ВВЕДЕНИЕ

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений. Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной?

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.

Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.

Пожалуй, именно поэтому я выбрала данную тему для реферата. Неизведанное всегда привлекало внимание человека. Вселенная, звезды и планеты- прекрасный тому пример.

Эта отрасль достаточно хорошо освещена как достижениями науки, так и работами литературы. Однако в некоторых вопросах мнения различны, поэтому стоит поразмыслить над какой-то интересующей вас темой и сделать свои выводы.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Число звезд в Галактике порядка 1012 (триллиона). Наша галактика называется- Млечный Путь. В её состав входит Солнце, 9 больших планет вместе с их 34 спутниками, более 100 тысяч малых планет (астероидов), порядка 1011 комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок).

Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. В целом наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Масса нашей Галактики оценивается сейчас разными способами, она равна приблизительно 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг), причем 1/1000 её заключена в межзвездном газе и пыли. Масса галактики в Андромеде почти такова же, а масса галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами. В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:

• Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества- центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (металлы), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.
• В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.
• Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.
• При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться- сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.
• Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звездуглавной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.

Последующая эволюция

После первоначального формирования, Солнечная система значительно эволюционировала. Многие спутники планет образовались из газопылевых дисков, вращавшихся вокруг планет, в то время как другие спутники предположительно были захвачены планетами, либо стали результатом столкновений тел Солнечной системы (в соответствии с одной из гипотез, так образовалась Луна). Столкновения тел Солнечной системы происходили всегда, вплоть до настоящего момента, что наряду с гравитационным взаимодействием являлось основной движущей силой эволюции Солнечной системы. В ходе эволюции орбиты планет значительно менялись, вплоть до изменения порядка их следования - происходила планетная миграция. В настоящее время предполагается, что планетная миграция объясняет большую часть ранней эволюции Солнечной системы.

Будущее

Приблизительно через 5 миллиардов лет поверхность Солнца остынет, а само оно многократно увеличится в размерах (его диаметр достигнет диаметра современной орбиты Земли), превратившись в красный гигант. Впоследствии внешние слои Cолнца будут выброшены мощным взрывом в окружающее пространство, образовав планетарную туманность, в центре которой останется лишь небольшое звёздное ядро - белый карлик. На этой стадии ядерные реакции прекратятся и в дальнейшем будет происходить медленное неуклонное остывание Солнца.

В очень далёком будущем гравитация пролетающих рядом звёзд постепенно разрушит планетную систему. Некоторые из планет будут уничтожены, другие выброшены в межзвёздное пространство. В конечном итоге, через триллионы лет остывшее Солнце, скорее всего, лишится всех своих планет, и в одиночестве продолжит своё движение по орбите вокруг центра нашей галактики Млечный Путь среди множества других звёзд.

Любуясь ясной осенней ночью звездами, мы сразу же замечаем широкую туманную полосу, проходящую через все небо - Млечный Путь - так называется наша галактика. Невольно задумываемся о других мирах, населяющих космос, и восхищаемся величием и грандиозной красотой окружающей нас Вселенной. Как же возникли планеты, звезды, галактики?

В начале мира после Большого Взрывамириады образовавшихся частиц разлетались с огромными скоростями и превращались постепенно в атомы первовещества, которое образовало огромное, в миллиарды раз превышавшее массу Солнца, облако. Это облако стало уплотняться, в нем появились первые атомы водорода и гелия. Как и в любом газе, в нем возникли турбулентные потоки, порождавшие завихрения. В этих завихрениях появились вращающиеся с различной скоростью водородные сгущения, которые становились все более плотными, сжимаясь вокруг своего центра – оси вращения. Скорость вращения увеличивалась с уменьшением объема в соответствии с законом сохранения импульса. При этом центробежная сила, действующая вдоль экваториальной плоскости, увеличивается, и облако сплющивается, превращаясь из шарообразной формы в линзо- или дискообразную. Так рождаются галактики.

Первые звезды возникли еще на шарообразной стадии формирования галактики. Они состояли только из водорода и гелия. В них происходила термоядерная реакция – соединение двух протонов. Израсходовав запас водорода, эти звезды взорвались и стали сверхновыми. В результате взрыва появлялись новые элементы, тяжелее гелия. Это происходило повсюду, межзвездный газ пополнялся новыми элементами, из которых в результате термоядерных реакций получались все более тяжелые.

Млечный путь – спиральная галактика.

Так формировалась и наша Галактика – Млечный путь. Если смотреть на нее «сверху» из космоса, она выглядит как диск со спиральной структурой – рукавами, где располагаются молодые звезды и области с повышенной плотностью межзвездного газа. Посередине диска находится шарообразная выпуклость – ядро галактики. Если смотреть на карту звездного неба, то центр нашей галактики будет находиться в созвездии Стрельца. Астрономам удалось определить ближайшие к Земле спиральные ветви галактики: ветви Ориона (где находится и Солнечная система), Персея и Стрельца. Ближайшая к ядру – это ветвь Карины (Киль), и предполагается существования дальней ветви – Кентавра. Эти спиральные ветви-рукава получили свои названия по созвездиям, в которых располагаются на карте звездного неба.

Если посмотреть на спиральную галактику в хороший телескоп, мы увидим, что она похожа на огненное колесо фейерверка. Но чем же определяется такая структура галактик? Казалось бы, ничего удивительного в этом нет. Известный ученый астроном Карл Фридрих фон Вайцзеккер как-то сказал, что если бы вначале Млечный путь был бы похож на корову, он все равно бы приобрел спиральную структуру. Некоторые ученые всерьез занялись разработкой «галактической коровы Вайцзеккера», и, действительно, по расчетам она должна была превратиться в галактическую спираль примерно за сто миллионов лет. А наш Млечный путь намного старше – почти в сто раз. За это время прекрасная спиральная галактика должна была преобразиться таким образом, чтобы спирали образовывали длинные нити, обвивающиеся вокруг центра. Но, как оказалось, ни одна известная галактика не обладает нитевидной структурой и не вытягивается, хотя спиральные ветви-рукава, состоящие из звезд и газа, постоянно вращаются вокруг центра галактики. Неразрешимое противоречие? Нет, если мы откажемся от мысли, что межзвездное вещество постоянно находится в одном рукаве спирали и предположим, что через эти спиральные рукава просто движется поток газа и звезд. То есть, звезды и газ двигаются, вращаясь вокруг центра, а рукава спирали – это определенные состоянии структуры галактики, по которым движутся потоки космического вещества и звезд. Как такое может быть? Зажгите свечу или газовую горелку. Вы увидите языки пламени, в которых происходит химическая реакция горения вещества. Пламя представляет собой область пространства, которое определяет состояние газового потока. Точно так же в спиральных рукавах поток звезд и газа имеет определенное состояние, которое определяется гравитационным полем.

Если представим себе огромное количество звезд, образующих вращающийся диск, мы увидим, что там, где плотность звезд больше, они стремятся еще больше сблизиться, но центробежная сила усложняет процесс, и равновесие в таком вращающемся диске очень неустойчиво. Такая ситуация была смоделирована на компьютере, и оказалось, что в итоге образуются спиральные области повышенной плотности звезд. Т.е. звезды сами образуют спиральные рукава, которые не становятся нитевидными и не растягиваются. Причем звезды потоком идут сквозь эти спиральные области. Попадая в рукав, они сближаются, выходя – расходятся. То же самое происходит и с межзвездным газом. Попадая в спиральный рукав, газ уплотняется, и создаются условия для возникновения новых звезд. Поэтому молодые звезды образуются в этой области. Среди них есть яркие голубые звезды, которые вызывают свечение космического газа и пыли, ионизируя их. Создаются светящиеся облака ионизированного газа, благодаря чему мы можем любоваться прекрасным зрелищем спиральных галактик.

Звезды, находящиеся в центральной части галактики, состоят в большинстве своем из красных гигантов, которые образовались почти одновременно с галактикой. В самом центре предполагается наличие сверхмассивной черной дыры (Стрелец А), вокруг которой, возможно, вращается другая черная дыра средней массы. Их гравитационное взаимодействие является центром тяготения всей галактики и руководит движением звезд.

По последним научным данным диаметр Млечного пути – около 100 000 световых лет (приблизительно 30 000 парсек), а средняя толщина нашего диска около 1000 световых лет. По современной оценке количество звезд в галактике колеблется от 200 млрд. до 400 млрд.

Во Вселенной кроме спиральных галактик существуют другие виды: эллиптические, галактики с перемычкой, карликовые, неправильные и другие.
Галактики объединяются в скопления, которые могут включать в себя несколько сотен галактик. Эти скопления, в свою очередь, могут объединяться в сверхскопления. Наша Галактика принадлежит к Местной (Локальной) группе, куда входит и созвездие Андромеды. Всего в Местной группе около 40 галактик, а сама она входит в сверхскопление Девы. Так что наша огромная галактика Млечный путь с миллиардами звезд является всего лишь небольшим островком в необозримом океане Вселенной.

Эволюцию даже одной звезды нельзя проследить в течение жизни нескольких поколений людей. Жизнь самых короткоживущих звезд исчисляется миллионами лет. Человечество столько не живет. Поэтому возможность проследить звездную эволюцию от начала – рождения звезды – до ее конца заключается в сравнении химических и физических характеристик звезд на разных стадиях развития.

Главным показателем физических свойств звезды является ее светимость и цвет. По этим характеристикам звезды объединили в группы, которые называются последовательностями. Их несколько: главная последовательность, последовательность сверхгигантов, ярких и слабых гигантов. Есть еще субгиганты, субкарлики и белые карлики.

Эти смешные названия отражают разные стадии состояния звезды, которые она проходит в процессе своей эволюции. Два астронома Герцшпрунг и Рессел составили диаграмму, которая связывает температуру поверхности звезды с ее светимостью. Температура звезды определяется по ее цвету. Оказалось, что самые горячие звезды – голубые, самые холодные – красные. Когда Герцшпрунг и Рессел расположили на диаграмме звезды с известными физическими характеристиками – светимость-цвет (температура), то оказалось, что они располагаются группами. Получилась довольно веселая картинка, где место звезды на ней определяло, на каком этапе эволюции находится эта звезда.

Больше всего звезд (почти 90%) оказалось на главной последовательности. Значит, основную часть своей жизни звезда проводит именно в этом месте диаграммы. На диаграмме также видно, что самые мелкие звезды – карлики – находятся внизу, а самые большие – сверхгиганты - вверху.

Три пути развития эволюции звезд

Время, отпущенное для жизни звезде, определяется, прежде всего, ее массой. Масса звезды также определяет и то, во что она превратится, когда перестанет быть ею. Чем больше масса, тем короче жизнь звезды. Самые массивные – сверхгиганты – живут всего несколько миллионов лет, тогда как большинство звезд средней упитанности – приблизительно 15 млрд. лет.

Все звезды, после того, как заканчивается источник энергии, благодаря которому они живут – горят ярким пламенем, начинают тихо остывать, уменьшаться в размерах и сжиматься. Сжимаются они до состояния массивного компактного объекта с очень высокой плотностью: белого карлика, нейтронной звезды и черной дыры.

Звезды с небольшой массой выдерживают сжатие, так как гравитация относительно невелика. Они прессуются до небольшого белого карлика и остаются в этом стабильном состоянии до тех пор, пока их масса не увеличится до критического значения.

Если масса звезды больше критического значения, то она продолжается сжиматься до тех пор, пока электроны не «слипнутся» с протонами, образуя нейтронное вещество. Таким образом, получается небольшой нейтронный шар радиусом несколько километров – нейтронная звезда.

Если масса звезды настолько огромна, что гравитация продолжает сжимать даже нейтронное вещество, то происходит гравитационный коллапс, после чего на месте гигантской звезды образуется черная дыра.

Что такое белый карлик? То, что не стало нейтронной звездой или черной дырой.

Это то, во что превращаются средние и малые звезды в конце своей эволюции. Термоядерные реакции уже закончились, однако, они остаются очень горячими плотными газовыми шарами. Звезды медленно остывают, светясь ярким белым светом. Участь белого карлика ожидает и наше Солнце, так как его масса ниже критической. Критическая масса равна 1,4 массы Солнца. Это значение называется пределом Чандрасекара. Чандрасекар – индийский ученый астроном, который рассчитал это значение.

Состоянием нейтронной звезды заканчивается эволюция таких звезд, массы которых превышает солнечную в несколько раз. Нейтронная звезда возникает в результате вспышки сверхновой. При массе в 1,5-2 раза больше солнечной, она имеет радиус 10-20 км. Нейтронная звезда быстро вращается и периодически испускает потоки элементарных частиц и электромагнитное излучение. Такие звезды называются пульсарами. Состояние нейтронной звезды также определяется ее массой. Предел Оппенгеймера-Волкова – величина, определяющая максимально возможную массу нейтронной звезды. Чтобы находиться стабильно в таком состоянии, необходимо, чтобы ее масса не превышала трех солнечных масс.

Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, то чудовищная сила гравитации так сжимает ее в объятиях коллапса, что она становится черной дырой.

Черная дыра – это то, что получается, когда гравитационное сжатие массивных тел неограниченно, т.е. когда звезда сжимается до такой степени, что становится абсолютно невидимой. Ни один луч света не может покинуть ее поверхность. И здесь также есть показатель, определяющий состояние космического объекта в качестве черной дыры. Это гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда. Еще его называют горизонтом событий, так как описать или увидеть, что происходит внутри сферы с таким радиусом на месте сколапсированной звезды, невозможно.

Может быть, внутри это сферы есть прекрасные яркие миры или выход в другую Вселенную. Но для простого наблюдателя это просто провал в пространстве, который закручивает вокруг себя свет, идущий от других звезд и поглощает космическое вещество. По тому, как ведут себя рядом с ней другие космические объекты, мы можем делать предположения об ее свойствах.

Например, можно предположить, что самые массивные черные дыры, находятся в том месте, где наблюдается самое яркое свечение звездных скоплений. Притягивая к себе звездное вещество и другие космические объекты, черные дыры заставляют их светиться, окружая себя, ярким светящимся ореолом - квазаром. Тьма не может существовать без света, а свет существует благодаря тьме. Это доказывает эволюция звезд.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ.

Черные дыры поражают воображение: они останавливают время, пленяют свет, образуют дыры в самом пространстве. Даже свет становится узником гравитационного саркофага.

Около миллиарда черных дыр насчитывается только в нашей Галактике. В настоящее время астрофизики привлекают чер­ные дыры для объяснения загадочных явлений довольно часто. Физика и астрофизика черных дыр получили широ­кое признание научной общественности.

Считается, что существование таких космических объектов как черные дыры , было впервые обосновано А.Эйнштейном. Общая теория относительности предсказала возможность неограниченного гравитационного сжатия массивных космических тел до состояния коллапса, после чего эти тела можно обнаружить только их тяготению.
На самом деле о черных дырах заговорили намного раньше появления теории относительности.

А было это во времена И. Ньютона, который, как всем известно, открыл закон всемирного тяготения. Согласно этому закону - все подчиняется гравитации, даже луч света отклоняется в поле притяжения массивных тел. Собственно, с осознания этого факта и начинается история черных дыр в научном мире.

Началась она с работы английского священника и геолога Джона Мичелла, который в своей статье пришел к выводу о возможности существования черных дыр на основе рассуждений о поведении пушечного ядра в зависимости от его скорости. В результате он пришел к заключению, что может существовать очень маленькая, но очень тяжелая звезда, и чтобы «скорость ее убегания» была больше скорости света; тогда свет с ее поверхности не дойдет до наблюдателя, а обнаружить ее можно будет лишь по силе ее притяжения. На первый взгляд, ход рассуждений не блещет железной логикой, но, возможно, это как раз такой случай, когда интуитивное прозрение пытаются облечь в ткань логики, которая в этот раз была достаточно дырява из-за недостатка научных знаний.

Знаменитый француз Пьер Лаплас в 1795 году в своей книге «Изложение системы мира» написал:

«Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми» . Свое гениальное утверждение Лаплас никак не доказывал, он просто это знал. Однако научный мир не воспринимает серьезно такие фундаментальные вещи без расчетов, формул и прочих доказательств. Лапласу пришлось потрудиться, и через несколько лет он дал своему предвидению научное обоснование, сделанное на все том же классическом законе Ньютона о всемирном тяготении. Эти доказательства также нельзя считать строгими, так как мы уже знаем, что законы Ньютона не совсем соответствуют действительности в масштабах Вселенной и квантовой механики. Но, в те времена, самой продвинутой была именно теория Ньютона, лучшего наука ничего не могла предложить, и поэтому ученым приходилось искать истину там, где был свет – под фонарем классических законов механики.

Черные дыры в таинственном свете мистики

Интересующимся оккультными знаниями и практикующим магам и волшебникам известно, что если существует объект, то существует и информация о нем, независимо от того, обнаружено ли его присутствие в природе или пока еще нет. Пример: электромагнитное поле имело место быть до того, как ученые о нем написали.

Ученые-оккультисты отличаются от ученых-материалистов тем, что не спешат обнародовать свои знания в надежде получить Нобелевскую премию и признание благодарного человечества. Они, по непонятной простым смертным причине, тщательно шифруют то, что им удалось почерпнуть из космического кладезя информации и передают это тайно особо избранным посвященным. Однако, так или иначе, эти знания просачиваются в мир в виде непонятных символов, легенд, сказок и т.п.

У известного писателя-оккультиста Густава Майринка есть небольшой рассказ «Черный шар», отрывок из которого приводится ниже:

«Бархатно-чёрное круглое тело неподвижно висело в пространстве.

Вообще эта штука была совсем не похожа на шар, скорее на зияющую дыру. Это и было не что иное, как самая настоящая дыра.

Это было абсолютное, математическое ничто!

Так и случилось - тотчас раздался резкий воющий звук, который становился всё громче и громче, - это воздух зала начал всасываться в шар. Обрезки бумаги, перчатки, дамские вуалетки - всё устремилось вместе с потоком.

А когда один из офицеров гражданского ополчения ткнул саблей в чёрную дыру, клинок исчез в ней, словно растворился.
.......
Толпа, которая не понимала, что происходит, и только слышала ужасный, всё нарастающий гул, в страхе перед необъяснимым феноменом ринулась вон.
Остались только два индийца.

Вся Вселенная, которую создал Брахма, которую поддерживает Вишну и разрушает Шива, постепенно провалится в этот шар, - торжественно объявил Раджендралаламитра. - Вот какую беду мы навлекли, брат, отправившись на Запад!

Ну и что в том! - пробормотал госаин. - Когда-нибудь нам всем суждено отправиться в тот мир, который есть отрицание бытия».

Какое точное описание свойств черной дыры в соответствии с современными представлениями! А рассказ это был написан еще до появления теории относительности А. Эйнштейна…

Хотелось бы еще добавить, что в рассказе черный шар появляется как материальное воплощение мыслеформы одного из присутствующих… Не здесь ли скрывается намек оккультиста на причины возникновения черных дыр?
Современные представления о свойствах черной дыры.

Что же говорит современная физика о свойствах черных дыр? Оказывается, черная дыра определяется только одним параметром – массой. Причем она практически неуничтожима. Например, если кому-то придет в голову выстрелить в нее ядерными боеприпасами с целью как-то изменить ее или «разорвать на клочки», то ее масса просто увеличится на массу этих самых бомб и все. Черная дыра просто станет массивнее. Но оказалось, не все так просто. Черная дыра не просто прожорливое чудовище, поглощающее все и вся. Она может «испаряться» понемногу за счет смешанного излучения Хокинга. То есть, черная дыра может превращать какое-либо попавшее в нее тело в информацию и «отдавать» ее в виде потока разнообразных излучений и кварков. Такие объекты обнаружены астрономами, называются они пульсарами. Таким образом, можно прийти к заключению, что черные дыры характеризуются не только своей массой, но также и содержащейся в них информацией.

Как возникают черные дыры?

Черные дыры рождаются из очень больших и красивых звезд – красных гигантов, масса которых превышает солнечную больше, чем в десять раз. Эволюция таких звезд происходит очень быстро. Через несколько миллионов лет «выгорает» весь водород, превращаясь в гелий, тот, в свою очередь, в результате горения превращается в углерод, углерод - в другие, более тяжелые, элементы и т.д. Скорость превращений тоже увеличивается. Наконец появляются атомы железа.

На этом звездный ядерный реактор прекращает свою работу. Из ядер железа уже не выделяется энергия. Они сами начинают захватывать электроны из окружающего газа. Центральная область звезды, состоящая из газообразного железа, начинает уменьшаться за счет уплотнения и поглощения ядрами железа электронов. Наконец, в центре звезды образуется плотное железное ядро. Дальше все зависит от того, сколько железа получилось в этой звезде. Если масса его составила 1,5 массы Солнца, то начинается необратимый процесс, который приводит к коллапсу.

Дело в том, что атомы железа настолько плотно прижимаются друг к другу, что они просто расплющиваются. Протоны и электроны соединяются друг с другом, и получаются нейтроны. При объединении протонов и электронов выделяется невообразимое количество энергии, которое разметает внешнюю часть звезды. Тогда можно наблюдать взрыв сверхновой, означающий конец звезды. На месте массивного гиганта после взрыва остается нейтронное ядро. Дальнейшее развитие событий неотвратимо ведет к образованию черной дыры.

Предел Чандрасекара и радиус Шварцшильда.

Это классический способ образования черных дыр. Нейтронная звезда может получиться из белого карлика – звезды из класса очень плотных и горячих звезд. Здесь также играет большую роль число, равное 1,4 массы Солнца – предел Чандрасекара. Как только масса белого карлика достигает такого значения, начинается процесс «схлопывания» звезды, описанный выше. Белый карлик за минуту превращается в нейтронную звезду.

Любой луч света, выходящий с поверхности такой звезды, искривляется в пространстве, он движется почти параллельно поверхности звезды. Несколько раз, обернувшись по спирали вокруг нее, луч может вырваться в открытый космос. Теперь представим себе нейтронную звезду массой равной трем солнечным и радиусом 8,85 км. В этом случае ни один луч уже не сможет вырваться с поверхности звезды, он настолько искривится в поле звезды, что вернется обратно. Вот такие они, черные дыры!

Радиус, до которого надо сжать тело, чтобы свет не мог покинуть его, называется радиусом Шварцшильда или горизонтом событий. Хотите стать черной дырой? Тогда вам придется уменьшиться до 0, 000… всего 21 нуль после запятой сантиметров, и вас никто не увидит! Но масса ваша останется - включите свое воображение и представьте себе, что вы могли бы сделать в таком состоянии. Наверно, спокойно просочиться сквозь землю, к самому центру… Но вернемся в космос.

Белые и серые дыры .

Белая дыра есть объект, который противоположен черной дыре. Материя белой дыры выталкивается и рассеивается в пространстве. Если вещество не сжимается, а расширяется из-под сферы Шварцшильда, то данный объект является белой дырой. Серые дыры объединяют свойства черных и белых дыр.

Термин “белая дыра” появляется на симпозиуме по релятивистской астро­физике в 1969 году. Известный английский ученый Р. Пенроуз выступил на этом симпозиуме с докладом “Черные дыры и белые дыры”. Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в 1971 году вводят понятие “серая дыра”.

Природа образования массивных черных дыр понятна сейчас. Массивные звезды, расходуя свое ядерное горючее и сжимаясь, обязательно должны достичь своего гравитационного радиуса и превра­титься в черные дыры. Чтобы черная дыра образовалась таким путем, масса звезды должна быть, как минимум, в два раза больше массы Солнца. Сила гравитации менее массивного тела недостаточна для образования черной дыры.

ПУЛЬСАРЫ.

Пульсары – говорящие черные дыры.

В 1967 г. были открыты пульсары – нейтронные звезды, испускающие узконаправленные потоки элементарных частиц. Эти излучения представляют собой периодические импульсы электромагнитного спектра. Впервые они были зафиксированы как радиоизлучения. Их четкая периодичность навела астрономов, обнаруживших эти импульсы, на мысль о том, что сигналы посылаются «зелеными человечками» - инопланетянами, чтобы вступить с землянами в долгожданный контакт. Сразу же все засекретили и начали расшифровывать послание. В результате исследований, подтвержденных другими фактами, был сделан вывод, что эти сигналы принадлежат вращающейся нейтронной звезде, или черной дыре. Из-за периодичности импульсов эти космические объекты были названы пульсарами.

Как же излучение, видимое в рентгеновском спектре, вырывается из объятий черной дыры? Считается, что на поверхности пульсара нейтроны не так устойчивы. Они могут даже распадаться на протоны и электроны, которые, в свою очередь, рождают другие элементарные частицы. В сильном магнитном поле электроны разгоняются вдоль силовых линий, а на полюсах пульсара, где гравитация меньше всего, вырываются в космическое пространство. Такое представление объясняет периодичность посылаемых импульсов. Но с другой стороны, черная дыра может постепенно испариться за счет испускания элементарных частиц. Пока следы испарившихся черных дыр в космосе не обнаружены.

Черные дыры – пожиратели звездного вещества

Зато с помощью рентгеновского телескопа было обнаружено, как звездный газ отрывался от звезды в виде светящегося облака и перетекал в темную область космического пространства, где становился невидимым, проще говоря, исчезал. Вывод напрашивается сам собой.

Эта звезда, путешествуя по галактике, приблизилась к черной дыре и оказалась в ее поле тяготения. Первыми поползли в ее стороны самые неустойчивые элементы попавшей в ловушку звезды – поверхностное звездное вещество и околозвездный газ. Газообразное вещество, разогреваясь, приближается к черной дыре по спирали, высвечивая таким образом, ее местонахождение. Эта область называется «аккреционный диск» и очень похожа по своему виду на спиральную галактику.

КВАЗАРЫ.

Свет квазаров указывает на черные дыры.

В 1963 году были открыты квазары(квазизвездные источники)-самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне.

Самые яркие обнаруженные объекты Вселенной – квазары, также обязаны своим происхождением черным дырам. Особо массивные черные дыры настолько сильно притягивают к себе находящиеся поблизости космические объекты, что, приближаясь к ней толпой, они начинают светиться как 10 галактик вместе взятых. Квазар отличается переменным блеском, что, вероятно, соответствует периодичности вращения огромной нейтронной звезды, вокруг которой он образовался. Хотя точно сказать, что такое квазары, не может пока никто.

Хочется отметить любопытный факт. Когда из теории относительности Эйнштейна был сделан вывод о существовании черных дыр, многие астрономы с увлечением искали в космосе подтверждение этому предположению. И находили достаточно фактов и объектов, подтверждающих эту теорию. В настоящее время, когда накопилось достаточно фактов и наблюдений, указывающих на присутствие черных дыр в космосе, само их существование ставится под сомнение многими астрономами. Таким образом, представители homo sapiens, как и черные дыры, являются самыми загадочными объектами Вселенной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После проделанной работы можно сделать выводы:

Степень изученности Вселенной крайне мала.

Небесные тела подобны живым существам: у них есть свои этапы развития, признаки, определяющие возраст того или иного небесного тела.

Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить в будущем.

Значение этой темы в естествознании очевидна- она определяет все. Вселенная есть начало, продолжение и конец всего(хотя можно сказать, что конца у Вселенной и нет, она протсо перерождается из раза в раз). Освоение космических пространств перевернуло мировоззрение человека, повлияло на дальнейшую научную деятельность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Дагаев М.М, Чаругин В.М. Книга для чтения по астрономии.- М.: Просвещение, 1988.

2.Горелов А.А. КСЕ.- М.: ВЛАДОС, 2003.

3.Новиков И.Д. Эволюция Вселенной.- М.: Наука, 1990.

Лаплас Пьер. Изложение системы мира [пер. О.Борисенко] М.: Просвещение, 1980.

Майринк Густав. Кольцо Сатурна: сборник [ пер. с австр. И.Стебловой.].-М.: Азбука-классика, 2004.-832с.

Горелов А.А. КСЕ: Учеб. Пособие для студ.высш.учеб.заведений.- М.: Гуманит.изд.центр ВЛАДОС, 2003.- 512с.: ил.

Вселенная - совокупность галактик, их скоплений, звезд, планет, планетоидов, комет, астероидов, космической пыли и газов, всего известного человеку вещества (видимого и темного), энергии (включая темную) и излучений. В этом блоге чаще всего о Вселенной я буду говорить как предмете астрономического и космологического изучения. В визуальном смысле во Вселенной больше темных, чем освещенных участков. По одной версии видимая Вселенная - это шар, сфера диаметром 90-93 млрд световых лет. По другой это диск примерно такого диаметра. В любом случае речь идет об огромных расстояниях. Вселенная многоцентровая и неоднородная. Во Вселенной примерно 170 млрд галактик, которые местами собираются в большие скопления. В других местах есть есть пустоты. Но нет какого-то одного центра скоплений материи и энергии, нет единого центра, из которой она расширяется после Большого взрыва.

Вселенная состоит из материи и энергии. Вселенная расширяется с нарастающей скоростью. Расширения привело к тому, что стало больше пустот, чем скоплений вещества и энергии. Плотность материи во Вселенной 10 −29 г/см 3 (для сравнения - плотность чистой воды при нормальных условиях 1 г/см 3). Вселенной около 13,73 млрд лет, средняя ее температура -270°С, и уменьшается, так как звезды остывают. По современным представлениям у Вселенной было начало и будет конец. Все образования и космические тела во Вселенной движутся с огромными скоростями. Вселенная постоянно изменяется: в ней рождаются и разрушаются галактики, звезды, планеты. На современном этапе жизни у Вселенной есть границы, которые человек преодолеть не может - например, скорость света и абсолютный температурный ноль.

Как изучали Вселенную

С древних времен человека волновало, как устроен мир, где его границы, какие силы в нем действуют и побеждают. Первооткрыватели космоса сначала исследовали нашу Солнечную систему. Потом они обнаружили галактики, затем их скопления. В соответствии с современными теориями пространство и время имеет свои границы, но мы изучаем их постепенно, расширяя представление о мире. Возможно, эти границы по мере изучения расширятся, а некоторые ограничения будут сняты.

Первыми систематически изучать границы нашего мира начали древние греки. Не ощущая движения Земли вокруг Солнца и движения ее внутри галактики со всей Солнечной системой, они считали Землю неподвижным центром мироздания, вокруг которого движутся звезды, Солнце и Луна. Греки понимали, что предметы, поднятые над землей, падают вниз. Чтобы не упала Земля, она должна на что-то опираться. Фалес Милетский считал такой опорой мировой океан, Анаксимен - сжатый воздух. Анаксимандр Милетский, Парменид и Птоломей считали, что Земля обходится без опоры, так как лежит в центре мироздания, и куда-то падать у нее причин нет. Расходились их взгляды и на форму Земли. Анаксимандр считал Землю цилиндрической, Левкипп плоской. О том, что Земля - шар, впервые догадался Пифагор. Также считали Платон и Аристотель. Их представления о мире стали основой для ученых на многие века. Хотя уже среди греческих ученых были такие, которые пытались ставить в центр мира Солнце. Но они были в меньшинстве. Греческие философы также пытались объяснить, из каких элементов состоит мир. Аристотель говорил, что небо - это купол, на котором закреплены звезды. Пространство купола разделено на подлунный и надлунный мир. Подлунный свет содержит 4 первоэлемента - земля, вода, ветер и огонь. Надлунный свет - место, где есть пятый элемент (эфир) и где живут боги. Но древнегреческие боги, в отличие от бога христианского, не были склонны вмешиваться в дела ученых. Спорили греческие ученые и о том, что ближе к Земле - Солнце, Луна или звезды, откуда берутся метеориты. Анаксагор пришел к выводу, что метеориты слагаются из того же материала, что и Земля. Другие планеты Солнечной системы греки считали божествами. Несмотря на ошибочность геоцентрической модели мира, Анаксагор и другие философы заложили основы современной астрономии.

Аристотель Пифагор

В средневековье в европейскую астрономию серьезно вмешивалась христианская церковь. Вместо научных доводов она принимала мнения богословов, оценивая их по выгоде для стройности верований, а не по логичности и доказательности. После II века до н.э в философии доминирующими стали мистицизм или религиозный догматизм, поэтому на место астрономии пришла астрология. Антропоцетризм христианских верований, заключавшийся в том, что Земля создана богом для людей, значительно лучше воспринимал геоцентрическую систему . Средневековые астрономы Индии, Иудеи, латинских стран и исламского Востока также чаще опирались на работы Аристотеля и Птолемея. Упадок в средневековой европейской науке не позволял ученым не то что опровергнуть работы греков математически, но даже просто понять их. Геоцентрическая система существовала много веков, пока польский астроном Николай Коперник снова уверенно не заявил о гелиоцентрической системе мира. Он четко говорил, что Земля совершает оборот вокруг своей оси за сутки и вокруг Сонца за год. Новая система легко объяснила непонятное до того попятное движение планет (когда планета в какой-то момент начинается двигаться по небосводу в обратную сторону). С этого момента началась новая научная революция.

Коперник

Николай Коперник считал, что Земля и другие планеты Солнечной систем движутся вокруг Солнца равномерно. Свою теорию он изложил в книге 1543 года "О вращении небесных сфер". Он относительно четко рассчитал расстояние от Солнца до планет Солнечной системы.

Знаменитая картина Я. Матейко. 1873 год

Николай Коперник на польской банкноте в 1000 злотых

В 1572 году на небе зажглась сверхновая звезда (Тихо Браге). Она была видна даже днем. Глядя на нее, Томас Диггес (Оксфорд, Англия) засомневался, что небо - сфера. Новая звезда была явно за ее пределами. Но предстояло еще осмыслить отсутствие "небесной тверди" и отказаться от промежуточной гео-гелиоцентрической системы мира. Наиболее весомым в эти процессы был вклад Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Иоганн Кеплер доказал, что Солнце находится в геометрическом центре звездно-планетарной системы. Он также понял , как связаны периоды обращений планет и размеры их орбит: квадраты периодов обращений планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. На основании этих открытий были составлены новые более точные таблицы движения планет.

В одно время с Иоганном Кеплером работал и итальянский физик, математик, астроном и философ Галилео Галилей. Он впервые использовал телескоп для наблюдения за небесными телами. В 1609 году, рассматривая в телескоп Млечный путь, он увидел, что его создают отдельные звезды. Он описал горы на Луне и 4 спутника Юпитера. Свои открытия он описал в работе «Звёздный вестник» (1610 год). Его открытия сделали популярным конструирование телескопов и одновременно нанесли тяжелый удар астрологии, разрушая некоторые ее традиции. Галилей открыл фазы Венеры, пятна на Солнце (описаны в книге «Письма о солнечных пятнах») и вращение Солнца вокруг оси. Своими открытиями и характером спорщика он нажил себе много врагов в церковных кругах и был обвинен инквизицией в ереси. В 1616 году римский папа Павел V официально назвал гелиоцентризм опасной ересью. Книга Коперника "О вращении небесных сфер" была внесена в перечень запрещенных. Авторитет Галилея защитил его от гонений, но открыто защищать труды Коперника он больше не мог. Галилей ошибся в толковании комет, считая их оптическими явлениями. Но даже эта ошибка способствовала дальнейшему развитию науки, пониманию относительности движения и инерции.

Точку в спорах о справедливости гелиоцентрической системы, длившихся более полутора веков, поставил Исаак Ньютон. В 1687 году он вывел из закона всемирного тяготения законы Кеплера.

В конце 18-го века Уильям и Каролина Гершель создали новое поколение телескопов. Они взяли за основу телескоп Исаака Ньютона, но заменили стеклянные зеркала металлическими. С помощью нового телескопа 13 марта 1781 года Уильям Гершель открыл Уран, за что получил почетное звание королевского астронома. В 1785 году он опубликовал первую карту галактики. В 1789 году астроном открыл спутники Сатурна Мимас и Энцелад, затем спутники Урана Титанию и Оберон. Его таланту мы также обязаны открытием инфракрасного излучения (далее и в тэгах - ИК). Он также увидел туманности, но не смог их объяснить.

Астрономы продолжали работу по измерению расстояния до звезд. Методом параллакса точно измерили расстояние от Земли до Солнца, но оказалось, что этот метод был ограничен расстоянием 300 млн км. Нужен был другой метод. Его предложила Генриетта Ливитт, научный сотрудник Гарвардского университета. Она сделала открытие: яркость звезды зависит от расстояния до нее. Это помогло измерить расстояние до многих звезд и туманностей. В честь Г. Ливитт были названы астероид и кратер на Луне.

Позже узнали, что Вселенная началась с Большого взрыва, что галактика - не полоса из звезд, а диск, который постоянно и быстро вращается. Солнечная система - тоже условный диск внутри галактики. Когда-то это был настоящий диск пыли и газа. В дискообразном облаке газов и пыли сформировались Солнце и планеты Солнечной системы. А в плоскости условного диска теперь лежат орбиты всех планет Солнечной системы. Движение по орбитам уравновесило силу гравитации и силу взрыва от рождения в центре диска Солнца. Траектория планетарного движения подчиняется тем же законам физики, что и движение предметов в нашем макромире. В микромире, на уровне элементарных частиц, действуют другие законы. Об этом я подробнее расскажу позже. Здесь уместно немного рассказать об Эдвине Хаббле.

Астроном Эдвин Хаббл сделал несколько важнейших открытий. Он обнаружил, что во Вселенной ни одна галактика, а множество. Это открытие он сделал, используя 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории «Маунт-Вилсон» (Лос-Анджелес, Калифорния, США). Он понял, что идентифицированные им в туманностях Андромеды и Треугольника цефеиды (пульсирующие переменные звезды) находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного пути. Эти цефеиды были позже названы цефеидами Хаббла. Описание Э. Хабблом туманности Андромеды позже помогло установить размеры Вселенной.

Вторым важным открытием стало то, что большинство галактик отдаляется друг от друга. Оказалось, что несколько галактик движутся в нашу сторону, и в рассчитанные сроки произойдет столкновение этих галактик с Млечным путем. Но все остальные галактики быстро отдаляются от нас. Причем чем дальше от нас галактики, тем быстрее они от нас отдаляются. Но как он это доказал? Э. Хаббл изучал движение галактик, фиксируя их световые волны. Если галактика приближается, ее световые волны сжимаются и становятся синими. Если удаляются, волны расширяются и становятся красными. Явление изменения длины, а вместе с ней и цвета волн, называется эффектом Доплера . "Красное смещение" спектра показало: большинство галактик удаляется друг от друга. К слову, это также подтверждает, что Большой взрыв действительно был.

В 1998 году была опубликована работа , в которой было доказано, что скорость расширения Вселенной увеличивается за счет темной энергии. Через 100 млрд лет, если мы будем живы, то будем видеть только редкие звезды Млечного пути, а Вселенная вокруг станет тусклой и пустой.

Вселенная состоит из одних и тех же 92-х химических элементов, присутствующих в периодической таблице Д.И. Менделеева - от водорода +1 до урана +92 . От порядкового номера (заряда) зависят свойства химических элементов. На сегодня эту зависимость определяют так : свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов. Разнообразие форм видимой материи определяется также распространенностью элементов. Чем она выше, тем больше шансов для химических взаимодействий. Самый распространенный элемент Вселенной - водород (75%). Далее следуют гелий (23%), кислород (1%), углерод (0,5%), неон (0,13%), железо (0,11%), азот (0,1%), кремний (0,07%), сера (0,05%) и т.д. Распространенность углерода, а также его способность создавать цепочки и кратные связи во многом объясняют причины возникновения биологической жизни на углеродной основе. Часть элементов входят в состав газов, часть являются галогенами или металлами. Например, Ca +20 и Na +11 в чистом виде - серебристые металлы. Но в таком виде мы их обычно не видим. Но если речь идет о Земле, то понятно, как именно мы узнали о составе почвы, атмосферы, воды в океанах и т.д. Еще до полета к планетам Солнечной системы ученые знали: атмосфера Венеры наполнена серой, а почва Марса - железом. Когда до них добрались, это подтвердили и уточнили. Но мы вероятно очень не скоро доберемся даже до ближайших звездных систем. До ближайшей к нам Проксима Центавры целых 4,22 световых года. Так откуда же мы знаем, из каких элементов она состоит? Благодаря спектральному анализу . Изучить индивидуальные спектры элементов позволило их сжигание. Барий горит зеленым огнем, медь - синим, стронций - красным. Таким образом мы ответили на еще один важнейший вопрос о первоэлементах Вселенной. Правда, на это вопросы не окончились.

Выполнила студентка гр.ПИ-05-1: Цааева Д.Б.

Грозненский государственный нефтяной институт
имени академика М.Д. Миллионщикова

Данная работа дает описание о том, что собой представляет научная картина мира, так же дается краткое описание представлении о Вселенной (Наше представление о Вселенной, Рождение Вселенной и т.д.).

Данная работа включает 10 страниц.

Научная картина мира - целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях действительности, построенная в результате обобщения и синтеза фундаментальных научных понятий и принципов.

Научная картина мира существенно отличается от религиозных представлений о мире, которые основаны не столько на доказанных фактах, сколько на авторитете пророков и религиозной традиции. Религиозные интерпретации концепции мироздания постоянно изменяются, чтобы приблизить их к современным научным трактовкам. Так, ещё несколько сотен лет назад христиане, буквально толкуя Библию, считали, что небо - твёрдое («твердь»), а мусульмане, согласно Корану, полагали, что Солнце заходит в «мутный колодец». Догмы разных религий, как правило, противоречат друг другу, и эти противоречия весьма трудно преодолеть (в отличие от научных противоречий, которые преодолеваются экспериментальным путём).

Как-то один известный ученый (говорят, это был Бертран Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля обращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, обращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась маленькая пожилая леди и сказала: "Все, что вы нам говорили, - чепуха. На самом деле наш мир - это плоская тарелка, которая стоит па спине гигантской черепахи". Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: "А на чем держится черепаха?" - "Вы очень умны, молодой человек, - ответила пожилая леди. - Черепаха - на другой черепахе, та - тоже на черепахе, и так все ниже и ниже".

Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.

В соответствии с данными космологии, Вселенная возникла в результате взрывного процесса, получившего название Большой взрыв, произошедшего около 14 млрд. лет назад. Теория Большого взрыва хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами (например, расширением Вселенной и преобладанием водорода) и позволила сделать верные предсказания, в частности, о существовании и параметрах реликтового излучения.

В момент Большого взрыва Вселенная занимала микроскопические, квантовые размеры.

В соответствии с инфляционной моделью, в начальной стадии своей эволюции Вселенная пережила период ускоренного расширения (инфляции). Предполагается, что в этот момент Вселенная была "пустой и холодной" (существовало только высокоэнергетическое скалярное поле), а затем заполнилась горячим веществом, продолжавшим расширяться.

Переход энергии в массу не противоречит физическим законам, например, рождение пары частица-античастица из вакуума можно наблюдать и сейчас в некоторых научных экспериментах.

Одно из важнейших свойств Вселенной - она расширяется, причём ускоренно. Чем дальше расположен объект от нашей галактики, тем быстрее он от нас удаляется (но это не означает, что мы находимся в центре мира: то же самое справедливо для любой точки пространства).

Видимое вещество во Вселенной структурировано в звёздные скопления - галактики. Галактики образуют группы, которые, в свою очередь, входят в сверхскопления галактик. Сверхскопления сосредоточены в основном внутри плоских слоёв, между которыми находится пространство, практически свободное от галактик. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, напоминающую «ноздреватую» структуру хлеба. Однако на ещё больших расстояниях (свыше 1 млрд. световых лет) вещество во Вселенной распределено однородно.

Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При обращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих "неподвижных" звезд чуть-чуть меняют свое положение относительно друг друга, т. е. на самом деле они вовсе не неподвижны!

Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее заметно их перемещение.

Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, может быть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особой притягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселенная останется вечной и неизменной.

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2002. – 208с.

Канке В.А. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. Изд. 2-е, испр. – М.: Логос, 2003. – 368с.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. ГУП «Издательство», «Высшая школа», 2001.

Уходящий век навсегда останется выделенным особо в истории астрономии. Открыть Вселенную можно только один раз. Астрономы вступили в XX век с представлениями о единственной всеобъемлющей звездной системе Млечного Пути. Мы расстаемся с этим веком в расширяющейся Вселенной, наполненной мириадами систем, подобных нашей Галактике, и с подозрением о существовании множества вселенных, совсем непохожих на нашу. В XX веке была также разгадана природа главных объектов астрономии, давших свое имя нашей науке. Потомки будут завидовать астрономам XX века за то, что именно нам удалось понять, почему светят звезды.

Попробуем набросать здесь, по неизбежности широкими мазками, очерк истории исследований, приведших к открытию Вселенной и созданию теории звезд. Эти великие достижения открыли новые горизонты и новые проблемы, о которых мы также вкратце расскажем.

Главный вопрос, волнующий нас при обращении к прошлому, состоит в том, может ли исследование путей познания утвердить нас в достоверности наших нынешних представлений о Вселенной. Кто владеет прошлым, тот может предсказать будущее. Обычно считается, что уже с конца XVIII века ученым людям каждого поколения было свойственно думать, что основы мироздания уже постигнуты, что остается лишь уточнить детали. Закон всемирного тяготения превосходно описывал движения планет и двойных звезд, и до XX века казалось, что законов ньютоновской механики достаточно для наблюдаемой картины мира. Это мнение приписывается обычно П. С. Лапласу, однако по существу он говорил лишь о перспективе обнять "в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением легчайших атомов", что остается в известном смысле величайшей задачей и современного естествознания.

Успехи астрономии будущего, по словам Лапласа, зависели от трех условий: измерения времени, измерения углов и от совершенства оптических инструментов, причем "первые два в настоящее время не оставляют желать почти ничего лучшего". Ныне, два века спустя, устарело лишь первое условие - измерение времени перешло в ведение атомной и молекулярной физики и достигло предела точности, определяемого законами квантовой механики. В измерениях углов после почти двухвекового застоя применение интерференционных методов и выход в космос привели недавно к радикальному прогрессу, пределов которому не видно. Совершенствование оптических инструментов, на которое Лаплас возлагал особые надежды (ибо измерения углов и времени, как ему казалось, почти достигли предела возможного...), также ничем не ограничено. В конце XX века количество гигантских наземных телескопов с зеркалами, превышающими пять метров в диаметре, превысило дюжину и скоро достигнет двух десятков; разрабатывается проект 100-м телескопа. Лаплас не подозревал о возможности наблюдений в других диапазонах электромагнитного спектра, помимо оптического. Тем более не мог он помыслить о делающей ныне первые шаги нейтринной астрономии или о приемниках гравитационного излучения, которые заработают через пару лет.

Как открыли галактики

Измерение углового расстояния между небесными объектами и приходящего от них излучения - на все века единственное оружие астрономов. Доставленные на Луну, Венеру и Марс приборы выводят эти планеты из ведения астрономии, хотя получаемые при этом данные все равно регистрируются астрономическими методами - радиотелескопами.

С какими же наблюдательными средствами вступила астрономия в XX век? Крупнейшими инструментами были 40-дюймовый рефрактор Йеркской обсерватории и 36-дюймовый рефлектор Кросслея, работавший на Ликской обсерватории. В 1908 г. вступил в строй 60-дюймовый телескоп на Ма-унт-Вилсон. Эти два рефлектора с помощью фотографических пластинок фактически и открыли мир галактик, исследование которых явилось главной задачей астрономии XX века.

Конечно, видели их давно. Магеллановы Облака на южном небе, Туманность Андромеды на северном заметны и невооруженным глазом. Вильям Гер-шель в конце XVIII века составил каталог звездных скоплений и туманностей (большинство которых составляли именно далекие галактики), в котором было около 2500 объектов. К концу XIX века 13673 объекта было занесено в NGC - Новый генеральный каталог туманностей и звездных скоплений. В начале XX века Кросслеевский рефлектор зарегистрировал на фотографических пластинках около 120000 "слабых туманностей", но об их природе еще долго продолжались споры, начавшиеся в XVIII веке.

Сам Вильям Гершель считал, что слабые пятнышки света, видимые в его гигантские рефлекторы, могут быть далекими системами звезд, хотя некоторые туманности, по его мнению, могут быть истинными и состоять из диффузной светящейся материи.

Однако итоговое суждение XIX века оказалось другим. В книге о развитии астрономии в XIX веке Агнес Кларк писала: "Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения. Прогресс исследований ответил на него. Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путем".

В первые два десятилетия нашего века по-прежнему господствовало убеждение, что все видимые на небе звезды и туманности принадлежат к гигантской всеобъемлющей системе Млечного Пути, близ центра которой находится Солнце. Это была так называемая "Вселенная Каптейна", схема, за которую голландский астроном Я. Каптейн боролся до самой смерти в 1922 г.

Для решения вопроса о природе "слабых туманностей" было необходимо знать расстояние до них. Здесь могли помочь только фотометрические методы, но для их применения надо было знать светимость (абсолютную величину) каких-либо объектов, находящихся внутри этих туманностей, и сравнить ее с видимой величиной. Эту задачу впервые решил американский физик Ф. Вери в 1911 г. Сначала он оценил расстояние до Новой Персея 1901 г., сравнивая со скоростью света угловую скорость расширения туманности, возникшей после вспышки вокруг звезды. Он предполагал (совершенно справедливо), что расширение туманности - это не что иное, как распространение волны освещения межзвездной среды, окружающей Новую звезду, ее вспышкой. Затем Вери сравнил (определенную им из расстояния и видимой величины) светимость Новой Персея с видимой величиной Новой 1885 г., вспыхнувшей близ центра Туманности Андромеды, и оценил расстояние до туманности в 500 пс. Более слабые "белые" (в отличие от зеленоватых газовых) туманности, заключил Вери, лежат на расстояниях в миллионы парсек. Все правильно в этом рассуждении, кроме того, что Новая 1885 г. была на самом деле Сверхновой, ярче обычных Новых в десятки тысяч раз - и значит, расстояние до М31 не 500 пс, а в тысячи раз больше...

К 1920 г. в Туманности Андромеды стали известны три подлинные Новые звезды, и все они были на 10-12т слабее звезды 1885 года. Это различие было одним из аргументов X. Шеп-ли против внегалактической природы М31 и вообще слабых туманностей (тогда еще не были известны сверхновые звезды).

Он использовал его в так называемом "великом споре" с астрономом Ликской обсерватории Г. Кертисом, который первым понял, что вспышка 1885 г. в М31 - особый случай. Этот диспут организовала Национальная академия наук США в 1920 г. Наиболее важным аргументом Шепли было то, что сгущения в спиральных рукавах галактик обнаруживали, по данным А. ван Маанена, заметные собственные движения. Сравнение угловой и линейной (по лучевым скоростям) скоростей вращения спиральных туманностей давало расстояние; для туманности Треугольника (МЗЗ), например, оно получалось равным 2000 пс. Это расстояние помещало МЗЗ глубоко внутри системы Млечного Пути, размеры которого Шепли незадолго перед тем оценил в 100 000 пс.

Шепли опирался на зависимость период-светимость для цефеид, обнаруженную Г. Ливитт в 1908 г. по наблюдениям этих звезд в Магеллановых Облаках. Сначала он определил расстояния до ряда шаровых звездных скоплений, содержащих цефеиды, а затем, опираясь на них, разработал способы оценки расстояний и для скоплений, цефеид не содержащих. Он предположил, что концентрация шаровых скоплений в созвездии Стрельца объясняется тем, что они сгущаются к центру звездной системы Млечного Пути, и нашел расстояние до него в 15000 пс.

Кертис же считал, что это расстояние намного меньше, а зависимость период-светимость для цефеид ненадежна. Но он был совершенно прав, отстаивая внегалактические расстояния "слабых туманностей" и объясняя их отсутствие в полосе Млечного Пути концентрацией в ней вещества, поглощающего свет. В такого рода дискуссиях всегда оказывается, что частично правы были обе стороны.

Таким образом, еще в начале 20-х гг. конкурировали две системы мироздания. По Шепли, в нашей гигантской Галактике, системе Млечного Пути, Солнце помещалось на далекой окраине, как и "слабые туманности". Вселенная Каптейна содержала Солнце близ центра и была намного меньше. О том, что же находится за пределами системы Млечного Пути, обе схемы мироздания поразительным образом умалчивали, хотя некоторые астрономы были убеждены (как и Гершель в XVIII веке!), что многочисленные слабые туманности являются огромными звездными системами, сравнимыми с нашей, и что спиральные Туманности Андромеды и Треугольника - лишь ближайшие из них.

Полностью уверен в этом был К. Лундмарк, который считал, что на фотографиях, полученных Дж. Ричи еще в 1908 г. на 60-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, в МЗЗ видны отдельные звезды и оценил расстояние туманности в 300 000 пс. Более того, еще в 1887 г. И. Робертс на своем 20-дюймовом рефлекторе получил фотографии, на которых во внешних частях галактики Андромеды можно увидеть отдельные звезды... Но увидеть можно только то, что считаешь возможным увидеть. Когда в начале 20-х гг. Хьюмасон показал Шепли несколько переменных звезд - вероятных цефеид, отмеченных им на пластинке с изображением туманности Андромеды, Шепли стер его отметки - в этой газовой туманности не могло быть звезд! Ошибочность этого мнения была окончательно доказана в 1924 г. Э. Хабблом, использовавшим новый 100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вилсон. Он нашел цефеиды в МЗЗ и в М31 и по ним определил расстояния, оказавшиеся близкими к оценкам Лундмарка; обе системы оказались далеко за пределами системы Млечного Пути даже при завышенных Шепли размерах нашей Галактики.

Что же касается собственных движений "узлов" спиральных рукавов, то лишь к середине 30-х годов было доказано, что они отражают лишь ошибки измерений.

Вскоре, опираясь на расстояния до ближайших галактик, Хаббл смог оценить расстояния и до более далеких систем и к 1929 г. представил доказательства того, что лучевые скорости галактик возрастают с увеличением расстояний до них. Тот факт, что далекие туманности имеют большие положительные лучевые скорости, был известен давно, но Хаббл впервые, располагая надежными расстояниями, смог уверенно определить коэффициент пропорциональности между расстояниями и скоростями галактик, известный ныне как постоянная Хаббла.

Из найденной Хабблом зависимости следовало, что Вселенная расширяется: все расстояния между всеми галактиками увеличиваются со временем. И это открытие остается величайшим результатом астрономии не только XX века. Вселенная населена галактиками, и она расширяется! Переворот, произошедший в сознании астрономов за какой-то десяток лет, сравним по своей значимости с революцией Коперника.

Теория строения и эволюции звезд

XIX век не принес понимания природы звезд, было лишь доказано старое предположение, что звезды - это далекие солнца. Гравитационное сжатие было предложено лордом Кельвином как источник энергии звезд, но этого источника хватало лишь на миллионы лет, а эволюция форм жизни на Земле требовала времени в сотни раз большего. Мы понимаем теперь, что во времена, когда даже понятие кванта света было неизвестно, сама постановка вопроса об источниках энергии звезд была преждевременна. Кто знает, о каких наших проблемах то же самое скажут наши потомки...

Наблюдательные данные, которые должна была объяснить теория строения и эволюции звезд, также появились лишь в нашем веке. Э. Герцшпрунг в 1908 г. и Г. Рессел в 1910 г. построили диаграмму, связывающую температуру поверхности звезды с ее светимостью. Было обнаружено, что большинство звезд расположено вдоль главной последовательности, тянущейся от горячих ярких звезд до слабых и холодных, но имеется еще и группа холодных, но ярких звезд - красных гигантов и сверхгигантов.

Объяснение этой диаграммы стало важнейшей задачей теории внутреннего строения звезд, в создании которой особая заслуга принадлежит А. Эддингтону. Он разработал к 1924 г. модель звезды, механическая устойчивость которой определяется балансом силы тяжести и лучевого плюс газового давления. Это давление удерживает звезду от безудержного сжатия, и обеспечивается оно очень высокой температурой, нарастающей к центру звезды. Но что создает эту температуру, что является источником звездной энергии? Дж. Джинс считал, что это аннигиляция, превращение вещества в энергию, а Эддингтон - что это ядерные реакции, превращение элементов. Он говорил в 1926 г., что возможное в лаборатории Резерфорда не может оказаться слишком трудным для природы, и что "разумно надеяться, что в не слишком отдаленном будущем мы будем способны понять такую простую вещь, как звезда".

В те же годы было разгадано происхождение линий в спектрах звезд и тем самым были определены температуры и химический состав их поверхностных слоев. Это сделала в 1925 г. Ц. Пейн, ученица Рессела, на основе теории возбуждения и ионизации атомов, которую разработал незадолго до того М. Саха. Выяснилось, что относительное содержание химических элементов у всех звезд примерно одинаково и близко к солнечному: на 96-99.9% внешние слои звезд состоят из водорода и гелия, а остальное составляет железо, кальций и др. примерно в той же пропорции, как и средний химический состав Земли и метеоритов.

Резкое различие спектров звезд было объяснено различием температур их поверхностей, хотя содержание элементов тяжелее гелия может отличаться в сотни раз. Перед теорией встала вторая задача принципиального значения - объяснить химический состав звезд и вообще вещества Вселенной.

Отныне, с 20-х годов XX века уже развитие астрономии стало зависеть от успехов физики, которая начала возвращать свой старый долг астрономии - основы механики были созданы Галилеем, Ньютоном, Лагранжем и Лапласом на основе астрономических данных. Успехи ядерной физики позволили Г. Бете (ныне здравствующему!) заложить в 1938 г. основы теории источников энергии звезд. Концентрация большинства звезд на главной последовательности диаграммы Герщшпрунга-Рессла была объяснена тем, что это самая длительная стадия эволюции, на которой источником энергии звезд является превращение водорода в гелий. Эта реакция в ее взрывном варианте была осуществлена на Земле в 1952-1953 гг., но начавшиеся в те же годы работы по созданию управляемого термоядерного реактора все еще не увенчались успехом. Достигнутое в середине XX века понимание природы звезд и, в особенности, источников их энергии является величайшим триумфом естествознания.

Теория источников энергии и строения звезд в соединении с данными о диаграммах Герцшпрунга-Рессла звездных скоплений, звезды в каждом из которых образовались, без сомнения, совместно и почти одновременно и отличаются лишь массами, позволила в середине века понять основные закономерности эволюции звезд. Она идет тем быстрее, чем больше их масса, а пропорциональная кубу массы светимость определяет темп расхода ядерного горючего.

Наиболее населенная часть диаграммы, главная последовательность, заполнена звездами на продолжительной стадии горения водорода в ядре, после выгорания которого ядро сжимается, а оболочка звезды распухает. Наиболее массивные звезды скопления первыми переходят в стадию красных сверхгигантов и гигантов, у которых идет горение гелия в ядре. По светимости самых ярких звезд, еще оставшихся на главной последовательности, определяется их возраст и, следовательно, возраст всего скопления. Более тяжелые элементы, вплоть до железа, образуются на последующих все более кратких стадиях эволюции, заканчивающейся у массивных звезд вспышкой звезды как Сверхновой, в процессе которой образуются и более тяжелые элементы. При вспышках сверхновых и образовании планетарных туманностей (на поздних стадиях эволюции менее массивных звезд) элементы тяжелее гелия поступают в межзвездную среду и участвуют затем в образовании космической пыли, комет и планет.

Уже в 40-х годах стало ясно, что запасов ядерного горючего у наиболее расточительных звезд высокой светимости хватает лишь на миллионы лет - они должны образовываться в наше время. Постоянное соседство этих звезд с газопылевыми туманностями указывало на их генетическую связь, и Ф. Уиппл еще в 1942 г. заключил, что межзвездное вещество является единственным очевидным источником вещества для построения звезд. Молодость звезд высокой светимости вскоре получила подтверждение из совсем других соображений. В 1947 г. В. А. Амбарцумян заключил, что в разреженных группировках этих звезд, звездных ассоциациях, звезды не могут долго удерживаться вместе взаимным тяготением, и, следовательно, эти группировки образовались недавно. Вывод о групповом образовании звезд, продолжающемся и в наше время, стал общепризнанным.

Строение галактик

Открытие населенной галактиками Вселенной было и открытием нашей Галактики как одной из многих. Мы могли теперь сравнивать нашу звездную систему с другими и, наоборот, опираться при их изучении на знания о нашей Галактике. Две трудности препятствуют исследованиям Галактики. Одна из них - поглощение (точнее, рассеивание) света в облаках газа, содержащих также примесь твердых частиц, в основном углерода, из-за чего уменьшается видимый блеск звезд и искажаются их фотометрические расстояния, единственно определяемые для удаленных объектов. Бороться с поглощением света научились лишь недавно, ведя наблюдения в далеком инфракрасном диапазоне, в котором оно мало. Развитие интерференционных наблюдений из космоса в ближайшие десятилетия позволит определять расстояния объектов в нашей Галактике геометрически, без знания их светимости и видимого блеска, исправленного с учетом поглощения. Однако вторая трудность носит принципиальный характер. Мы живем близ экватора нашей дискообразной звездной системы и не можем окинуть ее взглядом сверху. С этим уже ничего не поделаешь. Надежда на то, что когда-нибудь мы установим связь с разумными существами, живущими хотя бы в килопарсеке над (или под) плоскостью Галактики, и они поделятся своими фотографиями, слаба...

В 40-х гг. было установлено, что в Галактике имеются два типа звездного населения. Население типа I, к которому относится Солнце, рассеянные скопления, звезды-сверхгиганты, облака газа и пыли концентрируется к плоскости Галактики, а население типа II (шаровые скопления, планетарные туманности, некоторые звезды-гиганты и др.) - к ее центру, образуя сфероидальное гало.

Распознание двух типов звездного населения было итогом серии работ, начавшихся с доказательства вращения Галактики Я. Оортом в 1927 г. Он показал, что распределение лучевых скоростей и собственных движений звезд по небу такое, какое следует ожидать, если звезды вращаются вокруг центра Галактики. Несколько раньше Б. Линдблад объяснил высокую лучевую скорость шаровых скоплений тем, что на самом деле система этих скоплений вращается вокруг центра Галактики медленно, а Солнце и другие звезды галактического диска - быстро, и их высокие наблюдаемые скорости являются лишь отражением движения Солнца.

Направление, перпендикулярное векторам скоростей шаровых скоплений, указывало на созвездие Стрельца, где помещается также и область их наибольшей концентрации. Стало окончательно ясно, что Шепли был прав, предполагая, что центр системы шаровых скоплений является и центром всей Галактики.

В работах Линдблада, Оорта и Боттлингера было заподозрено различие не только кинематических характеристик, но и физических типов звезд диска и гало Галактики. Однако только в работе В. Бааде, опубликованной в 1944 г., появилась концепция двух типов звездного населения.

Пользуясь пластинками, чувствительными к красным лучам, и низкой яркостью ночного неба, связанной со светомаскировкой военного времени, благодаря которой огни Лос-Анджелеса перестали подсвечивать небо над обсерваторией Маунт-Вилсон, Бааде получил серию длинных экспозиций центральной части галактики Андромеды и смог разрешить ее на звезды. Хабблу это не удалось, и он даже считал возможным, что ближе к центру М31 состоит из газа. Что же это были за звезды? Конечно, красные гиганты. Однако в рассеянных скоплениях нашей Галактики они столь слабы, что если это были бы такие же звезды, то в М31 они были бы недоступны для наблюдений. Бааде предположил, что это гиганты, но только другого типа - типа тех, что наблюдаются в шаровых скоплениях (они на 3 звездные величины ярче). И тогда все сразу стало на место. Не только шаровые скопления, но и типичные для них звезды поля концентрируются к центру спиральных галактик. Бааде назвал их населением типа II, а звезды галактического диска и рассеянные скопления - населением типа I.

Вскоре было найдено, что два типа звездных населений отличаются не только кинематикой и распределением в пространстве (что было детально изучено в работах П. П. Паренаго и Б. В. Кукаркина). Содержание тяжелых элементов у объектов населения II оказалось в сотни раз меньше, чем у населения I. Создание к концу 50-х гг. теории звездной эволюции дало возможность оценить возраст звезд. У населения II он составляет около 10-15 млрд. лет, тогда как у подавляющего большинства объектов диска возраст не превышает 8 миллиардов лет и может быть сколь угодно мал. Иными словами, только в диске наблюдаются признаки звездообразования, идущего на наших глазах в газопылевых облаках, которые показывают наибольшую концентрацию к плоскости Галактики.

Содержание элементов тяжелее гелия у всех звезд населения I "нормальное" (близкое к солнечному) именно потому, что они образовались из газа, уже обогащенного этими элементами при вспышках сверхновых. Это обогащение шло очень быстро в первые миллиарды лет жизни Галактики. Образование звезд и скоплений населения II было кратковременным и бурным эпизодом, в конце которого началось и продолжается до сих пор образование звезд населения I.

Большинство спиральных галактик, видимых с ребра, четко показывают плоскую дискообразную систему голубых (молодых) звезд и газопылевых облаков, перпендикулярную оси вращения галактики, и сфероидальную систему шаровых скоплений, концентрирующихся к центру галактики. Эллиптические галактики состоят почти исключительно из объектов населения II, а в неправильных - преобладает население I.

Природа спиральных рукавов галактик долгое время была загадкой. Дж. Джинс писал в 1929 г., что пока спиральные рукава остаются необъясненными, нельзя доверять теориям строения галактик. Он допускал, что в рукавах закручивается вещество, выбрасываемое из ядер галактик из других пространственных измерений. Еще недавно защищал близкую точку зрения X. Арп. Однако движение вещества вдоль рукава отсутствует, наблюдается замедление движения звезд и газа вокруг центра галактики при их попадании в рукава. Это говорит о том, что тянущиеся на десятки килопарсек правильные симметричные относительно центра галактики рукава - это спиральные волны повышенной плотности газа и звезд, возникшие благодаря спиральному возмущению гравитационного поля галактики. Причиной его считают наличие спутника, как у М51, или наблюдающиеся у всех спиральных галактик с такими рукавами отклонения их центральных частей от осевой симметрии - они имеют овальную форму.

Космологическая проблема

Таким образом, к середине века был заложен незыблемый и ныне фундамент наших представлений о природе звезд, о строении галактик и их систем. В 1952 г. нашла разрешение, казалось бы, последняя проблема, препятствовавшая всеобщему признанию их правильности. Найденная Хабблом в 1929 г. скорость расширения Вселенной означала, что около двух миллиардов лет назад все вещество было в точке и имело бесконечно большую плотность.

Это следовало и из космологических построений, основанных на общей теории относительности Эйнштейна, но возраст Вселенной получался неприемлемо малым, около двух миллиардов лет - меньше возраста Земли, известного из данных геологии . Величина, обратная постоянной Хаббла, дает "возраст Вселенной" - время, прошедшее с начала ее расширения. Оно определяется расстояниями до галактик, которые до сих пор основаны на светимостях цефеид и их видимых величинах в близких галактиках. В 1952 г. В. Бааде в результате исследований галактики Андромеды на 5-м рефлекторе, регулярные наблюдения на котором начались в 1949 г., пришел к выводу, что цефеиды ярче примерно на полторы звездные величины, чем считал Хаббл. Выявилась и еще одна его ошибка. Расстояния далеких галактик Хаббл определял, измеряя яркость их ярчайших звезд, но многие из них оказались компактными звездными скоплениями, светимость которых намного больше, чем у индивидуальных звезд. В результате вместо 500 км/с/Мпс у Хаббла постоянная его имени стала составлять 50-100, а возраст Вселенной - около 15-20 млрд. лет. К этому времени было уже ясно, что возраст самых старых объектов населения II, шаровых звездных скоплений, составляет около 10-15 млрд. лет. В картине эволюции звезд, галактик и Вселенной не было больше противоречий.

Известное завершение она получила в 1965 г., когда было обнаружено микроволновое фоновое излучение, реликт первоначального горячего состояния Вселенной. Оно возникло в момент отделения вещества от излучения, когда его температура составляла около 4000 градусов, но ныне, из-за расширения Вселенной, температура реликтового излучения составляет 2.7 К. Подтвержденная этим открытием космологическая модель первоначально горячей расширяющейся Вселенной объяснила, почему даже в самых старых звездах населения II наблюдается высокое (25-30%) содержание гелия - он образовался, в основном, еще в дозве-здном газе на ранней стадии расширения. На более поздней стадии начальные флуктуации плотности развились в протоскопления галактик, над проблемой происхождения которых успешно работали Я. Б. Зельдович и его школа. Открытие реликтового излучения подтверждало космологическую модель Фридмана и делало ненужной модель квази-стационарной Вселенной Ф. Хойла и Г. Бонди, согласно которой плотность расширяющейся, но вечной Вселенной всегда остается постоянной из-за появления нового вещества.

Казалось, что основные проблемы астрономии решены - исходные мгновения расширения Вселенной составляли уже чисто физическую проблему, для решения которой требовалось развитие теории квантовой гравитации. Все трудности, вроде бы, удалось "смести под этот ковер".

Правда, оставалось облачко сомнений, зародыш которого возник еще в 1933 г. Ныне оно разрослось в гигантскую проблему ненаблюдаемой, темной материи, общую и для физики, и для астрономии.

В 1933 г. Ф. Цвикки обнаружил, что разброс (дисперсия) скоростей галактик в скоплении Волос Вероники составляет около 1000 км/с. В предположении гравитационной связанности этого скопления отсюда следовало высокое отношение массы к светимости для этих галактик, на порядок большее, чем следовало бы ожидать, исходя из их звездного состава.

Аналогичный результат был получен затем для скопления галактик в Деве. Цвикки не мог найти объяснений этой странности, и на проблему не обращали внимания до 1958 г., когда В. А. Амбарцумян предположил, что высокие скорости галактик в скоплениях объясняются тем, что они распадаются подобно звездным ассоциациям. Некоторое время это предположение пользовалось успехом, однако, вскоре стало ясно, что оно ведет к еще большим трудностям.

Большинство эллиптических галактик, возраст звезд в которых около 15 млрд. лет, находится в скоплениях, однако оценки массы галактик и их скорости в скоплениях приводили к выводу, что возраст самих скоплений не более миллиарда лет - намного меньше возраста звезд населения II. Вместе с предположением об образовании звезд из сверхплотного вещества, об особой роли ядер галактик, порождающих де окружающую галактику, эти представления получили название "бюраканской концепции"; несколько советских философов настойчиво противопоставляли ее взглядам большинства астрономов. Фактически они утверждали, что происхождение звезд и галактик все еще неизвестно.

Однако уже с конца 30-х годов начали появляться признаки того, что ненаблюдаемое вещество имеется и в индивидуальных галактиках, а не только в самих скоплениях. Это в первую очередь следовало из того, что диски галактик сохраняли высокие скорости вращения и на очень больших расстояниях от центра, там, где звезд уже не было видно. В 1974 г. Дж. Острайкер и Дж. Пиблс и независимо от них Я. Эйнасто и его сотрудники, анализируя зависимости скоростей вращения галактик от расстояния до их центров и плотность вещества в их дисках, пришли к выводу о существовании у галактик обширных корон из темного, ненаблюдаемого вещества, в которых может заключаться около 90% массы галактики. Массы галактик следовало увеличить на порядок, и их скопления при этом становятся гравитационно связанными, что следовало также и из скоростей движения горячего газа, обнаруженного в те же годы при изучении скоплений галактик в рентгеновском диапазоне.

С тех пор проблема скрытой массы остается нерешенной, носители ее неизвестны, хотя практически все уверены, что это не обычное барионное вещество. Нельзя, пожалуй, сказать, что эта проблема находится в центре внимания астрономов - наличие невидимого вещества проявляется только в динамике галактик, по ее гравитационному воздействию, и в большинстве исследований о нем можно не помнить; однако ныне эта проблема становится главной заботой теоретической физики. Нарастает понимание того, что телескопы, а не ускорители будут играть решающую роль на переднем краю физики не только макромира, но и микромира, как об этом пророчески писал Л. А. Арцимович еще в 1972 г. Фактически, это время уже настало.

По последним оценкам, масса барионной материи во Вселенной составляет всего лишь 4%, из которых 3% приходится на горячий газ, а 1% - на звезды и холодный газ. Темное вещество может составлять около 30% полной массы Вселенной, возможно, что носители его являются еще неизвестными элементарными частицами. Остальные 66%, возможно, приходятся на долю "скрытой энергии" или "квинтэссенции", которую считают ответственной за ускоренное расширение Вселенной, выявляемое в последние годы по наблюдениям далеких сверхновых типа la, светимость которых можно считать повсеместно одинаковой.

Эта проблема составляет часть общей космологической проблемы, которая все еще далека от решения. Отметим, что на новом этапе, начавшемся с восьмидесятых годов, космология вообще снимает проблему начала мира.

Большинство космологов согласно сейчас с предположением, что до начала современного этапа расширения был этап намного более быстрого, как говорят, инфляционного расширения нашей Вселенной. В русле работ по созданию единой физической теории появилась инфляционная космология, согласно которой первичной и вечной сущностью является т.н. ложный физический вакуум, в котором спонтанно рождаются расширяющиеся пузыри пространства-времени, новые вселенные, с самыми разными параметрами и разными физическими законами в них, и одной из них является наша Вселенная.

Успешно продвигается работа по объединению электромагнитослабых и сильных (управляющих частицами в ядрах атомов) взаимодействий, просматриваются возможности последующего включения в единую теорию и гравитации. По мнению американского физика Р. Фейнмана, настанет день, когда мы будем знать все, и жизнь станет скучной. Возможно, но день этот придет лишь в бесконечно далеком будущем...

Пессимисты любят вспоминать известный диалог между ангелом и Всевышним:

Господь, они открыли новую элементарную частицу, как будем реагировать?

Добавим еще один нелинейный член в уравнение единого физического поля!

Будем однако же надеяться, вместе с Эйнштейном, что Господь хотя и изощрен, но не злонамерен...

Новые объекты Вселенной

В 60-х годах последовала серия открытий новых астрономических объектов, что стало возможным благодаря расширяющимся наблюдениям вне пределов оптического диапазона электромагнитного спектра. Радиоастрономия встала на ноги еще в 50-е годы, когда исследования на длине волны нейтрального атомарного водорода 21 см позволили обнаружить концентрацию газовых облаков в диске и особенно в спиральных рукавах нашей Галактики. Были обнаружены галактики, особенно сильно излучающие в радиодиапазоне, а в 1960 г. был найден звездообразный объект - мощный радиоисточник. К 1963 г. их стало четыре, и в марте этого года М. Шмидт догадался, что загадочная последовательность эмиссионных линий в спектре одного из них, ЗС 273, - не что иное, как бальмеровская серия линий водорода, но с красным смещением 0.158. Звездобразный объект оказался дальше далеких галактик!

Такого рода объекты получили название квазаров. Светимость их намного больше, чем у обычных галактик, а угловые размеры намного меньше, но все попытки объяснить красное смещение иначе, чем большим расстоянием, остались безуспешными. Споры продолжались лет десять, но накапливалось все больше свидетельств того, что квазары - это далекие галактики с необычно ярким ядром и мощным радиоизлучением. И. С. Шкловский еще в 1963 г. отметил сходство их спектров и спектров ядер сейфертовских галактик. Правда, X. Арп и сейчас еще отстаивает мнение, что квазары - это объекты, выброшенные из ядер галактик, а их красное смещение является свойством новорожденной в ядрах материи...

Новая физика не оказалась нужна и для пульсаров, открытых в 1968 г. Строго периодические, повторявшиеся через доли секунды радиоимпульсы выглядели столь необычно, что обнаружившие их английские радиоастрономы на полгода засекретили свое открытие, подозревая, что сигналы подают разумные обитатели космоса. Но очень скоро стало ясно, что они возникают вследствие быстрого вращения звезд с сильным магнитным полем, радиоизлучающих в узком конусе. Периоды вращения указывали на чудовищную плотность пульсаров, и это означало, что наконец-то открыты предсказанные еще в 30-х годах нейтронные звезды - огарки сверхновых. Можно сказать, что открытие пульсаров было почти предсказано. В частности, Н. С. Кардашев писал о том, что объект, остающийся после взрыва сверхновой, должен, в силу законов сохранения, обладать быстрым вращением и сильным магнитным полем, не было предсказано лишь коллимированное радиоизлучение.

В те же 60-е годы начались открытия источников рентгеновского излучения. Большинство из них оказалось нейтронными звездами, входящими в состав двойных систем. Этот сорт конечных продуктов звездной эволюции был уверенно обнаружен. Но звезды с массой больше примерно трех масс Солнца должны заканчивать свою жизнь как черные дыры, безудержно коллапсируя за пределы гравитационного радиуса. Первые подозрительные на чернодырность объекты были найдены в те же годы. Это были невидимые компоненты затменных двойных систем, массы которых превышали три солнечных. Сейчас такого рода объектов насчитывается около дюжины.

Доказательства наличия черных дыр в центрах ряда галактик более определенны, тут речь идет об объектах с массами в миллионы солнечных. Концентрация гигантской массы в ничтожном объеме доказана недавно для центра нашей Галактики прямым измерением движений звезд. Уверенные признаки наличия черных дыр сейчас найдены в центрах примерно полусотни галактик. Это ставит проблемы не менее серьезные, чем существование материи, замечаемой лишь по ее гравитационному воздействию. Теории черных дыр, во всяком случае, их внутренней области, еще нет, и это открывает широкий простор для самых смелых предположений. Черные дыры могут оказаться окнами в другие вселенные, в другие пространственно-временные измерения...

Нейтронные звезды и черные дыры, так или иначе, замешаны и в явлении, известном как вспышка гамма-излучения. Эти вспышки, открытые в 1967 г., оставались загадочными в течение 30 лет - неперекрытый рекорд в современной астрономии. Долгие 6 лет гамма-вспышки составляли глубокий секрет Национальной обсерватории в Лос-Аламосе (где их обнаружили с помощью системы спутников, предназначенной для регистрации ядерных взрывов), хотя довольно скоро было установлено, что вспышки приходят из космоса.

Наконец, побывавший с визитом в Лос-Аламосе известный физик Ф. Дайсон сказал своим коллегам, что даже Советам не под силу почти каждый день выводить в космос ракеты с водородными бомбами - надо публиковать сообщение о явлении.

Кратковременность явления (от долей до сотен секунд) указывала, что источником гамма-лучей являются очень компактные объекты, такие, как нейтроннные звезды. Полная изотропность расположения на небе (отсутствие концентрации ни к плоскости, ни к центру Галактики, ни к близким галактикам) оставляла только две возможности - они либо очень близко от нас, не дальше ближайших звезд, либо же очень далеко - и тогда это очень редкие явления чудовищной энергии в далеких галактиках.

Проблема мучила астрономов дольше, чем какая-либо другая во второй половине XX века. В отличие от квазаров или пульсаров, ни в каком другом диапазоне спектра гам-мавсплески не обнаруживались, и причиной этого была кратковременность явления и отсутствие сколько-нибудь точных координат. Лишь 28 февраля 1997 г. итало-голландский спутник Beppo-SAX зарегистрировал гамма-вспышку GRB 970228, на месте которой был обнаружен угасающий рентгеновский источник. Это позволило определить точные координаты, по которым на месте гамма-вспышки была найдена слабая галактика. Затем было обнаружено оптическое послесвечение у всплеска GRB 970508 - и вновь на его месте была найдена слабая галактика, красное смещение линий в спектре которой (z=0.835) оказалось поисти-не гигантским.

Сейчас подобные послесвечения в оптическом диапазоне наблюдались уже у двух десятков гамма-всплесков, у половины из них измерено красное смещение. За единственным исключением, они находятся в пределах от 0.5 до 4.5, что означает чудовищно гигантские энергии вспышек, до 10 53 -10 54 эрг, как у сотен и тысяч сверхновых звезд, вспыхнувших одновременно. Нарастает подозрение, что гамма-вспышки являются узконаправленными релятивистскими джетами, что существенно уменьшает оценки мощности вспышек, но увеличивает оценки их частоты в каждой галактике.

Гамма-вспышки регистрируются почти каждый день, и вместе с их расстояниями это означает, что в каждой галактике они вспыхивают примерно раз в несколько миллионов лет - в отличие от Сверхновых, частота вспышек которых - раз в столетие. Изображения галактик, в которых зарегистрированы послесвечения, вроде бы показывают, что гамма-всплески происходят вблизи областей звездообразования, и поэтому многие астрономы склоняются к предположению, что они связаны с коллапсом очень массивной, быстро вращающейся звезды.

Согласно другой гипотезе, явление гамма-всплеска возникает при слиянии компонентов тесной двойной, состоящей из нейтронных звезд или черных дыр, которое происходит вследствие сближения компонентов системы при излучении гравитационных волн. По мнению автора, в этом случае наблюдаемое тяготение гамма-всплесков к областям звездообразования можно объяснить тем, что они сами способны инициировать звездообразование, а тесные системы из компактных объектов возникают при сближениях звезд в плотных массивных скоплениях, и поэтому гамма-всплески происходят вблизи таких скоплений.

Проблема гамма-всплесков остается наиболее актуальной в современной астрофизике. Здесь пересекаются космология, эволюция звезд и галактик, физика высоких энергий. Более того, не исключено влияние гамма-вспышек на эволюцию жизни на Земле. Такая вспышка даже на расстоянии порядка килопарсека может убить все живое на обращенном к ней полушарии Земли (но не под водой). Возможно, что пока такие вспышки были слишком частыми, наземная жизнь не могла проэволю-ционировать достаточно далеко.

Подводя итоги

Подводя итоги астрономии XX века, необходимо согласиться с мнением И. С. Шкловского, высказанным им более 20 лет назад. Этот век был для астрономии тем же, чем эпоха великих географических открытий для географии. Может быть лучше воспользоваться архаическим термином и говорить в данном контексте о космографии, об описании Вселенной.

Вселенная населена гигантскими звездными системами - галактиками, одной из которых является наша система Млечного Пути, и она расширяется. Этот вывод, неопровержимо доказанный к 1929 г., и по сей день остается важнейшим итогом XX века.

Космография завершена в XX веке, Америку нельзя открыть еще раз. Однако понимание Вселенной, как мы уже говорили, никогда не станет исчерпывающе полным. Проблемы начальной стадии ее эволюции и природы ненаблюдаемого вещества далеки от решения, и будучи поставленными астрономией, они являются ныне величайшим вызовом для теоретической физики. Астрономы наблюдают лишь 5% массы Вселенной, но полученных ими данных оказалось достаточно, чтобы доказать наличие остальных 95%!

Проблема сингулярности, сверхплотной начальной стадии расширения Вселенной, многократно возникает и при гравитационном коллапсе массивных звезд, и в ядрах галактик, где наличие черных дыр безусловно доказано. Квантовая теория гравитации остается все еще наукой будущего, и без нее эта проблема не будет решена.

Активность ядер галактик может быть связана с аккрецией вещества на сверхмассивные черные дыры. Узкие джеты длиной до мегапарсека выбиваются в противоположные стороны ряда галактик, кончаясь в гигантских газовых пузырях. Вдоль этих джетов вещество выбрасывается с субсветовыми скоростями. Такие джеты, самого разного масштаба, наблюдаются и в квазарах, и в двойных системах, и по-видимому везде, где замешаны черные дыры - а впрочем, и в очень молодых звездах.

Возможно, что аналогичные явления наблюдаются и в гамма-всплесках. Теория релятиви-стких джетов находится еще в стадии создания. Это та область, где особенно необходимо накопление наблюдательных данных.

Вторым по значению достижением астрономии XX века, после открытия галактик и расширения Вселенной, представляется нам построение теории звезд, их строения, источников энергии и эволюции. Совместные усилия наблюдательной астрономии и физической теории привели к результату, который будущие века лишь уточнят в деталях. Превращение звезд главной последовательности в красные гиганты, термоядерные реакции синтеза как источник энергии звезд - эти выводы теории покоятся на незыблемом фундаменте множества взаимо-согласующихся наблюдательных и экспериментальных фактов. Объяснение распространенности химических элементов во Вселенной также является важнейшим и бесспорным достижением, полученным на стыке космологии и теории звезд.

Можно, пожалуй, сказать, что концептуальных достижений такого масштаба в XIX веке не было. Важнейшие его результаты носили скорее методический характер - высокоточные определения положения звезд, что привело к определению параллаксов немногих звезд и массовому определению их собственных движений, и открытие спектрального анализа, что сразу же позволило начать определения лучевых скоростей звезд. Надо, однако, заметить, что лишь определение расстояний звезд и изучение их спектров доказало в XIX веке сделанное многие века назад предположение о том, что наше Солнце - одна из звезд.

В нашем веке величайшее достижение методики - это, конечно, превращение астрономии во всеволновую. Уже работающие нейтринные телескопы и создающиеся приемники гравитационных волн означают выход и за пределы электромагнитного спектра.

Резко раздвинутся в ближайшие годы возможности и оптической астрономии, и не только благодаря введению в строй целой армады крупных наземных и космических телескопов. Ведутся обширные программы наблюдений гравитационного линзирования света, которое служит чем-то вроде естественного сверхтелескопа; фантастические перспективы открывают сверхточные астрометрические измерения из космоса. Выход в космос позволит резко увеличить разрешающую способность и радиоинтерферометрических методов.

Нельзя не сказать о подлинной революции в оптической астрономии, произошедшей в связи с массовым применением, начиная с 80-х годов, твердотельных приемников излучения - приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц). Они регистрируют до 90% падающего на них света, причем результат сразу дается в цифровой форме, удобной для обработки. Век астрономической фотографии длился чуть дольше века и фактически уже ушел в прошлое.

Человек и Вселенная

Особенностью астрономии является невообразимое количество разнообразных объектов, с которыми нам приходится иметь дело. Протон неотличим от другого протона, но у каждой галактики свое лицо. Без развития электронных средств хранения, обработки и передачи информации астрономы были бы теперь беспомощны. Размещенные в Интернете и обычно открытые для всеобщего пользования каталоги, базы данных и электронные варианты журналов являются не просто бесценным подспорьем, в ряде областей работа без их использования уже невозможна. Не менее важна система электронных препринтов, мгновенно делающая доступной результаты работы, а также поисковая система, позволяющая найти любую статью и данные о любом объекте. Мечта фантастов о всемирной библиотеке уж лет пять как воплощена в жизнь.

Подчеркнем еще раз, что выход в космос и превращение астрономии во всеволновую не принесли революционных изменений в собственно астрономической картине мира. Как отмечал И. С. Шкловский, важнейший результат космонавтики состоял в том, что прямые исследования далеких планет подтвердили результаты дистанционных астрономических наблюдений, укрепив нашу веру в то, что наши телескопы и теории правильно описывают мир - вплоть до четко определенных пределов, таких как начальная сингулярность и черные дыры. Здесь нас действительно ждет неизвестное, но новая космофизика включит в себя наше знание об обычных звездах и галактиках как частный случай.

Это и есть, по нашему мнению, признак подлинной науки - ее истинные результаты всегда подчиняются принципу соответствия Н. Бора - старое знание не отменяется, а оказывается предельным случаем нового. С этой точки зрения, революций в науке не бывает. Так, планетная теория Птолемея была элементом пранауки, а не первым приближением к истине, а деятельность Коперника, Галилея и Ньютона ознаменовала не революцию в астрономии, а рождение современной науки. Как подчеркивал В. Гейзенберг, умение предсказывать явление еще не означает его понимание, - что и продемонстрировала система мира Птолемея. А подлинная наука начинается с понимания, становящегося со временем все более и более полным.

Научная революция начала XX века, связанная с появлением теории относительности и квантовой механики, означала переворот не в науке, а в психологии исследователей, и была в сущности новым торжеством человеческого разума. Оказалось, что мы способны оперировать с объектами и явлениями, для которых у нас нет ни модельных представлений, ни соответствующих понятий. Теории, развиваемые первоначально как чисто математические формулировки, составили взаимосогласованную и подтвержденную многочисленными экспериментами и наблюдениями картину; замечательно при этом, что были использованы математические построения (вроде матричного исчисления), созданные сто лет назад и казавшиеся абсолютно абстрактными.

С 80-х годов стали развиваться представления о множественности вселенных с самыми разными физическими законами в каждой из них, об их спонтанном рождении из вечного флуктуирующего физического вакуума. Эти представления тесно связаны с работами по созданию единой теории физических взаимодействий. Мы вступили в этап новой мировоззренческой революции. Снимается вопрос о происхождении нашей Вселенной, о том, что было до ее рождения - но ценой отказа от единственности законов физики!

Удивительная "подгонка" всех параметров нашего мира к возможности нашего в нем существования, о необходимости объяснения которой говорит антропный принцип (не лучше ли говорить о парадоксе!), в таком случае не удивительна, число разнообразных вселенных по некоторым оценкам составляет 10 50 , и одна из них, наша Вселенная, могла возникнуть с комбинацией параметров, позволяющих именно наше существование или даже с необходимостью к нему ведущих.

Множественность вселенных, спонтанно возникающих из физического вакуума, следует из новой "инфляционной" космологии, развиваемой А. Д. Линде и другими. Описание эволюции нашей Вселенной, основанное на космологии Эйнштейна-Фридмана, при этом не отрицается, лишь ограничивается область его применимости в согласии с принципом соответствия.

Принципиальный прорыв в развитии космологии был, в известной степени, стимулирован признанием того факта, что существование звезд, планет и нас самих возможно лишь в узком интервале макро и микропараметров физического мира. Наше соответствие нашему миру было известно давно, но для многих и многих казалось вполне тривиальным обстоятельством, не заслуживающим размышлений; глубина проблемы и ее эвристическое значение не замечались. Между тем наиболее экономным решением антропного парадокса является именно предположение о множественности вселенных, и мы вправе сделать логический вывод о том, что Человек способен познать ту Вселенную, которая его породила.

Возможно, что аналогичная ситуация наблюдается и сейчас - не менее глубокой и потенциально плодотворной является проблема молчания Вселенной. Проблема существования внеземного разума может найти решение на путях дальнейшего развития космологии, как об этом пишет А. Д. Линде и еще раньше писал В. А. Лефевр. Такие серьезные ученые, как Ф. Хойл, И. С. Шкловский, Н. С. Кардашев, на счету которых блистательно подтвердившиеся идеи, много внимания уделяли и уделяют этой проблеме, но для многих специалистов она остается научной фантастикой, заниматься которой не пристало серьезному ученому. Между тем, это величайшая загадка мироздания, ибо при темпах развития таких же, как у нашей технологической цивилизации, вся Галактика должна быть освоена за несколько миллионов лет. Наша уникальность или же неизбежность замыкания каждой цивилизации в своем коконе должны получить объяснение.

Возможно, однако, что те виды деятельности или сигнализации, которые мы ожидаем встретить, основываясь на наших знаниях и технологическом опыте, осуществляются лишь на краткой стадии развития, которую другие цивилизации прошли раньше нас или пройдут позже нас на тысячи - или миллиарды - лет. Многие явления и объекты, наблюдаемые астрономами, могут быть связаны с активностью далеко опередивших нас космических субъектов, тогда как вероятность застать достаточно близко от нас цивилизацию на кратковременной - порядка 100 лет - стадии технологического развития, близкой к нашей, ничтожно мала. Для этого нужно совпадение во времени кратких этапов развития, начавшегося с разбросом в миллиарды лет. А только цивилизацию, находящуюся на близкой к нашей стадии развития, мы в состоянии опознать как таковую.