Структура Вселенной
Одним из важнейших научных событий XX в. стало открытие расширения Вселенной.
Вселенная считалась неизменной до тех пор, пока в 1917 г. великий физик Альберт Эйнштейн (1879–1955) не обнаружил, что решения системы выведенных им уравнений общей теории относительности (ОТО — это геометрическая теория тяготения, раскрывающая фундаментальные свойства материи, пространства и времени), которое бы описывало стационарную, не изменяющуюся со временем Вселенную, не существует. В начале 1920-х гг. выдающийся российский и советский математик, физик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888–1925) доказал, что могут существовать два решения уравнений ОТО: расширяющийся мир и сжимающийся мир. В 1929 г. американский астроном и космолог Эдвин Хаббл (1889–1953) обнаружил расширение наблюдаемого мира галактик.
Факт постоянного расширения Вселенной установлен твердо, и сегодня мы видим ее не такой, какой она была в прошлом. Миллиарды лет назад галактики располагались значительно ближе друг к другу. Еще раньше отдельных галактик просто не могло существовать, а совсем близко к началу расширения даже мелкие небесные тела не вместились бы в том небольшом объеме, который тогда занимала вся наблюдаемая сейчас часть безграничной Вселенной.
Начало XXI в. было ознаменовано очень важными шагами в понимании структуры Вселенной. Сразу несколько научных групп независимыми методами и с невиданной до этого точностью определили возраст Вселенной. На сегодняшний день в рамках так называемой стандартной космологической модели он составляет 13,8 млрд лет. Удалось оценить и параметры расширения Вселенной, и ее геометрическую кривизну. Эти параметры указывают на то, что «обычного» вещества, состоящего в основном из барионов (т. е. протонов и нейтронов), во Вселенной всего около 4% по массе. В несколько раз больше (23%) вклад так называемой темной материи — небарионного вещества, состоящего, скорее всего, из довольно экзотических элементарных частиц. Но еще большую долю от полной плотности (73%) составляет так называемая темная энергия. Физическая природа темной энергии остается загадкой, и ученые только начинают исследовать ее.
Наблюдаемая структура Вселенной на больших масштабах определяется тем, что астрономические тела обладают тенденцией группироваться в системы. Звезды могут образовывать пары, входить в состав звездных скоплений или ассоциаций. Крупнейшими объединениями звезд являются галактики. Но и они редко наблюдаются как одиночные. Более 90% ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов, либо в скопления, в которых их насчитываются многие тысячи.
Области повышенной концентрации галактик и их систем чередуются в пространстве с обширными пустотами размерами в сотни миллионов световых лет, которые почти не содержат галактик. «Стенки», ограничивающие пустоты, состоят из скоплений галактик. По результатам больших спектральных обзоров были обнаружены крупнейшие скопления вещества во Вселенной — Большая Стена и, позднее, Слоановская Большая Стена. Последняя имеет колоссальные размеры (более 1 млрд световых лет), сравнимые уже со всей наблюдаемой областью Вселенной. Эти структуры, как и менее плотные «перепонки» между пустотами, напоминают скорее сгущение волокон или запутанную ветром паутину, образуемую галактиками и их скоплениями, чем привычные нам стенки между комнатами.
Протяженные волокна, состоящие из тех же скоплений галактик, являются самыми крупными структурами во Вселенной. «Волокнистый» и «ячеистый» характер отражает картину распределения вещества, которое включало как обычную, так и «темную» материю, существовавшую во Вселенной около 14 млрд лет назад, когда галактик еще не было в природе: они возникли из этого вещества в первый миллиард лет после начала расширения.
Расширение Вселенной
Наша Галактика не является центром, от которого и идет расширение: раздувается само пространство. Если на поверхности воздушного шарика нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между изображениями будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной могут сохранять свои размеры, так как составляющие их звезды и газ связаны между собой силами гравитации. На начальной стадии все вещество Вселенной имело огромную плотность.
Идею о расширении Вселенной из сверхплотного состояния ввел в 1927 г. бельгийский католический священник, астроном и математик Жорж Леметр (1894–1966), а предположение, что первоначальное вещество было очень горячим, в 1946 г. впервые теоретически обосновал Георгий Антонович Гамов (1904–1968). Впоследствии эту гипотезу подтвердило открытие так называемого реликтового излучения, сделанное в 1964 г. американскими радиоастрономами Арно Пензиасом (р. 1933) и Робертом Уилсоном (р. 1936). Распределенное по всему объему Вселенной, оно осталось как рудимент ее бурного рождения, которое часто называют Большим взрывом.
Скопления галактик
Галактики и их группы распределены в пространстве не равномерно, а образуют скопления, обычно неправильной формы. Хотя есть скопления правильной, сферической формы, которые состоят из сотен и тысяч отдельных звездных систем, сильно концентрирующихся к центру. Такие скопления называют регулярными. В них много эллиптических и линзовидных галактик и почти нет спиральных.
В центре находится одна или несколько гигантских эллиптических галактик. В иррегулярных (т. е. неправильных) скоплениях много спиральных систем. Но общее число галактик в таких скоплениях значительно меньше по сравнению с регулярными. Вообще, чем больше членов содержит скопление, тем более правильную форму оно имеет. Наивысшая плотность галактик наблюдается в центральных областях регулярных скоплений. Расстояния между звездными системами здесь сравнимы с их собственными размерами, и галактики часто сталкиваются, т. е. активно влияют друг на друга силами гравитации, а их звезды изменяют свои орбиты и как бы перемешиваются.