Что такое метагалактика?
МЕТАГАЛАКТИКА
Наша Галактика является структурной единицей Метагалактики – часть Вселенной, доступной современным астрономическим методам исследования и содержащей несколько миллиардов галактик. В ближайших окрестностях нашей Галактики расположено еще около 40 галактик, которые образуют так называемую местную группу. Подобные скопления считаются самыми крупными из устойчивых систем Вселенной.
Давайте подведем краткие итоги наших удивительных экскурсий в глубины мироздания и еще раз окинем взглядом всю доступную нам часть Вселенной — Метагалактику. Эту трудновообразимую по величине область космоса изучает особая наука, формально входящая в астрономию, но претендующая на совершенно особую мировоззренческую роль, — космология.
Структура Метагалактики
Космология описывает лишь крупномасштабные структуры Вселенной, размеры которых более сотен миллионов световых лет (галактические скопления и сверхскопления). Общепринята космологическая теория, согласно которой структура Метагалактики возникла из первоначальных гравитационных возмущений космической среды, связанных с физическими процессами на ранних стадиях эволюции Вселенной.
По современным астрономическим наблюдениям основная составляющая межзвездной среды — чрезвычайно разряженный водород с незначительными добавками других газов и пыли. Межзвездная среда пронизана во всех направлениях потоками электромагнитного излучения, космическими лучами и звездным ветром. В оптическом диапазоне хорошо видны горячие туманности, подсвеченные массивными звездами, и небольшие темные зерна.
На сегодня международная группа астрономов уже получила изображения тех звездных объектов, которые в тысячи раз слабее, чем наблюдаемые в самые мощные наземные телескопы.
Работа над изображениями «сверхглубоких полей» звезд и галактик ведется уже несколько десятилетий, и астрономы давно поняли, что чем меньше звездная масса, тем чаще встречаются подобные светила на метагалактических просторах. Если раньше Солнце считалось самой что ни на есть заурядной звездой — желтым карликом, то сейчас его статус значительно выше — среднемассивное светило, ведь большинство звезд оказалось значительно легче Солнца.
Однако открытие россыпей слабосветящейся «звездной мелочи» так и не помогло объяснить аномально большую массу галактического гало при его относительно малой яркости, поэтому проблема скрытой массы Млечного Пути и в особенности его галактического гало весьма далека от окончательного разрешения.
Любопытно, что среди слабых звездочек на одну действительно звезду приходится десять сверхдальних галактик. А среди слабейших световых точек уже надо пересмотреть почти полторы сотни объектов, чтобы выловить хоть одно светило. Подобный отбор в основном возможен по форме изображения, ведь любая, даже очень крупная звезда выглядит при любом разрешении точкой, а галактика имеет различимое протяженное тело.
Удаленные галактики, окруженные темной материей
Сверхструктура Вселенной
Но и далекая галактика становится для наземного телескопа неотличимой от звезды при очень слабой яркости — и тогда все надежды только на новое поколение космических обсерваторий, которые предполагается разместить в точках либрации (равного земного и лунного притяжения). Помещенные в подобных «гравитационных гаванях», где ничто не сможет вывести их из равновесия, телескопические системы, состоящие из множества зеркал, управляемых единым компьютером, смогут колоссально приблизить к нашим глазам самые удаленные уголки Метагалактики. Более того, составляя сверхглубокие обзоры космического простора, мы наконец-то сможем осуществить вечную мечту астрономов — продвинуться вглубь Вселенной сразу во многих направлениях, получив связанные глубокие изображения большей части Метагалактики.
Поиск в удаленных частях нашей Вселенной уже принес первые сенсационные результаты, связанные с открытием удивительной сверхструктуры, которую астрономы назвали Великим Аттрактором (от англ. attract — «притягивать»). Данная колоссальная область концентрированной массы влияет на движение очень многих галактик, включая и нашу группу. Этот удивительнейший природный феномен совершенно случайно обнаружила команда астрономов, изучавших движение Млечного Пути совместно с группой соседних галактик.
Все они перемещаются в сторону недавно открытого сверхскопления галактик, лежащих на границе созвездий Гидры и Кентавра. Скорость галактического потока, увлекающая наш звездный архипелаг вместе с островом Млечного Пути, оказалась значительно выше скорости расширения пространства Вселенной.
Скопление галактик в Метагалактике
После анализа причин, породивших такое необычное космическое течение вещества, и возникла модель Великого Аттрактора как объекта, занимающего обширную область, с колоссальной массой, превосходящей десятки тысяч галактик. Несмотря на то что диаметр Великого Аттрактора оценивается в 300 млн световых лет, астрономы считают его локальной гравитационной аномалией, оказывающей определяющее влияние на окружающие звездные системы, и компактной относительно галактических сверхскоплений. От Солнечной системы этот странный центр притяжения удален где-то на 150 млн световых лет.
Кроме обзоров самого дальнего пограничья Метагалактики космологов очень занимает и жизнеописание мироздания начиная с первых мгновений его рождения. Сейчас подавляющее большинство ученых считают, что наш мир возник где-то 13,7 млрд лет назад (эта цифра время от времени меняется) в совершенно невообразимом вселенском катаклизме — Большом взрыве.
Это название следует признать очень неудачным, как и часто встречающиеся иллюстрации разлетающихся во все стороны частей мироздания. На самом деле то, что мы понимаем под Большим Взрывом, — это очень непростой процесс катастрофического расширения пространства-времени, не имеющего ни центра, ни привычных движущих сил. Все сказанное составляет так называемую стандартную космологическую модель горячей Вселенной, включающую широкий круг явлений и ведущую начало с главной космологической сингулярности Большого взрыва.
Согласно этому космологическому сценарию, все сущее включает в себя три вида материи: барионную, или тяжелую, которая содержит все известные элементарные частицы и тела из них; темное вещество, представляющее собой нечто, окутывающее своими гравитационными узами галактики и их скопления; темную энергию, ускоренно расталкивающую антигравитацией окружающее пространство. Последние два компонента пока еще имеют неизвестную природу, и ученые подозревают, что их действие, охватывающее около 95 % Метагалактики, связано с некими темными частицами и энергией вакуума.
В эволюции Вселенной пока еще неясным нам образом возникли сверхскопления галактик, раскинувшиеся на сотни миллионов световых лет (средний размер — 300 миллионолетий). Они образуют некое подобие сот с перегородками толщиной около 30-60 млн световых лет. В глубине сот находятся скопления галактик размерами около 30 млн световых лет, а еще дальше вглубь — и отдельные галактики. Исходным пунктом поиска «темных сторон» Вселенной стало «взвешивание» различных галактик, которое астрофизики проводили двумя путями.
Вначале они пытались оценить суммарную массу составляющих каждую галактику компонентов, таких как звезды, газопылевые облака, гравитационные коллапсары и остатки потухших светил в виде невидимых темных карликов. Затем начали тщательно измерять силы притяжения галактик, исследуя скорости движения периферийных звездных ассоциаций и пылегазовых молекулярных облаков. И вот здесь, к полному недоумению исследователей, выяснилось, что на видимые небесные тела с десятикратным перевесом влияет некая таинственная гравитация! Это было тем удивительнее, что ранее никаких видимых проявлений загадочной тяготеющей субстанции на периферии галактик не обнаруживалось!
Темная материя в галактическом кластере
Вообще-то, астрономы давно догадывались, что с балансом видимого и невидимого веществ в Метагалактике не все в порядке. Ведь еще с 1930-х годов высказывались догадки, что во Вселенной существует и некая темная материя. Прошли многие десятилетия — и новые автоматические орбитальные обсерватории провели серию наблюдений обширной группы галактик. При этом были обнаружены своеобразные короны, хорошо видимые в рентгеновском диапазоне, которые окружали эллиптические галактики. Общая масса этих уникальных галактических образований оказалась сравнима с массой всей нашей Галактики — свыше 100 млрд солнечных масс.
Вскоре появились сообщения, что и вокруг спиральных галактик располагаются сверхмассивные оболочки из неизвестной материи. В масштабе групп и скоплений галактик общая масса «влияния» где-то на порядок больше массы видимых объектов. Загадка скрытой массы продолжает будоражить умы астрономов, выдвигающих разные гипотезы о том, какие же из известных частиц могли бы на порядок превзойти своим притяжением воздействие всех вещественных объектов. Не так давно была открыта масса неуловимых частиц — нейтрино и антинейтрино.
Хотя их массы относительно других элементарных частиц крайне незначительны, их концентрация на просторах Вселенной на десятки порядков превосходит концентрацию нейтронов и протонов. Из-за этого суммарный вклад нейтрино в вещественную тяготеющую массу значительно превышает суммарный вклад всех остальных частиц. Но и после этого около 70 % тяготеющей массы Вселенной имеет неизвестную природу невещественного характера. Эта невещественная субстанция, как ни странно, преобладающая в Метагалактике, получила название темной энергии.
Астрономы выявили удивительный факт: оказалось, что источники рентгеновского излучения галактических корон не могут удержаться возле галактик, ведь суммарной массы всех их звезд явно недостаточно. Это показывает, что на периферии эллиптических галактик есть невидимое вещество, масса которого значительно выше массы самой галактики.
Крупная структура Метагалактики
Темная энергия была выявлена в конце прошлого века: астрофизики обнаружили, что самые дальние сверхновые светят не так ярко, как это ожидалось (как если бы Метагалактика была заполнена обычной материей, подчиняющейся закону мирового тяготения). Таким образом, астрономы поняли, что во Вселенной существует еще какая-то дополнительная энергия, на метагалактических расстояниях противостоящая гравитационному притяжению материи.
Так перед учеными встала самая главная задача их исследований — выявить природу «темных сторон» жизни Метагалактики, определяющую в силу своего подавляющего процентного содержания всю окружающую нас реальность. Сегодня эта проблема обросла десятками самых различных предположений. В случае темной энергии (а это чуть ли не 70 % нашего мира) самое пристальное внимание направлено на физический вакуум как фундаментальный источник элементарной материи, определяющий в той или иной мере первичные процессы, которые привели к возникновению нашей Вселенной.
В подобных космологических сценариях вакуум выступает в роли главного инициирующего фактора последующих преобразований вещества, наделяя частицы массой и способностью к взаимодействиям.
Галактические короны из темной материи
Сверхкластеры темной материи
Конечно, пока мы еще можем только догадываться об истинной природе физического вакуума, но уже сегодня физики-теоретики предлагают модели вакуумного состояния материи, в которых присутствует несколько модификаций этого странного «ничто», различающегося разными уровнями энергетического наполнения. И между этими вакуумными модификациями «пустоты» ученые строят всевозможные фазовые переходы, в чем-то напоминающие агрегатные превращения вещества из твердого состояния в жидкое и газообразное.
При этом высказываются вполне математически обоснованные предположения, что темная энергия и является неким проявлением еще неизвестных свойств физического вакуума, заключая в себе огромную энергию этого фундаментального состояния материи. Самое же удивительное свойство физического вакуума связано с его «антигравитацией» (с самого момента рождения Вселенной), расталкивающей материю и вызывающей сегодня ускоренное расширение Вселенной! По крайней мере, никакого лучшего объяснения все ускоряющегося разлета галактик физики и космологи еще не нашли…
Сам же факт ускоренного расширения нашего мира уже получил достаточное обоснование в наблюдениях за сверхновыми звездами и при детальном измерении энергетического спектра реликтового излучения как на Земле, так и в космосе. Но на вопрос о происхождении темной энергии вразумительного ответа все еще нет. Физики-теоретики, конечно, пытаются его найти, всячески комбинируя различным образом уравнения общей теории относительности с уравнениями состояния вещества. Но, по существу, единственным бесспорным достижением является так называемая инфляционная модель, утверждающая, что при рождении мироздания произошел неимоверно быстрый инфляционный
Это интересно
Теоретики смело предсказывают, что когда-нибудь новые вселенные можно будет создавать в лаборатории вместе с черными дырами. В теории возможно создание микроскопической десятикилограммовой черной дыры при столкновениях частиц с энергиями на 11 порядков выше, чем в проектируемых ускорителях. Внутренность такого микроколлапсара будет тут же расширяться в иное пространство, образуя новую вселенную. Этот новый мир сразу потеряет связь с нами при испарении коллапсара, но сохранит физическую структуру нашей Вселенной.
Затем там появятся разумные изобретатели и когда-нибудь включат сверхмощный ускоритель частиц… скачок пространства по причине доминирования огромной положительной энергии вакуума. И лишь после того как возникла эта неохватная вселенская сцена, на ней начался космический спектакль с превращением излучения в вещество, вещества в звезды, а скоплений звезд в галактики, которые стремительно разлетаются друг от друга, постоянно наращивая скорость.
Исследования темной энергии (в том числе о возможной эволюции с момента Большого взрыва до современности) породили множество гипотез о ее природе. В ходе подобных работ были выявлены признаки того, что состояние темной энергии существенно менялось со временем, своеобразно эволюционируя. Здесь, правда, все еще крайне не хватает информации о самых ранних эпохах эволюции нашего мира. Большую роль при этом отводят исследованию сверхновых звезд, яркость которых позволяет довольно точно определять дистанцию их удаленности, а значит, и вычислить момент их вспышки. По этим данным можно построить соотношение размеров Метагалактики при загорании сверхновой и в настоящий момент. Так постепенно набирается статистика о характере эволюции нашего мира.
Продвигаясь вглубь Вселенной, астрономы вплотную приблизились к тринадцатимиллиардному рубежу наблюдения сверхдалеких объектов, в роли которых выступают первые галактики. Астрофизики и космологи надеются, что «сверхглубокие поля обзора» помогут им выявить новые закономерности проявления самых загадочных компонентов нашей Вселенной — темных материи и энергии, что очень важно для ответов на два главных вопроса о нашем мироздании: как родился наш мир и какое его ожидает будущее?
Перспективные исследования крупномасштабных структур Метагалактики в виде галактических скоплений включают построение их компьютерных моделей. Реализация подобной масштабной программы считается приоритетной задачей космологии на ближайший период. Дальнейший поиск в этом направлении может помочь предсказать судьбу нашей Вселенной, включая дату всеобщего конца мироздания через многие сотни миллиардов лет.
