Глава 2 структура метагалактики

Мегамир имеет системную организацию в форме планет, планетарных систем, звезд и звездных систем – галактик, системы галактик – Метагалактики. Наша Вселенная насчитывает 100000 млн. галактик, каждая из них состоит из миллиардов звезд. Галактики расположены неравномерно. Вселенная имеет ячеистое строение, напоминающее «паутинную сетку».

Звезды и галактики неравномерно распределены в пространстве. Почему? Что заставило их собраться вместе? Причиной всего этого могут быть тонкие струны с большой концентрацией энергии, образовавшиеся при рождении Вселенной. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась после Большого взрыва, вакуум испытывал ряд фазовых переходов. (Наиболее широко известны фазовые переходы в воде при охлаждении, когда она переходит из пара в жидкость и, наконец, в лед). Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии: они часто переводят симметричные состояния в несимметричные. Например, кристалл – в известном смысле менее симметричное состояние по сравнению с жидкостью, поскольку жидкость «выглядит одинаковой» во всех направлениях, а в кристаллической решетке различные направления не эквивалентны.

Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в «молодом» вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от начала расширения Вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах, космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум оставался в них, как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды дефектов. Согласно одним теориям, дефекты должны существовать в виде поверхностей, в других – предсказываются линии и точки. Эти типы дефектов называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями. Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных типов «разрывов» в свойствах вакуума.

В соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией, высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому – то дефекты в его структуре должны оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию Вселенной. В частности, именно он может быть источником энергии, провоцирующим скопление вещества в галактиках и звездных системах.

Многие богатые скопления галактик содержат значительные количества горячего ионизированного газа с температурой (10⁷ – 10 ⁸) К, являющегося источником мощного рентгеновского излучения. Масса такого газа в ряде скоплений равна суммарной массе галактик.

Иерархия космических структур обрывается на скоплениях и сверхскоплениях. В различных областях Метагалактики, имеющих размер 100 – 300 Мпк и более, содержащих много галактик и скоплений, средняя плотность видимого вещества галактик оказывается одинаковой и составляет около 3 ∙ 10^-34г/см³. С учетом скрытых масс эта величина возрастает почти втрое.

Тем не менее Метагалактику можно считать однородной. Конечно, в масштабах Солнечной системы или Галактики вещество распределено неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик распределение сравнительно равномерное. В крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых, чем – то выделяющихся мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенной можно считать ее не только однородной, но и изотропной. Это одно из фундаментальных свойств Вселенной. Другим ее фундаментальным свойством является нестационарность, разбегание галактик. Первое определение лучевой скорости галактики было успешно выполнено В. Слайфером (1875 - 1969) в обсерватории Ловелла. Она варьировала от 50 до 300 км/с. В последующем были обнаружены скорости удаления галактик в 600 км/с. Причины разных скоростей объясняет закон Хаббла, который гласит: чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они убегают..

Разбегание галактик свидетельствует в пользу расширения Вселенной. Критическое значение величины средней плотности вещества в Метагалактике зависит от постоянной Хаббла. При ее величине в 75 км/ (с ∙ Мпк) критическая плотность вещества во Вселенной близка к 10^-29 г/см³. Без учета скрытой массы наблюдаемая плотность значительно меньше критической (3 ∙ 10^-31).

Бесконечное расширение Вселенной возможно при наличии плотности меньше критической. Если же значение плотности выше критического, вселенная неизбежно будет в будущем сжиматься за счет влияния гравитационных сил. Обычного вещества, который вносит вклад в среднюю плотность Вселенной, менее 5 %, это, в основном, звезды в галактиках.

Исследователями установлено, что помимо видимой массы (обычного вещества) в Метагалактике присутствует скрытая (невидимая) масса – «темное вещество» (рис.17). Эта скрытая масса взаимодействует с обычным веществом только гравитационно и удерживает от распада периферийные части галактик. Темное вещество во Вселенной распределено неоднородно. В качестве невидимых тяготеющих объектов предполагаются черные дыры и звезды малой массы, темные планеты типа Юпитера и нейтронные звезды, известные невидимки – нейтрино и гипотетические субатомные частицы с экзотическими свойствами – фотино и бозоны Хиггса, вимпсы и аксионы.

Если темное вещество состоит из компактных звездных объектов, то они могут быть обнаружены по эффекту гравитационного возмущения (фокусировки), т.е. будут действовать как гравитационные линзы, отклоняя и усиливая свет далеких звезд или галактик.

Выяснение природы темного вещества во Вселенной позволит совершенно по – новому построить наши представления об эволюции вещества и структуры Вселенной. Тогда возможен ответ на вопрос, бесконечно ли расширение нашей Метагалактики или это расширение закончится сжатием и все повторится сначала по модели Большого взрыва (приложение 9).Вклад «темной энергии» в среднюю плотность Вселенной более 70%.

Рис. 17 Свидетельство в пользу существования темной материи.

Звезды на краях спиральных галактик, подобно нашему Млечному Пути, обращаются намного быстрее, чем, если бы они удерживались на своих орбитах только гравитационным притяжением наблюдаемых нами звезд. В 1970 – х гг.стало известно о существовании различий между наблюдаемыми скоростями обращения звезд во внешних областях спиральных галактик и орбитальными скоростями, которые ожидаются в соответствии с законами Ньютона на основании данных о распределении видимых в галактике звезд. Это расхождение указывает, что во внешних частях спиральных галактик должно быть намного больше вещества.