Текст книги "Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты"

11,7 миллиарда лет назад
Образование шарового скопления Геркулеса

При слияниях протогалактик происходило активное звездообразование: формировались скопления сотен тысяч звезд. Одним из таких скоплений стало шаровое скопление Геркулеса, которое астрономы-любители просто обожают.

Млечный Путь – Галактика, в которой мы живем, – подчиняется тем же законам, что и остальные галактики. Как и все другие структуры аналогичного размера, она сформировалась быстро и бурно, в результате последовательных слияний более или менее массивных протогалактик. Когда пара протогалактик сближалась, их взаимопроникновение провоцировало соединение облаков межзвездной пыли, которыми были нафаршированы юные галактики. Подобные столкновения вызывали взрывное звездообразование, которое приводило к формированию огромных звездных скоплений, с сотнями тысяч звезд. Самые массивные из них стали жертвами ускоренной эволюции и быстро прекратили свое существование. Выжили самые сбалансированные, самые многочисленные; они продемонстрировали продолжительность жизни, превышающую средний возраст объектов во Вселенной; все они светят и в наши дни. Эти скопления образовались при сильном воздействии гравитации, поэтому они приобрели сферическую или шаровую форму.

Одно из самых известных шаровых скоплений, которое нравится фотографировать астрономам-любителям, находится в созвездии Геркулеса. Его открыл в 1714 году Эдмунд Галлей, обнаружив, что звездной безлунной ночью скопление можно увидеть невооруженным глазом. В июне 1764 года Шарль Мессье, прославившийся как великий охотник за кометами (Людовик XV его даже прозвал «кометным хорьком»), включил его в свой знаменитый каталог, в котором он собрал все известные на тот момент небесные тела самой разной природы, в той или иной степени похожие при наблюдении в телескоп на кометы. С тех пор всем астрономам, как профессионалам, так и любителям, большое скопление Геркулеса известно под именем «Мессье 13». Оно расположено на расстоянии в двадцать две тысячи световых лет от Солнца и включает в себя около миллиона звезд, плотно набитых в сферический объем радиусом около восьмидесяти световых лет. Плотность звездной материи в центре скопления в сотни раз выше, чем наблюдаемая в той части Млечного Пути, где расположено Солнце.

Во второй половине ХХ века группа ученых, самым известным из которых был американский радиоастроном Фрэнк Дрейк, высказала предположение о том, что где-то во Вселенной существуют иные формы разумной жизни. В 1974 году Дрейк решил установить первый контакт с вероятными внеземными цивилизациями и вместе с другим американским астрономом Карлом Саганом предложил отправить в космос радиосообщение с помощью гигантского радиотелескопа Аресибо. Дрейк и Саган решили отправить свое послание в направлении Мессье 13, поскольку именно в этой ближней к нам части Вселенной сконцентрировано наибольшее количество долгоживущих звезд. По их мнению, этот фактор должен был увеличить шансы на то, что послание достигнет ушей или каких-либо других органов чувств представителей иных форм разумной жизни.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Образование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)

10,8 миллиарда лет назад
Вселенная все еще в три раза горячее

Молекулы окиси углерода, образующие облака межзвездного газа в недрах галактики, возбуждались под влиянием излучения расположенного по соседству галактического ядра.

С момента Большого взрыва прошло три миллиарда лет. Вселенная уже стала значительно более похожей на ту, что мы наблюдаем в наши дни. Все галактики, естественно, погружены в фоновое реликтовое излучение, которое заполняет Вселенную с того момента, как она стала прозрачной. В точности, как сегодня, многие галактики включают в себя огромные облака межзвездного газа, обогащенного в результате звездных взрывов элементами, атомы которых, как, например, углерод и кислород, со временем соединяются в молекулы, к примеру, окиси углерода.

Подобно атомам, молекулы тоже могут переходить из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией. К свойственным атомам электронным уровням энергии добавляются другие, свойственные уже молекулам, например уровни вибрации. Вибрация – следствие того, что связи между атомами в молекуле не являются жесткими, и атомы могут вибрировать относительно друг друга. Для этого необходима энергетическая подпитка, причем достаточно небольшая, – и молекула может перейти в состояние с повышенной энергией.

Именно так и происходит с окисью углерода – его молекулу могут возбудить даже не очень насыщенные энергией фотоны фонового излучения. Как только молекулы окиси углерода из межзвездного газа переходят на уровень энергии чуть выше обычного, они начинают поглощать излучение определенной длины волны, распространяющееся по галактике, а за ним как раз наблюдает астроном. По пути к наблюдателю яркий свет, излучаемый очень активным ядром исследуемой галактики, например квазаром, проходит сквозь межзвездные облака другой галактики, находящейся перед объектом наблюдения. На спектр излучения впереди расположенной галактики накладывается на той же длине волны полоса поглощения окиси углерода, возбужденной фоновым излучением, который распространяется в изучаемой галактике.

Вследствие расширения Вселенной полоса поглощения смещена в сторону красной части спектра. Таким образом, астрофизики могут оценить примерный возраст события, в ходе которого был поглощен свет, а также уровень возбуждения, на котором находились вовлеченные в этот процесс молекулы окиси углерода. С помощью этих данных ученые могут определить и температуру Вселенной непосредственно в момент поглощения света от удаленного квазара молекулой окиси углерода. Именно так ученые смогли доказать, что спустя три миллиарда лет после начала расширения Вселенной ее температура была все еще в три раза выше, чем сегодня… Это потрясающее доказательство реальности Большого взрыва!

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

10 миллиарда лет назад
Активное звездообразование

Интенсивность звездообразования во Вселенной достигла максимума. Самые массивные звезды создают потоки газа, обогащенного практически всеми природными химическими элементами.

Со времен формирования наиболее крупных структур во Вселенной и до сегодняшнего дня общий вид Вселенной практически не изменился. Однако на масштабе галактик до состояния равновесия, даже неустойчивого, было еще далеко – оно установилось позднее: история Вселенной была долгой. Добывая данные о зарождении и образовании галактик, астрофизики могут опираться только на анализ испускаемого галактиками излучения. Они исследуют все более древние галактики, излучение которых значительнее смещается в красную часть спектра, поэтому приходится использовать телескопы, чувствительные к инфракрасному излучению. В этой спектральной области наблюдениям препятствуют два явления: атмосфера пропускает инфракрасное свечение только через редкие спектральные окна; естественные тепловые помехи, которые создаются в инфракрасном спектре самим телескопом, накладываются на космический сигнал.

Астрофизики борются с этими трудностями с помощью устройств, охлажденных до очень низких температур. Например, на космической обсерватории «Гершель» Европейского космического агентства (ЕКА) фокальная плоскость помещена в огромный криостат (что-то вроде огромного термоса), который поддерживает очень низкую температуру (четыре градуса по шкале Кельвина). Таким образом, исследователи получают данные, которые меняют их понимание процессов формирования и эволюции галактик. В 2014 году американские астрофизики Пьеро Мадау и Марк Дикинсон проанализировали с помощью различных моделей новые данные и пришли к выводу, что пик звездообразования во Вселенной случился примерно десять миллиарда лет назад.

Звездообразование, подстегиваемое все еще частыми столкновениями галактик, достигает в это время максимальной интенсивности. Самые массивные звезды (массой в несколько солнц), продолжительность жизни которых меньше миллиарда лет, быстро проходят свой эволюционный цикл и выбрасывают в межзвездное пространство огромные облака химических элементов, созданных в их недрах. В безумную пляску вступают и элементы, синтезированные во время взрывов сверхновых, то есть в момент гибели самых массивных звезд, а также некоторых звезд из двойных систем. В недрах галактик постепенно устанавливается равновесие между выброшенным из звездных недр газом из новых элементов и заполнявшим межгалактическую среду газом, лишенным тяжелых элементов. По мере снижения интенсивности звездообразования соотношение элементов постепенно устанавливается в основном на уровне значений, которые измерили в XXI веке: 74 % водорода, 24 % гелия и 2 % других элементов – прежде всего кислорода, затем углерода, неона и железа.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Рождение самой древней из известных звезд (13,6 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

9,7 миллиарда лет назад
Вселенная и ее постоянные

Химические элементы, образовавшиеся в далеком прошлом Вселенной, доказывают физикам, что константы, лежащие в основе ее структуры, не менялись за последние десять миллиарда лет.

Физическая постоянная – некоторая измеримая величина, которая сохраняет одно и то же значение повсюду во Вселенной и не зависит от времени. Скорость света – одна из самых известных физических постоянных. Она обрела такой статус с тех пор, как Альберт Эйнштейн в 1905 году показал, что она неизменна и не зависит от скорости наблюдателя и источника света. Ее обозначают буквой c, первой буквой латинского слова celeritas («скорость»). Эта универсальная константа представляет собой не просто скорость, то есть расстояние, деленное на время, чье значение зависит от системы единиц, выбранной для ее выражения. Физики так доверяют скорости света, что именно метр определяют в международной системе мер как эталонную единицу длины[2]2
  Метр как единица длины в СИ с 1983 года определяется как расстояние, проходимое светом за 1/299 792 458 часть секунды.


[Закрыть].

Некоторые физики считают, что фундаментальными физическими константами имеют право называться только те, чье значение не зависит от системы единиц.

Такова, к примеру, постоянная тонкой структуры (обозначаемая буквой ^α), которая используется при описании электромагнитного взаимодействия. Она применяется для характеристики расщепления энергетических уровней в атомах и проявляется в ситуации, когда атомы поглощают свет. Через четыре миллиарда лет после Большого взрыва звездообразование достигло пика. Тучи атомных ядер, созданных в горнилах звезд, распространялись по всей Вселенной. Их было так много, что многие из них попадали под лучи света, испускаемые чрезвычайно яркими квазарами. В результате в спектре последних возникали линии поглощения, сохранившие следы взаимодействия между излучением и материей. Уравнения, описывающие это взаимодействие, и содержат постоянную ^α.

Таким образом, можно узнать, изменилась ли эта фундаментальная постоянная с течением времени – в этом заставляют сомневаться некоторые теоретические модели, например теория струн. Чтобы проверить неизменность постоянной, индийский астрофизик Хум Чанд и два его французских коллеги в 2004 году проанализировали спектры восемнадцати квазаров (средняя величина красного смещения z = 1,55), полученные с помощью сверхмощного спектрографа и телескопа Куйен – одного из четырех, составляющих комплекс Очень большого телескопа (VLT) на горе Серро-Параналь в Чили. Определив значение константы ^α с точностью до одной миллионной, Чанд и его группа пришли к выводу, что за последние десять миллиарда лет оно не изменилось! Для подтверждения теории струн придется поискать другие аргументы…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Мультивселенная (До Большого взрыва)

Большой взрыв (Начало расширения)

Природный реактор (2 миллиарда лет назад)

Взрыв сверхновой (–4500)

8,8 миллиарда лет назад
Образование диска Млечного Пути

Гигантское гало темной материи, окружающее Млечный Путь, способствует концентрации барионной материи и формированию тонкого вращающегося диска красивой спиральной структуры.

Так же как и другие звездные скопления, Млечный Путь – наша Галактика – образовался в результате последовательных слияний протогалактик, сгустков темной материи, возникших в сверхплотных участках первичной Вселенной. Протогалактики включали в себя и барионную материю в виде газа из водорода и гелия. В процессе слияний темная материя собиралась в основном на периферии галактик и сформировала гигантское сферическое гало радиусом в двести тысяч световых лет и массой порядка тысячи миллиарда солнечных. Втянутый внутрь барионный газ сплющился в форме гигантского тонкого диска, вращающегося вокруг своей оси. Общий диаметр диска составляет примерно сто тысяч световых лет, но диаметр его плотной части равен примерно тысяче световых лет. В нем вращаются сотни миллиарда звезд и внушительное количество плотных облаков межзвездного газа, в которых идет звездообразование.

Самой яркой характеристикой диска Млечного Пути служит его спиральная структура. Диск вращается вокруг оси не как твердое тело, не как граммофонная пластинка. За счет чего же тогда удерживается его спиральная структура с расходящимися в разные стороны рукавами? На самом деле рукава возникают не из материи. Они создаются волнами, при прохождении которых возрастает плотность вещества, так называемыми волнами плотности. Это явление можно сравнить с пробками на дорогах, которые постепенно распространяются по магистралям, когда движение становится интенсивным.

Наподобие автомобилей, количество которых увеличивается в месте пробки, межзвездный газ уплотняется при проходе волны плотности и провоцирует рост интенсивности звездообразования. Волна оставляет за собой гирлянду звезд, самые массивные из которых сияют ярко, но кратковременно. Эти волны плотности, вероятнее всего, порождает асимметрия в центре диска (типа перемычки, обнаруженной в центре Млечного Пути).

Формирование диска, обрамленного красивой спиральной структурой, характерно не только для Млечного Пути. Примерно в тот же период через подобные преобразования прошли многие галактики. Еще в XVIII веке астрономы обнаружили на ночном небе светлые пятна более или менее плоской формы. Как мы теперь знаем, это были самые яркие спиральные галактики. Эти наблюдения в 1775 году привели немецкого философа Иммануила Канта к идее, что Вселенная состоит из блуждающих в бездне пространства совокупностей звезд, подобных той, в которую входит Солнце. Он даже отметил, что эти системы должны были бы казаться кругообразными, если смотреть на них сверху, и эллиптическими при взгляде сбоку. Таким образом Кант предвосхитил, не формулируя ее конкретно, идею островных вселенных – спустя столетие этот термин предложил немецкий географ Александр фон Гумбольдт.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

7,7 миллиарда лет назад
Гамма-всплеск, видимый невооруженным глазом

В наблюдаемой Вселенной ежедневно взрываются ядра миллиона массивных звезд, но только один взрыв из миллиона сопровождается выбросом мощного потока гамма-излучения.

Гамма-всплеск происходит в момент, когда разрушенное ядро массивной звезды выбрасывает материю в виде двух противоположно направленных струй, которые распространяются со скоростью, близкой к скорости света, и когда эти струи одновременно разрушают звездную оболочку (один случай на миллион). Название этого явления связано с потоком направленного излучения, возникающего внутри выброшенной материи, наиболее интенсивны в нем гамма-лучи, хотя в потоке этого излучения присутствуют и световые, и рентгеновские волны.

Эти два направленных луча, очень узких и мощных, пронизывают всю Вселенную. Угол их распространения совсем небольшой (всего несколько градусов), и поэтому шанс, что они когда-нибудь достигнут Земли, всего один на тысячу. Вычислить эту вероятность очень просто: если ежедневно взрывается примерно миллион звезд, то они порождают тысячу пучков гамма-лучей; один из них теоретически может достичь Земли. Сканируя видимый небесный свод, обсерватории ежедневно регистрируют один-два гамма-всплеска. Если наблюдатель находится прямо на оси пучка излучения, там, где оно имеет максимальную интенсивность, всплеск ощущается заметно сильнее. Но такая ситуация случается довольно редко – не чаще одного раза в год!

Например, в далекой галактике взрывается ядро массивной звезды. Она выбрасывает два направленных пучка излучения, один из которых направляется к Земле и долетает до нее семь с половиной миллиарда лет спустя. Подобное явление, обозначенное кодом GRB 080319B, наблюдалось в 2008 году и было зарегистрировано как мощный гамма-всплеск. Астрофизикам повезло: они смогли наблюдать его даже в видимой части спектра с помощью прибора с широкоугольным объективом. Излучение было столь ярким, что его можно было увидеть и невооруженным глазом, если смотреть в нужный момент в определенном направлении. А произошло это событие, когда Вселенной было только шесть миллиарда лет!

Гамма-всплески имеют столь невероятную мощность и светимость, что их следует считать катастрофами колоссального масштаба. Если бы событие типа GRB 080319B произошло, к примеру, на расстоянии в десять тысяч световых лет от Солнца и один из пучков излучения попал бы непосредственно в Солнечную систему, на нашу несчастную планету обрушился бы энергетический удар, сравнимый со взрывом миллионов ядерных бомб Хиросимы! Такое количество энергии вызвало бы серию глобальных катастроф, одна страшнее другой. Защитный озоновый слой моментально разрушился бы, чудовищные ударные волны сотрясли бы атмосферу, по всей Земле разгорелись бы пожары, мощные ураганы начали бы сносить все на своем пути…

☛ СМ. ТАКЖЕ

Катастрофическая смерть первой звезды (13,2 миллиарда лет назад)

6,8 миллиарда лет назад
Ланиакея, наше сверхскопление

Млечный Путь влился в звездное скопление Ланиакея, один из огромных центров гравитационного притяжения, к которому стекаются галактики и скопления галактик, заполняющие наш уголок Вселенной.

Галактики, большинство которых сформировалось менее чем за два миллиарда лет после Большого взрыва, распределены в пространстве далеко не случайным образом. Они служат настоящими кирпичиками Вселенной, из них состоит гигантская сеть ветвей и нитей, пронизывающих пустоту. Основой этой структуры, канвой распределения материи во Вселенной, служит в основном темная материя. С того момента, когда Вселенная стала прозрачной и однородной, она быстро эволюционировала и по окончании Темных веков преобразовалась в систему огромных пустот, окруженных сверхплотными структурами, создающими гравитационное притяжение невероятной силы.

Аналогично тому, как на Земле вода течет по рекам и притокам с высоты водоразделов, галактики и звездные скопления стекаются по направляющим космической сети и создают узлы «галактических сверхскоплений». Это название впервые употребил французский астрофизик Жерар де Вокулер для обозначения самых крупных из известных в настоящий момент образований во Вселенной. В гидрологии линия водораздела разделяет бассейны разных рек. В астрофизике дело обстоит похожим образом: линия, разделяющая два гравитационных бассейна, служит границей между сверхскоплениями. Чтобы обнаружить эту границу в мире галактик, надо прежде всего рассчитать скорость их движения, скорректировав наблюдаемую скорость смещения с помощью поправки на космическое расширение.

Именно таким методом в 2014 году четверка астрофизиков – американец Ричард Брент Талли, француз Элен Куртуа и Даниэль Помареда и израильтянин Иегуда Хоффман – рассчитали размеры, структуру и динамику нашего сверхскопления, которое они назвали Ланиакея (от англ. Laniakea, в переводе с гавайского – огромный небесный свод). Сверхскопление образовалось тогда, когда Вселенная достигла примерно середины своего сегодняшнего возраста, и протянулось на пять миллионов световых лет; его масса – сто миллионов миллиарда солнечных. Ланиакея включает в себя тринадцать галактических скоплений, каталогизированных в 1958 году калифорнийцем Джорджем Эйбеллом. Астрофизик создал свой каталог на основе тысяч фотографий, снятых камерой Шмидта (широкоугольный телескоп с корректирующим зеркалом) на горе Паломар в США. Ланиакея включает в себя структуру, ранее называвшуюся сверхскоплением Девы, частью которого является Млечный Путь. Если считать, что Земля – это наш дом, Солнечная система – наш город, то Галактика – это наша страна, а Ланиакея – континент.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Темные века (13,7 миллиарда лет назад)

Образование крупных структур (13, 7 миллиарда лет назад)