65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
А на самой окраине Солнечной системы, по предположению многих астрономов, находится облако Оорта. Это сферическое облако, состоящее из небольших ледяных объектов. Именно оттуда, как полагают ученые, прилетают долгопериодические кометы, обращающиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим траекториям. Формально к Солнечной системе можно отнести все тела, вращающиеся вокруг Солнца. Поэтому облако Оорта тоже можно считать ее частью. По разным оценкам расстояние от Солнца до самых дальних объектов облака Оорта составляет 7,5–15 триллионов километров или 0,8–1,6 световых года. Таковы размеры нашей Солнечной системы.
Вы, наверное, уже заметили, что километры не совсем подходят для измерения расстояний в космосе – уж слишком много приходится писать миллиардов и триллионов. Гораздо удобнее использовать другие единицы. Например, световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год, а точнее 9 460 730 472 580,8 км или примерно 9,5 триллиона км. Так, расстояние до ближайшей к нашему Солнцу звезды, Проксима Центавра, открытой в 1915 году, составляет 4,22 световых года или 40 триллионов км. Самый быстрый космический аппарат, когда-либо созданный человеком, солнечный зонд «Паркер» (англ. Parker Solar Probe) 27 сентября 2023 года установил рекорд скорости. Он составил 176,5 км/с. Если бы он с такой скоростью полетел к Проксиме Центавра, то на весь путь ему потребовалось бы более 7 тысяч лет! И это только до ближайшей звезды.
А звезд во Вселенной очень и очень много. Почти все они под действием гравитации собираются в звездные системы, называемые галактиками, и вращаются вокруг общего центра масс. В самом центре большинства галактик (и в нашей Галактике тоже) как правило, находится сверхмассивная черная дыра. Наша Галактика называется Млечный Путь. В ней насчитывается по разным оценкам от 100 до 400 миллиардов звезд, а диаметр диска составляет порядка 100 тысяч световых лет. Солнце вращается на расстоянии около 26 тысяч световых лет от центра Млечного Пути, а один оборот совершает за 240 млн лет.
До начала ХХ века считалось, что наша Галактика – это и есть вся Вселенная. Но развитие астрономических приборов для наблюдения за космосом привело к ошеломляющему открытию. Оказалось, что отдельные туманности на ночном небе представляют собой не формирующиеся планетные системы и не части Млечного Пути (как считалось ранее), а отдельные галактики, похожие на нашу.
Галактики тоже не ходят поодиночке, а объединяются опять же под действием гравитации в галактические группы (наша группа насчитывает 47 галактик), а эти группы собираются в скопления или кластеры. Млечный Путь входит в Сверхскопление Девы, состоящее из 100 галактических групп, в которых содержится около 30 тысяч галактик. Примерный размер нашего сверхскопления составляет 200 миллионов световых лет. И таких скоплений галактик во Вселенной огромное множество. По современным оценкам только в видимой части Вселенной насчитывается порядка 10 млн галактических кластеров, в которые входит около 500 миллиардов больших галактик, содержащих порядка 5*1022 (50 миллиардов триллионов) звезд.
Здесь мы использовали термин «видимая Вселенная». Но что он означает? Дело в том, что наша Вселенная существовала не вечно, она появилась в какой-то момент времени и начала расширяться. Поэтому с Земли мы можем наблюдать только объекты, расположенные от нас на расстояниях не больше 46 миллиардов световых лет. Это расстояние, которое свет проходит за время существования Вселенной (13,8 миллиарда лет) с учетом ее расширения. То есть сама Вселенная может быть еще больше. Просто свет от более далеких ее частей до нас еще не успел дойти, и мы не можем их наблюдать. Все, что нам доступно, это лишь сфера радиусом 46 миллиардов световых лет, содержащая те самые миллиарды триллионов звезд.
Вопрос 62. Сколько лет нашей Вселенной и как мы это узнали?
В предыдущей главе мы сказали, что возраст нашей Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет. Но как физики это вычислили? Вообще, многие ученые и философы прошлого считали, что Вселенная вечна и неизменна, что она существовала всегда. Однако данные наблюдений за звездным небом вынудили отказаться от этой идеи.
А началось все в 1917 году, когда в обсерватории Маунт-Уилсон (Калифорния, США) установили новый 100‐дюймовый рефлекторный телескоп Хукера, самый большой на тот момент во всем мире. Через два года в эту обсерваторию прибыл молодой астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), который сразу принялся изучать далекие космические туманности при помощи нового телескопа. За несколько лет наблюдений он убедительно показал, что эти туманности находятся слишком далеко, чтобы быть частью нашей галактики, и по сути являются такими же галактиками, как и наш Млечный Путь. Таким образом, Хаббл многократно расширил наши представления о размерах Вселенной. Ведь до этого считалось, что Вселенная ограничивается лишь нашей галактикой. А оказалось, что таких галактик во Вселенное великое множество!
Но этим открытия Хаббла не ограничились. Ведь ранее неизведанные области Вселенной нужно было изучать. Поэтому Хаббл занялся измерением расстояний от Земли до разных галактик и обнаружил очень странное явление. Оказалось, что, в какую бы часть неба мы бы ни посмотрели, все наблюдаемые галактики от нас удаляются[137]. Более того, чем дальше галактика, тем больше скорость, с которой она улетает. Все выглядит так, как будто мы находимся в центре Вселенной, а все наблюдаемые звезды и галактики разлетается от нас в разные стороны. Как можно это объяснить?
Если бы скорости разбегания галактик никак не зависели от расстояния до них, то, действительно, можно было бы предположить, что Земля находится в центре Вселенной. Но поскольку наблюдается очень четкая зависимость скоростей галактик от расстояния до них, то значит, тут есть какая-то закономерность. И эта закономерность отлично описывается решением уравнений Эйнштейна, полученным за несколько лет до этого, в 1922 году, российским математиком Александром Александровичем Фридманом (1888–1925). Ему удалось найти первое нестационарное (т. е. непостоянное, зависящее от времени) решение уравнений общей теории относительности. Оно описывает пространство, в котором расстояния между всеми объектами постоянно увеличиваются. То есть такая Вселенная будет все время расширяться.
Сам Фридман относился к теории Эйнштейна больше как математик, полагая, что «его дело – указать возможные решения уравнений Эйнштейна, а там пусть физики делают с этими решениями, что они хотят»[138]. Но физики изначально отнеслись к решению Фридмана весьма скептически. Даже Эйнштейн не мог поверить, что такая Вселенная возможна. Он полагал, что Вселенная должна быть стационарной, т. е. вечной и неизменной, несмотря на то, что его же собственные уравнения говорили об обратном. Поэтому
