Основные концепции космологии

Классификация галактик

Изучением особенностей строения, классификацией видов и исследованием процессов эволюции галактик, ко­торыми называются любые расположенные за пределами Млечного Пути звездные системы, занимается так называе­мая внегалактическая астрономия, стыкующаяся в данном вопросе с космологией — наукой о развитии Вселенной в це­лом. С конца XVIIIв., когда французским астрономом Ш. Мессье был создан первый каталог звездных скопле­ний, впоследствии модифицированный и дополненный в 1887г. датским исследователем И. Дрейером, попытки классификации галактик привели к выделению четырех ос­новных видов из большого числа их разновидностей:

ü эллипсоидные;

ü спиральные;

ü линзообразные;

ü пекулярные (неправильные).

К первому основному виду относятся так называемые эллипсоидные галактики, обозначаемые индексами от Е0 до Е7 в зависимости от степени их вытянутости и отли­чия от шарообразной формы. В количественном отно­шении они составляют около 25% от общего числа га­лактических объектов.

Второй и наиболее распространенный вид составляют так называемые спиральные галактики, обозначаемые индек­сом S, к числу которых относится и наш Млечный Путь. Основной их особенностью является ярко выраженная вих-реобразная структура с двумя или более симметричными спи­ральными рукавами. В зависимости от того, начинаются ли эти рукава непосредственно от ядра галактики или от пере­секающей это ядро светящейся «перемычки», различают со­ответственно нормальные и пересеченные спиральные галактики. Учитывая степень раскрученности структурной спирали, эти галактики получают соответственно обозначения от Sa до Sc и от SВа до SВс. Общее их число достигает примерно 50% от состава галактического сообщества.

Третий основной вид представляют линзообразные га­лактики. Этот вид имеет индекс S0 и занимает промежу­точное в плане эволюции положение между эллипсоид­ными и спиральными галактиками, неся в себе зачатки зарождающейся спиральной структуры. В окружающей Вселенной данный вид галактик составляет около 20%.

Наконец, четвертый основной вид, относящийся к разряду неправильных или пекулярных галактик и имею­щий индекс Ir, образован всеми остальными галактика­ми, не относящимися ни к одной из вышеперечислен­ных видовых групп. Общий их количественный состав не превышает 5% от всех галактических образований.

Расположение всех перечисленных видов галактик в по­степенно развертывающейся структурной последовательно­сти образует так называемый камертон Хаббла и свидетель­ствует о наличии отчетливо выраженных эволюционных про­цессов в развитии галактик — от шарообразной E0, через линзообразную S0 к плоской спиралевидной Sc или SВc, за­канчиваясь зачастую полным структурным распадом в виде пекулярной аморфной галактики Jr (рис. 2).

Рис. 3. Структурная эволюция галактик («камертон Хаббла»).

Основной вывод, который можно сделать из указан­ной классификации, заключается в том, что подавляю­щее большинство галактических образований (более 95%) представляют собой формы, полученные в результате про­цессов вращения образующего их первичного вещества.

Действующие при таком вращении центростремитель­ные силы приводят к постепенному уплотнению цен­тральной части газопылевого облака первичного вещест­ва и созданию условий для формирования множества от­дельных звезд, пространственно объединяемых понятием галактической системы.

Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является спиральной системой, состоящей приблизитель­но из 120 млрд звезд. Она имеет форму утолщенного диска. Наи­больший диаметр равен 100 тыс. световых лет.

Наша Галактика, которую можно наблюдать в виде Млечного Пути, имея примерный воз­раст 10 млрд лет, насчитывает в своем составе по усред­ненным оценкам около 200 млрд звезд и состоит из звезд и диффузной материи. Ее звезды разделяются различными способами на подсистемы. В ней насчитывается приблизительно 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд.

В свою очередь, наша спиральная Галактика входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического обра­зования — Сверхскопления галактик, образованного при­мерно из 10000 галактических объектов, имеющего диа­метр около 40 Мегапарсек и медленно вращающегося вокруг мощного центрального сгущения галактик в со­звездии Девы. Ближайшие к нашему Сверхскоплению соседние сверхскопления галактик располагаются в со­звездиях Льва и Геркулеса на расстояниях соответствен­но 87 и 100 Мегапарсек. Всего в окружающей Вселенной обнаружено около 50 таких галактических сверхскопле­ний, образующих еще один, по всей видимости, далеко не самый верхний, иерархический уровень ее структуры.

Кроме того, можно выделить звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости и обра­зующие плоскую систему и сферическую форму пространст­венного распределения звезд, образующую ядро галактики.

По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключе­ние, что наша Галактика имеет четыре спиральные ветви. Бли­жайшей галактической системой является туманность Андроме­ды, находящаяся от нас на расстоянии 2700000 световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик.

Галактики, как правило, встречаются в виде так называемых «облаков» или «скоплений галактик». Эти «облака» содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование определенной упо­рядоченной системы — Метагалактики. Метагалактика, или система галактик, включает в себя все известные космические объекты.

Обширный фактический материал астрономической науки, а также новейшая фаза развития физических теорий позволяют выдвинуть достаточно обоснованные гипотезы о возникнове­нии и эволюции определенных космических образований.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблему непре­рывного образования звезд из конденсирующейся диффузной материи.

Для объяснения структуры мегамира наиболее важным яв­ляется гравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но сила гравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними. В газово-пылевых туманностях под действием сил грави­тации происходит формирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно от­метить, что происходит процесс рождения не отдельной изоли­рованной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся га­зовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объ­единяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как пра­вило, начинают вращаться относительно друг друга, и центро­бежная сила этого движения противодействует силе притяже­ния, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюцио­нируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светя­щихся и с низкой температурой, к звездам — плотным плаз­менным телам с температурой внутри в миллионы градусов. За­тем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там нахо­дится тот "плавильный тигель", который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в ре­зультате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные ("мертвые") звезды.

Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неиз­менно или вечно существующими. Через определенное количе­ство времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

Проблемы зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для него очень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук о природе. Не потерял интереса к изучению проблем космоса и современный человек, но он смотрит глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная? Современные ученые ищут ответы на следующие вопросы:

а) Что было, когда Вселенная рождалась?

б) Как давно это было и как происходило?

в) Рождалась ли Вселенная вообще или она глобально стационарна?

Для поиска ответов на эти непростые вопросы в астрономии появилась новая отрасль – космология. По определению А.Л. Зельманова космология – это совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. Космология стала искать различные варианты ответов на поставленные вопросы, выдвигать различные теории и гипотезы. Так появилась Теория Большого взрыва и гипотезы, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее структуризацию и развитие.

Принято считать, что основные положения современной космологии начали формироваться после создания в 1917г. А. Эйнштейном первой релятивистской моде­ли, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Данная модель ха­рактеризовала статическуюВселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922 г. в Петрограде замечательный математик А.А. Фридман на основе уравнений общей теории относительности создал теорию эволюции наблюдаемой Вселенной. В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна расширяться либо сужаться.

В соответствии с этой теорией Вселенная является системой сугубо нестацио­нарной, причем характер ее эволюции может быть поставлен в зависимость всего от одного наиболее важного парамет­ра — пространственной плотности r Вселенной в целом.

Фридман сумел расчетным путем определить крити­ческое значение данного параметра r_кр == 10^-29 г/см³, ко­торое соответствует состоянию неустойчивого равновесия всей Метагалактики. При плотности вещества, меньшей критического значения (r < r_кр), Вселенная бесконечно расширяется. Напротив, при плотности, большей критического значения (r > r_кр), Вселенная после неко­торого этапа расширения начинает вновь сжиматься, со­кращая свой объем до минимума под действием все воз­растающих сил гравитации.

Таким образом, согласно указанной теории Фридмана, возможны два основных варианта эволюции нестационар­ной Вселенной:

• бесконечного расширения;

• пульсирующего расширения и сжатия.

Оба возможных варианта эволюции имеют лишь одну общую исходную точку, связанную с на­чальным моментом развития Вселенной, который впоследст­вии получил название Большой Взрыв. Не строя гипотез по поводу причин такого начала эволюции, следует лишь отме­тить заслугу Фридмана в осознании нестационарности гло­бальных процессов, протекающих в Метагалактике.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл, используя уже известные спектральные методы измерения расстояний до звезд и обобщив накопленные данные на­блюдений, открыл явление пропорционального увеличения ско­рости V «разбегания» галактик в зависимости от их уда­ленности r, получившее название закона Хаббла и описываемого следующей простой формулой:

V = Н · r,

где Н — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла.

Согласно этому закону скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее.

В основе этого открытия лежит эффект так называемого красного смещения, при котором спектры излучения удаляю­щихся звездных объектов всегда смещены к инфракрасной области. В свою очередь, подобное смещение спектра излуче­ния в длинноволновую часть является следствием действия известного в физике эффекта Доплера. Этот эффект открыт в 1842г. австрийским ученым X. Доплером и показывает изменение частоты любых волновых колебаний (световых, звуковых и т.д.) при относительном движении на­блюдателя и источника этих волн.

Открытый Хабблом закон вовсе не означает, что на­ша планета является вновь центром Вселенной, как в древней концепции геоцентризма. Просто все звездные элементы Метагалактики одинаково равномерно удаля­ются друг от друга в процессе всеобщего расширения в пространстве после происшедшего Большого Взрыва. Сложение скоростей взаимного удаления внегалактиче­ских объектов как раз и приводит к эффекту пропорцио­нального увеличения «красного смещения» более удаленных объектов для наземного наблюдателя.

Установление закона Хаббла играет также огромную роль и в определении возраста наблюдаемой Вселенной, позволяя на основе скорости «разбегания» галактик как бы реконструировать ход событий в обратном порядке вплоть до момента Большого Взрыва. Постоянная Хаббла в связи с этим многократно подвергалась уточнению и в настоящее время определяется примерно следующим расчетным значением: Н» 55 км/(сек • Мегапарсек).

Принимая за основу рассмотренную концепцию рас­ширяющейся Вселенной, современная космология с уче­том указанной уточненной скорости этого расширения ориентировочно оценивает общий возраст Метагалак­тики с момента Большого Взрыва величиной времени около 18 млрд лет.

Благодаря усилиям российского ученого Г.А. (Дж.) Гамова (эмигрировавшего в 1933 г. во Фран­цию, а позже — в США) теория развития новорожденной Вселенной в первые мгновения, секунды, часы после Большого Взрыва разработана достаточно подробно (т.н. модель горячей Вселенной). Со­гласно указанной теории, в результате Взрыва высвободи­лось огромное количество энергии и раскаленного до миллиардов градусов первовещества, состоящего из различ­ных видов элементарных частиц. Стремительно расширяясь в пространстве и являясь источником мощнейшего элек­тромагнитного излучения, первовещество разбивалось на отдельные потоки. Нарушение симметрии распростране­ния этих потоков неизбежно приводило к образованию вихреобразных турбулентностей. Подобные завихрения, разбива­ясь на все более мелкие образования, и стали впоследст­вии основой многочисленных звездных галактик, вклю­чающих в себя сотни миллиардов отдельных звезд.

Подтверждением справедливости данной научной кон­цепции Гамова стало открытие в 1965 г. явления так на­зываемого реликтового излучения, принимаемого из лю­бой точки небесной сферы и представляющего собой ос­таточное свидетельство первичного моря образовавшейся при Большом Взрыве электромагнитной энергии.

Дата добавления: 2014-01-07