Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Рис. 21.17. Аллан Сэндидж продолжил работу Хаббла, занимаясь наблюдательной космологией и тщательно исследуя с помощью больших телескопов фундаментальные проблемы возраста, размера и геометрии Вселенной. За свои достижения он был награжден престижными премиями Кроуфорда и Грубера. С любезного разрешения Библиотеки обсерваторий Института Карнеги в Вашингтоне (Пасадина).
Глава 22 Крупномасштабная структура Вселенной
Невооруженным глазом мы без труда можем заметить только три галактики: Туманность Андромеды на северном небе и Большое и Малое Магеллановы Облака — на южном. На фотографиях, полученных большими телескопами, обнаруживаются миллионы галактик, а на всем небе, судя по оценкам, должны быть сотни миллиардов тусклых галактик. Кроме того, за последние годы получены спектры миллионов галактик. Следовательно, расстояния до них легко вычислить, используя закон Хаббла: расстояние пропорционально красному смещению. А значит, можно исследовать трехмерное распределение галактик, показывающее распределение вещества во Вселенной. Раньше, до появления современной «индустрии красных смещений», астрономы могли изучать только двумерное распределение галактик на небесной сфере.
Скопления галактик рядом с нами.Еще Вильям Гершель отметил, что туманности — социальные создания: они стремятся жить парами, группами, скоплениями. Уже в наши дни космолог Джеймс Пиблз, известный специалист по распределению галактик, говорил, что «лучшее место для поиска галактики — рядом с другой галактикой». Эта тенденция настолько сильна, что изолированных галактик очень мало. И наша Галактика, как стало известно, не исключение: она входит в Местную группу галактик, доминирующие члены которой — галактика Андромеда и наша Галактика — отстоят друг от друга на 2,5 млн световых лет. Большинство остальных галактик Местной группы гораздо мельче этих двух (как было показано на врезке 21.1).
Местная группа — это довольно посредственная группировка галактик, окруженная похожими на нее группами (рис. 22.1). Значительно более крупное скопление галактик обнаружено в направлении созвездия Дева (Virgo) на расстоянии около 60 млн световых лет от нас. В нем содержатся сотни галактик, самые яркие из которых можно с трудом разглядеть в хороший бинокль (рис. 22.2). На небе это скопление занимает круг диаметром 10 градусов, площадь которого в 20 раз больше чем у полной Луны. Это пример сравнительно небольшого неправильного скопления галактик. Еще дальше обнаружены богатые скопления гораздо большего размера.
Рис. 22.1. Группы и скопления, включающие не менее 10 галактик и расположенные вокруг Местной группы до расстояния около 60 млн световых лет. Количество членов в каждой группе соответствует размеру символа. Скопление галактик в Деве (Virgo) — крупнейшее на этой карте. С любезного разрешения Рами Рекола.
Рис. 22.2. Скопление галактик в Деве — ближайшее к нам крупное сообщество галактик, центр Местного сверхскопления. На снимке показана ее центральная область, плотно населенная галактиками. Ярчайшая среди них — гигантская эллиптическая галактика М86. Фото: Крис Михос.
Чтобы встретить богатое скопление галактик, число членов которого может доходить до 10 000, нужно пройти 300 млн световых лет в направлении созвездия Волосы Вероники (Coma Berenices). Там мы найдем скопление довольно правильной формы, в основном состоящее из эллиптических и S0 галактик. Этим оно отличается от меньшего по размеру и менее плотного скопления Virgo, содержащего много спиральных галактик. Похоже, что спиральные галактики неспособны сохраниться в экстремальных условиях скопления Сота. Компьютерное моделирование показало, что приливные силы со стороны общего гравитационного поля скопления сильно возмущают дисковые галактики, заставляют их терять свой газ и тем самым — возможность формировать спиральные рукава.
В 1950-х годах французский астроном Жерар де Вокулёр (1918–1995) представил свидетельства того, что наша Местная группа галактик является членом «Местного сверхскопления» галактик. Центром этого сверхскопления служит скопление Virgo, окруженное меньшими скоплениями и группами галактик. Вся система довольно плоская и в этом смысле напоминает нашу Галактику. Но в отличие от Галактики, которая вращается вокруг центра, Местное сверхскопление не вращается, и его отдельные части не связаны взаимной гравитацией. Эта большая система галактик расширяется, как и Вселенная в целом, хотя притяжение к расположенному в его центре скоплению Virgo немного уменьшает скорость разбегания.
Под влиянием взаимного притяжения скопления пытаются объединиться в более крупное сверхскопление, но их гравитации недостаточно, чтобы эта гигантская система скоплений стала связанной.
К большим масштабам: карты трехмерных структур.Телескопы системы Шмидта могут делать широкоугольные фотографии (рис. 22.3). В 1950-е годы с помощью «Большого Шмидта» Паломарской обсерватории было сфотографировано все северное и часть южного неба. Каждый из девятисот фотоснимков охватывает область неба размером 6° x 6°. Этот «Паломарский атлас неба» служил основным астрономическим инструментом для обсерваторий всего мира в течение десятилетий. Он дал возможность изучать далекие галактики и их скопления. Например, американец Джордж Эйбелл (19271983) открыл 2700 скоплений галактик. Он обнаружил, что скопления образуют сверхскопления такого же типа, как ранее обнаруженное де Вокулёром Местное сверхскопление. Однако в то время исследования ограничивались изучением распределения галактик по небу, а точных данных о расстояниях до них не было. Поэтому долго не прекращались дебаты о реальности сверхскоплений. Многие астрономы опасались, что эти небесные структуры всего лишь кажущиеся, вызванные случайным наложением изображений галактик в тех направлениях на небе, где из-за неоднородного поглощения света в клочковатой космической пыли образовались «коридоры прозрачности».
Порой случается, что одно обнаруженное во Вселенной явление дает нам ключ к исследованию совсем других вещей. Так было и с законом Хаббла. Благодаря этой космической закономерности, красное смещение света галактик можно использовать как индикатор расстояния: его не так сложно измерить и при этом можно использовать для создания карты трехмерного распределения галактик. Впервые это сделали эстонские астрономы Микхель Йыэвеер (1937–2006) и Яан Эйнасто в конце 1970-х годов, когда число измеренных красных смещений достигло примерно 2000. Они начали составлять трехмерные карты распределения галактик и доложили о своем поразительном открытии на первой международной конференции, посвященной крупномасштабной структуре Вселенной, в Таллине (Эстония) в 1977 году. Их карты показали поразительные структуры в пространстве вокруг нас, имеющие форму длинных нитей и гигантских стен, образующих некое подобие пчелиных сот. Между этими структурами, состоящими из групп и скоплений галактик, существуют огромные пустоты, в которых практически нет ни одной галактики. Диаметры «ячеек» достигают 100 млн световых лет (около 30 Мпк), что близко к размеру Местного сверхскопления.
Рис. 22.3. Телескопы системы Шмидта («камеры Шмидта») сыграли важную роль на раннем этапе исследования распределения галактик на небе, (а) Этот телескоп назван в честь эстонского изобретателя Бернхарда Шмидта (1879–1935), разработавшего его в 1931 году. С любезного разрешения Гамбургской обсерватории, (б) Гораздо раньше в Финляндии Юрьё Вяйсяля (1891–1971) предложил такую же конструкцию телескопа, но не опубликовал свои результаты, и Шмидт не знал о них. (в) 70-см телескоп системы Шмидта в финской обсерватории Туорла. Фото: Рами Рекола.
Не все сразу поверили в реальность столь неожиданных структур. Возможно, что данные о красном смещении, собранные разными наблюдателями для различных целей, не дают нормального представления о распределении галактик. Чтобы подтвердить открытие эстонских астрономов, требовалось провести хорошо организованный однородный обзор красных смещений, перекрывающий большие области неба. Первый такой проект был предпринят в Гарвард-Смитсонианском астрофизическом центре (СfА) в США. Для этой программы потребовалось измерить красное смещение у 1900 новых галактик. В 1986 году в статье под названием «Ломоть Вселенной» (A Slice of the Universe) астрономы В. Лаппарант, М. Геллер и Дж. Хакра подтвердили существование оболочкообразных скоплений галактик, а также нашли и другие сложные структуры в мире галактик. Их карта (представленная как часть рис. 22.4) стала символом сложности распределения галактик в пространстве.
Рис. 22.4. Используя красное смещение как меру расстояния, можно изобразить распределение галактик в пространстве. Меньшая карта основана на данных CfA, опубликованных в 1986 году (см. текст). Были измерены красные смещения многих галактик в узкой полосе неба, и их положение было изображено на рисунке в шкале скоростей (расстояний). Большая карта, основанная на данных SDSS, проникает глубже в пространство. На ней тоже заметны характерные структуры, но большего размера. Великая Стена CfA и Великая Стена Слоана протянулись поперек этих карт. Обратите внимание на крупные пустоты. С любезного разрешения Ричарда Готта III и Марио Джюрик.
