Космологические концепции

Космология – это наука об общих пространственно-временных свойствах материи. Это учение о Вселенной в целом, учение о космосе, где под космосом понимают весь мир, окружающий нашу планету.

Дадим определения некоторым терминам, которые важны для понимания концепций эволюции Вселенной.

Метагалактика – доступная наблюдению часть мироздания на основе непосредственных и косвенных методов изучения. На современном уровне горизонт Метагалактики, доступный наблюдению с помощью телескопов наземного и космического базирования, составляет более 10²⁸м. Вселенная – вся система мироздания, включающая Метагалактику и все выходящее за ее пределы. Галактика – крупномасштабная структура во Вселенной, состоящая из межзвездной среды и большого количества звезд, находящихся в гравитационном взаимодействии между собой и межзвездной средой. «Население космоса» - скопления и сверхскопления галактик, звезды, системы звезд, системы звезда-планеты, планеты.

Систематическое исследование галактик было начато в начале прошлого века. Возраст нашей Галактики приблизительно 10¹⁰ лет. Важным достижением астрофизики прошлого века было открытие межзвездной среды (МЗС). Объекты МЗС называют облаками. Исследование МЗС нашей Галактики показало, что химический состав Солнца аналогичен химическому составу МЗС: 90% водорода, 7% гелия, 2-3% тяжелые химические элементы.

В классификации американского астронома Хаббла выделены несколько типов галактик, в каждом из которых существуют подтипы. Он определил примерное процентное распределение наблюдаемых галактик: эллиптические по форме (~25%), спиральные (~50%), линзообразные (~20%) и пекулярные (неправильной формы) галактики (~5%).

Галактики объединяются в устойчивые структуры: скопления и сверхскопления галактик. Наша Галактика входит в скопление галактик, которое называют Местной системой. В нее входят наша Галактика, галактика Туманность Андромеды, спиралеобразная галактика из созвездия треугольник и еще 31 звездная система. Поперечник этой системы 7 млн. световых лет. Местная система входит в гигантское сверхскопление галактик, поперечник которой составляет 100 млн. лет.

Современная астрономия использует в астрономических исследованиях метод радиологических измерений. В основе этого метода лежит закон «периода полураспада радиоактивного элемента». Период полураспада означает промежуток времени, в течение которого исходное число химического элемента уменьшается вдвое. Например, уран-238 превращается в свинец-206. Вычислив соотношение количества стабильных ядер химического элемента свинца и числа не распавшихся ядер урана-238 в геологической породе, можно установить примерный ее возраст.

Наша Галактика имеет спиралеобразную форму: при рассмотрении ее сбоку она имеет вид диска с утолщением в центре, сверху вид спирали, образованной двумя рукавами, расходящимися из ядра Галактики. Масса нашей Галактики более 2∙10¹¹масс Солнца (масса Солнца более 2∙10³⁰кг). Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе, - ближайшие к нам звезды нашей Галактики. Большая же часть Галактики видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Благодаря этому нашу Галактику может легко наблюдать каждый: на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики, диск которой мы видим как бы «с ребра».

Наша Галактика состоит приблизительно из 200 млрд. звезд, среди которых есть и наше Солнце. Она пронизана магнитными полями, заполнена космическими лучами. Возраст Галактики около 15 млрд.лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один полный оборот вокруг центра Галактики за 250 млн.лет.

Центр Галактик наблюдать в оптические приборы не удается из-за мощного слоя межзвездной пыли, ослабляющего свет в десятки тысячи раз. Зато он доступен наблюдениям в рентгеновском и инфракрасном диапазонах. Данные внеоптической астрономии, а также наблюдения в оптические телескопы за движением близких к центру Галактики звезд позволяют сделать вывод, что ядром Галактики является черная дыра.

Черная дыра – область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.

Для того, чтобы поле тяготения смогло «запереть» излучение и вещество, создающая это поле масса звезды должна сжаться до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса r=2GM/с², где G-гравитационная постоянная, с-скорость света, М-масса звезды. Гравитационный радиус очень мал даже для больших масс. Например, для Солнца r ≈3км, а для Земли всего 0,8см. Звезда с массой, равной массе Солнца, всего лишь за тысячную долю секунды превратится из обычной звезды в черную дыру.

Свойства черной дыры крайне необычны. Особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры много меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R=2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры. Прежде чем улетит в космос. Если же тело вплотную подойдет к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос. Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев совершить ни одного, оно упадет в черную дыру.

Необычным свойством черной дыры является фундаментальное замедление времени. Представим себе двух наблюдателей: одного на поверхности коллапсирующей звезды, а другого далеко от нее. Предположим, что первый наблюдатель посылает сигналы второму через равные промежутки времени, информируя о происходящем. По мере приближения первого наблюдателя к гравитационному радиусу сигналы, которые он посылает через равные промежутки времени, будут достигать другого наблюдателя через более длительные интервалы времени. Если первый наблюдатель передаст последний сигнал как раз перед тем, как звезда достигнет гравитационного радиуса, то сигналу потребуется почти бесконечное время для того, чтобы прийти к удаленному наблюдателю. Второй наблюдатель никогда не увидит пересечение первым наблюдателем горизонта черной дыры. Если же наблюдатель послал сигнал после того, как достиг гравитационного радиуса, напарник никогда не примет его, потому что сигнал никогда не покинет звезду. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он попадает в область бесконечной плотности, где время кончается.

Черная дыра так сильно искривляет пространство. Что как бы отсекает себя от Вселенной. Она буквально может исчезнуть из нашей Вселенной. Возникает вопрос - куда? Математический анализ дает несколько решений. Особенно интересно одно из них: черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной и даже проникновения в другую вселенную. Правда, в реальности у человека нет шансов сохраниться во время его падения в черную дыру. Во время свободного падения тело будет разорвано грандиозными силами тяготения. Попадающего под горизонт черной дыры воображаемого путешественника ждет сильнейшая вспышка рентгеновских и гамма-лучей, губительного для всего живого.

Рождение черной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное – пространство и время меняются ролями. То, что во внешней вселенной связывается с расстоянием, ведет себя подобно времени, а то, что в нашей Вселенной характеризуется временем, в черной дыре ведет себя как пространство.

Теоретически коллапс должен завершиться образованием сингулярности, т.е. должен продолжаться до тех пор, пока черная дыра не достигнет нулевых размеров и бесконечной плотности. Во всяком случае, момент сингулярности – это, возможно, момент перехода из нашей Вселенной в другие вселенные или момент перехода в другие точки в прошлом или будущем нашей Вселенной.