Наука о метагалактике

План

1. Метагалактика

2. Общая структура наблюдаемой Вселенной

3. Планетная космогония

1. Метагалактика

С конца XVIII в. в астрономическую картину мира вошли понятия «островная Вселенная» и «мир туманностей» как далеких «млечных путей». Тогда же наметились две концепции крупномасштабной структуры такой Вселенной. Одна набрасывала захватывающую дух картину правильной иерархической структуры Вселенной, по аналогии с Солнечной системой (Э. Сведенборг, И. Кант, И. Г. Ламберт). Другая зародилась в наблюдениях В. Гершеля, открывшего признаки принципиально иной, неиерархической крупномасштабной структуры Вселенной, где туманности оказывались собранными в скопления и еще более сложные неправильные объединения - протяженные пласты, и некоторые, как показывали наблюдения, даже пересекались в пространстве. Это навело Гершеля на другую аналогию - между структурой Вселенной и строением нашей планеты с ее геологическими пластами, хранящими долгую историю ее эволюции. Таким образом, намечалось не только понимание структурности Вселенной, но и эволюции ее структуры. Однако дальнейшее открытие новых тысяч туманностей и первые попытки количественных исследований их распределения по небу замаскировали эту картину и сосредоточили внимание астрономов-наблюдателей XIX в. на характерном распределении туманностей относительно плоскости Галактики (Р. Проктор, 1869 г. и др.). Последнее, наряду с увлечением поздними звездно-космогоническими идеями В. Гершеля, способствовало отходу от идеи островной Вселенной.

Поэтому повторное открытие в начале XX в. «пласта» туманностей, расположенного вдоль галактического меридиана, было воспринято сначала как открытие элемента внутренней, спиральной структуры Галактики и наличия в ней поглощающей материи клочковатой структуры (К. Истон, 1904; Р. Сэнфорд, 1917,- последний, будучи сторонником островной Вселенной, допускал существование и межгалактического клочковатого поглощающего вещества). В 1908 г. и более детально в 1922 г. шведский астроном К. Шарлье (1862-1934), опираясь на гипотезу Ламберта, развил свою теорию иерархической Вселенной с целью объяснить фотометрический и гравитационный парадоксы. Он показал, что эти парадоксы не должны иметь места в такой Вселенной, если только расстояния между системами каждого порядка остаются достаточно большими по сравнению с размерами систем, а средняя плотность вещества в системах от порядка к порядку достаточно быстро падает, так что в среднем для Вселенной она равна нулю. Системой первого порядка он считал Галактику. Построив весьма грубо диаграмму распределения галактик, он ошибочно полагал, что обнаружил «галактику второго порядка» (которую и назвал «Метагалактикой», введя это понятие в астрономию). Теория Шарлье имела успех. Внимание астрономов вновь было привлечено к проблеме крупномасштабной структурности Вселенной. Еще в 1914 г. к изучению распределения туманностей призывал Эддингтон. Решение проблемы, казалось, было обеспечено наблюдательными данными после установления истинной, внегалактической природы спиральных туманностей, составлявших среди внегалактических туманностей большинство (ок. 80%).

2. Общая структура наблюдаемой Вселенной

Возрождение иерархической концепции Вселенной (Шарлье), создание первой за всю историю знаний строгой математической космологической теории - обобщенной теории тяготения (Эйнштейн), прогресс наблюдательной астрономии, именно - астрофотографии, приведшей к открытию новых сотен и тысяч млечных туманностей, в большинстве спиральных, и, наконец, установление их внегалактической природы (Хаббл, 1924) - все это вновь привлекло внимание астрономов к проблеме строения, структуры Вселенной в целом. Наблюдательное решение проблемы виделось в изучении распределения галактик. В 20-30-е годы XX в. этим занимаются и крупные астрономы (Б. Лундмарк с учениками А. Рейцем и Э. Холмбергом, Э. Хаббл, М. Хьюмасон, В. де Ситтер, X. Шепли) и опытные наблюдатели-любители (Дж. Рейнолдс). На первых порах результаты оказываются диаметрально противоположными: попытки глобального обзора гершелевьм методом черпков (теперь уже не звезд, а туманностей), предпринятые Хабблом в 20-е годы, показали в целом равномерное их распределение и, следовательно, бесструктурность, однородность Вселенной. Но в те же годы Дж.X. Рейнолдс вновь выявил таинственный пласт туманностей, перпендикулярный Млечному Пути. Однако обнаруживался этот пласт более четко лишь по ярким туманностям-галактикам. Переход и других астрономов (упомянутых выше) к такому дифференциальному изучению распределения галактик привел к иной, по сравнению с первыми результатами, картине. Оказалось, что и мир галактик, подобно миру звезд, имеет свою крупномасштабную структуру. Галактики обнаруживали тенденцию к скучиванию. Они образовывали и небольшие скопления (вроде нашей Местной группы) и колоссальные «метагалактические» системы-скопления. Установить это удалось по изучению распределения галактик ярче 14-й зв. величины. Первое такое сверхскопление галактик было обнаружено к 1953 г. Ж. де Вокулёром на основании изучения каталога ярких (ярче 14-й зв. величины) галактик, составленного X. Шепли и А. Эймз. Экваториальная область этой сверхсистемы в точности совпала с «пластом Волос Вероники», открытым В. Гершелем. Вокулёр только и наблюдал эту полосу резко повышенной видимой плотности распределения галактик по небу. Дальше шла интерпретация явления. Оно было объяснено им в рамках иерархической концепции Вселенной: как экваториальная часть сильно уплощенной сверхсистемы, возможно, даже вращающейся, т. е. как Сверхгалактика. И хотя сам Вокулёр назвал ее Местным (Локальным) сверхскоплением, в астрономическую картину мира в 50-е годы она вошла сначала как сверхгалактика Вокулёра. Господство иерархических представлений сказывалось и в идеях, выдвигавшихся в первой половине XX в. другими крупными астрономами.

Так, американский астроном Ф. Цвикки (1898-1974) еще в 1938 г. высказал мысль, что вся наша Местная группа галактик является членом некоторой более крупной системы галактик. Вокулёр в 1956 г. также писал, что «большинство, если не все галактики мыслятся как принадлежащие к большому числу сверхсистем (концентрируясь к ним или расходясь от них), правильных скоплений или неправильной формы облаков, начиная от маленьких плотных групп... до огромных объединений туманностей в несколько мегапарсеков в поперечнике...» Поперечник Местного сверхскопления он оценил в 30-40 Мпс, а расстояние от нас его центральной части - огромного скопления галактик в созвездии Девы в 10-13 Мпс (по современным данным - около 20 Мпс). Идея скучивания галактик в скопления и сверхскопления была убедительно доказана в 60-70-е годы, когда были составлены обширные каталоги тысяч обнаруженных скоплений галактик (каталоги Дж. Эйбелла, США, И. Д. Караченцева, СССР, Т. Кианга, Ирландия и др.). К настоящему времени выявлено и несколько сверхскоплений типа Местного и даже больших размеров: в Волосах Вероники (около 100 Мпс длиной), в Геркулесе, в Персее (около 80 Мпс). Тенденцию к скапливанию показали и радиогалактики. Таким образом, эта идея, выдвинутая впервые в конце XVIII в. В. Гершелем, в наши дни перешла из области картины мира в ранг достоверных научных знаний. Вместе с тем уже на уровне скоплений галактик современная картина структурности Вселенной оказывается весьма далекой от классических представлений Канта - Ламберта: скопления не имеют правильной уплощенной формы «сверхгалактик», не вращаются; экстраполяция на «всю Вселенную» образца Солнечной системы показала свою неправомерность, несостоятельность. Скопления галактик напоминают скорее «рои мошек». Вместе с тем, по современным представлениям, они могут быть завершающим этапом формирования иерархической структуры в Космосе: допускается, что галактики объединяются в скопления под действием гравитации так же, как сами галактики являются результатом гравитационных взаимодействий звезд и отдельных звездных скоплений. Для скоплений галактик еще выполняется и характерное для иерархической структуры соотношение между расстояниями и размерами систем: первые значительно превышают вторые.

Совершенно новые черты крупномасштабной структурности Вселенной стали обнаруживаться при изучении сверхскоплепий галактик. Уже открытие первого из них - Местного сверхскопления Вокулёра (которое справедливо было бы называть сверхскоплением Гершеля - Вокулёра) показало нарушение иерархического принципа, на котором была основана концепция Шарлье. При размерах такой сверхсистемы в десятки мегапарсеков (пли в сотни миллионов световых лет) расстояния между ними в доступном наблюдению объеме Вселенной (поперечником в миллиарды световых лет) оказывались сравнимыми с их размерами (и средняя плотность вещества во Вселенной уже не равнялась нулю). В связи с этим Ф. Цвикки первым высказал идею, что крупномасштабная структура Вселенной может быть схожа с мыльной водой или пеной, где сверхскопления занимают место пузырей пены. В середине 70-х годов XX в. изучение американскими астрономами (В. Тиффт, С. Грегори, Г. Кинкарини) пространственного распределения галактик принесло новый сюрприз. Их распределение вдоль луча зрения (что определяется по красным смещениям) оказалось «слоистым»: сравнительно тонкие участки, заполненные галактиками и их скоплениями, перемежаются с огромными, до 40 Мпс в поперечнике, «пустотами», лишенными если не вещества вообще, то, во всяком случае, достаточно ярких галактик. Картина, нарисованная некогда Цвикки, подтверждалась как бы в зеркальном отображении: галактики и их скопления оказывались сосредоточенными не в «пузырях» пены, а, напротив, в тонких перегородках ее! Таким образом, сверхскопления галактик представлялись удивительно тонкими, почти двумерными образованиями. Более того, как показали впервые в те же годы советские астрономы М. Йыэвээр и Я. Эйнасто, многие сверхскопления могут иметь форму пространственно-тонких и длинных цепей, или волокон (которые в дальнейшем получили английское наименование «филаменты»). Такое филаментарное сверхскопление они открыли в созвездии Персея, опять же по ярким галактикам 12-14,5 звездных величин. На пересечении подобных волокон находятся наиболее богатые из известных сверхскопления галактик. Так, в последнее десятилетие (конец 70-х - начало 80-х гг.) стала формироваться картина крупномасштабной структуры Вселенной: ячеисто-филаментарной. Стенки и узлы объемных ячеек или, скорее, пересечения двух стенок (ребра) и трех стенок (узлы) и видны нам как сверхскопленпя галактик. Сверхскопления - это качественно новая форма неоднородности распределения вещества в наблюдаемой Вселенной. Помимо огромных размеров и клочковатой структуры, они отличаются еще и явно неравновесным состоянием. Последнее означает, что движения их членов в собственном поле тяготения сверхскопления еще не успели согласоваться с этим полем, что сделало бы их правильными, а всю совокупность устойчивым образованием. Такое упорядочение («перемешивание») может произойти за время, необходимое для того, чтобы каждый отдельный член совокупности в процессе перемешивания мог несколько раз пересечь ее поперечник. Для сверхскоплений же время одного такого пересечения оказывается уже сравнимым с возрастом Вселенной! Поэтому они не могут находиться в настоящий момент в состоянии устойчивой системы.

Чрезвычайно ценным следствием этого для понимания истории Вселенной является то, что сверхскоплення должны хранить следы процесса самого возникновения крупномасштабной структуры Вселенной. Такая структура, по современным представлениям, стала формироваться на ранних этапах расширения Вселенной. Причиной ее могли быть случайные перепады (флуктуации) плотности вещества на той ранней стадии Вселенной, когда при остывании первичного «вещества» ее элементарные частицы только что объединились в нейтральные атомы и освободились от непрерывного взаимодействия (обмена энергией) с излучением. Вселенная стала прозрачной для излучения, и в дальнейшей эволюции вещества основную роль играли гравитация и гравитационная неустойчивость. При возникновении достаточно крупных флуктуации плотности в среде случайные сгущения под действием собственного тяготения начнут уплотняться далее, стягивая на себя окружающую материю. Из-за малой вероятности полной симметрии процесса, уплотнение пойдет преимущественно в одном направлении и возникнет тонкое образование вроде «блина» - заготовка будущего сверхскопления. «Блин» разбивается сначала на мелкие уплотнения - звезды, которые лишь затем формируют системы разных порядков сложности, вплоть до скоплений галактик. Все вместе в пределах «блина» они и образуют сверхскопление. Случайное направление «блинов» приводит к их пересечению во время формирования и возникновению объемной ячеистой сетки. В вершинах - местах пересечения стенок ячеек должны возникнуть наиболее богатые сверхскопления. Это и показывают наблюдения. Механизм образования крупномасштабной структуры представляется в виде коллапса - стремительного уплотнения - в направлении некоторых поверхностей. К такой теории возникновения крупномасштабной структуры наблюдаемой Вселенной, авторами которой является группа московских космологов, возглавляемая академиком Я. Б. Зельдовичем, склоняется большинство космологов.

Вместе с тем современная релятивистская космология, основанная на общей теории относительности Эйнштейна и ее первых космологических следствиях - моделях нестационарной Вселенной А. А. Фридмана, утверждает однородность и изотропность Вселенной в достаточно больших масштабах (это получило наименование «космологического принципа Милна»). По современным наблюдательным данным структурность проявляется во Вселенной для масштабов пространства до 100 Мпс. При этом для масштабов существенно меньших - не более 1 Мпс, иначе, до масштабов галактик и их кратных систем, проявляется иерархия в структурности. Для масштабов больших, чем 100 Мпс, Вселенная действительно, по-видимому, однородна, о чем свидетельствует наблюдаемое постоянство средней плотности вещества для этих масштабов, равно как и изотропность фонового реликтового радиоизлучения.

3. Планетная космогония

Еще в XVIII в. в рамках гравитационной ньютоновской картины мира возникло два направления в объяснении происхождения Солнечной системы: как чрезвычайно редкого, почти случайного (Бюффон), или как закономерного, почти неизбежного (Кант, Лаплас), процесса. Несмотря на выяснившуюся позже несостоятельность обеих концепций в существенных деталях, каждая содержала отдельные плодотворные идеи, которые не раз использовались в дальнейшем и вновь используются в наши дни. О первой вспомнили, когда столкнулись в конце XIX в. с неустранимым на основе механики пороком гипотез Канта и Лапласа: распределение в Солнечной системе момента количества движения, обратное распределению в ней масс, необъяснимо в этих механических гипотезах, что делало идею о единой родительской туманности Солнца и планет противоречащей одному из основных принципов механики. Противоречие снималось идеей взаимодействия Солнца с внешним телом. Эта идея получила воплощение в ряде вариантов предполагавшегося приливного воздействия на Солнце (теперь уже считавшегося раскаленным газовым шаром) прошедшей вблизи него звезды. Она развивалась в гипотезах Э. Фая (1884), Т. Чемберлина и Ф. Мультона (1900, 1916), Дж. Джинса и X. Джеффриса (1917, 1916). Согласно первой, вырванное из Солнца вещество закручивается спиралью около него и разбивается на большие фрагменты, сгущающиеся в планеты. Вторая допускала, что вырванное вещество быстро остывает, собирается в мелкие «хлопья» - планетезимали, которые холодным образом слипаются при неупругих ударах в крупные тела - планеты и спутники.

Последние два автора, под давлением тогдашних геологических данных о прохождении планет через жидкую, расплавленную стадию, вновь допускали, что раскаленное вырванное вещество Солнца дает начало планетам, не успев остыть. Таким образом, в некоторых приливных гипотезах на новой, гравитационной основе возрождалась идея вихревого движения. Наиболее оригинальную мысль в связи с этим высказывал Джинс, допускавший одно время, что в центрах космических вихрей - спиралей происходит «втекание» в нашу Вселенную из неведомых нам пространств потока материи, которая и рождает видимый вихрь (спираль). Так уже в первые десятилетия XX в. в астрономическую картину мира вновь вошло представление о существовании в космосе «сингулярностей» - областей, не подчиняющихся известным законам физики. Идея вихрей используется некоторыми крупными астрономами и в наши дни - для описания процессов в центрах активных галактик и квазаров и даже при описании возникновения крупномасштабной ячеистой структуры Вселенной. Приливные гипотезы были полностью оставлены в 30-е годы - и как провозглашавшие уникальность, чрезвычайную редкость образования планетных систем, и, главное, как не сумевшие преодолеть пресловутый парадокс, связанный с моментом количества движения. Это показал относительно гипотезы Джинса - Джеффриса Г.Н. Рессел, 1938 г. и, окончательно,- Н.Н. Парийский, 1943 г. Наиболее ценным результатом развития этих гипотез было возрождение и значительно более четкая, чем у Канта, формулировка идеи «промежуточных» тел - планетезималей в гипотезе Чемберлина - Мультона и идея холодного крайне медленного слипания планетезималей. Первая объясняла недостаток на Земле легких летучих элементов, а вторая - большой возраст Земли (приближавшийся уже по тогдашним оценкам геологов к миллиарду лет). Надо сказать, что у Канта эта идея холодного образования планет оказывалась само собой разумеющейся: формирующееся одновременно с планетами Солнце разогревалось, по его концепции, лишь после завершения своего формирования.

Из кризисного состояния, когда все гипотезы были отвергнуты, планетную космогонию вывел выдающийся советский математик, геофизик, географ академик О.Ю. Шмидт (1891-1956). Прежде всего он осуществил синтез обоих направлений в космогонии. В 1944 г. Шмидт выдвинул свою «метеоритную гипотезу» образования планетной системы опять-таки при взаимодействии двух независимых (т. е. каждый со своим моментом количества движения) объектов: Солнца и «роя тел», захваченного им при прохождении через экваториальную зону Галактики, где подобной мелкодисперсной (метеорной) материи весьма много. Последнее обстоятельство делало подобную встречу существенно более вероятной, чем у Джинса. Хотя в острых дискуссиях с астрономами Шмидт сумел доказать возможность подобного захвата (эта идея была затем развита советским астрономом-математиком Г.Ф. Хильми), эту часть концепции, в целом вынужденную, Шмидт в дальнейшем оставил. В таком подходе вообще отпала нужда, когда шведский астрофизик и физик X.О. Альвен создал свою знаменитую теперь концепцию «вмороженных» в плазму магнитных полей и показал, что момент количества движения Солнца мог быть значительно уменьшен в результате передачи части его через магнитное поле Солнца окружающей протопланетной туманности.

В дальнейшем Шмидт, его последователи и авторы подобных гипотез - об образовании планет в околосолнечном газово-пылевом облаке (именно к газово-пылевому от чисто метеорного облака перешел в развитии своей гипотезы Шмидт)- рассматривали протопланетное облако как генетически связанное со звездой (Солнцем). Эта мысль в наши дни находит подтверждение в открытии вокруг молодых звезд (например, типа Т Тельца) холодных (10-80 К) «молекулярных облаков» из газа сложного химического состава и пыли (в основном силикатной). Впервые в истории космогонии (и астрономии в целом) Шмидт объяснил знаменитый, найденный в свое время как эмпирическое правило закон планетных расстояний Тициуса - Боде, а также вычислил астрономическим путем, исходя из своей теории, возраст Земли (найденное для этой величины число хорошо согласуется с результатами вычислений возраста земной коры по составу радиоактивных изотопов в горных породах - около 4,5 млрд. лет). Развитая Шмидтом теория холодного формирования планет из газово-пылевого облака составляет основное ядро его космогонической концепции и содержит наиболее ценные результаты. Она оказала чрезвычайно большое влияние на все дальнейшее развитие планетной космогонии и легла в основу современных, практически ставших общепризнанными, представлений.

Наконец, третья группа вопросов, рассмотренных в космогонии О.Ю. Шмидта, относится к проблеме термической истории и - более широко - эволюции Земли как планеты после завершения в основном процесса ее формирования из газово-пылевой материи. Исходным пунктом здесь явился общий вывод Шмидта об отсутствии в развитии планет и Земли огненно-жидкой стадии всей планеты в целом. Этот вывод позволяет предположить гораздо более раннее возникновение гидросферы Земли и, следовательно, дает возможность отнести возникновение жизни на Земле к эпохе на миллиарды лет более ранней, чем при допущении огненно-жидкого начального состояния Земли. Разогревание Земли и частичное расплавление ее центральных областей, согласно Шмидту, происходило уже потом, постепенно, в результате накопления внутри нее тепла не только в результате сжатия протопланеты, но главным образом за счет распада радиоактивных элементов (урана, тория и др.). Такая идея еще раньше была выдвинута и защищалась В.И. Вернадским.