Чёрные дыры — это загадочные участки космоса, где огромное количество массы сжато до невероятно малых размеров. Это создаёт гравитацию такой силы, что даже свет не может вырваться наружу. Они появляются, когда массивные звёзды рушатся под собственной тяжестью. Есть и другие, пока неизвестные механизмы их формирования. Чёрные дыры манят людей и учёных, открывая новые горизонты в понимании материи, пространства и времени.
После пятилетнего ожидания, когда учёные собирали и анализировали данные, человечество впервые увидело два изображения чёрной дыры. Они показали фотонное кольцо вокруг горизонта событий. Чёрные дыры ускоряют и нагревают частицы обычной материи, заставляя их светиться. Логично было бы предположить, что материя будет излучать свет равномерно во все стороны, образуя сплошной диск. Но на снимках видно кольцо, где тёмная область ограничена яркой частью. Это вызывает вопрос: почему чёрная дыра не выглядит как полностью яркий диск, хотя светящийся газ должен быть распределён симметрично?
На снимках чёрных дыр Стрелец А и М 87 видна отчётливая кольцевая структура вокруг тёмной области. Возникает вопрос: почему чёрная дыра не выглядит как яркий круглый диск, как можно было бы ожидать от сферически симметричного распределения светящегося газа? Однако фотографии создают впечатление, что чёрная дыра расположена определённым образом относительно наблюдателя. Ответы на эти вопросы могут быть весьма неожиданными. Чтобы их найти, необходимо детально изучить окружение сверхмассивных чёрных дыр. Это позволит понять истинные механизмы, определяющие наблюдаемые явления.
Вблизи чёрной дыры пространство искажается, словно движущаяся дорожка или водопад, ведущий в один конец. На горизонте событий, даже если вы мчитесь со скоростью света, вы не сможете избежать затягивающего потока времени и пространства, который неумолимо ведет к сингулярности в центре. Однако за горизонтом событий другие силы, такие как электромагнитные, часто способны преодолеть гравитацию, позволяя даже падающей материи ускользать.
Чёрная дыра — это огромное скопление массы в одном месте, настолько плотное, что оно создает свой собственный горизонт событий. Внутри этого горизонта все направления ведут к центральной сингулярности, и любой объект, пересекший его, неизбежно окажется затянутым в эту точку, увеличив общую массу чёрной дыры.
Однако за горизонтом событий пространство сильно искривлено из-за черной дыры. Эта кривизна не только притягивает гравитационно, но и создает мощные приливные силы на любых объектах, превышающих размеры одной точки. Когда черная дыра находится в среде с материей, эта материя испытывает большую гравитацию ближе к черной дыре и меньшую дальше. Со временем окружающая материя перераспределяется, образуя диск с потоками высокой плотности.
Это создает типичную картину черной дыры с аккреционным диском. На расстоянии в 2,6 раз больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горячего газа. Обычно аккреционный диск позволяет увидеть эффекты черной дыры на снимках. Область внутри стабильной орбиты неизбежно разорвет материю, это как горящая петарда, которая может разорвать пальцы авантюриста. Эту область называют тенью черной дыры.
Если мы смотрим на диск прямо, то увидим круг. Но в "Интерстелларе" мы видели горизонт событий под углом к плоскости аккреции. При таком ракурсе мы должны увидеть яркое кольцо, как вокруг Сатурна, только вокруг черной тени. Свет от задней части аккреционного диска, скрытой от нас за горизонтом событий, летит по криволинейной траектории. У него, как и у материи, есть своя стабильная орбита, ниже которой шансы достичь удаленного наблюдателя невелики. Свет огибает черную дыру и доходит до нас с той стороны, которая должна быть невидна. В результате вокруг черного круга мы видим как первичное изображение самого аккреционного диска, так и вторичное, а за ним, сверху и снизу, светящееся кольцо.
Между стабильными орбитами материи и света излучение, испускаемое газовым диском, может совершать множество оборотов вокруг горизонта событий, как спутники вокруг планет. Если бы мы могли туда попасть, то увидели бы бесчисленные вторичные изображения аккреционного диска со всех возможных ракурсов и в разное время. Это, возможно, самое невероятное зрелище во Вселенной, после отражения в зеркале 2 января.
Интенсивность излучения диска зависит от его температуры, а температура — от расстояния до чёрной дыры. Поэтому яркость диска неоднородна. Максимальная светимость исходит от внутренних областей, близких к горизонту событий, где газ самый горячий.
Изображение, воспринимаемое удалёнными наблюдателями, будет смещено по частоте и интенсивности из-за двух эффектов: гравитационного красного смещения, при котором гравитационное поле снижает частоту и яркость, и эффекта Доплера, при котором свет от приближающегося газа кажется более ярким и синим, а от удаляющегося — более тусклым и красным.
Внутренние частицы аккреционного диска движутся со скоростями, близкими к световым, что вызывает значительный эффект Доплера. В результате мы должны наблюдать явно асимметричные изображения, которые являются ключевым признаком черной дыры на снимке. Когда материя аккрецируется и накапливается вокруг центральной, сверхмассивной черной дыры в галактике, она нагревается и излучает свет. Этот свет искажается гравитацией черной дыры, создавая кольцо радиоволн, видимое с любой внешней точки. Из-за закона сохранения энергии материя, испускающая фотоны, теряет энергию и начинает закручиваться и падать на черную дыру. Чем ближе частицы подходят к горизонту событий, тем быстрее они теряют энергию. Эта потерянная энергия преобразуется в фотоны, которые затем рассеиваются во всех направлениях относительно горизонта событий.
Убрав лишние спектры из излучения, ученые получили модель в виде полумесяца, близкую к реальной фотографии. Фотоны рассеиваются во всех направлениях, но не с одинаковой интенсивностью. Это зависит от плотности материала вокруг черной дыры, направления и скорости движения диска, его толщины и однородности, а также от трения между компонентами. Важную роль играет количество и плотность сгустков, создающих аккреционные потоки, и типы вещества, поступающего в диск.
Примером служит черная дыра Стрелец A*, где зафиксировали самую мощную рентгеновскую вспышку от сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
Недавно телескоп Джеймс Уэбб открыл сверхмассивную черную дыру GN1001830. Это одна из самых массивных черных дыр, обнаруженных в ранней Вселенной. Пока мы не можем увидеть ее изображение, но она точно существует. Особенность этой черной дыры в том, что она составляет около 40% массы своей галактики-хозяина. Обычно сверхмассивные черные дыры весят примерно 0,1% массы своих галактик. Эта черная дыра находится в состоянии покоя и медленно поглощает окружающий газ. Ее масса оценивается в 40 миллионов солнечных масс. Это впечатляет, учитывая, что она возникла всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Для сравнения, масса сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, Стрелец А*, составляет около 4,3 миллиона солнечных масс. В рентгеновских лучах горизонт событий черной дыры не виден из-за низкого разрешения. Свет от нее дисковидный. Мы можем быть уверены, что свет генерируется материей за пределами горизонта событий и неизбежно попадает в центральную сингулярность.
Известно, что существует множество типов транзиентов на различных длинах волн света. Теперь перейдем к главному вопросу: что преобладает? Если бы материя вблизи черной дыры излучала свет во всех направлениях, включая и наше, мы бы видели освещенный диск без каких-либо деталей. С другой стороны, если бы только ускоренная материя вокруг черной дыры излучала свет, который затем изгибался по множеству путей, преимущественно выходящих из черной дыры параллельно краю горизонта событий, мы бы наблюдали тонкое узкое кольцо, очерчивающее внешний край черной дыры.
Именно поэтому знаменитое изображение первой черной дыры в центре галактики M87 меняется со временем. Наблюдения в разные дни имеют разные характеристики, и усреднение данных приводит к потере изменяющейся во времени информации. Например, при времени прохождения света через горизонт событий около одного дня различия между вторым и третьим изображениями больше, чем между первым, вторым или третьим и четвертым.
Важно помнить, что, хотя черные дыры выглядят как сверхмассивные сферы, они обладают множеством симметричных свойств. Они вращаются вокруг своей оси с огромной скоростью, приближающейся к световой. Материя, которая скапливается вокруг них, формирует дисковидные структуры. Гравитация этих дисков ускоряет окружающую материю и искажает свет, создавая эффект преломления. В результате мы видим свет, деформированный сильной гравитацией черной дыры.
Благодаря развитию радиоинтерферометрии мы сможем в будущем получить более детальные изображения горизонтов событий черных дыр, включая их фотонные кольца. Эти кольца состоят из радиоволн различной длины и расположены дальше от черной дыры. Если бы мы могли наблюдать в инфракрасном диапазоне, то увидели бы светящийся диск, а не кольцо. Однако на длинах волн, которые чувствителен телескоп горизонта событий, нам удалось запечатлеть кольцо с удивительной точностью. Это стало впечатляющим подтверждением теории.
А теперь вопрос: увидим ли мы это вживую? Нет, не увидим. Взгляд на область вокруг чёрной дыры, как на солнце без фильтров и коронографов. Мы не увидим ничего. Цвета на фотографиях и в симуляциях лишь показывают физические эффекты, но это нереалистичные изображения. Облака газа недостаточно прозрачны, чтобы мы могли увидеть что-то, кроме яркого света. Да и условия рядом с таким объектом вряд ли можно назвать благоприятными для человека.
В общем, хорошо, что мы можем исследовать это величественное и опасное явление лишь с помощью современных технологий.
Чтобы создать карту нашего сверхскопления, ученые провели высокоточные измерения скорости галактик. Несмотря на быстрое расширение Вселенной, гравитация оказывает на нее свое влияние и замедляет этот процесс. Исключив расширение, исследователи определили, какие галактики движутся к нам, а какие — от нас. Эта сложная работа позволила составить карту космических потоков, под воздействием которых перемещаются галактики. Используя эти данные, удалось построить карту распределения материи во Вселенной.
Наша планета, как и другие, движется в космическом пространстве сложным образом. Когда вы смотрите это видео, вам может показаться, что все вокруг статично. Но на самом деле Земля вращается вокруг своей оси и Солнца. Солнце вместе с планетами движется по эллиптической орбите вокруг центра Местной группы, который находится в направлении Андромеды. Наша Местная группа, в свою очередь, движется внутри сверхскопления Ланиакея.
Возникает вопрос: куда же мы движемся? Млечный Путь со скоростью более 2 миллионов километров в час движется в сторону Великого Аттрактора. Что же притягивает нас? Великий Аттрактор — это область в космосе, которая оказывает гравитационное воздействие на нашу галактику и соседние. Давайте разберемся, что это за объект и почему он получил такое название.
Наша галактика, как и соседние, движется к загадочному месту в космосе, которое находится примерно в 150 миллионах световых лет от нас. И вот что удивительно: мы до сих пор точно не знаем, что там скрывается. Этому таинственному месту уже придумали название — Великий Аттрактор.
Часть его загадки кроется в том, что он расположен в Зоне Избегания, области неба, где в направлении центра нашей галактики скопилось так много газа и пыли, что видимый свет не может проникнуть сквозь них. Чтобы исследовать этот труднодоступный регион, ученые использовали рентгеновское излучение, которое легко преодолевает облака газа и пыли.
Скопления галактик, являющиеся источниками рентгеновского излучения, значительно облегчают наблюдение и изучение. На данный момент Зоны Избегания хорошо изучены благодаря использованию радиоволн и инфракрасного света, которые также способны проникать сквозь облака газа и пыли.
Последние исследования показали, что в районе предполагаемого Великого Аттрактора находится меньше массивных галактических скоплений, чем предполагалось ранее. Однако гравитационная аномалия в центре Великого Аттрактора, скопление Абель 3627, оказалась достаточно мощной, чтобы разорвать спиральную галактику ESO 137-001, известную как Медуза в созвездии Южный Треугольник.
Изучая Зоны Избегания, мы обнаружили, что на месте Великого аттрактора находится гигантский суперкластер галактик под названием Скопления Наугольника. Его масса составляет около 1000 триллионов солнечных масс, что эквивалентно 1000 галактик. Несмотря на то что местные галактики притягиваются к этому скоплению, его масса не может полностью объяснить наблюдаемое движение. Исследования показали, что вклад Великого аттрактора в скорость движения местной группы составляет лишь 44%.
Остальная часть вселенной связана с глобальным течением. Огромная область локальной вселенной, включая Великий аттрактор, движется к другому объекту. В ходе исследований обнаружили еще более массивное скопление галактик — суперкластер Шепи. Он находится на расстоянии более 600 миллионов световых лет от Млечного пути, за пределами Великого аттрактора. В суперкластере Шепи более 8000 галактик, а его масса превышает 10 миллионов миллиардов Солнц. Это в 10 раз больше массы скопления Персея в области Великого аттрактора.
Суперкластер Шепи — самое массивное сверхскопление галактик из известных во Вселенной. По всей видимости, Млечный Путь вместе с местной группой галактик движется к этому гигантскому скоплению. Возникает вопрос: что ждёт Землю и человечество?
На этот счёт учёные пока не могут дать однозначного ответа. Астрономы считают, что для изучения аномалии потребуется ещё несколько лет или даже десятилетие. Некоторые специалисты не видят в этом угрозы, другие же утверждают, что все галактики и скопления сливаются в более крупные образования, и Вселенная придёт к логическому концу — Большому сжатию, которое теоретически может последовать за расширением после Большого взрыва.
Однако не стоит отчаиваться. Даже если Великий аттрактор или суперкластер Шепи не представляют опасности, перед человечеством стоят другие серьёзные проблемы. Это и изменение климата, и возможное столкновение Земли с гигантским астероидом, и извержение супервулкана, которое может привести к вулканической зиме. Нельзя исключать и сценарии вторжения инопланетян или действий безумца, который нажмёт на красную кнопку. Вариантов развития событий может быть множество.
Великий аттрактор — это гравитационная аномалия в межгалактическом пространстве. Это скопление множества галактик, скрытое от нас на огромном расстоянии. Их масса притягивает другие объекты, включая нашу галактику.
Что вы думаете о Великом аттракторе? Верите ли вы, что мы откроем что-то новое в этой области космоса? Ведь наша маленькая планета стремительно движется вперёд.
Говоря о пространстве во Вселенной, нужно различать два понятия. Первое — размер видимой части Вселенной, или современный горизонт. Название говорит само за себя. Горизонт — это воображаемая граница, за которой мы ничего не видим. Это не значит, что там ничего нет. Как и на Земле, мы не видим того, что дальше горизонта, потому что свет от этих объектов не доходит до нас.
Когда речь идет о космическом горизонте, свет фотонов просто не успевает добраться до нас. Особенность наблюдения за далекими объектами в космосе заключается в том, что свет, который мы регистрируем сегодня, начал свой путь через Вселенную очень давно. Таким образом, далекие объекты, которые мы видим, существовали и излучали свет миллионы лет назад.
Самый ранний сигнал, который мы хорошо изучили, — это микроволновое реликтовое излучение. Оно возникло в эпоху образования водорода, еще до появления галактик. В то время Вселенная была в миллиард раз плотнее, а фотоны — в тысячу раз горячее, чем сейчас. Пока эти фотоны путешествовали, Вселенная расширялась. Изучая реликтовое излучение, мы можем узнать о ее расширении, составе и внутренней структуре.
Самая далекая область, которую мы смогли увидеть и распознать, — это поверхность последнего рассеяния. Именно оттуда приходят фотоны реликтового излучения. За этой областью находится область, которую пока невозможно изучить с помощью наших приборов. Мы не можем увидеть то, что расположено за поверхностью последнего рассеяния, потому что эта область непрозрачна. А ведь именно свет позволяет нам наблюдать отдаленные объекты и делать выводы об их свойствах.
Исследователи не могут увидеть, что происходит за горизонтом событий, но они изучают влияние этой границы на объекты Вселенной. Недавно выяснилось, что галактики удаляются друг от друга с ускорением. Чем дальше галактика, тем быстрее она исчезает из нашего поля зрения. Когда скорость её удаления превысит скорость света, мы перестанем её видеть. Галактики уйдут за горизонт, как корабли в океане.
Этот факт наводит на мысль, что за пределами наблюдаемой Вселенной может быть огромное пространство, недоступное для нас из-за скорости света. Астрономы давно обсуждают форму космоса. Наша Вселенная может быть плоской, и параллельные линии будут оставаться параллельными навсегда. Она может быть закрытой, и параллельные линии в конечном счёте пересекутся. Или она может быть открытой, и параллельные линии будут расходиться.
Вселенная может быть плоской и бесконечной, а может — замкнутой и ограниченной. Современные наблюдения, особенно изучение реликтового излучения, показывают, что мы живем в плоской Вселенной. Но это справедливо только относительно. Пространство на самом деле немного искривлено. Современные данные указывают, что пространственная кривизна в 10 раз превышает размер видимой части Вселенной.
Представьте муравья на поверхности воздушного шара. Размер видимой ему части поверхности в 10 раз меньше радиуса шара. Для практических целей поверхность шара можно считать плоской. Муравей будет видеть только то, что находится перед ним.
Если в ранней Вселенной была инфляционная стадия и пространство искривлено, то кривизна будет пропорциональна самой величине пространства. За горизонтом всё выглядит так же, как и здесь: те же микроволновое излучение, звёзды и галактики, но в другом порядке.
Представьте Вселенную, где можно направить космический корабль в одном направлении и вернуться туда, откуда начали. Если бы наша Вселенная была пончиком, такой полёт был бы возможен. Тогда бы мы узнали её размер.
Пример с пончиком появился не случайно. Карты реликтового излучения, созданные телескопами WMAP и Planck, показали, что в больших масштабах наблюдается недостаточное количество отклонений небесных тел от их орбит. Эти отклонения могут быть вызваны влиянием сил, отличных от гравитационного притяжения центра масс системы. Чтобы выяснить, могут ли эти отсутствующие отклонения быть связаны с многосвязной Вселенной, учёные провели множество компьютерных симуляций. Они моделировали, как выглядело бы реликтовое излучение в случае, если бы Вселенная имела форму гигантского трёхмерного пончика, где космос соединён сам с собой во всех трёх измерениях.
Свойства наблюдаемых флуктуаций, или отклонений от среднего значения случайной величины, характеризующей систему из большого числа хаотично взаимодействующих частиц реликтового излучения, указывают на недостающую мощность в масштабах, превышающих размеры Вселенной. Это означает, что флуктуации реликтового излучения отсутствуют в таких масштабах, и наша Вселенная, вероятно, действительно многосвязна и конечна.
Если говорить проще, то в космическом микроволновом фоне обнаружены сигналы, которые должны были бы присутствовать, если бы Вселенная была бесконечной. Одно из объяснений этого факта предполагает, что топология Вселенной изогнута таким образом, что она сама с собой соединяется, как пончик или бублик межгалактических масштабов. Подобно тому, как вы можете свернуть лист бумаги в трубочку, не изменяя его параллельных свойств, Вселенная может иметь форму пончика и при этом оставаться плоской. Именно это и обнаружили исследователи, моделируя космический микроволновой фон.
Получается, что по сравнению со стандартной космологической моделью, считающейся бесконечной, мы обнаружили гораздо лучшее соответствие наблюдаемым флуктуациям. Такая Вселенная должна иметь предел, и всё её пространство может быть в четыре раза больше, чем наблюдаемая нами часть. Её диаметр составляет 47 миллиардов световых лет. Вселенная может быть замкнута в трёх измерениях и иметь форму трёхмерного пончика.
Модели конечной Вселенной могут показаться пугающими, но вы не ощутите этих границ. Иколустрофобии тоже не будет. Вы просто будете жить в безграничной Вселенной, хотя она и имеет конечный объём. Даже если вы не сможете попасть на край этой конечной Вселенной, теоретически возможно обогнуть её и вернуться туда, откуда начали. Свет может путешествовать по всей конечной Вселенной, но для этого потребуются миллиарды лет.
Интересно, как наша Вселенная выглядит со стороны, если представить её в форме пончика. Возможно, она лежит со стандартной моделью, но в новом свете.
Посмотрите на ночное небо, особенно если оно ясное, без облаков и вдали от городских огней. Поднимите голову и увидите тысячи звезд. Мы знаем, что звезды — это огромные облака горячего газа и пыли, но их вид завораживает. За миллионы световых лет до нас происходят события, о которых мы можем только догадываться.
Многие звезды на ночном небе когда-то столкнулись или еще столкнутся с другими массивными объектами. С Земли звезды кажутся неподвижными, но на самом деле они стремительно движутся в космосе и могут пересечься с другими телами. Вселенная похожа на гигантский бильярдный стол, где сталкиваются звезды, астероиды, кометы и планеты. Эти события сопровождаются мощными выбросами энергии и материи.
Но что происходит, когда сталкиваются звезды? Редки ли такие события или они случаются часто? Может ли наша планета или Солнечная система пострадать от них? Давайте разберемся.
Столкновение звезд — это процесс, при котором две звезды сближаются и под действием гравитации сливаются в один массивный объект. По расчетам астрономов, такие события чаще происходят в плотных шаровых скоплениях нашей галактики примерно раз в 10 тысяч лет. Недавно ученые смогли наблюдать подобное столкновение. Серия звездных столкновений в плотном скоплении за короткий период может даже привести к появлению черной дыры.
Любая звезда во Вселенной может столкнуться с другой. Это касается как живых звезд, в ядрах которых еще идут термоядерные реакции, так и мертвых, где эти процессы уже завершились. К таким объектам относятся белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, звезды главной последовательности, гиганты и сверхгиганты. Разные типы звезд с их уникальными массами, температурами и радиусами приводят к различным типам столкновений и слияний.
Например, белые карлики, состоящие из электронно-ядерной плазмы и лишенные источников термоядерной энергии, светятся за счет своего тепла и постепенно остывают на протяжении миллиардов лет. Это остатки маломассивных звезд. В двойных системах белые карлики могут перетягивать вещество со своих спутников. Это могут быть как красные гиганты, так и звезды главной последовательности. Масса белого карлика увеличивается, и если она превышает предел Чандрасекара — верхний предел массы для белых карликов, — звезда коллапсирует и взрывается сверхновой.
Когда два белых карлика обращаются вокруг друг друга на близких орбитах, гравитационные волны уменьшают момент импульса системы, заставляя звезды сближаться по спирали. Если суммарная масса превышает предел Чандрасекара, ни тепловое давление, ни давление вырожденного электронного газа не могут уравновесить гравитацию. Происходит гравитационный коллапс, который приводит к увеличению плотности и температуры в недрах звезды и началу ядерных реакций горения углерода. Повышение температуры ускоряет реакции, но не увеличивает давление, так как вещество в белых карликах находится в вырожденном состоянии. Этот процесс становится цепным. Быстрый нагрев внутренней части комбинированной звезды приводит к взрыву новой или сверхновой, оставляя в центре нейтронную звезду. За несколько секунд все вещество звезды разлетается в пространстве.
Иногда два белых карлика сливаются, создавая нечто необычное. Так произошло в 2017 году, когда ученые нашли рентгеновский источник, похожий на белого карлика, но слишком яркий для этого. Они предположили, что это нестабильное слияние двух белых карликов. Новое исследование с использованием рентгеновского телескопа XMM Newton подтвердило, что объект имеет массу, превышающую предел Чандрасекара. Он окружен туманностью, состоящей в основном из неона и имеющей зеленый цвет, что указывает на его происхождение из слияния белых карликов. Вероятно, объект вращается с высокой скоростью, что предотвращает его коллапс в нейтронную звезду. Однако в течение следующих 10 тысяч лет он все же станет нейтронной звездой, а в процессе этого, возможно, произойдет взрыв сверхновой. Похоже, что белый карлик может временно преодолеть предел Чандрасекара, но только в качестве нейтронной звезды.
Также стоит упомянуть о гипотетическом объекте, известном как объект Торна-Житкова. Эта странная звезда, по предположениям, образуется, когда нейтронная звезда попадает внутрь красного гиганта. Полвека назад физик Кип Торн предположил, что в космосе могут существовать такие звездные гибриды, похожие на матрешку. Астрономы назвали их объектами Торна. Возможность их существования была подтверждена компьютерным моделированием, которое показало, что нейтронная звезда, оставшаяся после взрыва сверхновой, может быть поглощена красным сверхгигантом. Если два объекта сблизятся, они могут слиться, образуя звезду с нейтронной звездой внутри.
Найти такие звезды будет непросто, так как они выглядят почти идентично обычным красным супергигантам, таким как Бетельгейзе в созвездии Ориона. Эти звезды относительно распространены и являются одними из самых молодых и крупных во Вселенной. Объекты Торна, предположительно, будут жить в 10 раз дольше, чем обычные красные супергиганты.
Столкновения в нашей Солнечной системе — редкое событие. Хотя в некоторых частях Галактики звезды сталкиваются довольно часто, вероятность того, что Солнце окажется участником такого события, крайне мала. По расчетам, вероятность столкновения Солнца с другой звездой составляет раз в 1028 лет. Для сравнения, возраст Вселенной — около 1010 лет.
Даже если Солнце не столкнется с другой звездой, Земля может пострадать, если такое событие произойдет сравнительно близко. Согласно моделированию, столкновение звезд в пределах 100 световых лет от Земли может уничтожить нашу планету и всех, кто на ней живет. Однако на таком расстоянии нет ни одного звездного скопления.
Звезды — колоссальные объекты космоса. Они рождаются, взрываются, сталкиваются и дают материал для формирования планет и развития жизни. Именно звезды дали жизнь нам с вами и продолжают влиять на Вселенную.
Все галактики, кроме нашей, находятся на огромном расстоянии. Мы не знаем, что происходит в их огромных, гравитационно связанных системах. Человеку не суждено там побывать. разве что через телепорт, но это сомнительная идея. Отправка космических аппаратов тоже не имеет смысла из-за колоссальных расстояний.
Наука не стоит на месте, и даже если мы не можем посетить далекие галактики, мы можем изучать их с Земли, используя современные технологии. Предлагаем вам отправиться в космическое путешествие и узнать, как распределяются звезды в разных галактиках.
Каждая галактика живет своим уникальным жизненным циклом. Они сталкиваются, сливаются, эволюционируют, умирают и рождаются заново. Каждая галактика состоит из звезд разного класса и возраста. Почти все, что мы знаем о звездах, планетах, лунах и туманностях, находится именно в галактиках.
До сих пор неизвестно, сколько галактик существует во Вселенной. По некоторым оценкам, их около 100 миллиардов. Но эти данные постоянно пересматриваются, и сейчас ученые сходятся на нескольких сотнях миллиардов галактик. Каждая галактика уникальна и великолепна по-своему.
Взглянув на небо, мы не увидим множество галактик без телескопа. Без специального оборудования различимы лишь четыре: Андромеда, галактика Треугольника в Северном полушарии и Большое и Малое Магеллановы облака в Южном. Хотя на фотографиях и в реальности галактики выглядят как четкие объекты, на самом деле у них нет четких границ. Неясно, где заканчивается галактика и начинается межгалактическое пространство. Это связано с тем, что оптический размер галактики может отличаться от размера, определяемого по радионаблюдениям межзвездного газа. Обычно под размером галактики понимают фотометрический размер, который определяется по фотографии. Этот размер — кривая на освещенной поверхности, соединяющая точки с одинаковой яркостью. От него зависит и масса галактики.
Чтобы лучше понять, о чем идет речь, давайте рассмотрим основные компоненты галактики. За разговорами мы оставили Млечный Путь и можем взглянуть на него со стороны. Перед нами галактическое ядро — небольшая область в центре. Чаще всего говорят об активных ядрах, где процессы не объясняются свойствами звезд. В таких ядрах происходят процессы, выделяющие огромное количество энергии. Признаками активности являются выбросы струй газа и мощное излучение. Чаще всего активность связана со сверхмассивной черной дырой, например, такой, как в центре Млечного Пути.
Галактический диск — тонкий слой, в котором находится большинство объектов галактики. Он характерен для линзовидных и спиральных галактик. В диске находятся спирали и рукава. Здесь высокая плотность межзвездного газа и много молодых звезд, живущих всего несколько десятков или сотен миллионов лет. После их смерти взрываются сверхновые, оставляя после себя туманности. У самых массивных звезд коллапсируют ядра, превращаясь в черные дыры, а у менее массивных — в нейтронные звезды. В рукавах галактики много строительного материала для образования новых звезд. В этих местах часто возникают звездные коллаборации, где после смерти одних звезд рождаются другие. Примером такой коллаборации является туманность Ориона (М-42), которую можно увидеть невооруженным глазом на ясном темном небе. В телескоп видны структура туманности и отдельные звезды. На снимках отчетливо видна туманность, подсвеченная яркими звездами трапеции Ориона — молодого рассеянного звездного скопления.
В созвездии Ориона можно найти звезду Ригель — бело-голубой гигант. Подобные звезды живут миллионы лет, а затем взрываются, оставляя строительный материал для новых звезд. В таких облаках часто образуются рассеянные звездные скопления, где отдельные звезды можно различить. Например, Плеяды и Гиады видны невооруженным глазом. Их иногда называют галактическими скоплениями, так как они расположены в пыльных спиральных рукавах.
Звезды в открытом скоплении имеют общее происхождение, то есть образовались из одного и того же молекулярного облака. Обычно в таких скоплениях насчитывается несколько сотен звезд, но иногда их количество достигает нескольких тысяч. Хотя звезды связаны гравитацией, она в этом случае довольно слабая. Скопление вращается вокруг галактики, а на финальной стадии его звезды рассеиваются из-за взаимодействия с более массивными объектами. Считается, что и наше Солнце появилось в открытом скоплении, которое уже не существует. Поэтому такие скопления всегда молоды. В Плеядах еще заметна туманность, что говорит о недавнем их формировании.
Диск галактики, как мы уже поняли, плотнее, чем окружающая его сферическая составляющая, например, корона или гало, где находятся старые звезды. Так мы подошли к следующей структуре галактики — гало. Этот невидимый сферический компонент пока остается гипотетическим и является внешней частью, заслуживающей пристального внимания. Изучая гало, можно понять, где заканчивается гравитационное влияние одной галактики и начинается другая.
Звездный состав гало в основном состоит из старых звезд — красных и коричневых карликов со своими системами и планетами. Во Вселенной еще не было красного карлика, который закончил бы свое существование со времен Большого взрыва. Красные карлики — это маленькие звезды после коричневых карликов. Они обладают достаточной массой для запуска термоядерных реакций, но из-за своих размеров не спешат излучать свет. Иногда их называют жадными, но пока не найдены более щедрые карлики. Эти звезды излучают свет в десятки тысяч раз слабее Солнца, что делает их невидимыми невооруженным глазом. Однако они являются долгожителями во Вселенной.
Мы часто слышим совет не нервничать, а тратить энергию с пользой. Красные карлики в этом смысле — отличный пример. По подсчетам, они будут существовать еще десятки триллионов лет, умирая медленной смертью, спокойно угасая и становясь почти невидимыми. Максимальная температура красных карликов — 3500 градусов по Цельсию.
Коричневый карлик — это нечто среднее между планетой и звездой. Эти космические объекты нагреваются до 2300 градусов Цельсия, но из-за отсутствия термоядерных реакций в их ядрах они обречены на постепенное остывание и угасание. Через несколько сотен миллионов лет они перестанут светиться и превратятся в холодные, одинокие странники в бескрайнем космосе. Некоторые астрономы считают коричневые карлики звездами, другие — гигантскими планетами, похожими на горячие Юпитеры.
Коричневые карлики существуют, пока излучают свет и тепло, оставшееся с момента их формирования. Однако их жизнь может продлиться бесконечно, если они не окажутся в зоне притяжения черной дыры.
В сферических гравитационных системах существуют шаровые скопления, включающие от нескольких тысяч до миллиона звезд. Это самые древние звезды во Вселенной. Они настолько стары, что большинство из них уже прошли главную последовательность. В шаровых скоплениях мало пыли и газа, так как новые звезды там не образуются. Плотность звезд во внутренних областях намного выше, чем вблизи Солнца. Звезды в шаровых скоплениях имеют общее происхождение, но гравитация удерживает их вместе, в отличие от рассеянных скоплений. В Млечном Пути насчитывается около 200 шаровых скоплений.
Еще один редкий галактический компонент — полярное кольцо. Например, галактика NGC 4650A имеет такой компонент. В классическом случае галактика с полярным кольцом состоит из двух дисков, вращающихся в перпендикулярных плоскостях. Причины возникновения полярных колец до сих пор остаются загадкой. Считается, что они образуются при гравитационном взаимодействии двух галактик.
Следующий галактический компонент — балдж. Он состоит в основном из старых звезд, движущихся по вытянутым орбитам. В балджах спиральных и линзовидных галактик можно найти красные гиганты, красные карлики, сверхновые второго типа и переменные звезды типа Лиры. Также там встречаются шаровые скопления. В линзовидных галактиках балдж крупнее по отношению к диаметру галактики, чем в спиральных.
Теперь перейдем к галактической перемычке. Она выглядит как плотное вытянутое образование из звезд и межзвездного газа и является главным поставщиком газа к центру галактики.
Зная основные компоненты галактик, мы можем перейти к их классификации. Например, эллиптические галактики составляют около 25% от всех известных галактик и отличаются высокой светимостью. Они выглядят как гигантские светящиеся шары с ярким центром и постепенным угасанием краев. Эллиптические галактики почти полностью состоят из старых звезд, поэтому имеют желтый или красноватый оттенок. Новые звезды в них практически не образуются из-за низкого содержания межзвездного газа и пыли. Примером такой галактики является М87 — сверхгигантская эллиптическая галактика в созвездии Девы.
Спиральные галактики — самый распространенный и, возможно, самый красивый тип галактик. Они составляют более половины всех известных галактик. Внешне спиральная галактика напоминает диск с ярко-желтым центром. Вокруг него по спирали закручиваются более тусклые ветви — рукава. Они имеют голубоватый оттенок из-за обилия белых и голубых звезд.
Линзовидные галактики занимают промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками. У них яркое центральное сгущение, похожее на линзу, и нет выраженных ветвей. В основном они состоят из старых звезд-гигантов, поэтому их цвет красноватый. От эллиптических галактик они отличаются наличием выпуклости и тонкого диска, а от спиральных — отсутствием спиральной структуры. Две трети линзовидных галактик, как и эллиптические, не содержат газа. В трети его столько же, сколько в спиральных галактиках. Звездообразование идет, но очень медленно. Пример — галактика Вертиго (М-102).
Неправильные галактики не имеют ни одной из распространенных форм. Это хаотические скопления звезд, иногда без четкой формы и центра. Они составляют около 5% всех галактик. Вероятно, неправильные галактики когда-то имели спиральную или эллиптическую структуру, но изменились из-за столкновения с другой галактикой или близкого соседства с ней. Примеры: Большое Магелланово Облако, галактика Антенны, галактика Водоворот.
Карликовые неправильные галактики — отдельный класс. В них мало тяжелых элементов и много межзвездного газа, что делает их похожими на протогалактики ранней Вселенной. Изучение таких галактик важно для понимания эволюции галактик. В них много молодых горячих звезд, а пыль блокирует свет от звезд. Пример — Малая Магелланова Облако (NGC 1427A).
Пекулярные галактики не относятся ни к одному из перечисленных типов. Их структура и распределение звезд могут быть необычными. Например, они могут иметь искаженную форму из-за взаимодействия с соседней галактикой или пылевые полосы, выбросы вещества и т.д. Примеры: галактика М77 и NGC 5128.
Мы только начали приоткрывать завесу над изучением этих удивительных звездных островов. Во Вселенной существует множество уникальных объектов и явлений, о которых можно говорить бесконечно. Наши знания о том, сколько живут звезды и их жизненных циклах, получены в основном из наблюдений и теоретических расчетов. Малоизученные явления и объекты создают почву для постоянной работы тысяч исследователей, ученых, астрономов, физиков, математиков и химиков. Благодаря их усилиям знания накапливаются, дополняются и уточняются, становясь все более точными и всеобъемлющими.
Когда смотришь на ночное небо, кажется, что звёзды и галактики разбросаны хаотично. Но это не так. Вселенная – не случайная смесь объектов. В ней полно звёзд, которые находятся совсем рядом с нами. Но если удалиться на 100 тысяч световых лет от Земли, можно покинуть Млечный Путь. За его пределами простирается море галактик, возможно, 2 триллиона галактик в общей сложности. Некоторые из них уже обнаружены в нашей наблюдаемой Вселенной. Они отличаются по типам, формам, размерам и массам.
Кроме галактик, в космосе есть туманности, звёздные скопления, скопления галактик и даже сверхскопления. Некоторые из этих объектов настолько велики, что астрономы выделили их в масштабные структуры. Самый крупный из них простирается на сотни и миллиарды световых лет. Из-за вытянутой формы эти объекты назвали галактическими нитями. Они переплетаются между собой, заполняя пустое космическое пространство и образуя трёхмерную паутину.
Но это ещё не всё. Галактические нити и войды могут образовывать великие стены. Одна из них, Великая стена Слоуна, простирается на 1,37 миллиарда световых лет. Она представляет собой плоскую структуру из галактик и пустот. Великая стена Слоуна находится на расстоянии 1,2 миллиарда световых лет от Земли и в 2,74 раза больше предыдущего рекордсмена, CFA-2. Об открытии стены было объявлено 20 октября 2003 года благодаря данным цифрового небесного обзора, SDSS.
Трудно представить масштабы Вселенной. Одним из ярких примеров её необъятности является объект, удалённый от Солнечной системы на 6,8 миллиарда световых лет.
Первое место в списке самых крупных структур занимает Великая галактическая стена, позже получившая название БОС. Её длина составляет около миллиарда световых лет. Некоторые исследователи считают, что она вдвое превосходит по массе предыдущего рекордсмена — сверхскопление галактик Ланиакия, куда входит и наш Млечный Путь.
Однако не все учёные согласны с этим утверждением. Они полагают, что наблюдаемое скопление галактик состоит из отдельных фрагментов, которые не образуют единой структуры. Чтобы разрешить этот спор, необходимы дальнейшие наблюдения и детальное изучение скопления.
Тем не менее, астрономы уверены, что вскоре появятся новые рекордсмены — СУПЕР БОС и МЕГОБОС. Любая стена скрывает за собой другую, как дверь, за которой может быть что-то ещё. И этому не будет конца.
Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, мы видим звёзды и галактики в их нынешнем виде. Раньше они были меньше, синее, моложе и менее развиты. До них существовали первые звёзды, а ещё раньше — нейтральный атом. До атомов была ионизированная плазма, а до неё — свободные протоны и нейтроны. В начале времён происходили спонтанные процессы создания материи и антиматерии, а также существовали свободные кварки и глюоны.
Все нестабильные частицы стандартной модели появились до Большого взрыва. Этот момент стал началом нашей наблюдаемой Вселенной. Теоретическая граница Большого взрыва находится в 46,1 светового года от нас. Однако это не является реальной границей космоса.
Вместо этого мы имеем границу во времени. Свет, испущенный самыми удалёнными объектами, ещё не успел достичь нас. За 13,8 миллиардов лет Вселенная расширилась, и это расстояние продолжает увеличиваться. Однако оно всё ещё ограничено. Вселенная расширяется быстрее, чем мы могли бы предположить. Теперь глубокое пространство для нас недостижимо. Горизонт событий скрыт от нас навсегда, даже если мы будем обладать самым мощным телескопом.
Когда мы смотрим на звёзды и осознаём величие космоса, нас охватывает чувство безмолвного восхищения. Но затем нам приходится вернуться к реальности. Мы живём на натянутой плёнке воды, не думая о мире под нами. Это напоминает поведение водомерки, которая строит из себя более умную и сильную на фоне остальных.
Если посмотреть на ночное небо с хорошим обзором, можно увидеть Млечный Путь, который протянулся через всё небо. Хотя эти звёзды и туманности невероятно красивы, они мешают изучению далёких галактик.
В глубинах космоса есть огромные и загадочные области, которые астрономы пытаются разглядеть уже много десятилетий. Эти места называют зонами избегания.
В конце 1920-х годов Харлоу Шеппи и его коллеги начали исследовать галактики в Южном полушарии неба. К 1932 году они обнаружили 76 тысяч галактик ярче 18-й видимой звёздной величины в области, занимающей третью часть Южного полушария. В 1930 году Шеппи опубликовал заметку об удалённом облаке галактик в созвездии Центавра. Он предположил, что это облако может быть одним из самых густонаселённых объектов во Вселенной. В 1989 году это сверхскопление было официально признано с помощью телескопа Шмитта в Великобритании и названо в честь Харлоу Шеппи.
Сверхскопление Шеппи представляет собой архипелаг галактик. Оно помогает объяснить, как из однородного вещества могла сформироваться сложная структура Вселенной. В раннюю космологическую эпоху материя была распределена равномерно, о чём свидетельствует реликтовое микроволновое излучение. Однако в современной Вселенной вещество собрано в звёзды, галактики и скопления.
Учёные пытаются понять, какие силы играли ключевую роль в этом процессе. Известно, что Млечный Путь и другие галактики движутся. Это движение называется пекулярной скоростью. Местная группа галактик, включающая Млечный Путь и Андромеду, движется со скоростью примерно 600 километров в секунду относительно реликтового излучения.
Однако оказалось, что не всё имеет постоянную скорость. Некоторые объекты движутся быстрее, а некоторые — медленнее. Образуются скопления и величайшие пустоты. Почему это происходит? За последние десятилетия учёные подсчитали все факторы, которые могут влиять на движение нашей группы. Это ближайшие скопления галактик, сверхскопления, стены скоплений и космические пустоты.
Со временем рентгеновская астрономия помогла заглянуть за зону избегания и раскрыть причину сильного гравитационного поля. Оказалось, что это обычное скопление галактик, что породило новые вопросы. Ведь эти галактики не могли быть великим аттрактором с достаточной гравитацией, чтобы притягивать Млечный Путь.
Новые технологии позволили увидеть, что великий космический магнит — это не только великий аттрактор, но и сверхкластер Шепи. Он в 50 миллионов раз массивнее Солнца, расположен в 650 миллионах световых лет от нас и имеет вытянутую форму. Вклад великого аттрактора в движение местной группы оценивается в 44%. Остальное связано с глобальным течением, в котором значительная часть Вселенной движется к еще более сильному центру притяжения — сверхскоплению Шепи в созвездии Центавра. Его масса в 10 тысяч раз превышает массу Млечного Пути и в четыре раза больше, чем у великого аттрактора.
Недавно астрономы обнаружили в центре этой области богатое скопление галактик под названием Шепи 8. Изучение этой области неба, имеющей склонение около 30 градусов, было затруднено. Однако за последние годы, благодаря огромным телескопам, удалось измерить координаты и скорости тысяч галактик, что позволило изучить их расположение и движение. Выяснилось, что астроном Шепи был прав: в направлении созвездий Кентавра, рядом с границей созвездия Гидры, находится гигантское уплотнение вещества, включающее множество скоплений галактик и звездных систем. Его называют сверскоплением Шепи.
Задача определения массы этой гигантской структуры оказалась сложной. Современные технологии позволяют подсчитать количество галактик и умножить их на массу типичной галактики, но это не работает из-за невидимого межгалактического вещества, которое составляет большую часть массы. Полную массу можно определить только по силе тяготения. Но как это сделать?
Согласно второму закону Ньютона, сила, действующая на галактику, пропорциональна ее ускорению. Мы пока научились измерять только скорости галактик, но иногда этого достаточно. Например, зная скорость спутника вокруг Земли и радиус его орбиты, можно вычислить массу планеты. Это работает, если спутник движется по стационарной орбите. В стационарном состоянии скопления звезд их масса определяется по скоростям отдельных звезд. Это справедливо и для скоплений галактик. Однако к сверскоплению Шепи этот метод неприменим, так как самые крупные структуры Вселенной еще не достигли стационарного состояния.
Сверскопление Шепи настолько огромно, что его притяжение способно привлечь не только тысячи галактик, но и великий аттрактор. Масштабы колоссальны, и мы осознаем, что за пределами великого аттрактора могут быть еще более грандиозные структуры. Чем больше мы изучаем Вселенную, тем больше понимаем, как мало мы о ней знаем.
Один из давних вопросов в космологии – как возникла Вселенная и была ли она всегда одинаковой во всех направлениях. Это свойство называют изотропностью: сегодня Вселенная выглядит похожей во всех направлениях и обладает примерно одинаковыми свойствами, но так ли было всегда? Что происходило 13,8 миллиарда лет назад? Мы пока не знаем ответа достоверно, но у нас есть знания о космологии, гравитации и квантовой механике, которые позволяют создавать модели, отражающие часть истины. Сегодня мы поговорим о хаосе не на Земле, а во Вселенной. Как хаос мог создать Вселенную? Давайте попробуем разобраться.
Эта идея стара, как мир. Еще древний философ Лукреций, живший до нашей эры, считал, что Вселенная возникла из хаоса. В XVIII веке философ Дэвид Юм и физик Людвиг Больцман также размышляли об этом. В греческой мифологии считалось, что Вселенная возникла из хаоса. Слово «хаос» происходит от греческого слова, означающего «пустота». Эта пустота, лишенная форм, часто представлялась как океан. Такой мотив встречается в вавилонской, японской, древнеегипетской и полинезийской мифологиях, а также у майя.
Сегодня этот древний эпизод называется программой хаотической космологии. Что же такое хаос? Для примера возьмем маятник. Когда мы приводим его в движение, он начинает колебаться, постепенно замедляясь. Куда девается энергия маятника? Она уходит к молекулам воздуха. Но почему молекулы не могут собраться и вернуть энергию маятнику?
Мир стремится к хаосу — это фундаментальное свойство природы. Направленное движение частиц маятника превращается в хаотичное движение молекул воздуха. Точно так же направленное течение воды рано или поздно превращается в хаотичную струю с турбулентными вихрями и переплетающимися потоками.
Для измерения хаоса физики используют энтропию системы. Чем больше энтропия, тем менее упорядоченной становится система. В состоянии равновесия энтропия максимальна.
В XIX веке Больцман доказал теорему, которая гласит, что в замкнутой системе энтропия всегда возрастает со временем. Например, если поместить шарик с гелием в угол комнаты, а затем он лопнет, газ со временем равномерно распространится по всей комнате. Энтропия газа увеличится до максимума, и, сколько бы мы ни ждали, гелий никогда не соберется обратно в сферу в углу комнаты. Это указывает на необратимость процессов в нашем мире.
Однако, если рассмотреть каждый шарик отдельно, можно точно определить его скорость, координаты и действующую на него силу. Из второго закона Ньютона можно узнать ускорение и движение каждой отдельной частицы. Если повернуть время вспять, закон не изменится, что означает обратимость движения каждой отдельной частицы. Из конечного состояния шарика можно понять, откуда он пришел и как движется. Но движение всех шариков вместе оказывается необратимым.
Французский математик Андрей Пуанкаре заметил интересную вещь: некоторые системы со временем возвращаются в свое первоначальное состояние, хотя кажется, что они стремятся только к хаосу.
Действительно, газ и шарик никогда не соберутся обратно в кучу. Но что, если подождать еще дольше? Возможно, цикл Пуанкаре для такой системы очень длинный. Существуют космологические модели, основанные на гипотезе возвращения Пуанкаре. Одна из них принадлежит известному математику Роджеру Пенроузу. По его мнению, Вселенная сначала расширяется, затем сжимается обратно, снова взрывается, расширяется и вновь сжимается, повторяя предыдущий цикл. Статистическая механика предполагает, что при наличии достаточного времени системы, близкие к равновесию, будут спонтанно переходить в состояние с более низкой энтропией, локально обращая термодинамическую стрелу времени вспять. Больцман давно понял, что второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия замкнутой системы никогда не убывает, не является абсолютным.
Оценили 7 человек
19 кармы