Астрономия для "чайников" - Стивен Маран

Сверхскопления, Великие Стены и космические пустоты

Вы, наверное, думаете, что огромные скопления галактик, размером до 3 миллионов световых лет в поперечнике, — это самые крупные структурные единицы Вселенной. Но исследования дальнего космоса показывают, что большинство или даже все скопления галактик сами группируются в еще более крупные структуры — сверхскопления (superclusters). Они не удерживаются вместе силами гравитации, но и не распадаются. Похоже, они имеют нитевидную и в то же время плоскую форму. Сверхскопление может содержать десятки или сотни скоплений галактик и иметь размер 100–200 миллионов световых лет в длину.

Мы находимся в окраинной части Местного Сверхскопления (Local Supercluster), который иногда называют также Сверхскоплением Девы (Virgo Supercluster), потому что его центр находится рядом со Скоплением галактик Девы.

Похоже, сверхскопления расположены по краям огромных пустых районов Вселенной, называемых космическими пустотами (cosmic voids). Ближайшая из них, Пустота Волопаса (Bootes Void), имеет примерно 3 миллиона световых лет в поперечнике. Большинство галактик расположено по ее контуру, и только очень немногие, главным образом мелкие, находятся внутри нее. Пустоту Волопаса открыл астроном Роберт Киршнер.

Некоторые из самых больших сверхскоплений, или группы сверхскоплений, называются Великими Стенами (Great Walls). Первая открытая такая структура имеет около 750 миллионов световых лет в длину. Но, возможно, другие Великие Стены, находящиеся в далеких глубинах Вселенной, еще больше. Насколько известно астрономам, на Великих Стенах нет никаких Великих Надписей. Но если мы поймем их язык, они смогут многое рассказать нам о происхождении крупных космических структур и о начальных этапах развития Вселенной.

Изображения галактик в Web

Этот раздел завершает наш краткий обзор некоторых великолепных объектов Млечного Пути, а также других объектов за его пределами (включая Большое Магелланово Облако).

 Панорамные карты галактической плоскости Млечного Пути, полученные с помощью радиотелескопов и спутников, можно увидеть на Web-сайте NASA по адресу adc.gsfc.nasa.gov/mw/milkyway.html.

 Одни из самых лучших цветных изображений туманностей изо всех, которые когда-либо были сделаны, можно найти на трех различных Web-страницах Научного института космического телескопа (Space Telescope Science Institute).

 Коллекция изображений туманностей (oposite.stsci.edu/pubinfo/nebulae.html).

 Галерея изображений планетарных туманностей (oposite.stsci.edu/pubinfо/pr/97/pn).

 Страницы галереи (Gallery Pages) проекта "Наследие Хаббла" (Hubble Heritage), с прекрасными изображениями галактик и других объектов (heritage.stsci.edu/public/gallery/galindex.html).

Глава 13

Черные дыры и квазары

В этой главе…

 Углубляясь в черные дыры

 О квазарах и блазарах

 Активные галактические ядра

Черные дыры и квазары — это две самые увлекательные и загадочные темы в современной астрономии. Кроме того, оказалось, что между этими объектами существует связь. Об этом я и расскажу в данной главе.

Наверное, вы никогда не увидите черную дыру в свой телескоп. Но могу поспорить на что угодно: как только люди узнают, что вы занимаетесь астрономией, они сразу же начнут вам задавать вопросы о черных дырах. О них я кратко уже упоминал в главе 11, но сейчас мы рассмотрим их подробнее.

Таинственные и неодолимые черные дыры

Упасть в черную дыру можно, а вот выбраться из нее — нет, даже если очень сильно захотеть. Вы не успеете даже крикнуть "мама!". Инопланетянину повезло, что он попал на Землю, а не в черную дыру, потому что он хотя бы мог позвать на помощь[37].

Черная дыра (black hole) — это космический объект, имеющий настолько мощную гравитацию, что из него не могут вырваться даже световые лучи; именно поэтому черные дыры невидимые.

 Любому объекту, попавшему в черную дыру, нужно больше энергии, чем у него было когда-либо, чтобы вырваться из этой дыры. Формальное название этой "энергии" — скорость убегания (escape velocity). Ракетостроители под термином "скорость убегания" понимают скорость, с которой должна двигаться ракета или любой другой объект, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти в межпланетное пространство. Аналогично этот термин применяется к любому объекту во Вселенной (т. е. как скорость преодоления притяжения какого-либо космического объекта).

На Земле скорость убегания (или вторая космическая скорость) равна 11 км/с. Для объектов с более слабой гравитацией нужна меньшая скорость убегания (например, на Марсе она равна всего 5 км/с), а для объектов с более сильной гравитацией — большая (например, на Юпитере она составляет 61 км/с). Но чемпионом Вселенной по скорости убегания всегда будет черная дыра. Ее гравитация настолько велика, что для ее преодоления нужна скорость убегания, превышающая скорость света (т. е. больше 300 000 км/с). Ничто не может вырваться из черной дыры, даже свет (так как никто и ничто, включая свет, не может двигаться быстрее скорости света.)

Типы черных дыр

Ученые обнаруживают черные дыры, когда видят, что газ, вращающийся вокруг них, слишком горячий для нормальных условий. Мы замечаем потоки частиц высокой энергии, которые как будто стремятся избежать попадания в черную дыру, а также звезды, летящие по своим орбитам с невероятной скоростью, как будто движимые чрезвычайно мощным притяжением невидимого объекта колоссальной массы (как оно и есть на самом деле).

Как я уже говорил в главе 11, существует два основных типа черных дыр — черные дыры звездной массы, имеющие массу нормальной звезды, и сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

Черные дыры промежуточной массы, масса которых составляет 500-1000 масс Солнца, были открыты в 1999 году. Их роль во Вселенной ученые понимают еще хуже, чем черных дыр звездной массы и сверхмассивных черных дыр.

Что у черных дыр внутри?

Черная дыра имеет три части:

 "горизонт событий", или внешняя граница черной дыры по периметру;

 сингулярность, т. е. центр дыры, сформированный за счет предельного сжатия всего вещества, находящегося внутри нее, за исключением:

 вещества, падающего с горизонта событий в сингулярность.

В последующих разделах эти части черной дыры мы рассмотрим более подробно.

Горизонт событий

Горизонт событий (event horizon) — это граница черной дыры (рис. 13.1). Если объект попадает внутрь горизонта событий, то он уже никогда не сможет вырваться из черной дыры и снова стать видимым для наблюдателей, находящихся снаружи. Аналогично те, кто попал внутрь горизонта событий, не видят ничего из того, что находится снаружи.

Рис. 13.1. Одна из концепций строения черных дыр. Стрелками обозначено обреченное вещество, падающее внутрь

Размер горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Например, если удвоить массу черной дыры, то ее горизонт событий станет в два раза шире. Если бы ученые знали способ сжать Землю так, чтобы превратить ее в черную дыру (успокойтесь, мы такого способа не знаем, а если и знали бы, то я вам его не рассказал бы), то ее горизонт событий составил бы всего около 2 см в поперечнике. Основные параметры черных дыр приведены в табл. 13.1.

Масса малых черных дыр, или черных дыр звездной массы, составляет от трех солнечных масс и выше. Масса сверхмассивных черных дыр в сотни тысяч или даже в несколько миллиардов раз превышает массу Солнца. Черные дыры звездной массы появляются в результате смерти больших звезд, как я описывал в главе 11. А сверхмассивные черные дыры, похоже, находятся в центрах галактик и, возможно, образовались за счет слияния множества плотно упакованных звезд примерно в то время, когда происходило формирование галактик. Но наверняка этого не знает никто.

Черных дыр, масса которых меньше трех солнечных, а диаметр — меньше 18 км, пока не обнаружено.

Сингулярность и падающие объекты

Все, что попадает внутрь горизонта событий, движется вниз по направлению к сингулярности. Здесь оно вливается в сингулярность, которая, по мнению ученых, имеет бесконечную плотность. Мы не знаем, какие законы физики действуют в местах такой колоссальной плотности, какая достигается в точке сингулярности или рядом с ней, поэтому не можем описать характеристики данного места. Это буквально "черная дыра" (или белое пятно?) в наших знаниях.