Космические монстры. Как устроена наша Вселенная

Почему Вселенная существует

Сегодня мы поговорим о загадках космоса. Главная из них состоит в том, каким образом до сих пор существует наша Вселенная. Ведь согласно Закону всемирного тяготения или его уточнению – Общей теории относительности, все материальные объекты притягиваются друг к другу. Так что за свои примерно 13,5 млрд лет существования Вселенная должна была бы «слипнуться» в один большой комок. А ведь нет. Существует преспокойно. Почему? Ведь законы тяготения подтверждены множеством экспериментов и наблюдательных фактов.

Черные дыры и их загадки

Дело в том, что это «слипание» происходит. Но не в глобальных, а локальных, по меркам Вселенной, масштабах. Почему? Расскажем позднее. А сейчас поговорим о том, что происходит в результате этого локального «слипания». А происходит вот что. Рождаются, например, «черные дыры» – самые загадочные объекты Вселенной.

В настоящий момент физики считают, что существует целая иерархия «черных дыр» – от сверхмалых до гигантских. Последние, огромные монстры, расположены в центрах галактик, в том числе, нашего «Млечного пути», в котором и находится Солнце со всем «выводком» своих планет, комет, астероидов и прочей мелочи.

Так как образуются «черные дыры»? Что это такое?

«Вдали было поле в снегу и погост. Ограды, надгробья, оглобли в сугробе и небо над папертью полное звезд.

А рядом, неведомая перед тем, застенчивей плошки, в окошки сторожки, мерцала звезда на пути в Вифлеем».

Так Борис Пастернак в своем знаменитом стихотворении описывает библейскую легенду о появлении новой звезды, знаменующей рождения сына божьего.

На самом деле, никакой «новой» эта звезда не была. В том смысле, что она в тот момент вовсе не родилась. Она, наоборот, «скончалась».

Дело в том, что каждой звезде отмерен «свой жизненный срок». Звезда живет благодаря равновесию двух разнонаправленных сил. Одна из них – сила всемирного тяготения, которая стремиться сжать всю огромную массу вещества, прежде всего водорода, из которого звезда преимущественно и состоит. Другая сила – это энергия ядерных реакций, которые в звезде  происходят и которые расталкивают содержащееся в ней вещество.

Так вот, когда запасы водорода заканчиваются, а это происходит через миллиарды лет после  возникновения звезды, силы гравитации начинают преобладать, и звезда схлопывается. Все находящееся в ней вещество устремляется к центру, и там происходит мощнейший взрыв. Который приводит к резкому повышению выделения энергии, а, следовательно, и усилению светимости звезды. Такая вот предсмертная агония. Ее то и наблюдали библейские пастухи. Если это не сказка.

Как умирают звезды

А что дальше? А это зависит от начальной массы звезды. Тут у нее есть несколько путей эволюции.

Если первоначальная масса звезды не слишком велика (не более 1,4 массы Солнца), то выбросив в результате взрыва основную массу своего вещества, она, под действием сил тяготения, начинает сжиматься и превращается в так называемый «белый карлик». Карлик – потому что он маленький. А Белый, потому что его сила тяготения позволяет лучам света из него выходить. Если первоначальная масс звезды составляет от 2 до 3 масс Солнца, то на месте ее гибели образуется так называемая  «нейтронная звезда», плотность материи в которой очень велика, но она не светит.

Если начальная масса звезды превосходит указанный выше предел, то в результате того самого гравитационного воздействия из останков покойницы образуется так называемая «черная дыра» – один из самых загадочных объектов во Вселенной. Дело в том, что непосредственно обнаружить его нельзя. И никакие усовершенствования средств наблюдения за космосом это сделать не позволят. Потому что гравитационное поле «черной дыры» настолько велико, что даже электромагнитные волны, которые в разных диапазонах мы и регистрируем, вырваться оттуда не могут. «Черная дыра» это такой космический монстр, который «сжирает» все, попадающееся на его пути, и ничего не выпускает обратно. Но эти «твари» существуют. В центрах каждых галактик, по крайней мере. И в нашем «Млечном пути» тоже. Современная наука в этом не сомневается.

Тут надо добавить, что сверхмассивные «Черные дыры» в центрах галактик, образуются не в результате гравитационного коллапса какой-то отдельной звезды, а в результате слияния целой массы звезд, плотность которых в центрах галактик намного выше, чем на их периферии.

Что происходит там, внутри «черной дыры»? А вот это науке не известно. Для того чтобы в этом разобраться и построить более менее адекватную математическую модель происходящего, необходимо создать квантовую теорию относительности. А вот этого  и не получается уже много лет.

О других космических монстрах

Ну и бог с ними, с «черными дырами». У нас во Вселенной есть много всяких других загадочных объектов. Квазары, пульсары, например, природа которых, как и природа «черных дыр», до конца не понятна.

Вот, квазар. По современным представлениям квазары – это ядра галактик на начальном этапе их развития. В центре такой молодой галактики находится сверхмассивная «черная дыра», которая, в соответствии с Общей теорией относительности, «сжирает» окружающее ее вещество. Это бедное вещество не падает в «дыру» напрямую (по радиусу), а движется по спирали, необратимо приближаясь к черному монстру. При этом оно разгоняется, его температура немерено растет, и оно начинает излучать электромагнитные волны разных диапазонов. Это излучение исключительно мощное. Оно может превышать в десятки и сотни раз суммарную мощность излучения всех звезд таких галактик, как наша. Поэтому квазары иногда называют «маяками вселенной».

Происходят ли подобные явления сейчас или это «предания старины глубокой»? В ближайшем от нас космосе их нет. А то, что мы наблюдаем, происходило многие миллиарды лет назад. Именно столько шел свет от квазаров до нашей Земли. Именно тогда и происходили все эти Вселенские катаклизмы.

Теперь о пульсарах. Это космические источники излучения, работающие в разных диапазонах световых волн. Их особенность состоит в том, что в отличие от всех остальных объектов, это излучение приходит в виде периодических всплесков (для разных видов пульсаров эта периодичность разная). По современным представлениям, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды (о них мы говорили выше), т.е. остатки обычных звезд, первоначальная масса которых, не позволила им превратиться в «черную дыру». Так вот, эти «бедолаги», если они вращаются вокруг своей оси и имеют магнитное поле, наклоненное к оси вращения, обеспечивают ту самую периодичность посылаемых в сторону Земли сигналов. Потому и называются пульсарами.

Вот такими загадочными существами и населена наша Вселенная. Но и это еще не все.

О черноте в космосе

Еще в 1905 году Эйнштейн  в Специальной Теории Относительности, подтвержденной массой наблюдений и экспериментов, показал, что существует связь между массой какого-нибудь материального объекта и  его энергией, так называемой энергией покоя. Таким образом, материя и энергия являются связанными друг с другом.

И что из того, спросите вы. А то, что находясь во Вселенной, мы более-менее понимаем  5% ее устройства. Это, включая  звезды, пылевые туманности, «черные дыры», пульсары, квазары и прочую космическую нечисть. Плюс все элементарные частицы, из которых устроен наш мир. Так называемая «барионная материя».

А где все остальное? Те самые 95% оставшихся процентов.

На самом деле, эти 95% приходятся на так называемую «черную материю» и черную энергию». Почему они называются «черными»? А потому что никто толком не понимает, что это такое и как оно устроено.

Темная материя

Сначала о темной материи. Как всегда, все новые, в том числе и теоретические открытия, в астрофизике и космологии происходят после того, как появляются новые, более мощные средства наблюдения за далеким космосом. Так и здесь.

Точные наблюдения за движением звезд в далеких галактиках, показали, что что-то здесь не так. Слишком быстро они двигались. А это, согласно законам физики, могло означать только одно. У них там, внутри родной галактики, существует очень мощный центр притяжения, вокруг которого они и вращаются, чтобы на него не упасть.

Сначала все свалили на сверхмассивную «черную дыру». Но выяснилось, что «дыра» здесь не причем. Не такие траектории должны были бы быть у звезд, если бы центр притяжения находился в одной, по космическим масштабам, точке.

А потом, после появления современных суперкомпьютеров, стало возможным решить так называемую в математике «обратную задачу». А именно: по данным наблюдений движения звезд вычислить распределение в пространстве источников гравитационного тяготения.

Вот и вычислили. И проверили полученные результаты по наблюдениям движения звезд и в других галактиках.

И все сошлось! Оказалось, что в Космосе есть какая-то  сущность, которая оказывает гравитационное воздействие, но невидима, т.е. не взаимодействует с электромагнитным полем на любых диапазонах волн.  Вот эту сущность и назвали «темной материей». На ее долю приходится примерно 25–27% того, что у нас во Вселенной есть.

Темная энергия

Ладно, а что все остальное? Это «темная энергия». Тут вот какое дело. То, что наша Вселенная расширяется, было известно с конца двадцатых годов прошлого века. Именно из этого факта и родилась теория «Большого взрыва».

Ладно, взорвалось все и разлетелось. Но всемирное тяготение должно замедлять этот разлет, притягивая различные объекты друг к другу. Или, говоря языком Общей теории относительности, сжимая пространство.

Так вот, совсем недавно выяснилось, что все не так. Вселенная продолжает расширяться, причем делает это с ускорением. А это значит, что помимо гравитации, существует противоположная ей сила, расталкивающая материальные объекты или, точнее, наше пространство время. Эту силу и назвали «темной энергией». Как ее предсказал Эйнштейн и как не поверил в ее существование, мы писали ранее. Что такое «темная энергия» никто не знает. Но в ее существовании никто не сомневается. Против фактов не попрешь.

Вот примерно так устроен наш мир в глобальных масштабах. А микромир, мир атомов и элементарных частиц, устроен совсем по-другому. Не менее, а может быть, и более загадочно. Об этом расскажем в следующей публикации.