Закон Хаббла.Структура и геометрия Вселенной

Структуры, образуемые галактиками и их системами, называют крупномасштабными структурами. Вопрос об их существовании и их свойствах  оказался тесно связанным с фундаментальной  научной проблемой возникновения  и эволюции всей наблюдаемой Вселенной. 

Самые крупномасштабные структуры  Вселенной.

Когда стало известно о существовании скоплений галактик, встал вопрос о том, не образуют ли они, в свою очередь, еще более  масштабные системы? И не может ли такая иерархическая структурность  распространяться до бесконечности, когда  любая система входит в состав другой, а та – в состав еще  более крупной, и так далее? Наука  дала положительный ответ на первый вопрос и отрицательный – на второй.

Первое указание на существование очень крупных  концентраций галактик, боле масштабных, чем отдельные скопления, было получено благодаря работам Уильяма Гершеля  и его сына Джона Гершеля. Найденные  ими туманности, находящиеся вдали  от Млечного Пути (сейчас мы знаем, что  большинство из них является галактиками), оказались распределенными очень  неравномерно: треть туманностей  находится в пределах восьмой  части неба с центром в скоплении  Девы. В 20 в. резко возросшие возможности  астрономических наблюдений привели  к быстрому прогрессу в изучении пространственного распределения  галактик. В 1950-х  американский астроном Жерар де Вокулер ввел термин «Сверхгалактика». Так он назвал уплощенную концентрацию галактик размером порядка ста миллионов световых лет, в центре которой находится скопление Девы. Сверхгалактика охватывает вытянутую область, протянувшуюся на небе на несколько десятков градусов. Вблизи плоскости Сверхгалактики, почти перпендикулярной плоскости нашей Галактики лежит большинство близких скоплений галактик. Вскоре американский астроном Г.Абель, автор первого обширного каталога скоплений галактик, отметил существование не одного, а нескольких «скоплений из скоплений», расположенных значительно дальше Сверхгалактики Вокулера (ее называют также Местной Сверхгалактикой или Местным Сверхскополением). В 1960-х астрономы Ликской обсерватории (США) С.Шейн и С.Виртанен также обнаружили несколько «облаков» далеких галактик примерно такого же размера, как Местная Сверхгалактика. Существование необычно крупных концентраций галактик следовало и из работ Ф.Цвикки (США), составившего многотомный атлас распределения очень большого числа галактик и их скоплений по фотографическому Паломарскому обзору неба. Термин «Сверхскопление галактик» в применении к системе, объединяющей от нескольких до нескольких десятков отдельных скоплений галактик, прочно вошел в обиход. Сейчас выделено более двухсот сверхскоплений, состоящих из двух и более отдельных скоплений галактик.

Качественно новый  уровень в изучении крупномасштабной структуры был достигнут при  получении массовых оценок лучевых  скоростей (красных смещений) галактик. Знание лучевых скоростей, характеризующих расстояния до галактик (см. ЗАКОН ХАББЛА), дало возможность построения (для некоторых выбранных областей неба) трехмерных карт пространственного распределения галактик, охватывающих масштабы более миллиарда световых лет.

Анализ распределения  галактик и их скоростей привел к  выводу о том, что сверхскопления нельзя рассматривать как такие  же связанные системы, как и сами скопления, только большего масштаба. Сверхскопления, как оказалось, это  не обособленные «острова» из скоплений  или из отдельных галактик, а просто наиболее плотные участки сложной, ячеистой или волокнистой структуры, образуемой в пространстве галактиками  и их системами.

Вопрос о том, имеет  ли Вселенная ячеистую структуру, впервые  был поставлен в 1970-е  Яаном Эйнасто и его сотрудниками (Тартуская обсерватория, СССР). Многочисленные работы астрономов разных стран подтвердили предположение, высказанное эстонскими астрономами. Оказалось, что самая крупномасштабная структура Вселенной действительно представляет собой ячейки различного размера, составленные из галактик и их систем. Галактики и их скопления концентрируются к своего рода изогнутым «стенкам» толщиной порядка 10 млн. световых лет, пересекающимся друг с другом. Некоторые «стенки» прослеживаются на сотни миллионов световых лет. Там, где стенки «смыкаются», галактик особенно много (сверхскопления). Эти области повышенной концентрации галактик образуют в пространстве подобие длинных волокон (цепочек). Внутри ячеек, между стенками, находятся пустоты (их называют «войды» от английского «void» – «пустое место»), в которых плотность галактик как минимум вдесятеро меньше, чем в среднем. Некоторым аналогом такой структуры может служить пена из мыльных пузырей. Правда, распределение галактик вдоль «стенок» ячеек, в отличие от распределения мыльного раствора в пузырях, очень неоднородно, да и сами ячейки не обладают правильностью форм. Размеры больших ячеек составляют несколько десятков мегапарсек (более сотен миллионов световых лет), но много и более мелких.

Ближайшая к нам  «стенка» проходит длинной дугой  через южные созвездия Гидры – Центавра –Телескопа – Павлина – Индейца. Образующие ее галактики имеют лучевые скорости в несколько тысяч км/с, и большинство из них удалено от нас не менее чем на 20–30 млн. световых лет. К этой «стенке» принадлежит и скопление в Деве, и все Местное Сверхскопление, на периферии которого располагается Местная Группа галактик, включающая в себя нашу Галактику. Поскольку мы находимся вблизи края этой «стенки», составляющие ее галактики образуют на небе сравнительно узкую полосу, растянувшуюся более чем на 180 градусов, наподобие того как звезды Галактики концентрируются для нас в полосу Млечного Пути. Правда, отдельных звезд в галактиках во много раз больше, чем отдельных галактик в стенках ячеек.

К другой длинной  «стенке», иногда называемой «Великая стена», которая протянулась полосой  почти на пол неба, принадлежит  богатое хорошо изученное скопление в Волосах Вероники (Сoma), находящееся на расстоянии почти 300 миллионов световых лет от нас, в центре другой сверхгалактики.

Одно из крупных  сгущений галактик, по-видимому, образованное несколькими скоплениями, удаленное  от нас примерно на 200 миллионов световых лет, получило название «Великий Аттрактор» (от англ. attract – притягивать). Название связано с тем, что в 1980-х ученым удалось обнаружить и, главное, измерить гравитационное влияние этого уплотнения на величину скоростей галактик в окружающем пространстве. К сожалению, изучение «аттрактора» затруднено сильным межзвездным поглощением.

В 2003 на Англо-Австралийском  телескопе (в Австралии) была завершена  программа массового измерения  лучевых скоростей внегалактических объектов, в том числе очень  слабых и далеких, в определенно  выбранных областях неба. В результате выполнения программы были получены оценки расстояний для рекордно большого числа (ок. 250 тыс.) отдельных галактик. Анализ трехмерной картины распределения галактик, проведенный по этим измерениям в двух противоположных областях неба (вблизи Северного и Южного полюсов Галактики), показал, что описанная выше ячеистая структура прослеживается до расстояния более миллиарда световых лет в каждую сторону, и, по-видимому, продолжается еще дальше. Очевидно, такова структура всей нашей Вселенной.

В таком случае получается, что Вселенную можно считать  однородной только начиная с масштаба в несколько сотен миллионов  световых лет. Куб такого или большего размера (где бы его ни поместить), будет содержать примерно одинаковое количество галактик, скоплений галактик или «войдов», а на более мелких масштабах распределение галактик нельзя считать однородным даже приблизительно. Этот важный вывод приходится учитывать при разработке космологической теории эволюции Вселенной.

Гравитация  как причина возникновения  структур.

Важной особенностью, отличающей пары, кратные системы, группы, скопления галактик, с одной стороны, от элементов крупномасштабной ячеистой структуры – с другой, является то, что первые являются гравитационно связанными образованиями (гравитация сдерживает их от расширения и разрушения), а вторые – нет. Галактики в сверхскоплениях, в стенках ячеек продолжают удаляться друг от друга из-за космологического расширения Вселенной, для них также выполняется закон Хаббла (с небольшими поправками, учитывающими гравитационные поля «стенок» и отдельных скоплений). Правда, ранее высказывались предположения, что и скопления – это расширяющиеся гравитационно не связанные системы, поскольку относительные скорости движения галактик в скоплениях оказались неожиданно большими (часто более тысячи км/с). Масса всей совокупности звезд всех галактик в скоплении, как правило, оказывается недостаточной для того, чтобы удержать вместе быстро движущиеся галактики. Предположение о быстром расширении скоплений могло бы показаться естественным, и только большой возраст галактик заставлял искать другие объяснения. Конечно, в пространстве между галактиками есть еще горячий газ. В скоплениях его масса часто превышает суммарную массу отдельных галактик, но во многих случаях и этого недостаточно для удержания галактик вместе. Должна существовать еще масса, не излучающая света, гравитационное поле которой играет ключевую роль.

Окончательный вывод  о наличии невидимой массы  в скоплениях был получен, когда  обнаружилось, что гравитационные поля некоторых из них отклоняют проходящие сквозь скопления световые лучи, испущенные более далекими галактиками. При  удачном расположении галактик за скоплением их световые лучи искривляются и сходятся на некотором расстоянии от скопления, словно они прошли сквозь стеклянную линзу не очень хорошего качества. Гравитационное поле скопления может «построить» изображения далеких галактик. Этот эффект хорошо изучен, он так и называется – «гравитационное линзирование».

Действительно, сквозь некоторые скопления просвечивают искаженные дугообразные изображения  более далеких галактик, увеличенные  по размеру и усиленные по яркости  гравитационной линзой. Измерения подтвердили, что одни галактики, без темной массы, не могут объяснить сильное гравитационное поле скоплений, и что масса, вызывающая эффект гравитационной линзы, достаточна для гравитационной устойчивости последних. Поэтому скопления галактик можно  считать самыми крупными устойчивыми  структурами в природе (это, конечно, не означает, что их размеры или  внутренняя структура за миллиарды  лет не меняются).

Природа темной массы  еще выясняется (рассматривается  несколько возможных вариантов  элементарных частиц, из которых она  состоит), но уже сейчас очевидно, что  эта невидимая среда должна играть большую роль и в формировании крупномасштабных структур Вселенной.

По современным  представлениям, на самых ранних стадиях  расширения Вселенной вещество было распределено почти идеально однородно. Об этом можно судить, например, по ничтожно малой амплитуде неоднородностей  яркости фонового (реликтового) излучения неба, которое было испущено обычным газом еще на догалактической стадии расширения Вселенной (эти неоднородности составляют тысячные доли процента и были обнаружены только в 1990-х после упорных многолетних поисков). Гравитация, т.е. взаимное притяжение всех материальных частиц любой природы, обладает свойством нарушать однородность, стягивать вещество в отдельные структуры, усиливать любые флуктуации плотности. Гравитационные силы постепенно замедляли расширение чуть более плотных участков, поэтому первоначально маленькие неоднородности плотности вещества должны были со временем быстро расти, вбирая в себя вещество более разреженных областей, и становиться все более «контрастными», продолжая тем не менее расширяться. Так возникла ячеистая крупномасштабная структура. В тех областях, где плотности оказывались особенно большими, гравитация могла полностью остановить расширение и сменить его на сжатие. Со временем в таких областях образовались галактики, объединенные в гравитационно связанные системы. Без привлечения темной массы очень трудно было бы объяснить, как за 13–14 млрд. лет процесса расширения едва уловимые неоднородности плотности, запечатленные в распределении яркости фонового излучения, смогли вырасти настолько, что породили наблюдаемую сложную структуру, образуемую галактиками. Мир звезд и галактик, по-видимому, вообще не смог бы возникнуть, и Вселенная осталась бы бесструктурной, если бы гравитационное поле обычного вещества не было усилено присутствием не светящейся, скрытой массы.

Компьютерные расчеты  подтвердили возможность возникновения  крупномасштабной ячеистой структуры  из первоначально ничтожных случайных  возмущений плотности в процессе расширения Вселенной. При определенных физически приемлемых начальных  условиях численные модели позволили  воспроизвести «на экране» процесс  формирования волокон и ячеек, а  в них – отдельных галактик. Насколько хорошо и полно такие  компьютерные модели описывают реальную Вселенную – это вопрос, обсуждаемый  в настоящее время. Здесь есть еще немало нерешенных проблем. В  любом случае, изучение крупномасштабной структуры Вселенной оказалось  необходимым звеном, без которого нельзя понять, как возник окружающий нас мир. 
 
 
 

                                           Пример фрактала, называемый пирамида Серпинского.

                                           Фото с сайта  wikipedia.org 

Группа итальянских  и российских астрономов, проанализировав  данные,  полученные  в рамках  Слоановской программы цифрового обзора неба ( Sloan Digital Sky Survey ), пришла к выводу, что материя во

Вселенной распределена  в виде фрактала. Традиционно считается,  что при увеличении  масштаба распределение материи во Вселенной становится непрерывным. Опровержение этого постулата,  лежащего  в основе  большинства  космологических теорий,  может привезти  к пересмотру  практически  всех существующих моделей Вселенной. Работа ученых принята к печати  в журнал  Nature Physics. 

Фракталом в математике называется множество, обладающее самоподобной структурой.  Грубо говоря,оно состоит из кусочков, являющихся уменьшенной копией всего множества. Большинство астрономов признают, что локально Вселенная имеет фрактальную структуру: планетарные системы объединены  в галактики, галактики в кластеры, кластеры в суперкластеры и так далее. До настоящего момента считалось,  что распределение материи можно считать непрерывным,  начиная с объектов  размером около 200 миллионов световых лет. Используя данные о более чем 900 тысячах галактик и квазаров,  исследо-

ватели показали, что непрерывность отсутствует и при масштабе  в 300 миллионов световых лет.