, включая радиоизлучения, гамма-частицы, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения. Существуют и радиогалактики, излучение которых в радиодиапазоне гораздо мощнее, чем в видимом (например – Лебедь А.)

В 1943 г. американский астроном К. Сейферт обнаружил 12 галактик с особо активными ядрами, получивших название галактик Сейферта. В настоящее время их известно около 100. В 1963 г. советский астроном Б. Маркарян идентифицировал около 600 галактик со сверхактивными ядрами и мощным ультрафиолетовым излучением. Они носят имя своего первооткрывателя – галактики Маркаряна.

Открытие в 1963 г. голландским астрофизиком М. Шмидтом квазаров показало, что в Метагалактике существуют источники излучения, похожие на звёзды, которые по энергетическим выбросам сравнимы с самыми активными ядрами галактик. Их так и назвали квазарами, т. е. квази-звёздными источниками излучения, почти-звёздами. В настоящее время идентифицировано астрономами уже более тысячи квазаров. По современным представлениям, квазары являются сверхактивными ядрами далёких от нас галактик или становятся ими в перспективе. В центре квазаров, как и в центрах ядер многих галактик, могут находиться чрезвычайно массивные чёрные дыры.

Во всех случаях ядра галактик являются главными источниками энергии, обеспечивающей разнообразные эволюционные процессы. Ядра составляют первичные образования, вокруг которых группируется масса галактик. В ядрах сосредоточены самые старые звёзды, периферию же населяют звёзды молодого или среднего возраста. Звёзды и другие вещественно-энергетические образования галактик движутся по достаточно сложным траекториям, обусловленным вращением галактик вокруг осей, образованных тяготением ядер, воздействием полей тяготения других звёзд и других форм вещества, участием всех элементов галактической системы в расширении Метагалактики и т. д. При этом в ядрах галактик сосредоточено всего коло 10 % их массы, а то и меньше. По-видимому, притяжение ядер и целостность галактик обеспечивается за счёт огромной массы скрытой от наблюдения материи.

Еще в 1944 г. американский астроном немецкого происхождения В. Бааде предложил модель соотношения и взаимодействия различных частей спиральных галактик. Он ввёл термин «звёздное население», проводя тем самым аналогию между астрономическим исследованием и исследованиями в сфере социологии и демографии. «Звёздному населению» сгущений спиральных галактик, образующих диски, включая сюда и ядра галактик, он присвоил название «диско», а относительно разреженную периферию, окружающую галактики огромной сферической «оболочкой», назвал «гало».

Население диско «проживает» главным образом в рассеянных звёздных системах, тогда как население гало – в шаровых скоплениях звёзд. Гало представляет собой, по существу, пустынную галактическую окраину, где редкие «поселения» перемежаются с колоссальными шаровыми скоплениями, возникающими вследствие стягивания вещества гравитацией и включающие миллионы звёзд.

Гравитационное поле галактик препятствует переходу «населения диско» в «население гало», и наоборот. Возникает, таким образом, чёткое подразделение населения галактик на «жителей центра» и «жителей окраин». Затруднения для проникновения «населения гало» в «население диско» связано с тем, что звёзды, входящие в гало, содержат значительно больше тяжёлых и меньше лёгких химических элементов. Чтобы попасть в диско звёздам гало необходимо существенно изменить свой химический состав. По-иному происходит движение газовых облаков в межзвёздной среде. Они свободно переходят из гало в диско и обратно, изменяя при этом лишь свою температуру. Такой обмен веществом позволяет и обновлять «звёздное население», поскольку в гигантских газовых облаках интенсивно протекают процессы звёздообразования. Гало вращается медленнее диско, оно как бы перемешивается ими. При этом около 70 % звёзд образуется в спиральных рукавах и только около 10 % в гало. Шаровые скопления гало населены очень старыми звёздами, возраст которых исчисляется миллиардами лет. Данная модель взаимодействия «звёздного населения» до сих пор сохраняет свои позиции в объяснении эволюционного значения дисков и окраины галактик, порядка движения и образования звёзд, в том числе и в нашей Галактике.

Структура галактик, обеспечивающая упорядочивающее воздействие ядер на периферию и движение периферии, регулируемое гравитационными ядерными воздействиями и истечениями, предполагает экспансию галактической организации во внешнюю среду, захват крупными галактиками меньших по массе галактик, превращение последних в спутники либо даже полное растворение малых галактик в материи галактик-гигантов. Мелкие галактики, обречённые на «съедение» и поглощение крупными, иногда в шутку называют галактиками-миссионерами (поскольку, некоторые дикие племена Африки, в обычаи которых входил каннибализм, иногда пожирали миссионеров из европейских стран, пытавшихся проповедовать среди них христианскую веру).

Современные представления о возникновении и эволюции галактик находятся в тесной связи с представлениями о происхождении и эволюции Метагалактики. Начало формированию галактик было положено в процессе структурирования Метагалактики на основе флуктуаций и сгущений ранее однородного и разреженного вещества. Механизм таких сгущений и уплотнений запустило гравитационное взаимодействие, противостоявшее расширению Метагалактики в целом. Расчёты, проведенные в 50-х годах XX века, показали, что достаточно значительные по массе уплотнения вещества вначале должны отставать от расширения Метагалактики в целом, а затем вообще перестанут расширяться и начнут сжиматься под действием собственной гравитации. Это создаёт предпосылки для формирования протогалактик – предшественниц современных галактических структур. Протогалактики представляли собой холодные сферические газовые облака, находившиеся в процессе сжатия под действием гравитации с участием невидимой материи.

Сжатие запускает процесс звёздообразования, вследствие чего протогалактическое облако постепенно разогревается. В результате в нём повышается внутреннее давление, оно превозмогает силу гравитации и обусловливает расширение облака. В результате происходит фрагментация и структуризация протогалактического облака на основе самоорганизации вещества в различных его частях.

Проходит много времени, и окраинная часть облака отслаивается и срывается с вращающегося облака в окружающую среду, а центральная часть сжимается, образует ядро и запускает вторичный процесс звёздообразования. Затем в процессе вращения облако сжимается в диск и запускается процесс звёздообразования дисковой подсистемы. Таков весьма правдоподобный физический сценарий эволюционного пути образования галактик. Думается, что исходя из основной идеи предлагаемой нами общей теории эволюции, его необходимо серьёзно откорректировать, поскольку он недостаточно учитывает роль ядра в мобилизационно-организационных процессах формирования порядка.

Самоорганизация протогалактического облака как открытой системы порождает процесс самоструктурирования, в результате которого происходит отделение ядра от периферии. Дальнейшая эволюция протогалактики, её превращение в галактику и экспансия в окружающее пространство проходят под воздействием сил и свойств структуры ядра. Взаимодействуя с невидимой материей, ядро создаёт достаточную гравитационную силу для приведения в единообразие движения различных элементов галактики. Мобилизационная схема образования порядка действует в Метагалактике повсеместно, в том числе и в косной материи таких грандиозных систем, как галактики. Она является основой «космической инженерии» – самоконструирования космических систем и запуска внутри них эволюционных механизмов.

Ядро каждой галактики представляет собой наиболее яркую, сильно светящуюся часть, обладающую, соответственно, наиболее мощной энергетикой и гравитационной силой, способной, в соединении с невидимой материей (возможно, в виде массивной чёрной дыры) управлять движением и обусловливать вращение вокруг себя всей многообразной галактической периферии. Ядра спиральных галактик, в том числе и нашей, многослойны. Плоскому диску, похожему на крылья самолёта, противостоит галактическая выпуклость, или балдж. Это почти сферическое образование, включающее миллионы красных, оранжевых и белых звёзд.

Проведенные в начале нынешнего века исследования показали, что при всей своей высокой плотности вещества ядро галактики не является само по себе таким сверхплотным объектом, который мог бы обеспечить гравитационное воздействие на периферию. При наблюдении Туманности Андромеды в центре её ядра было обнаружено сверхплотное образование, получившее название ядрышка. Масса ядрышка Туманности Андромеды составляет 13 млн. солнечных масс. Оно вращается вокруг своей оси, представляя собой плазменный аналог твёрдого тела. Период обращения – около 500 тыс. лет.

В нашей Галактике также имеется ядрышко, выявленное исследованиями в радиодиапазоне. Оно составляет всего 6 парсек в диаметре. Ядрышки галактик представляют собой весьма удивительные феномены «космической инженерии». Они ведут себя вполне независимо от основной материи ядра и значительно превосходят остальную часть ядра и по плотности, и по энергетике, и по своим конструктивным особенностям. Ядрышко как бы управляет действием ядра, а ядро управляет движением периферии.