Метагалактика и Вселенная

1. Открытие Метагалактики
Современная астрономия изучает космические системы, находящиеся на трех структурных уровнях. Эти уровни различаются между собой не только масштабами, но также характером распределения, взаимодействия и движения материальных масс, особенностями физической природы образующих их объектов.
Первый уровень — наша солнечная система, серьезное изучение которой началось более четырех столетий назад. Ее радиус — порядка 100 тыс. астрономических единиц (1,5—2∙1010 км). Солнечная система включает: Солнце; 9 больших планет с их спутниками; комплекс малых тел: 1011—1012 комет, десятки тысяч астероидов, метеорную материю. Эти три группы тел, различающихся по физической природе и характеру движения, можно рассматривать как подсистемы, суперпозицией которых является солнечная система. Наиболее важная черта солнечной системы — концентрация почти всей ее массы в одном теле — Солнце (масса Солнца составляет 2∙1033 г). Планеты, которые являются холодными телами, а также малые тела содержат всего лишь тысячную долю массы солнечной системы. Взаимодействия в солнечной системе определяются в основном законом тяготения Ньютона. Солнечная система находится в стационарном состоянии.
Второй уровень — наша Галактика, гигантская звездная система, открытая в конце XVIII в. английским астрономом В. Гершелем. Ее радиус составляет примерно 15 000 парсек (4,5∙1017 км). Галактика состоит из 100—150 миллиардов звезд, многие из которых образуют группы, звездные скопления и ассоциации, облаков межзвездного газа, космической пыли и магнитных полей. Полная масса Галактики составляет примерно 1,3∙1011 масс Солнца, т. е. 2,6∙1044 г. Почти вся она сосредоточена в звездах: масса газовой материи не превышает 2% массы Галактики, а масса пылевой материи еще раз в десять меньше Звезды Галактики необычайно многообразны по своим физическим свойствам: светимостям, размерам, массам, плотностям, внутреннему строению, возрасту, Но в этом многообразии имеется важная закономерность: звезды со сходными физическими и динамическими характеристиками образуют квазинезависимые подсистемы, причем вся Галактика представляет собой суперпозицию подобных подсистем.
Движения в Галактике, как и в солнечной системе, определяются в основном законом тяготения Ньютона, однако решающую роль в образовании наблюдаемой структуры Галактики играют статистические закономерности образующих ее звездных коллективов. Хотя в целом Галактика представляет собой квазистационарную звездную систему, в ней обнаружены звездные группировки, которые находятся в нестационарном состоянии и должны довольно быстро распадаться.
Что касается третьего уровня, то его исследование началось сравнительно недавно. Правда, уже полтора столетия назад некоторые астрономы высказывали убеждение, что во Вселенной существует множество звездных «островов», подобных нашей Галактике. Другие же астрономы придерживались мнения, что Галактика — единственная звездная система во Вселенной. Фактических данных для решения этого спора долгое время не было. В 1924—1926 гг. американский астроном Э. Хаббл доказал, что многие «туманности», природа которых давно уже была предметом острых дискуссий, расположены далеко за пределами Галактики и являются внегалактическими звездными системами. Расстояние до ближайшей к нам галактики в Андромеде (М31) составляет по современным данным 670 тыс. парсек. С другой стороны, самые далекие из известных сейчас галактик находятся на расстоянии около 3 млрд. парсек (1023 км)!
Мир галактик представляет собой скелет системы, необычайно грандиозной по своим масштабам. Она получила название Метагалактики. Элементами структуры Метагалактики являются галактики, межгалактическая материя и, возможно, объекты, находящиеся в гораздо более плотном состоянии. Галактики образуют кратные группы, скопления и сверхскопления, которые можно рассматривать как подсистемы Метагалактики.
Открытая менее сорока лет назад, Метагалактика привлекает сейчас особенное внимание астрономов. Дело в том, что ее изучение привело к обнаружению ряда фактов, интерпретация которых в рамках общепринятых сейчас представлений вызывает серьезные трудности. Многие астрономы и астрофизики считают, что эти трудности будут преодолены в рамках существующих физических теорий. Но такая точка зрения отнюдь не является единственно возможной. Мир галактик характеризуется физическими условиями, резко отличными от тех, с которыми имеет дело лабораторная физика, в частности, громадными массами вещества, колоссальными сроками развития и т. д. Естественно допустить, что в этих условиях мы можем встретиться с качественно новыми явлениями, которые потребуют выхода за рамки современной теоретической физики. Именно это обстоятельство и делает Метагалактику особенно интересным объектом исследования.
2. Структура галактик
Галактики представляют собой сравнительно изолированные и замкнутые системы. Расстояния между галактиками обычно на порядок больше их размеров (хотя обнаружены исключения), причем обмен звездами между различными галактиками не происходит. Далее, галактики можно рассматривать как динамически автономные системы: движение звезд в подавляющем большинстве галактик определяется полем тяготения самих этих галактик и не зависит от их взаимодействия с другими галактиками.
Первые исследования структуры галактик касались главным образом их интегральных характеристик: форм, размеров, светимостей, масс и др. Важнейшее значение имеет структурная классификация галактик, разработанная Э. Хабблом и опубликованная им в 1926 г. На основании изучения внешних форм галактик, Хаббл разделил их на три типа: эллиптические (рис. 1), спиральные (нормальные — рис. 2 — и пересеченные — рис. 3 — спирали), иррегулярные (неправильные—рис. 4), а каждый тип — на несколько подтипов.



Эллиптические галактики — это объекты правильной формы. Они имеют разную степень сплющенности, начиная от правильной сферы (Е0) до сплюснутой чечевицы (Е7).
Спиральные галактики состоят обычно из ядра, примерно сферической формы, и более плоской внешней части, в которой выделяются спиральные ветви. В соответствии с различной мощностью и развитостью спиральных рукавов Хаббл ввел три подтипа спиральных галактик: Sa, Sb и Sc, где Sa и Sb соответствуют случаям малой мощности спиральных рукавов, a Sc — очень мощным, развитым и раскрытым рукавам. Впоследствии Хаббл выделил еще подтип S0 (линзовидные галактики), переходный от эллиптических галактик к спиральным. Число спиральных рукавов у разных галактик бывает разным. Наиболее типичным, однако, является случай, когда спиральных ветвей две. Эти ветви расположены, как правило, в одной плоскости.

Иррегулярные галактики не имеют каких-либо определенных форм.
Первая попытка эволюционного истолкования этой классификации была дана английским астрономом Дж. Джинсом. Галактики разных структурных типов — эллиптические, спиральные, иррегулярные — Джинс считал различными фазами эволюции сгущений, образовавшихся из крайне разреженного метагалактического газа в результате гравитационной неустойчивости. Гипотеза Джинса столкнулась с серьезными теоретическими трудностями, а в 1944 году была опровергнута прямыми наблюдениями. Дело в том, что эллиптические галактики и ядра спиральных галактик, согласно этой гипотезе, должны состоять из газа. Но, как показал американский астроном В. Бааде, они на самом деле состоят из звезд, а газа в них очень мало.
За последние десятилетия выяснилось, что формы галактик гораздо более многообразны, чем представлял себе Хаббл. Разработаны новые тщательно продуманные системы их классификации. Но богатство форм галактик оказывается настолько большим, что многие из них не укладываются ни в какие классификации. Необычайно разнообразными оказались и другие характеристики галактик.
Светимость сверхгигантских галактик более чем в 10 миллиардов раз превышает светимость Солнца. Для гигантских галактик она заключена в пределах от 250 млн. до 10 млрд, солнечных светимостей, для галактик умеренной светимости — от 10 до 250 млн., для карликов — от одного до 10 млн., а у субкарликов — меньше миллиона светимостей Солнца.
Диаметры галактик-гигантов и сверхгигантов равняются, по современным определениям, от 5000 до 50000 парсек. Диаметры галактик-карликов оцениваются величинами порядка 500 парсек.
Массы галактик-сверхгигантов составляют примерно 1011—1012 солнечных масс, причем существует верхний предел массы, приблизительно равный 1013 масс Солнца.
Массы карликовых галактик, по-видимому, на шесть-семь порядков меньше. Подавляющая часть массы галактик сосредоточена в звездах. Сверхгигантские галактики содержат 1011—1012 звезд, карликовые системы типа Скульптора — лишь несколько миллионов звезд, а субкарлики, подобные галактике в созвездии Козерога, открытой американским астрономом Ф. Цвикки, — самое большое несколько десятков тысяч звезд. Тот факт, что наблюдаемое нами вещество Вселенной сосредоточено в дискретных телах одного типа, с массами порядка массы Солнца, несомненно, имеет глубокое космогоническое значение.
Кроме звезд, галактики включают также и другие объекты, в том числе рассеянную (диффузную) материю, которая встречается в двух формах: в форме крайне разреженного газа и форме пыли. Количество диффузного вещества различно в разных галактиках. Если в нашей Галактике полное количество межзвездного газа не превышает 1—2% (по массе), то в Магеллановых Облаках оно больше — 5% массы Облаков, а в случае Малого Магелланова Облака, возможно, даже составляет 10% всей его массы. С другой стороны, во многих эллиптических галактиках масса диффузного вещества намного меньше, чем в нашей Галактике; она измеряется немногими долями процента. Диффузная материя в галактиках распределена неоднородно; местами она образует отдельные облака — туманности, с размерами от сотых долей парсека до десятков и сотен парсеков. Туманности часто находятся в тесной связи со звездами.
Важнейший шаг в изучении структуры галактик был связан с развитием системно-структурных исследований галактик, что привело к выделению в них разных типов звездного населения и подсистем.
В 1944 г. В. Бааде обнаружил, что диаграмма Герцшпрунга — Рессела для ярких звезд вблизи центра галактики в Андромеде совпадает с диаграммой для звезд шаровых скоплений нашей Галактики, тогда как для звезд в окрестностях Солнца она имеет другой вид. Отсюда Бааде пришел к разделению звездного населения галактик на два типа — по различиям в физических характеристиках, тесно связанным с различиями в их пространственном распределении и движении.
Понятие звездных населений оказалось очень плодотворным. Но, как показал советский астроном Б. В. Кукаркин в 1943—1949 гг., разделение звезд только на два типа является слишком большим упрощением. Развивая идеи шведского астронома Б. Линдблада, он разработал понятие звездных подсистем в галактиках. С течением времени выяснилось, что это понятие позволяет гораздо более глубоко характеризовать галактики.
В некоторых галактиках, например в системах типа Е0, звездное население довольно однородно, т. е. галактика, грубо говоря, состоит только из одной подсистемы. Однако во многих случаях галактики состоят из двух или нескольких подсистем, включающих разные типы населения. Так, линзовидные галактики (S0) содержат две подсистемы, которые, в свою очередь, состоят из звездного населения сферической составляющей и диска. Гигантские спирали типа М31 содержат сферическую составляющую, диск и спиральные рукава.
Современная звездная динамика приводит к выводу, что за время звездной эволюции тип подсистемы практически не может измениться: сферическая подсистема не может превратиться в плоскую или наоборот. Средний возраст звезд различных подсистем также различен.
Степень развития одной из подсистем не зависит от степени развития другой подсистемы. Например, сферическая подсистема галактики М31 по количеству звезд и размерам не очень сильно отличается от нормальной галактики типа Е0, которая в отличие от спиральных галактик вовсе не содержит населения плоской подсистемы и спиральных рукавов. В некоторых галактиках сферическая подсистема почти не представлена, а плоская, наоборот, развита очень сильно (например, Большое и Малое Магеллановы Облака).
Таким образом, различные подсистемы в галактиках относительно независимы друг от друга. А это, в свою очередь, означает, что галактики — составные системы, образованные простой суперпозицией подсистем. Что же в таком случае является общим для различных подсистем? Связь между подсистемами состоит в наличии общего центра. Центр сферической подсистемы совпадает с центром диска и с областью, из которой выходят спиральные рукава.
Как известно из наблюдений ближайших галактик — гигантов и сверхгигантов, в их центре обычно находится довольно резко очерченное ядро, имеющее часто размеры всего в несколько парсеков—меньше, чем диаметр обычного шарового скопления и в сотни и даже в тысячи раз меньше диаметра соответствующих галактик.
Как показал В. Бааде, спиральная галактика М31 в созвездии Андромеды обладает ядром, диаметр которого составляет 5 парсек — в 10 000 раз меньше диаметра самой галактики, а светимость в 4000 раз меньше. Примерно те же соотношения отмечаются в случае двух спутников М31 —галактик NGC 205 и NGC 147. Но третий спутник М31 — галактика М32 имеет ядро, которое всего лишь в сто раз слабее самой галактики. Многие иррегулярные галактики, такие, как Большое и Малое Магеллановы Облака, не имеют сколько-нибудь заметных ядер. С другой стороны, недавно открыты компактные галактики, все оптическое излучение которых фактически исходит от ядра. Таким образом, относительная светимость ядер очень различна и зависит главным образом от типа галактики. Изучение цветов и спектров ядер позволяет сделать вывод, что в большинстве случаев ядро содержит звездное население, очень близкое по составу к населению прилегающих областей. Плотность населения в ядрах должна быть в сотни тысяч раз больше, чем во внешних частях галактик, порядка десятков тысяч солнечных масс на кубический парсек.
Наблюдения ядер чрезвычайно трудны. Даже у ближайших галактик на фотографиях, полученных с самыми мощными телескопами, ядра кажутся точечными объектами. Что касается нашей Галактики, то она обладает ядром, вероятно сходным с ядром М31. К сожалению, область неба в направлении на центр Галактики покрыта облаками межзвездного поглощающего вещества; это полностью исключает возможность оптических наблюдений галактического ядра. Между структурой галактик как целого и составом их звездного населения, т. е. элементами этой структуры, обнаружена тесная связь: галактикам разного типа соответствуют и различные типы населения.
Эллиптические галактики не содержат горячих звезд-гигантов спектральных классов О—В. Напротив, в спиральных и иррегулярных галактиках наличие этих звезд сразу бросается в глаза. Горячие гиганты в этих галактиках не распределены равномерно по всему их объему, а образуют пространственные группировки, получившие название О-ассоциаций. Диаметры О-ассоциаций заключены обычно между 30 и 200 парсек. Горячие гиганты и другие звезды, из которых состоят О-ассоциации, являются молодыми, а сами ассоциации, как системы, нестационарны и должны довольно быстро распадаться (за время порядка нескольких миллионов лет). Раз они наблюдаются — значит возникли совсем недавно, являясь как бы «очагами» звездообразования в галактиках. В результате возникновения и последующего распада О-ассоциаций общее звездное поле галактик обогащается молодыми звездами. Наша Галактика, наряду с О-ассоциациями, содержит также Т-ассоциации, основным признаком которых считается присутствие переменных карликовых звезд типа RW Возничего (Т-ассоциации получили свое название от одной из звезд этого типа — Т Тельца). Многие из этих переменных звезд содержат в своих спектрах яркие линии. В других галактиках переменные звезды типа RW Возничего не наблюдаются вследствие низкой светимости этих звезд. Однако нет сомнений, что они должны довольно часто встречаться за пределами нашей звездной системы.
В спиральных галактиках распределение O-ассоциаций подчиняется следующей закономерности: геометрическое место О-ассоциаций представляет собой спирали, исходящие из ядра галактики. Вследствие высокой поверхностной яркости звездных ассоциаций этого типа мы наблюдаем яркие спиральные рукава, в которых, иногда непосредственно примыкая друг к другу, а иногда на некотором расстоянии, расположены О-ассоциации. Горячие гиганты, из которых состоят ассоциации, имеют голубой цвет, так что спиральные рукава особенно контрастно выделяются на снимках в голубых лучах.
Иррегулярные галактики — это системы низкой светимости, которые не менее богаты О-ассоциациями, чем спиральные галактики, но в пространственном расположении ассоциаций нет столь строгой закономерности; они довольно хаотично разбросаны по всему объему этих галактик.
После открытия в галактиках различных типов звездных населений и подсистем английский астрофизик Ф. Хойл, голландский астрофизик Я. Оорт, американские астрофизики В. Баум и М. Шмидт разработали новую гипотезу эволюции галактик, в которой сделана попытка объяснить особенности их структуры. В ней развиваются идеи Джинса с учетом не только гравитационных, но также сложных магнитогидродинамических процессов в газовой среде. Основная трудность, с которой сталкивается эта гипотеза, — отсутствие прямых наблюдательных данных о сгущении разреженного газа в плотные небесные тела и их системы. В качестве косвенного свидетельства обычно приводят факт параллелизма между распределением молодых звезд и диффузной материи, например в спиральных ветвях галактик. Этот факт, однако, можно истолковать и совершенно по-иному, а именно, как совместное образование звезд и диффузных туманностей из тел незвездной природы.
Если бы звезды каждой галактики и каждого звездного скопления в ней сконденсировались из межзвездного газа, должна была бы существовать зависимость между возрастом звездного скопления и количеством газа в нем: чем больше возраст скопления тел, тем меньше должно быть в нем газа, еще не превратившегося в звезды. Должна существовать и зависимость между относительным содержанием газа и общей массой звезд скопления: более массивное скопление должно было бы содержать и больше газа. Ничего подобного, однако, не наблюдается.
Звездная ассоциация в созвездии Персея расположена в области, где межзвездного газа мало. Между тем эта ассоциация особенно богата сверхгигантами и многие из них являются очень молодыми, т. е. формирование звезд в ассоциации продолжается. Отношение массы газа к массе звезд в этой ассоциации почти такое же, как и в звездном скоплении Плеяды, хотя возраст Плеяд значительно больше.
Плотность межзвездного газа в Малом Магеллановом Облаке больше, чем в Большом Магеллановом Облаке, причем в первом случае распределение газа является плавным, а во втором — газ имеет резко выраженную фрагментарную, клочковатую структуру. Вместе с тем процесс звездообразования в Малом Магеллановом Облаке протекает уже давно, а в Большом Магеллановом Облаке он особенно интенсивно происходит на наших глазах, свидетельством чего является большое количество звездных ассоциаций и сверхассоциаций. Если бы звезды формировались из межзвездного газа, мы наблюдали бы как раз обратную картину. В самом деле, почему в Малом Магеллановом Облаке, где плотность межзвездного газа выше, звездообразование идет менее интенсивно?
В некоторых шаровых скоплениях Галактики имеются отдельные молодые звезды высокой светимости. Между тем на больших расстояниях от плоскости Галактики плотность диффузной материи мала и условия для формирования звезд должны отсутствовать.
Таким образом, не только нет никаких фактических данных, которые непосредственно подтверждали бы гипотезу об образовании звездных групп из туманностей, но можно указать ряд фактов, непонятных с точки зрения этой гипотезы.
С другой стороны, диффузные туманности не имеют равновесных конфигураций. Они должны разрушаться за время порядка нескольких миллионов лет — быстрее, чем звездные ассоциации. Если даже допустить, что звезды образовались из туманностей, возникает вопрос, откуда взялись сами туманности. Группы звезд, возникших из туманностей в результате гравитационной неустойчивости, были бы устойчивыми, тогда как звездные ассоциации резко нестационарны.

Все эти противоречия приводят к выводу, что образование звезд и звездных систем необъяснимо с распространенной точки зрения. Вопрос о природе вещества, из которого образуются звезды и звездные системы, должен, следовательно, решаться не на основе каких-либо произвольных гипотез, а на основе обобщения фактических данных. Наиболее важными из них являются факты относительно нестационарных процессов в галактиках.
В самом начале 50-х годов было обнаружено радиоизлучение галактик. В большинстве случаев оно является сравнительно слабым. Но оказалось, что существуют галактики, у которых мощность радиоизлучения в тысячи и даже в миллионы раз больше, чем у обычных галактик (радиогалактики). Одни радиогалактики (например, Лебедь А — рис. 5) содержат элементы двойственности, создавая на первый взгляд даже впечатление пары галактик, как бы «наложенных» друг на друга. «Радиоизображения» многих радиогалактик часто состоят из двух сгустков, между которыми расположены области оптического излучения. Другие радиогалактики (например, Дева А — рис. 6) содержат в центральной части выбросы или струи, исходящие из ядра и имеющие необычное распределение энергии в спектре. Эти спектры залиты непрерывной эмиссией. Оптические светимости радиогалактик примерно одинаковы (все они являются сверхгигантами), но их радиосветимости очень различны. Например, радиосветимость источника Лебедь А примерно в 2000 раз больше, чем у Девы А. Наблюдения радиогалактик показали, что их радиоизлучение обусловлено релятивистскими электронами, вместе с другими частицами высокой энергии, движущимися в магнитных полях. Общее количество энергии, которое содержится в совокупности частиц высокой энергии, находящихся в радиогалактике, оказалось совершенно чудовищным; в отдельных случаях оно достигает 1060 эрг! Это в 10 раз превышает потенциальную гравитационную энергию нашей Галактики.

Откуда же берется эта энергия?
Американские астрономы В. Бааде и Р. Минковский выдвинули в 1954 г. гипотезу, что радиогалактики — пары ранее независимых систем, случайно столкнувшихся между собой. Столкновение должно вызвать взаимодействие масс межзвездного газа, что и приводит к разгонумэлектронов до огромной скорости. Эта гипотеза была до 1958 г. почти общепринятой. Но еще в 1955 г. в Бюраканской обсерватории против нее были выдвинуты серьезные возражения. Оказалось, что в случае радиогалактик Лебедь А и Центавр А геометрическое расположение компонент таково, что столкновение должно быть почти центральным. Однако вероятность центральных столкновений оказывается ничтожно малой. Далее, все радиогалактики — сверхгиганты. Но столкновения галактик умеренной и низкой светимости должны происходить гораздо чаще, так как число их гораздо больше. Все это заставило признать гипотезу о столкновениях совершенно невероятной. С другой стороны, изучение радиогалактики Дева А подсказало, в каком направлении следует искать решение проблемы. Прямолинейная струя со сгущениями, которая составляет характерную особенность этой галактики, исходит из области центра. Не вызывает сомнений, что в данном случае мы имеем дело с выбросом из ядра галактики.
Доказательством этого является сильное расширение линии ионизованного кислорода λ 3727 А в спектре ядра галактики Дева A (NGC 4486) вследствие эффекта Допплера, что указывает на сильное истечение газа из ядра со скоростью около 500 км/сек.
Поляризация излучения сгущений в струе, выброшенной из центра радиогалактики Дева А, приводит к выводу о наличии в них электронов высокой энергии. В этом отношении сгущения в струе NGC 4486 очень напоминают Крабовидную туманность. Наблюдаемый на Земле поток энергии радиоизлучения от NGC 4486 того же порядка, что и от Крабовидной туманности. Поскольку эта радиогалактика находится от нас примерно в 15 тыс. раз дальше, то абсолютная мощность ее радиоизлучения примерно в 100 млн. раз больше, чем в случае Крабовидной туманности. Значит, сгущения в струе радиогалактики Дева А являются объектами масштаба небольших галактик. Выброшенные сгустки могут рассматриваться как части ядра. Совершенно естественно было допустить, что в радиогалактиках Лебедь А, Персей А и др. мы также наблюдаем сравнительно недавно происшедший процесс деления ядра или выброса из ядра, что должно привести к образованию двойной галактики.
Значит, возникновение новых галактик происходит и в нашу эпоху, буквально у нас «на глазах».
Источником электронов высокой энергии, таким образом, являются ядра галактик, в которых происходят грандиозные по своим масштабам космические взрывы. Здесь возможны два варианта: 1) релятивистские электроны были непосредственно выброшены из ядра галактики; 2) из ядер были выброшены объекты, которые в дальнейшем стали источниками релятивистских электронов. В пользу второго предположения говорит тот факт, что оптическое излучение сосредоточено в малом объеме сгущений. Оценка сроков, за которые могут происходить подобные превращения, приводит к цифрам порядка нескольких миллионов лет. Иными словами, радиогалактики — сравнительно кратковременный этап развития, через который проходят многие сверхгигантские галактики. Ядра этих систем проявляют огромную активность (в форме их деления или дискретных выбросов из ядер). В обоих случаях мы, несомненно, наблюдаем возникновение новых образований масштаба целых галактик, причем состояние ядра меняется в большей или меньшей степени. Это позволило ввести понятие космогонической активности ядер галактик.
За последние годы обнаружены новые радиогалактики, из центральных областей которых происходят выбросы струй вещества с энергией порядка 1058—1059 эрг. В окрестностях многих сверхгигантских эллиптических галактик были найдены голубые спутники. В некоторых случаях они еще связаны струей с центральной галактикой. Но в большинстве случаев такая связь уже отсутствует. Это еще раз подтвердило наличие высокой космогонической активности у ядер галактик-сверхгигантов.
Радиогалактики представляют собой проявление лишь одной из форм активности ядер галактик. В ядрах некоторых галактик-сверхгигантов открыты и другие формы активности. Изучение области ядра галактики в Андромеде, проведенное мексиканским астрономом Г. Мюнком, показало, что из ядра происходит непрерывное истечение газа, с интенсивностью порядка одной солнечной массы в год. Аналогичное истечение газа из ядра нашей Галактики со скоростью 50 км/сек обнаружила группа голландских астрономов под руководством Я. Оорта. В этих случаях мощность истечения такова, что за время жизни галактик из ядра могла быть выброшена масса порядка миллионов солнечных масс, иными словами, мощный поток водорода вытекает из ядра, где его должно быть очень мало (по крайней мере, в диффузном состоянии). У некоторых галактик, обладающих ядрами высокой светимости, истечение газа является намного более мощным, а скорости истечения достигают тысяч километров в секунду (так называемые галактики Сейферта).
Если ядро какой-нибудь галактики может дать начало новой галактике, тем более, можно допустить, что ядро активно участвует в формировании собственной галактики. Тот факт, что спиральные ветви галактик прослеживаются обычно до самых ядер, позволяет считать, что и развитие спиральных ветвей может быть результатом активности ядра. Формирование звезд и звездных скоплений сферических подсистем в галактиках также должно быть связано с какой-то формой активности их ядер.
Что же представляют собой ядра галактик? И каков механизм процессов огромной мощности, которые время от времени в них происходят?
Все описанные явления, связанные с активностью ядер галактик, были бы невозможны, если бы ядра состояли только из звезд и диффузной материи. Поэтому в 1955—1957 гг. в Бюраканской обсерватории была сформулирована точка зрения, согласно которой в ядрах галактик содержатся небольшие по размерам тела, на много порядков превосходящие по массе обычные звезды и по своей физической природе отличные от звезд и диффузной материи. Эти плотные, а возможно даже сверхплотные тела представляют собой новую форму существования материи, неизвестную современной физике.
Они способны разделяться на части, удаляющиеся друг от друга с большими скоростями, а также выбрасывать массивные сгустки вещества. Для этого в них должны быть заключены, в потенциальном состоянии, громадные количества энергии. Взрыв ядра приводит к образованию новых галактик или различных звездных подсистем в галактиках. Часть энергии, освободившейся при взрыве ядра, переходит в кинетическую энергию образовавшихся объектов. Конкретный физический механизм этих процессов предложить пока затруднительно. Возможно, он обусловлен микровзаимодействиями в ядре, при которых наиболее важны ядерные силы.
Первоначально такая точка зрения показалась многим астрономам спорной. С одной стороны, физическая природа ядер галактик еще не вполне ясна; непосредственных наблюдений взрывов и выбросов из ядер до недавнего времени не было. С другой стороны, новая точка зрения находилась в непримиримом противоречии с представлениями о сгущении галактик и звезд из разреженного газа. Американский астрофизик Дж. Бербидж предложил гипотезу, согласно которой взрыв сверхновой звезды в ядре галактики должен в условиях большой плотности звезд вызвать «цепную реакцию» взрывов сверхновых, что и вызывает радиоизлучение. Это, однако, возможно лишь в случае, когда взрывающиеся звезды расположены настолько тесно, что практически образуют один объект. Английский астрофизик Ф. Хойл и американский физик В. Фаулер чисто теоретическим путем разработали модели звезд с массами порядка 105—108 масс Солнца («сверхзвезд»). Конечной стадией таких «сверхзвезд» должно быть катастрофическое сжатие (гравитационный коллапс), в результате чего может выделяться громадное количество энергии.
Огромное значение для выяснения физической природы ядер галактик имели два открытия, сделанные в 1963 г.
Во-первых, американские астрономы А. Сэндидж и К. Линде получили прямые доказательства взрывов в ядрах галактик. На основании спектральных наблюдений радиогалактики М82 они установили, что система газовых волокон, входящих в состав этой галактики, удаляется от ее центра со скоростью около 1 000 км/сек (рис. 7). Как показал расчет, они были выброшены из ядра галактики в результате, грандиозного взрыва, происшедшего около 1,5 млн. лет назад. Масса выброшенного вещества более чем в десять миллионов раз превосходит массу Солнца.
Это открытие произвело среди астрономов подлинную сенсацию. В самом деле, с точки зрения общепринятых представлений оно должно было казаться совершенно неожиданным. Но оно является, очевидно, следствием идей о космогонической активности ядер галактик и может рассматриваться как прямое подтверждение предсказаний, сделанных за несколько лет до этого.

Во-вторых, американскими астрофизиками М. Шмидтом, Дж. Гринстейном и Т. Мэтьюсом были открыты квазизвездные радиоисточники (квазары — рис. 8), которые на определенном этапе своего развития обладают громадной светимостью, в 1012 раз превышающей светимость Солнца и в 100 раз — светимость Галактики. Полный поток излучаемой ими электромагнитной энергии равняется примерно 2∙1046 эрг/сек, иногда обнаруживая довольно быстрые колебания. Размеры оптической части квазаров не превышают 2∙1016 см, а их массы оказались порядка 108 масс Солнца. Сейчас известно уже более 100 подобных объектов. Общее их число может быть очень большим: по некоторым подсчетам каждая третья радиогалактика относится к типу квазизвездных радиоисточников.

Многие астрономы как будто склоняются к мнению, что эти объекты могут представлять собой «сверхзвезды» Хойла — Фаулера, переживающие состояние гравитационного коллапса. Были предложены различные теоретически мыслимые схемы, которые могли бы объяснить, как гравитационная энергия сжатия большой массы превращается в мощнейшее оптическое и радиоизлучение квазаров.
Однако факты говорят против этой гипотезы. Почти все обнаруженные до сих пор квазизвездные источники оказались расположенными вне скоплений галактик. Между тем радиогалактики, как правило, расположены в богатых скоплениях галактик.
В 1965 г. были открыты квазизвездные объекты, которые не дают заметного радиоизлучения. Их, по-видимому, во много раз больше, чем квазизвездных источников радиоизлучения, о которых говорилось выше. Они тоже находятся на огромных расстояниях от нас. Поэтому теперь проблема квазизвездных гигантских тел стоит совершенно независимо от проблемы радиогалактик.
В построенной картине эволюции галактик эти квазизвездные источники должны скорее занимать свое место в самом начале развития. Не исключена возможность, что в каждом случае мы имеем дело с началом процесса образования новой группы галактик. Однако изучение этих интереснейших объектов только начинается, и лучше воздержаться от окончательных суждений.
Если говорить о математическом описании этих явлений, в частности об описании рождения галактики в результате взрыва, то такие описания можно строить только на основе общей теории относительности. Здесь можно напомнить об идеях немецкого физика П. Йордана, которые относятся к концу 40-х годов и в дальнейшем были развиты им в ряде работ. Йордан трактовал вопрос о происхождении звезд, но вполне возможно, что его подход в большей мере имеет отношение к вопросу о происхождении галактик.
Явления в ядрах галактик настолько «диковинны», что они не только не могли быть предсказаны теоретически, но и теперь, когда они открыты, астрономы встречаются с огромными трудностями при попытках объяснить их в рамках существующих представлений.
Это может означать, что астрономия проникла здесь в качественно специфическую область природы, которая потребует формулировки принципиально новых теорий.
3. Структура групп и скоплений галактик
Уже самые ранние исследования показали, что в составе Метагалактики имеются двойные и кратные галактики, группы и скопления галактик. Э. Хаббл полагал, на основе своих первоначальных подсчетов, что эти системы являются лишь отдельными неоднородностями общего поля галактик.
Этот вывод был серьезно уточнен в результате исследований, выполненных начиная с 50-х годов. Американские астрономы Дж. Нейман, Э. Скотт и К. Шейн показали, что с наблюдениями лучше всего согласуется модель, согласно которой подавляющая часть галактик входит в состав групп и скоплений, тогда как одиночных галактик немного.
Тенденция галактик к скучиванию хорошо заметна в непосредственно окружающей нас области Метагалактики.
Наша Галактика вместе со своими спутниками Магеллановыми Облаками, галактика в Андромеде и некоторое количество карликовых галактик входят в состав Местной системы галактик, размеры которой составляют около миллиона парсек. Местная система является довольно «бедной» группой галактик. Но существуют гигантские, так называемые «богатые» скопления галактик, состоящие из многих тысяч или десятков тысяч объектов. Размеры «богатых» скоплений заключены в пределах от 1 млн. до 3 млн. парсек. Скопления галактик разделяются на два типа: сферические скопления, с симметричным расположением галактик вокруг центра и скопления неправильной формы.
Некоторые скопления галактик состоят из отдельных групп меньшего масштаба. Например, наша Местная группа может рассматриваться как совокупность двух систем: одна — вокруг нашей Галактики, другая — вокруг галактики в Андромеде. Субскопления галактик хорошо заметны в скоплениях Дева, Волосы Вероники и др. С другой стороны, скопления и группы галактик часто объединяются в двойные или кратные системы более высокого порядка. В 1951 —1952 гг. астроном Ж. де Вокулер, работавший тогда в Австралии, обнаружил, что Местная система, вместе с ближайшими группами и скоплениями галактик, входит в Сверхгалактику. Сверхгалактика — очень сплющенная система. Ее диаметр — тридцать-сорок мегапарсек. Местная система находится вблизи края сверхсистемы и недалеко от ее экваториальной плоскости. В состав Сверхгалактики входят тысячи и десятки тысяч галактик. Для ее структуры характерна неоднородность — наличие многих скоплений и систем более низкого порядка. Скопление в созвездии Девы является центральным сгущением нашей Сверхгалактики. Аналогичная Сверхгалактика, несколько меньших размеров, обнаружена в южном полушарии неба. Расстояния между сверхгалактиками примерно того же порядка, как и их диаметры.
Между формой скоплений галактик и типами галактик, которые входят в их состав, обнаружена связь. Сферические скопления состоят в основном из эллиптических галактик. Рассеянные скопления содержат много спиральных и иррегулярных галактик, а некоторые группы, примыкающие к рассеянным скоплениям, вообще не содержат эллиптических галактик.
Статистическое изучение групп и скоплений галактик, проведенное советскими астрономами, показало, что группы и скопления галактик (вопреки ранее сделанному выводу) не могут «обогащаться» путем захвата галактик, которые возникли независимо от них. В частности, не могут возникать в результате взаимного захвата двойные и кратные галактики: компоненты, входящие в состав данной двойной или кратной галактики, образовались совместно. Напротив, группы и скопления галактик с течением времени должны распадаться. Этот процесс будет различным в зависимости от того, находится ли скопление в стационарном состоянии (полная его энергия отрицательна) или в нестационарном состоянии (полная энергия положительна).
Стационарные группы и скопления могут существовать много миллиардов лет, а нестационарные должны распадаться за время порядка сотен миллионов или одного-двух миллиардов лет. Никаких данных, которые свидетельствовали бы о нестационарности групп или скоплений, долгое время известно не было. Затем, однако, выяснился очень важный факт.
Оказалось, что больше половины кратных систем галактик имеет конфигурации типа Трапеции Ориона (рис. 9), т. е. в них могут быть указаны по крайней мере три галактики, расстояния между которыми примерно одного порядка. Этот факт непосредственно свидетельствует о молодости галактик, входящих в подобные системы: их возраст не превышает нескольких миллиардов лет. Открытие среди кратных галактик конфигураций типа Трапеции Ориона показало, что по крайней мере эти системы являются нестационарными и должны довольно быстро разрушаться. Выяснилось также, что предположение об отрицательном знаке энергии всех двойных галактик иногда приводит к невероятно большим значениям их масс; отсюда следует, что некоторые из двойных галактик должны быть нестационарными системами. Аналогичное положение сложилось и в отношении многих больших скоплений галактик: оказалось, что значения масс отдельных галактик, входящих в эти скопления, полученные исходя из предположения о стационарности скопления, иногда в десятки и в сотни раз превосходят значения масс, полученные другими способами. Единственным разумным объяснением противоречия был отказ от гипотезы стационарности соответствующих скоплений. Этот вывод почти сразу получил непосредственное подтверждение в работах американских астрономов Э. и Дж. Бербиджей, Ж. де Вокулера и др. В 1961 г. вопросу о нестационарности скоплений галактик была посвящена конференция в Санта-Барбара (США), в ходе которой были приведены новые поразительные факты относительно распада многих больших скоплений.

Открытие расширяющихся скоплений галактик показывает, что в мире скоплений галактик положение дел аналогично тому, которое мы имеем в мире звезд. Иными словами, галактики возникают группами, в сравнительно небольших объемах. Если полученная ими кинетическая энергия недостаточно велика, скопление приходит в стационарное состояние. Если же она больше некоторого предела, скопление, расширяясь, довольно быстро распадается. Явление расширения некоторых скоплений галактик в сопоставлении с явлением расширения звездных ассоциаций приводит к важнейшему космогоническому выводу: вновь возникающие космические объекты, будь то звезды или галактики, при своем возникновении получают иногда большие скорости, что и приводит во многих случаях к рассеянию соответствующих групп.
Если компоненты кратной системы образовались совместно и сейчас удаляются друг от друга, то в сравнительно недалеком прошлом каждая группа представляла собой более тесную систему, чем мы наблюдаем сейчас. Но если бы скопления галактик формировались из рассеянного диффузного вещества, их полная энергия во всех случаях была бы отрицательной. А в галактиках уже образовавшихся нет никаких сил, которые заставляли бы их отталкиваться друг от друга. Это еще одно серьезное противоречие между гипотезой сгущения диффузного вещества в плотные небесные тела и наблюдательными данными. В данном случае оно кажется особенно острым. Напротив, представление о распаде плотных или сверхплотных ядер галактик не только находится в полном согласии с этими фактами, но и является прямым следствием из них. В момент возникновения групп вначале появились лишь плотные «зародыши» галактик, которые образовались в результате одновременного или последовательного разделения массивного плотного тела. При разделении «зародыши» получили большие скорости. Удаляясь друг от друга, каждый из них формировал вокруг себя галактику, становясь ее ядром.
Не только пары галактик, но и целые группы, а также скопления галактик, возможно, образуются в результате взрывов в ядрах. В центре многих больших скоплений галактик бывают расположены одна или две гигантские эллиптические галактики правильной формы, приближающейся к сферической (нередко они представляют собой радиогалактики). Непосредственные окрестности этих галактик обычно заполнены значительным количеством галактик более скромных размеров и яркости. Эта особенность скоплений галактик прямо указывает на огромную космогоническую роль ядер гигантских сферических галактик, выбрасывающих из себя не одну и не несколько, а большое число галактик.
С этой точки зрения перемычки и волокна между галактиками (рис. 10) не имеют ничего общего с приливными или вообще с чисто гравитационными взаимодействиями. Они возникают при взаимном удалении двух или нескольких галактик, возникших из одного ядра, и являются последним вещественным звеном, связывающим между собой уже разделившиеся галактики.

Если волокна, связывающие между собой, например, пару спиральных галактик, возникают в процессе разделения первоначального ядра, то и спиральная структура образовавшихся галактик должна быть тесно связана с этим процессом. Иными словами, возникновение спиральной структуры галактик связано (во многих, но не обязательно во всех случаях) с двойственностью, или кратностью, галактики. Доводом в пользу такого представления является наличие у некоторых спиральных галактик спутника, находящегося на конце спиральной ветви, так что составляющие этой двойной галактики соприкасаются между собой.
4. Космологическая проблема
Структура Метагалактики как целого может изучаться только в рамках общей теории относительности (теории тяготения Эйнштейна).
Эйнштейн установил, что закон тяготения Ньютона в случае быстрых движений и сильных полей тяготения должен быть заменен более общим законом. Уравнения теории тяготения Эйнштейна показывают зависимость метрических свойств пространства — времени от распределения и движения материальных масс. Тяготение проявляется при этом в виде искривления метрики пространства — времени. Количественная характеристика условий, при которых необходимо применять закон тяготения Эйнштейна, дается сравнением геометрического и гравитационного радиусов системы. Гравитационный радиус — мера массы покоя системы, выраженная в линейных единицах: r = GM/c2, где G — постоянная тяготения, М — масса тела, с — скорость света.
Для тела с относительно небольшой массой гравитационный радиус много меньше геометрического. У Земли, например, он составляет около 0,5 см, что в 1,4 ∙ 109 раз меньше ее геометрического радиуса. Но чем больше масса системы, тем ближе ее гравитационный радиус к геометрическому. Гравитационный радиус Галактики равен 0,005 парсек, т. е. примерно в 2 ∙ 106 раз меньше ее действительного радиуса. Для охваченной наблюдениями части Метагалактики гравитационный радиус меньше геометрического уже только в 100—200 раз. Отсюда следует, что эффекты теории тяготения Эйнштейна играют для Метагалактики как целого решающую роль.
Сорок лет назад советский математик А. А. Фридман показал, что решения уравнений теории тяготения Эйнштейна являются, вообще говоря, нестационарными. Он рассмотрел свойства решений, которые получаются в предположении однородности и изотропии (материя распределена в пространстве непрерывно, с постоянной средней плотностью, ее свойства и поведение в каждый данный момент одинаковы во всех точках и по всем направлениям). Эта гипотеза, названная впоследствии «космологическим принципом» или «космологическим постулатом», позволяет очень упростить вычисления, так как единый пространственно-временной континуум расщепляется на обычное трехмерное пространство и универсальное космическое время.
В разработанной А. А. Фридманом теории кривизна пространства не зависит от направления и постоянна во всех точках, но изменяется во времени; пространство модели деформируется, что вызывает изменение со временем расстояний между различными точками со скоростью, пропорциональной этим расстояниям.
С кривизной пространства связан вопрос о его конечности или бесконечности. Теоретически мыслимы три типа моделей: 1) замкнутые, т. е. конечные (случай постоянной положительной кривизны), 2) квазиэвклидовы (нулевая кривизна) и 3) гиперболические (случай постоянной отрицательной кривизны); в двух последних случаях пространство бесконечно. Однако, как отмечал сам Фридман, для решения вопроса о пространственной конечности или бесконечности рассмотренных им простейших типов моделей, знания одного только знака кривизны недостаточно: кроме этого необходимо ввести еще определенные предположения о связности пространства.
Какой именно случай имеет место в действительности — зависит от некоторого «критического» значения плотности материи: если плотность больше «критического» значения, пространство замкнуто, если меньше или равна ему — пространство является открытым.
«Критическое» значение плотности определяет и поведение модели: если плотность в данный момент больше критического значения, модель попеременно расширяется и сжимается («осциллирующие» или «пульсирующие» модели), если же плотность равна критическому значению или меньше — модель неограниченно расширяется («монотонно расширяющиеся модели»). Расширение начинается с состояния огромной, формально — даже бесконечной плотности, причем начало расширения имеет взрывной характер.
Сам А. А. Фридман, по-видимому, не претендовал на то, что его теория является адекватным описанием Вселенной как целого. К своей теории он подходил скорее с точки зрения математика, считая, что только наблюдения позволят решить, какое она может иметь отношение к действительности. Современные ему данные наблюдений он считал недостаточно надежными для этой цели.
Почти одновременно с опубликованием работ Фридмана была открыта Метагалактика и началось накопление фактического материала, который послужил для них «пробным камнем». Первые, по необходимости не вполне надежные наблюдения не противоречили основному допущению Фридмана — постулату однородности и изотропии. Таким образом, задача состояла в проверке предсказанного им эффекта нестационарности космических систем, у которых гравитационный и геометрический радиусы сравнимы по порядку величины.
Еще в 1914 году американский астроном В. Слайфер обнаружил, что линии спектров всех галактик (за исключением нескольких ближайших) смещены к красному концу по сравнению с их нормальным положением. Э. Хаббл в 1929 г. установил, что «красное смещение» прямо пропорционально расстоянию галактики от нас: Δλ/λ = —Hr, где r — расстояние галактики, а H — постоянная «красного смещения». В 1956 г. американские астрономы М. Хьюмасон, Н. Мейолл и А. Сэндидж опубликовали сводку результатов измерений эффекта «красного смещения» для многих сотен галактик и нескольких десятков скоплений. Наличие «красного смещения» и его пропорциональность расстоянию были подтверждены с большой точностью, если говорить о смещении для галактик, находящихся на определенном расстоянии.
Как известно, смещение линий спектра, если оно пропорционально длине волны этих линий, свидетельствует о движении источника света по лучу зрения (эффект Допплера). Если линии смещены к фиолетовой области спектра, источник приближается к нам, если к красной — значит он от нас удаляется, причем смещение тем больше, чем больше скорость источника света. Скорость для удаления может быть определена как v = (Δλ/λ)c, где c — скорость света.
Наличие «красного смещения» в спектрах галактик было истолковано большинством астрономов как свидетельство того, что удаленные галактики разлетаются от нас со скоростями, примерно пропорциональными их расстояниям, т. е. вся грандиозная система галактик находится в состоянии расширения. При увеличении расстояния на 1 Мпарсек. скорость увеличивается на 75 км/сек. В последние годы обнаружены галактики, «летящие» со скоростью более 240 тыс. км/сек. Для этих галактик оптический спектр смещен уже настолько сильно, что его голубая область оказывается там, где должна быть красная! Есть основания считать, что скорость растет и при дальнейшем увеличении расстояния.
Как часто бывает, когда открываются принципиально новые явления, противоречащие прежним воззрениям, были сделаны многочисленные попытки отрицать расширение системы галактик, объясняя «красное смещение» в спектрах галактик не эффектом Допплера, а другими причинами (например, «старением фотонов» и т. д.). Возможность «разбегания» галактик вызвала сомнение даже таких крупнейших астрономов, как Э. Хаббл и А. А. Белопольский. Никаких экспериментальных оснований для отрицания допплеровской природы «красного смещения» в спектрах галактик не было. Единственной причиной здесь следует считать некоторый научный консерватизм, нежелание признать выводы, вытекающие из открытия нового грандиозного явления природы. Однако все попытки недопплеровских истолкований оказались совершенно неудачными. В настоящее время факт «разбегания» системы галактик можно считать полностью доказанным.
Подтверждение некоторых следствий теории Фридмана послужило стимулом для изучения всевозможных частных решений уравнений Эйнштейна, полученных при тех или иных предвзятых начальных условиях для случая однородного распределения материи.
На основе космологического принципа не только некоторые особенности распределения и движения масс, но также физические условия в изученной области Метагалактики и совокупность теорий современной физики экстраполировались на Вселенную как целое. Это означало, по сути, отождествление Метагалактики и Вселенной. Соответствующие частным решениям уравнений Эйнштейна теоретические схемы, описывающие метрические свойства пространства, характер распределения и движения масс, стали рассматриваться как «модели Вселенной», а теория Фридмана — как теория «расширяющейся Вселенной».
Изучение прошлого Метагалактики в рамках теории А. А. Фридмана привело пока лишь к самым предварительным выводам. Бельгийский математик Ж. Лемэтр показал, что вещество, давшее начало системе галактик, должно было находиться в плотном или даже сверхплотном состоянии. Расширение «Вселенной» от сверхплотного начального состояния до настоящего времени должно было занять, по современным данным, 10—12 миллиардов лет.
Что касается поведения «Вселенной» в будущем, то результаты исследований совершенно не согласуются между собой, поскольку полученные из наблюдений оценки средней плотности материи в Метагалактике крайне неточны. Некоторые из них на порядок или два превышают «критическую» плотность (2∙10—29 г/см3), другие дают значения много меньшие, чем «критическая» плотность. Отсюда — отсутствие среди сторонников теории «расширяющейся Вселенной» согласия насчет того, какого типа «модели Вселенной» следует предпочесть: монотонно расширяющиеся, с бесконечным пространством, или осциллирующие, пространственно конечные.
Теория «расширяющейся Вселенной» пользуется в современной астрономии наибольшим признанием. Но существуют и другие космологические теории, в которых уравнения Эйнштейна каким-либо образом дополняются или обобщаются. До недавнего времени имела сторонников также теория «стационарной Вселенной» Ф. Хойла, исходившая из того обстоятельства, что «возраст Вселенной» в релятивистской космологии получался сначала меньшим, чем возраст Земли, а потом, когда это противоречие было устранено, обнаружилось, что «возраст Вселенной» почти в 2 раза меньше возраста самых старых звезд шаровых скоплений, определяемого из современной теории звездной эволюции. Согласно основному положению теории «стационарной Вселенной», однородность и изотропия во Вселенной имеют место не только повсюду, но и всегда («совершенный космологический принцип»). Наблюдаемое «разбегание» галактик, очевидно меняющее плотность материи, компенсируется не прерывным «рождением» атомов водорода из так называемого «творящего поля» со скоростью порядка 10—43 г/см3∙сек. «Стационарная Вселенная» бесконечна в пространстве и времени. Противоречия возрастов, из которых исходит теория «стационарной Вселенной», возможно, отпадут, так как определения возрастов звезд основаны в данном случае на некоторых довольно произвольных допущениях. С другой стороны, следствия этой теории оказались в противоречии с наблюдательными данными. Что же касается самой идеи возникновения вещества из еще неизвестных форм материи, то в принципе она заслуживает внимания, хотя та конкретная форма, в которой эта идея была предложена, не имеет серьезного обоснования. Интересная гипотеза «рождения» вещества в ядрах галактик, которая была недавно предложена английским астрономом В. Мак-Кри, связывает уже вопрос об этом «рождении» вещества с представлениями о делении ядер галактик и их активности, развитыми в Бюраканской Обсерватории.
Космологическая теория А. А. Фридмана явилась крупным шагом вперед по сравнению с теорией Вселенной, разработанной в дорелятивистской физике. Наблюдения, несомненно, подтверждают в какой-то мере вывод о неустойчивости грандиозных систем космических масс, геометрический радиус которых сравним с их гравитационным радиусом. Вместе с тем наблюдения все больше выявляют крайнюю упрощенность и схематичность однородных изотропных космологических моделей.
По мере расширения охваченной наблюдениями части Вселенной гипотезу о приблизительной однородности пространственного распределения космических объектов приходится переносить все дальше и дальше, в еще недостаточно исследованные области. Характерной чертой изученных частей Вселенной оказывается каждый раз крайняя неоднородность.
В настоящее время очевидно, что «космологический постулат» не выполняется на уровне галактик и их скоплений: их распределение в пространстве является крайне неоднородным, а неоднородность влечет за собой анизотропию. Не решен до конца вопрос о распределении сверхгалактик. Некоторые данные говорят в пользу предположения, что на расстояниях порядка миллиарда парсек распределение сверхгалактик становится более однородным. Этот результат требует, однако, серьезного подтверждения.
С другой стороны, наблюдения доказывают, что Вселенная неоднородна и в другом, а именно — качественном смысле. Изучение структурных уровней на все большем интервале масштабов — от элементарных частиц до сверхгалактик — показывает, что характеристики новых структур отнюдь не повторяют в точности характеристик ранее известных уровней. Каждому из них присущи и свои специфические черты. Двести лет назад немецкий философ И. Кант считал, что Вселенная как целое может представлять собой бесконечную иерархию структур, совершенно аналогичных солнечной системе и различающихся лишь масштабами — нечто вроде «матрешек», вложенных одна в другую. Но уже исследование Галактики показало, что между ней и солнечной системой есть глубокое качественное различие как в распределении и движении элементов их структуры, так и в диапазоне физических условий и явлений. Изучение охваченной наблюдениями части Метагалактики открывает неизмеримо большее многообразие космических объектов: галактик, элементов их структуры, групп и скоплений галактик и т. д., причем структура Метагалактики не повторяет структуру входящих в нее космических систем меньшего масштаба. Существенно также, что, например, наиболее мощные радиогалактики, голубые галактики, квазизвезды наблюдаются сравнительно далеко от нас и отсутствуют, скажем, в нашей Местной системе.
«Космологический постулат» может быть подвергнут критике и с более общей точки зрения. Он исходит, по сути, из утверждения, что многообразие явлений и процессов во Вселенной не бесконечно и что оно может быть, по крайней мере в основных чертах, исчерпано построением той или иной «модели Вселенной» в рамках известных сейчас физических теорий. Между тем такое утверждение опровергается всем ходом современного научного познания, которое свидетельствует о бесконечном многообразии явлений материального мира и, значит, в гносеологическом плане — о его неисчерпаемости.
Фактически основой для построения «моделей Вселенной» является даже не вся современная физика, а лишь теория тяготения Эйнштейна, которая считается нередко как бы наиболее общей из всех физических теорий. Но решения уравнений теории тяготения Эйнштейна в том виде, как они используются в космологических теориях, не учитывают, например, структурности материального мира. В обычных условиях квантовые эффекты в макроскопических явлениях непосредственно не проявляются, они только играют свою роль через посредство уравнений состояния или через коэффициенты, характеризующие взаимодействие материи и излучения. Однако заранее нельзя исключить возможность во Вселенной таких условий, где квантовые эффекты имеют более непосредственное значение и вступают в игру наряду, скажем, с гравитацией. В таком случае появляется необходимость в применении более общей теории, охватывающей как квантовые, так и гравитационные явления и их взаимодействие.
Ситуацию, сложившуюся в современной астрофизике, уместно сравнить с положением в физике в начале двадцатого века. Физика столкнулась тогда с целым рядом «неожиданных» явлений. Были предприняты многочисленные, но совершенно безуспешные попытки объяснить их с точки зрения теорий классической физики, считавшихся тогда универсальными. В конце концов стало ясным, что прежние теории имеют ограниченную область применимости; были сформулированы фундаментальные теории современной физики, охватывающие неизмеримо больший круг физических явлений и условий, чем классическая физика. Сначала эти теории казались «странными» и «диковинными», затем стали общепринятыми. Есть серьезные основания считать, что и современная астрофизика приведет к отказу от убеждения в универсальной применимости всех современных физических теорий, к появлению принципиально новых теорий.
Современная астрономия подрывает, таким образом, самые основы космологического постулата, который даже для наблюдаемой области Вселенной может рассматриваться, в лучшем случае, как чрезвычайно сильное упрощение, отчасти оправдываемое лишь удобством вычислений. Тем более нельзя распространять его на Вселенную как целое. Другое дело, что космологический постулат может применяться в качестве рабочей гипотезы, помогающей сравнению теории с наблюдениями.
Следовательно, теория однородной изотропной «Вселенной» — крайне грубое и схематическое приближение к описанию реальных свойств той части Метагалактики, в которой находится наша Галактика. Вытекающие из нее выводы не должны экстраполироваться на Вселенную как целое, т. е. нет достаточных оснований для отождествления Метагалактики и Вселенной. В частности, является неточным утверждение, что теория Фридмана предсказала расширение Вселенной (а не, скажем, Метагалактики). Дело в том, что нестационарные решения уравнений Эйнштейна получаются не только в простейшем случае — однородных изотропных моделей, но и для более общего случая — неоднородных анизотропных моделей. А учет неоднородности и анизотропии неизбежно ведет к отказу от переноса локальных черт наблюдаемой области Вселенной на Вселенную как целое.
В настоящее время в космологии возникло новое направление — разработка теории неоднородной анизотропной «Вселенной» (Метагалактики). Наиболее интересные результаты здесь были получены советским ученым А. Л. Зельмановым. Уже эти предварительные и пока еще в значительной степени абстрактные исследования позволяют сделать ряд интересных выводов. Во-первых, отпадает представление о расширении Метагалактики из одной точки. Во-вторых, оказывается не всегда правильным расщепление пространственно-временного континуума на пространство и время, допустимое в теории однородной изотропной Вселенной, причем единое время для всей Метагалактики отсутствует. Отсюда следует, что понятие состояния Метагалактики в целом в данный момент времени теряет абсолютный смысл. В-третьих, чрезвычайно усложняется вопрос о таком свойстве Метагалактики, как ее пространственно-временная конечность или бесконечность. В частности, оказывается, что пространственно-временной мир, бесконечный в какой-либо системе отсчета, может оказаться лишь частью мира другой системы отсчета. Все эти выводы позволяют глубже понять специфические черты Метагалактики как нового структурного уровня, открытого современной астрономией.
Дальнейшее развитие теории Метагалактики должно идти по пути все более тесного увязывания ее с результатами наблюдений, количество которых быстро увеличивается. Когда наблюдения дадут нам достаточно подробный фактический материал о распределении и движении масс в Метагалактике, можно будет подставить в уравнения тяготения Эйнштейна не произвольные, а реальные начальные и краевые условия, соответствующие ее современному состоянию. Только тогда станет возможным конкретизировать теорию структуры Метагалактики.
Изучение расширения Метагалактики позволяет обобщить вывод о стационарности или нестационарности космических систем в зависимости от начальных условий их образования. Именно, наблюдаемое расширение Метагалактики можно рассматривать как результат совместного образования большого числа скоплений галактик, возможно, в процессе взрывного характера. Если это верно, значит эффект расширения проявляется со все возрастающей резкостью при переходе от звездных ассоциаций к галактикам, их группам, скоплениям и, наконец, Метагалактике, с соответственным выделением все больших количеств энергии. Каково было начальное состояние Метагалактики и какими причинами вызвано ее расширение, указать пока нельзя. Теория тяготения Эйнштейна позволяет описать процесс расширения, но вопрос о начальной фазе выходит за ее рамки. Этот вопрос является одним из самых трудных, который ставит перед нами современная астрономия. Следует ожидать, что его решение приведет к новым выдающимся открытиям.
Изучение структуры Метагалактики — важнейший, но не единственный аспект космологической проблемы. Вполне возможно, что Метагалактика только часть Вселенной. Если так, то будет естественно поставить вопрос о соотношении Метагалактики и Вселенной и о свойствах Вселенной как целого.
Может показаться, что при отказе от космологического постулата эти задачи приобретают целиком спекулятивный характер. В самом деле, если даже в анализе Метагалактики как целого астрономия не пошла еще дальше предварительных и неоднозначных выводов, то что же говорить о Вселенной как целом! Некоторые астрономы предлагают поэтому ограничить содержание космологической проблемы рассмотрением общих черт части Вселенной, охваченной наблюдениями в современную эпоху. Но с этим нельзя согласиться. Дело в том, что обсуждение вопроса о пределах применимости любой космологической теории уже само по себе означает выход за эти пределы. Встречается также мнение (его высказывают иногда философы), что Вселенная как целое является не объектом исследования какой-либо конкретной науки, скажем, астрономии, а относится исключительно к компетенции философии. Подобное решение вопроса представляется еще менее удовлетворительным, хотя бы потому, что законы диалектического материализма — наиболее общие законы природы, общества и мышления — не существуют вне и независимо от законов, изучаемых специальными науками, а проявляются через эти последние.
Вселенная как целое — такой аспект космологической проблемы, который, независимо от субъективной точки зрения отдельных ученых, никогда не рассматривался ни в чисто астрономическом, ни в чисто философском плане, а всегда совместно в том и другом. Например, астрономы, изучающие различные теоретически мыслимые «модели Вселенной», исходят из космологического принципа, который, в свою очередь, основан на определенной философской предпосылке, а именно на предвзятом отрицании бесконечного качественного многообразия Вселенной. С другой стороны, философы, считающие, что они рассматривают «мир как целое» лишь в философском плане, фактически используют или должны использовать достижения астрономии.
Все же трудности задачи настолько велики, что о Вселенной как целом пока нельзя сказать почти ничего определенного. Кажется, однако, несомненным, что диалектическая идея о бесконечном качественном многообразии Вселенной не оставляет надежды на возможность построения «модели Вселенной», которая хотя бы в отдельных существенных чертах исчерпала это многообразие. Никакой, по необходимости ограниченный, уровень познания не может быть достаточным для этого. Решение космологической проблемы вряд ли будет представлять собой процесс простого уточнения однажды полученных результатов. Изучение Вселенной на каждой ступени этого бесконечного процесса должно приводить не только к подтверждению некоторых прежних представлений, но и к принципиально новым открытиям, гораздо более «неожиданным» и «непривычным», чем все, сделанные до тех пор, к углублению и обобщению самого понятия «Вселенная».
В. А. Амбарцумян, В. В. Казютинский