Історія розвитку уяви про всесвіт. Походження і розвиток всесвіту

         Дослідження останніх роки показали, що багато крупних спіральних галактик володіють – як і наша Галактика – протяжними і масивними  невидимими коронами. Це дуже важливо: адже якщо так, то, значить, і взагалі мало не вся маса Всесвіту (або, в усякому разі, основна її частина) – це загадкова, невидима, але тяжіюча "прихована маса".

         Багато хто, а може бути, і майже всі галактики  зібрані в різні колективи, які називають групами, скупченнями і надскупченнями, дивлячись по тому, скільки їх там. До групи може входити всього три або чотири галактики, а в надскупчення – до тисячі або навіть декілька десятків тисяч. Наша Галактика, туманність Андромеди і ще більше тисячі таких же об'єктів входять в так зване місцеве надскупчення. Воно не має чітко обкресленої форми.

         Приблизно так само влаштовані і інші надскупчення, які  лежать далеко від нас, але досить виразно помітні в сучасні  крупні телескопи.

         До недавнього часу астрономи вважали, що ці об'єкти – найкрупніші утворення у Всесвіті і що які-небудь ще більші системи відсутні. Але з'ясувалося, що це не так. Кілька років тому астрономи склали дивну карту Всесвіту. На ній кожна галактика представлена всього лише крапкою. На перший погляд вони розсіяні на карті хаотично. Якщо ж придивитися уважно, то можна знайти групи, скупчення і надскупчення, які виглядають тут ланцюжками крапок. Але що примітніше всього, карта дозволяє знайти, що деякі такі ланцюжки з'єднуються і перетинаються, утворюючи якийсь сітчастий або комірчастий узор, що нагадує мережива або, можливо, бджолині стільники з розмірами осередків в 100-300 мільйонів світлових літ.

         Чи покривають такі "сітки" весь Всесвіт, ще належить з'ясувати. Але декілька окремих осередків, обкреслених надскупченнями, вдалося детально вивчити. Усередині них галактик майже немає, всі вони зібрані в "стінки".

         Осередок – ця попередня, робоча назва для найкрупнішої освіти у Всесвіті. Більш крупних  систем в природі немає. Це показує карта Всесвіту. Астрономія досягла нарешті завершення однією з найграндіозніших своїх задач: вся послідовність, або, як ще говорять, ієрархія, астрономічних систем тепер цілком відома. Та все ж...

Утворення Всесвіту

     Кінцевий  або нескінченний Всесвіт, яка у неї геометрія – ці і багато інші питання пов'язані з еволюцією Вселеної, зокрема із спостережуваним розширенням. Якщо швидкість "розльоту" галактик збільшиться на 75 км/с на кожний мільйон парсек, то екстраполяція до минулого приводить до дивного результату: приблизно 10-20 млрд. років тому весь Всесвіт був зосереджений в дуже маленькій області. Багато учених вважають, що у той час густина Всесвіту була така ж, як у атомного ядра: Всесвіт був однією гігантською "ядерною краплею". З якихось причин ця "крапля" прийшла в нестійкий стан і вибухнула. Наслідки цього вибуху ми спостерігаємо зараз як системи галактик.

     При даній оцінці часу утворення Всесвіту передбачалося, що спостережувана нами зараз картина розльоту галактик відбувалася з однаковою швидкістю  і в скільки завгодно далекому минулому. А саме на такому припущенні і заснована гіпотеза первинного Всесвіту – гігантської "ядерної краплі", що прийшла в стан нестійкості.

     В даний час космологи припускають, що Всесвіт не розширявся "від  крапки до крапки", а як би пульсує між кінцевими межами густини. Це означає, що у минулому швидкість розльоту галактик була менше ніж зараз, а ще раніше система галактик стискалася, тобто Галактики наближалися один до одного з тим більшою швидкістю, ніж більша відстань їх розділяла. Сучасна космологія розташовує ряд аргументів на користь картини "пульсуючого Всесвіту". Такі аргументи носять чисто математичний характер; найголовніший з них – необхідність обліку реально існуючої неоднорідності Вселеної. Вирішити питання, яка з двох гіпотез справедлива, ми зараз не можемо. Буде потрібно величезна робота, щоб вирішити цю одну з найважливіших проблем космології.

     Сучасна космологія виникла на початку ХХ в. після створення релятивістської  теорії тяжіння. Перша релятивістська модель, заснована на новій теорії тяжіння і претендуюча на опис всього Всесвіту, була побудована А. Эйнштейном в 1917 р. Проте вона описувала статичний Всесвіт і, як показали астрофізичні нагляди, виявилося невірною.

     В 1922-1924 рр. радянським математиком А.А. Фридманом були запропоновані загальні рівняння для опису всього Всесвіту, змінного з часом. Зоряні системи не можуть знаходитися в середньому на незмінних відстанях один від одного. Вони повинні або віддалятися, або зближуватися. Такий результат – неминуче слідство наявності сил тяжіння, які очолюють в космічних масштабах. Висновок Фрідмана означав, що Всесвіт повинен або розширюватися, або стискатися. Звідси слідував перегляд загальних уявлень про Всесвіт. В 1929 р. американський астроном Э. Хаббл (1889-1953) за допомогою астрофізичних наглядів відкрив розширення Всесвіту, підтверджуюче правильність висновків Фрідмана.

     Моделі  Фрідмана служать основою всього подальшого розвитку космології. Вони описують механічну картину руху величезних мас Всесвіту і її глобальну структуру. Якщо колишні космологічні побудови покликані описувати спостережувану тепер структуру Всесвіту з незмінним в середньому рухом світів в ній, то моделі Фрідмана за своєю суттю були еволюційними, зв'язували сьогоднішній стан Всесвіту з її попередньою історією. З цієї теорії виходить, що у далекому минулому Вселена не була зовсім схожа на спостережувану нами сьогодні. Тоді не було ні окремих небесних тіл, ні їх систем, вся речовина була майже однорідною, дуже щільною, швидко розширялося. Тільки значно пізніше з такої речовини виникли галактики і їх скупчення.

     Починаючи з кінцем 40-х років нашого століття, вся більша увага в космології привертає фізика процесів на різних етапах космологічного розширення. У  висунутій в цей час Г.А. Гамовим теорії гарячого Всесвіту розглядалися ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту в дуже щільній речовині. При цьому передбачалося, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Теорія передбачала, що речовина, з якої формувалися перші зірки і галактики, повинна складатися в основному з водню (75%) і гелію (25%), домішка інших хімічних елементів незначна. Інший висновок теорії – в сьогоднішньому Всесвіті повинне існувати слабке електромагнітне випромінювання, що залишилося від епохи великої густини і температури речовини. Таке випромінювання в ході розширення Всесвіту було названо реліктовим випромінюванням.

     Тоді  ж з'явилися принципово нові наглядові  можливості в космології: виникла  радіоастрономія, розширилися можливості оптичної астрономії. Зараз Всесвіт аж до відстаней в декілька парсек досліджується різними методами.

     На  сучасному етапі в розвитку космології інтенсивно досліджується проблема початку космологічного розширення, коли густина матерії і енергії  частинок була величезною. Керівними ідеями є нові відкриття у фізиці взаємодії елементарних частинок при дуже великих енергіях. При цьому розглядається глобальна еволюція Всесвіту. Сьогодні еволюція Всесвіту всесторонньо обгрунтовується численними астрофізичними наглядами, які спираються на теоретичний базис всієї фізики.

         Всесвіт 

         Більше всього на світі – сам Всесвіт, що охоплює  і включає всі планети, зірки, галактики, скупчення, надскупчення і  осередки. Дальність дії сучасних телескопів досягає декількох мільярдів світлових років.

         Планети, зірки, галактики  вражають нас дивною різноманітністю  своїх властивостей, складністю будови. А як влаштований весь Всесвіт  в цілому?

         Його головна властивість  – однорідність. Про це можна  сказати і точніше. Уявимо собі, що ми в думках виділили у Всесвіті дуже великий кубічний об'єм, з ребром в 500 мільйонів світлових літ. Підрахуємо, скільки в ньому галактик. Зробимо такі ж підрахунки для інших, але таких же гігантських об'ємів, розташованих в різних частинах Всесвіту. Якщо все це виконати і порівняти результати, то виявиться, що в кожному з них, де б їх ні брати, міститься однакове число галактик. Те ж саме буде і при підрахунку скупчень або навіть осередків.

         Всесвіт предстає перед  нами усюди однаковий – "суцільний" і однорідний. Простішого устрою і не придумати. Потрібно сказати, що про це люди вже давно підозрювали. Указуючи з міркувань максимальної простоти пристрою на загальну однорідність світу, чудовий мислитель Паскаль (1623-1662 рр.) говорив, що мир – це круг, центр якого скрізь, а коло ніде. Так за допомогою наочного геометричного образу він затверджував однорідність світу.

         В однорідному світі  всі "місця" рівноправні і будь-яке  з них може претендувати на те, що воно – центр світу. А якщо так, то, значить, ніякого центру світу зовсім не існує.

         У Всесвіту є і  ще одна найважливіша властивість, але  про нього ніколи навіть і не здогадувалися. Всесвіт знаходитися в русі –  він розширяється. Відстань між скупченнями  і надскупченнями постійно зростає. Вони як би розбігаються один від одного. А мережа комірчастої структури розтягується.

         У всі часи люди вважали  за краще рахувати Всесвіт вічної і незмінної. Ця точка зору панувала аж до 20-х років нашого століття. У той час вважалося, що вона обмежена розмірами нашої Галактики. Шляхи  можуть народжуватися і вмирати, Галактика все одно залишається все тієї ж, як незмінним залишається ліс, в якому покоління за поколінням зміняються дерева.

         Справжній переворот  в науці про Всесвіт призвели в 1922 – 1924 роках роботи ленінградського  математика і фізика А. Фрідмана. Спираючись на тільки що створену тоді А. Ейнштейном загальну теорію відносності, він математично довів, що мир – це не щось застигле і незмінне. Як єдине ціле він живе своїм динамічним життям, змінюється в часі, розширяючись або стискаючись по строго певних законах.

         Фрідман відкрив  рухливість зоряного Всесвіту. Це був  теоретичний прогноз, а вибір  між розширенням і стисненням потрібно зробити на підставі астрономічних  спостережень. Такі спостереження в 1928 – 1929 роках вдалося виконати Хабблу, відомому вже нам досліднику галактик.

         Він знайшов, що далекі галактики і цілі їх колективи  рухаються, віддаляючись від нас  у всі сторони. Але так і  повинне виглядати, відповідно до прогнозів  Фрідмана, загальне розширення Всесвіту.

         Звичайно, це не означає, що галактики розбігаються саме від нас. Інакше ми повернулися б до старих переконань, до докоперникової картини світу із Землею в центрі. Насправді загальне розширення Всесвіту відбувається так, що всі вони віддаляються один від одного, і з будь-якого місця картина цього розгону виглядає так, як ми бачимо її з нашої планети.

         Якщо Всесвіт розширяється, то, значить, у далекому минулому скупчення  ближче один до одного. Більш того: з  теорії Фрідмана слідує, що п'ятнадцять - двадцять мільярдів років тому ні зірок, ні галактик ще не було і вся речовина була перемішана і стисло до колосальної густини. Ця речовина була тоді і немислимо гарячимо. З такого особливого стану і почалося загальне розширення, яке привело з часом до утворення Всесвіту, якого ми бачимо і знаємо її зараз.

         Загальні уявлення про будову Всесвіту складалися протягом всієї історії астрономії. Проте  тільки в нашому столітті змогла з'явитися  сучасна наука про будову і  еволюцію Вселеної – космологія.

Будова  Галактики. Види Галактик

     Навколишні Сонце зірки і саме Сонце складають малу частину гігантського скупчення зірок і туманностей, яку називають Галактикою. Галактика має досить складну структуру. Істотна частина зірок в Галактиці знаходиться в гігантському диску діаметром приблизно 100 тис. і завтовшки близько 1500 світлових років. В цьому диску налічується більше сотні мільярдів зірок самих різних видів. Наше Сонце – одна з таких зірок, що знаходяться на периферії Галактики поблизу її екваторіальної площини.

     Зірки і туманності в межах Галактики рухаються досить складним чином: вони беруть участь в обертанні Галактики навкруги осі, перпендикулярної її екваторіальної площини. Різні ділянки Галактики мають різні періоди обертання.

     Зірки видалені один від одного на величезні  відстані і практично ізольовані один від одного. Вони практично не стикаються, хоча рух кожної з них визначається полем сили тяжіння, створюваним всіма зірками Галактики.

     Астрономи останні декілька десятиріч вивчають інші зоряні системи, схожі з нашою. Це дуже важливі дослідження в астрономії. За цей час позагалактична астрономія добилася вражаючих успіхів.

     Число зірок в Галактиці близько трильйона. Найчисленніші з них – карлики з масами, приблизно в 10 разів меншими маси Сонця. До складу Галактики входять подвійні і кратні зірки, а також групи зірок, зв'язаних силами тяжіння і що рухаються в просторі як єдине ціле, - зоряні скупчення. Існують розсіяні зоряні скупчення, наприклад Плеяди в сузір'ї Тельця. Такі скупчення не мають правильної форми; в даний час їх відома більше тисячі.