Нереальная реальность. Книга первая. Прошлое

Какой вариант развития событий применим к наблюдаемому миру: вечное расширение или обратное сжатие материи к состоянию до Большого Взрыва?

Для ответа на этот вопрос необходимо рассчитать кривизну пространства Вселенной. Вселенная высокой плотности будет иметь положительную кривизну, а низкой – отрицательную. Тогда выяснится, какая судьба нас ждёт.

Впрочем, мы забыли о третьем сценарии. Существует крайне маловероятная, фактически нереальная возможность того, что кривизна пространства Вселенной является критической, то есть ни положительной и не отрицательной, а равной или практически равной нулю. В таком случае Космос будет расширяться вечно, но с постоянно уменьшающейся скоростью. В геометрическом смысле такая Вселенная должна выглядеть плоской.

Конечно, это самый маловероятный вариант. Ведь «ноль» – это единственное и выделенное число в бесконечном ряду положительных и отрицательных значений. Поэтому неудивительно, что астрофизики были поражены, когда неоднократно перепроверенные подсчёты показали – наша Вселенная практически плоская с нулевой кривизной пространства.

Не успели специалисты до конца осознать столь необычный факт, как выяснилось, что полученный результат автоматически приводит к ещё более странным последствиям. Из-за того, что пространственная геометрия нашего мира плоская, напрямую следует, что плотность Вселенной очень близка к определённому значению. Так вот, нулевая кривизна пространства означает, что плотность энергии в Космосе должна находится в интервале, очень близком к единице. Однако, согласно базовым уравнениям Эйнштейна, сегодня это значение должно быть приближено к нулю. Но мы наблюдаем совершенно иное. Как это понимать?

Поразительно, но единственное правдоподобное научное объяснение состоит в достаточно фантастическом допущении. Чтобы требуемые цифры сходились сейчас, в самом начале времён значение плотности Вселенной должно было быть «задано» с точностью до единицы с шестьюдесятью нолями после запятой. Именно так и никак иначе. В том то и суть, что изначально необходимо было именно такое, а никакое иное точное число. То есть, допустим, если бы его значение в момент Большого Взрыва было 1.0001, или 1.00000000000001, или 1.000000000000000000000000001, то сегодня плотность энергии Космоса резко отличалась от наблюдаемой.

Совершенно непонятно почему в ранней Вселенной было такое уникально точное значение плотности, с шестьюдесятью нулями после запятой, критично необходимое для того, чтобы сегодня оно приближалось к единице. Это выглядит противоестественным и подозрительно напоминает искусственную «подгонку» оптимальной цифры.

Почему из трёх допустимых вариантов кривизны пространства, в нашем случае сработал самый маловероятный?

Почему Большой Взрыв начался практически без отклонения от плоской геометрии пространства?

Большинство специалистов считают, что к началу XXI века ответ удалось найти. Плоскостность Вселенной достаточно корректно объясняется теорией инфляции. А если всё же гипотеза неверна? Некоторые свои сомнения на сей счёт я уже высказывал в 5 главе. Здесь надо чётко понимать, что всего один-единственный необъяснимый факт может напрочь разрушить самую правдоподобную теорию.

Впрочем, вернёмся к открытию Хаббла. С 20-х годов прошлого века учёные значительно продвинулись вперёд в своих исследованиях эволюции Вселенной. В настоящее время мы хорошо понимаем, каким образом возник наш мир. Для того, чтобы представить себе эволюцию Космоса, совершим путешествие в прошлое.

13 миллиардов 798 миллионов лет назад произошёл Большой Взрыв. Появились пространство и время как свойства нашей Вселенной. Заработали понимаемые нами законы физики. Изначально все четыре фундаментальных взаимодействия были объединены в единую «сверхсилу».

Прошло 0.0000000000000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва. Разрушилась полная симметрия мира. Гравитация отделилась от остальных трёх фундаментальных взаимодействий.

Прошло 0.00000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва. Началась эпоха инфляции. Пространство невообразимо быстро расширилось. Вселенная увеличила свой радиус на несколько порядков.

Прошло 0.00000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва. Произошёл повторный разогрев Космоса. Температура составляла 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000°С. С этого момента Вселенная начала охлаждаться и расширяться стандартным способом. Великое объединение трёх фундаментальных взаимодействий разрушилось – сильное взаимодействие отделилось от двух других сил. Вселенная в основном была заполнена излучением.

Прошло 0.000000000001 секунды после Большого Взрыва. Температура Вселенной остаётся очень высокой. Образуются бозоны.

Прошло 0.000001 секунды после Большого Взрыва. Электромагнитное и слабое взаимодействие разделились. Существующие фундаментальные силы сформировались в их современном состоянии. Вселенная заполнена кварк-глюонной плазмой.

Прошла 1 секунда после Большого Взрыва. Вселенная достаточно охладилась для того, чтобы кварки стали группироваться в элементарные частицы. Плотность материи снизилась до уровня, чтобы нейтрино начали свободно перемещаться в пространстве. Начался процесс нуклеосинтеза, то есть формирование простейших ядер из протонов и нейтронов.

Прошло 3 минуты после Большого Взрыва. Вселенная остыла и уже не представляла собой сплошной огненный шар. Водород частично преобразовался в гелий, создав сегодняшнюю пропорцию этих веществ в космосе: 75% водорода и 25% гелия. Появился третий химический элемент – литий. Свет рассеивался свободными электронами, поэтому Вселенная оставалась непрозрачной. Но это условное представление. Гипотетический наблюдатель видел бы вокруг себя однородное излучение, как будто всё небо сплошь заполнено Солнцем. Но его цвет периодически менялся, приобретая причудливые оттенки от бардового до чёрного.

Прошло 20 минут после Большого Взрыва. Вещество начинает наполнять Вселенную. Помимо водорода и гелия образуются следы первичных тяжёлых металлов, вплоть до бора.

Прошло 70 тысяч лет после Большого Взрыва. Материя начинает доминировать над излучением. Вселенная существенно охладилась и перешла в газообразное состояние. Именно эту крайнюю для нас эпоху мы различаем в виде реликтового излучения.

Прошло 380 тысяч лет после Большого Взрыва. Температура упала до 3 000 градусов Кельвина. Интенсивно формируются атомы. Вселенная стала прозрачной.

Прошло 150 миллионов лет после Большого Взрыва. Во Вселенной доминирует реликтовое излучение, водород и гелий. Однако, сложных структур и источников света пока что нет. Космос выглядит тёмным.

Прошёл миллиард лет после Большого Взрыва. Вещество сгруппировалось в протогалактики. Появляются первые плотные и яркие объекты – квазары. Образуются звёзды, происходит постоянный синтез элементов тяжелее гелия – углерода, кислорода и азота. Температура Вселенной составляет 18 градусов Кельвина. Начали взрываться сверхновые, обогащая окружающее пространство элементами с атомным весом выше железа. С этого момента Вселенная приобретает современный вид. Она продолжает расширяться и охлаждаться.

Прошло 13.7 миллиарда лет после Большого Взрыва – наша эпоха. Вселенная включает в себя весь окружающий мир, со всем разнообразием форм материи и энергии. Та её часть, которую можно изучать, называется наблюдаемой Вселенной. В настоящий момент космическое пространство окончательно охладилось, и его температура составляет 2.7 градуса Кельвина, то есть всего на три градуса выше абсолютного нуля. Учёные убеждены, что во всей Вселенной работают одинаковые фундаментальные физические законы.

С момента Большого Взрыва в космосе сформировалась своя иерархия. Отдельные звёзды сгруппированы в галактики, галактики в скопления, а те – в сверхскопления галактик.

Наблюдаемая Вселенная содержит около 100 млрд. галактик. Общее число звёзд в космосе – 1 000 000 000 000 000 000 000. Число огромное, хотя, смотря с чем сравнивать. Примерно такое же количество молекул содержится в глотке воды.

В целом Вселенная очень пустая. В среднем в четырёх кубических метрах пространства содержится всего один атом водорода.

Соседние галактики разделяет около 3 млн. световых лет. На первый взгляд, кажется, что максимально удалённый от нас объект находится примерно на расстоянии в 14 млрд. световых лет. Эта дистанция, которую свет был способен преодолеть с момента Большого Взрыва. На самом деле, такие расчёты неверны.

Дело в том, что Вселенная расширяется. Следовательно, многие объекты располагаются значительно дальше обозначенного выше предела. С момента эпохи свободного испускания фотонов реликтового излучения Вселенная расширилась в 1 292 раза. Расстояние от Земли до «края» наблюдаемой Вселенной сегодня составляет 46.5 млрд. световых лет во всех направлениях. Соответственно, если представить наш мир в виде огромной сферы, то её современный диаметр составляет около 93 млрд. световых лет. Поэтому, иногда встречающееся даже в научной литературе, утверждение, что расстояние до самой далёкой галактики чуть больше 13 млрд. световых лет – ошибочно.

Самым значимым фактом, описывающим природу Мироздания, является именно тот, что Вселенная расширяется. Он означает, что пространство не является жёсткой, неподвижной сущностью. Оно эластично и как бы растягивает космические объекты друг от друга. Расширение Вселенной не является разлётом галактик в пустом пространстве. Это динамическое изменение самой структуры пространства. В рассматриваемом случае отсутствует движение «чего-то в чём-то».

Кстати, сей факт также подразумавает, что удалённые галактики могут двигаться от нас быстрее скорости света. Но сказанное не противоречит специальной теории относительности Эйнштейна. В нашем случае двигаются не галактики. Расширяется само пространство, подобно резине. И скорость этого расширения может быть сверхсветовой.

Свет от какой-либо очень далёкой галактики может вообще никогда не долететь до Земли. Это происходит, когда расширение пространства увеличивает расстояние, которое свету ещё предстоит пролететь до нас, быстрее, чем сама скорость света. Именно тогда, несмотря на то, что галактика реально существует во Вселенной, у нас нет никакой возможности когда-либо её увидеть.

Нам повезло, что на небольших, человеческих масштабах ядерные, электромагнитные и гравитационные силы легко побеждают глобальную силу пространственного расширения. Поэтому разбегаются только удалённые друг от друга галактики, а не отдельные звёзды, планеты и атомы в вашем теле.

Через 100 млрд. лет галактики разбегутся настолько далеко друг от друга, что астрономы будущего изрядно поломают себе голову над вопросом о том, почему космос столь компактен и пустынен. Ведь на их небе можно будет наблюдать всего одну огромную галактику в абсолютно тёмном пространстве.

Мы с вами живём в особую эпоху эволюции Вселенной, в период её наибольшего расцвета и красоты.

Может сложиться обманчивое впечатление, что поскольку все галактики однонаправленно разлетаются от нас, то мы находимся в «центре мира». Это не так. Если бы мы занимали особое положение в космосе, то физические условия в удалённых областях пространства отличались бы от окружающих нас. Но космос очень однороден и выглядит одинаково во всех направлениях. В нём каждая галактика может считаться «центром». Справедливости ради стоит сказать, что если бы мы действительно жили в некоем избранном космическом регионе, то никак не смогли бы распознать этот факт.

Глава 10. Галактики

Логично предположить, что первые звёзды, зародившиеся в космосе, под воздействием сил гравитации стали объединяться в скопления – галактики. Удивительно, но это совершенно не так. Современные астрономические данные показывают, что первые протогалактики сформировались не позднее 400 тыс. лет после Большого Взрыва, то есть раньше, чем появились первые звёзды. Прообразы звёздных скоплений возникли в самом начале существования Вселенной. Как ни парадоксально это звучит, галактики старше самих звёзд, их образующих.

Наилучшим образом процесс формирования галактик объясняет теория инфляции. Их появление было предопределено ещё изначальными квантовыми возмущениями в процессе инфляционного расширения. Можно сказать, что именно тогда обозначился базовый каркас крупномасштабной структуры космоса.

Много позже в тех областях Вселенной, где плотность вещества была немного выше средней, гравитация начала стягивать избытки материи в локальные регионы. Изменение плотности в ограниченной области зарождающегося пространства неизбежно приводило к образованию микроскопических комочков материи. Внутри этих сгустков по мере их охлаждения начал конденсироваться газ. Вокруг этих мизерных неоднородностей происходил процесс гравитационного сжатия и образования газовых туманностей. Потом возникли звёзды, а туманности стали галактиками.

Когда под воздействием сил гравитации вещество концентрировалось в ограниченных областях, оно изначально немного вращалось, поскольку обладало небольшой величиной кинетического момента. Поэтому, самым естественным образом сформировались вращающиеся дискообразные структуры. Сегодня это огромные звёздные семейства.

Типичная галактика в миллиард раз массивнее и в миллиард раз ярче Солнца.

Исходя из этого объяснения, следует вывод о том, что все звёздные скопления должны быть примерно похожи друг на друга. Но это совсем не так. До сих пор остаётся загадкой, почему многообразие галактических структур настолько велико.

Все галактики можно условно разделить по геометрической форме на три вида: спиральные, эллиптические и «неправильные». В наблюдаемой Вселенной 77% составляют спиральные галактики, 20% – эллиптические и всего 3% – «неправильные».

По времени образования эллиптические галактики относятся к ранним, а спиральные и «неправильные» к поздним. Однако, самыми первыми галактиками во Вселенной были именно спиральные и «неправильные». Потом в процессе своей эволюции они постепенно слились в эллиптические.

Наблюдаемые сегодня молодые спиральные и «неправильные» галактики образовались позже старых эллиптических. В спиральных и «неправильных» галактиках много молодых звёзд, а также областей, где они только формируются. В эллиптических галактиках преобладают старые звёзды.

Спиральные галактики представляют собой форму диска с круговым и плоским распределением звёзд. Они достаточно тонкие, в космическом масштабе, конечно. Удивительно, что именно галактик этого вида большинство в наблюдаемой Вселенной. Это странно, потому что их диски очень хрупкие по своей структуре. При слиянии галактик они легко разрушаются. Но почему-то, именно спиральные галактики, к которым, кстати, относится и наш Млечный Путь, удивительно «живучи».

Как правило, самые массивные галактики формируются в форме эллипса. Отсюда их название. Эллиптические галактики не имеют диска, поэтому они не вращаются. Звёзды внутри них перемещаются по случайным орбитам. Большинство эллиптических галактик находится в плотных областях Вселенной, образуя сверхскопления. Эллиптические галактики представляют собой наиболее эволюционно развитые макрокосмические объекты. Многие из них сформировались за счёт поглощения меньших по размеру галактик. При слиянии двух дисковых галактик упорядоченное движение звёзд по орбитам меняется на хаотическое. Именно это свойство присуще эллиптическим галактикам.

Все галактики под воздействием силы гравитации стремятся к слиянию. Например, в настоящий момент Млечный Путь поглощает небольшую эллиптическую галактику в созвездии Стрельца. При слиянии галактик их гигантские молекулярные облака сталкиваются и конденсируются в новые звёзды.

Несмотря на то, что Млечный Путь в настоящий момент мало взаимодействует с другими галактиками, ежегодно в нём образуется около десяти новых звёзд.

Сколько галактик видно невооружённым глазом с Земли? Ответ обескураживает.

Только четыре из сотни миллиардов.

Причём в Северном полушарии, помимо Млечного Пути, можно увидеть лишь Туманность Андромеды. В Южном полушарии человеческому глазу доступны Большое и Малое Магеллановы Облака.

Глава 11. Млечный Путь

Наш дом – Солнечная система – находится в большом звёздном городе под названием Млечный Путь.

Это спиральная галактика, представляющая собой огромный диск. Её диаметр составляет 100 тыс. световых лет. Толщина Млечного Пути около тысячи световых лет. Наша Галактика может содержать до 400 млрд. звёзд. Но придётся вновь разочаровать романтиков – для наблюдений доступна лишь микроскопическая часть. Невооруженным взглядом с Земли можно увидеть только 6 тыс. звёзд, а из них – всего две тысячи одновременно. Это составляет ничтожные 0.0001% от всех звёзд Млечного Пути.

Проблема в том, что Солнечная система расположена в галактической плоскости, то есть в самом неудачном месте для астрономических наблюдений. Именно здесь сконцентрировано вещество, из которого образуются звёзды – газ и пыль. Газ прозрачен, а вот пылевые облака закрывают от нас центр Галактики. Как ни странно, дальний космос более открыт для исследователей, чем ближний. Поэтому мы не можем в полной мере насладиться грандиозностью и красотой нашего звёздного дома. Если бы не было этой межзвёздной пыли, то каждую ночь с Земли мы наблюдали огромный огненный шар в созвездии Стрельца. Центр Млечного Пути затмил бы Луну и был бы самым ярким объектом ночного неба.

Центральная часть галактического диска утолщена и образует шарообразное ядро. Плотность вещества там во много раз больше, чем вблизи Солнца. По мере удаления от ядра концентрация звёзд уменьшается. В нашем регионе в шестнадцати кубических парсек располагается всего одна звезда. Тогда как в центре Млечного Пути в одном кубическом парсеке содержится 10 тыс. звёзд. То есть, мы живём на пустынной окраине огромного мегаполиса.

От центра Галактики отходят четыре спиральных рукава. Солнечная система находится вблизи рукава Ориона, но не в нём самом.

Звёзды в галактическом диске вращаются по круговым орбитам, то есть можно сказать, что Млечный Путь вращается вокруг своей оси. Солнечная система совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет.

Расстояние от Солнца до центра Млечного Пути составляет 25 000 световых лет, то есть Солнечная система находится примерно на одном расстоянии от центра Галактики и от её края.

Солнце – одиночная звезда. Таких в Галактике не более 30%. Остальные системы кратные, то есть состоящие из двух и более звёзд-партнёров. Большинство из них двойные, но встречаются даже шестикратные звёздные системы.

Возраст большинства звёзд Галактики составляет от 7 до 10 млрд. лет. Наше Солнце – молодая звезда. А самая старая в Млечном Пути образовалась 13.2 млрд. лет назад. То есть, она моложе Большого Взрыва всего на 500 млн. лет.

Млечный Путь с большой скоростью сближается с галактикой Туманность Андромеды. Примерно через 2 млрд. лет две галактики столкнутся. Однако, никакой катастрофы не произойдёт. Пройдя сквозь друг друга, они на время разойдутся, и, вызвав мощнейшее гравитационное взаимодействие, выделят огромное количество вещества в межзвёздное пространство. А затем окончательно сольются, образовав гигантскую эллиптическую галактику.

Глава 12. Крупномасштабная структура космоса

Млечный Путь относится к гравитационно связанному галактическому скоплению, называемому Местной группой. В её состав входит около 50 галактик.

Самая крупная в Местной группе – галактика М31, известная как Туманность Андромеды. Это наша ближайшая соседка. Расстояние до неё – 2.52 млн. световых лет. Млечный Путь и Туманность Андромеды – две гигантские спиральные галактики. М31 больше нашей примерно на треть.

В состав Местной группы входят также галактики среднего размера. Самые известные – М33 галактика Треугольника, а также Большое и Малое Магеллановы Облака.

Кроме того, к Местной группе относятся отдельные карликовые галактики. У нашего Млечного Пути есть 14 маленьких спутников. У Туманности Андромеды 18 карликовых соседей. Есть несколько небольших отдельных галактик, которые прямо не связаны с Млечным Путём, Туманностью Андромеды и Треугольником.

Общий поперечник Местной группы составляет около трёх миллионов световых лет.

По движению Земли сквозь фоновое излучение астрономы установили, что Местная группа движется в сторону созвездия Гидры со скоростью 635 км/с. Следовательно, наша Земля всего за один день пролетает в просторах безбрежного космоса расстояние в 51 840 000 километров, а за год – 18 900 000 000 километров. И мы этого даже не замечаем.

Местная группа является частью более масштабного образования – галактического сверхскопления Девы, насчитывающего 30 тыс. галактик. Его размер составляет 110 млн. световых лет. Общий вес входящих в сверхскопление Девы звёзд равен 247килограмм. Нам очень сложно, если не невозможно, представить себе какой-нибудь объект с подобным гигантским весом.

Однако, в космических масштабах это ничтожная масса. Подобных сверхскоплений в наблюдаемой Вселенной – миллионы. Они являются типичными примерами крупномасштабных космических структур. Сверхскопления не связаны между собой гравитацией, и, удаляясь друг от друга, принимают участие в общем расширении Вселенной.

В свою очередь, Сверхскопление Девы притягивается к Великому аттрактору. Это гравитационная аномалия, находящаяся от нас на расстоянии в 250 млн. световых лет. Великий аттрактор – очень древний регион Вселенной, состоящий из массивных, старых галактик. Он оказывает огромное гравитационное воздействие на окружающее пространство.

Самой крупномасштабной структурой космоса является Великая стена Слоуна. Она представляет собой группу галактик, визуально напоминающую огромную стену, и простирается на 1.37 млрд. световых лет. Расстояние от Земли до Великой стены Слоуна составляет один миллиард световых лет.

Глава 13. Звёзды

Наиболее распространёнными объектами во Вселенной являются звёзды. Более 98% массы всего космического вещества сосредоточено именно в них.

Первые звёзды образовались в протогалактиках не позднее чем через 200 млн. лет после Большого Взрыва. Под воздействием силы гравитации в разрежённых водородно-гелиевых газовых облаках конденсировались сгустки вещества. Постепенно они преобразовывались в плотные вращающиеся плазменные шары – протозвёзды.

По мере возрастания температуры из-за сильного сжатия внутри этих сферических объектов начиналась реакция термоядерного синтеза, то есть превращения водорода в гелий. Ядро протозвезды разогревалось до температуры 10 млн. градусов. В этот момент происходил нуклеосинтез водорода с образованием гелия, и звезда начинала светиться. Термоядерные реакции устанавливали внутреннее равновесие. Ядро прекращало гравитационное сжатие, и звезда становилась стабильной.

Солнце принадлежит к третьему поколению звёзд со времени Большого Взрыва.

Звёзды первого поколения были чрезвычайно массивными, состояли из водорода, гелия и следов лития и практически не содержали металлов. Они быстро исчерпали свой запас топлива и погибли в результате катастрофических взрывов, рассеивая синтезированные тяжёлые элементы в космосе. Второе поколение звёзд сформировалось из этого вещества. Оно было более богато металлами. Самые молодые звёзды, такие как наше Солнце, содержат самое большое количество тяжёлых элементов.

Когда мы смотрим на небо, все звёзды выглядят примерно одинаково. На самом деле, во Вселенной существует несколько видов звёзд.

Красные гиганты. Это самые большие звёзды в космосе. Их радиус может составлять 800 радиусов Солнца, а светимость превышать солнечную в миллион раз. Звёзды становятся красными гигантами на поздней стадии своей эволюции, когда в них полностью выгорел весь водород и началось горение гелия. Красные гиганты имеют плотное горячее ядро и огромную внешнюю оболочку, температура которой относительно невысокая.

Коричневые карлики. Самые маленькие по массе разновидности звёзд. Можно даже сказать, что это неудавшиеся звёзды. Они состоят только из водорода. У них нет внутреннего источника собственной энергии в виде термоядерного синтеза из-за низкой температуры. Это очень тусклые объекты, постоянно остывающие на протяжении всей своей жизни. По своему размеру коричневый карлик всего лишь в десять раз больше Земли. В галактике содержатся миллиарды коричневых карликов. Сейчас их роль невелика, но когда Вселенная значительно состарится, именно в коричневых карликах будет содержаться большая часть всего оставшегося вещества. Ближайшие к Земле коричневые карлики находятся всего в 12 световых годах от нас. Это компоненты кратной звезды ε Индейца.

Белые карлики. Многие звёзды в конце свой жизни превращаются в белых карликов. Такая судьба ждёт, в частности, наше Солнце. Белые карлики состоят из вырожденного вещества и не имеют собственного источника термоядерной энергии. В таком состоянии звезда уже не излучает энергию в силу отсутствия топлива. Однако, остывая, продолжает светиться ещё очень значительное время. Белый карлик, по массе равный Солнцу, имеет радиус примерно, как у Земли. Его светимость в 10 000 раз меньше солнечной. В конце эволюции нашей Галактики в ней будет содержаться триллион белых карликов.