Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

• Название: Эволюция Вселенной и происхождение жизни
• Автор: Пекка Теерикор
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2010

Сэр Исаак Ньютон сказал по поводу открытий знаменитую фразу: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни — описывает восхождение на эти метафорические плечи, проделанное величайшими учеными, а также увлекательные детали биографии этих мыслителей. Впервые с помощью одной книги читатель может совершить путешествие по истории Вселенной, какой она представлялась на всем пути познания ее природы человеком. Эта книга охватывает всю науку о нашем происхождении — от субатомных частиц к белковым цепочкам, формирующим жизнь, и далее, расширяя масштаб до Вселенной в целом.

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни» включает в себя широкий диапазон знаний — от астрономии и физики до химии и биологии. Богатый иллюстративный материал облегчает понимание как фундаментальных, так и современных научных концепций. Текст не перегружен терминами и формулами и прекрасно подходит для всех интересующихся наукой и се историей.

---

В 1943 году американец Карл Сейферт открыл галактики с яркими ядрами (рис. 26.11). Их спектры свидетельствуют, что эти ядра похожи на миниатюрные квазары. Хотя у сейфертовских галактик ядра ярче, чем у обычных галактик, но, в отличие от настоящих квазаров, они светят все же слабее самих галактик. Поэтому на снимках «сейферты» не похожи на звезды, а выглядят как галактики. Этот промежуточный класс между квазарами и галактиками показывает, что и ядра нормальных галактик обладают потенциальной возможностью проявлять квазароподобную активность. Сейфертовские галактики встречаются довольно часто (2 % от числа спиральных галактик), и поэтому некоторые из них обнаруживаются недалеко от нас, так что их легче изучать, чем квазары. Радиогалактики тоже не редкость: 10 % эллиптических галактик относятся к этой категории. Чем больше мы узнаем про этих родственников квазаров, тем лучше понимаем и сами квазары. Хотя в деталях их механизмы до сих пор неясны, идея о том, что квазары — это «старшие братья» сейфертовских галактик, подтверждается.

Сейфертовские галактики делятся на три типа. Первый тип (сейферт-1) близок к квазарам, тогда как сейферты-3 находятся на другом конце этой классификации и выглядят как обычные галактики, демонстрируя активность ядра только в своих спектрах. Сейферты-1 связаны со спиральными галактиками более раннего типа (обычно Sа), чем сейферты-2 (обычно Sb), которые в свою очередь являются более ранними, чем сейферты-3. Понятия «ранний тип» и «поздний тип» для галактик определяется долей звезд в балдже относительно числа звезд в плоском диске. Чем более ранний тип, тем больше звезд в балдже. Эллиптические галактики, вообще не имеющие диска, оказываются даже более «ранними», чем спиральные галактики класса Sa.

Выяснился очень интересный факт: масса центральной сверхмассивной черной дыры пропорциональна массе сферического балджа. Это объясняет, хотя бы частично, деление сейфертовских галактик на типы: сейферты-3 с небольшим балджем проявляют более слабую активность ядра, чем сейферты-1 раннего типа, поскольку сейферты-1 обладают более крупными черными дырами, чем сейферты-3. Эти рассуждения можно распространить и на квазары: их черные дыры еще крупнее, чем у сейфертов-1 (ведь они ассоциируются с эллиптическими галактиками), поэтому квазары проявляют большую активность ядра. Радиогалактики находятся между сейфертами-1 и квазарами, так как их центральные черные дыры имеют как раз промежуточную массу между черными дырами сейфертов-1 и черными дырами квазаров.

Рис. 26.11. Сейфертовская галактика NGC 7742, сфотографированная космическим телескопом «Хаббл». С разрешения HST/NASA/ESA.

Чтобы центральная сверхмассивная черная дыра стала ярко светить, ей нужна «пища» — в ее окрестностях должен оказаться газ. Нам известны по крайней мере два способа это сделать. Гравитационные приливы, вызванные соседней галактикой, возмущают галактический диск и вызывают мощное течение газа к центральной черной дыре. Это может привести к усилению активности сейфертовских галактик по сравнению с «нормальными» неактивными галактиками. При слиянии галактик, когда большая галактика проглатывает меньшую, центральные черные дыры обеих галактик опускаются к центру новой, объединенной галактики и образуют двойную систему. Эта двойная черная дыра притягивает газ гораздо сильнее, чем одиночная. И в самом деле, в квазарах часто видны признаки слияния в прошлом двух галактик. А в некоторых случаях даже есть свидетельства наличия двойного ядра.

Какова бы ни была причина активности квазаров, ясно одно: в прошлом было гораздо больше квазаров, чем сейчас (поскольку квазаров с большим красным смещение намного больше, чем с малым). Точно так же и ярких радиогалактик в прошлом было больше. При красном смещении z = 0,5 количество квазаров и радиогалактик в 5 раз больше, чем в нашей окрестности Вселенной. При z = 1 это количество в 50 раз, а при z = 3 в 1000 раз больше, чем вблизи нас. При красном смещении 0,5 свет был испущен квазаром и двинулся в нашу сторону 5 млрд лет назад; z = 1 соответствует 8 млрд лет, а z = 3 удалено от нас на 12 млрд лет (предполагая возраст Вселенной равным 14 млрд лет).

Раньше расстояния между галактиками были меньше, чем сейчас. Из-за расширения Вселенной шкала космологических расстояний изменяется обратно пропорционально 1 + z. Поэтому при красном смещении 3 среднее расстояние между галактиками было вчетверо меньше современного. Соответственно и взаимодействие между галактиками было сильнее, и слияния галактик происходили чаще. Считается, что в этом и состоит основная причина высокой активности квазаров при z = 3 и причина ослабления их активности позже.

Если уходить в еще более раннее прошлое, чем эпоха z = 3, то число квазаров и радиогалактик не будет увеличиваться; наоборот — мы увидим все меньше и меньше квазаров. Почему? Согласно современным взглядам, галактики постепенно строились из меньших кусков между красными смещениями z = 30 (соответствует возрасту всего 100 млн лет после Большого взрыва) и z = 3. В этот же период в центрах протогалактик формировались черные дыры, которые к тому же росли при слиянии ранних галактик. И только через 2 млрд лет после Большого взрыва (z = 3) появилось много полностью сформировавшихся галактик с большой центральной черной дырой. Они могли дать жизнь полноценным квазарам. А до этого квазары были редкостью: мы знаем всего несколько квазаров с красным смещением 6 или больше.

Как видим, квазары могли родиться вместе со своими материнскими галактиками и вырасти в их центрах. В следующей главе мы обратимся к последнему вопросу этой части нашей книги: как же возникли сами галактики?

Глава 27 Происхождение галактик

Современные теории происхождения небесных тел отсылают нас в древние времена, о которых мы рассказывали в главе 24. В ту эпоху примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, Вселенная была равномерно заполнена водородно-гелиевым газом с температурой 3000 °C. Сегодня, по прошествии 14 млрд лет, мы видим, что повсюду сформировались галактики и что мы живем в одной из них — в нашей Галактике, которую частенько называют просто «Млечный Путь». В ней около 200 млрд звезд и бесчисленное количество газовых облаков разного размера, обращающихся вокруг центра Галактики. Когда мы смотрим вдаль, то видим несметное число других галактик, более или менее похожих на нашу. Сотни миллиардов галактик разбросаны в космическом пространстве, но все их можно разделить на несколько типов. В большинстве своем это эллиптические и спиральные галактики, состоящие в основном из темной материи и некоторого количества звезд и газа. Это означает, что процесс формирования всех галактик имел глубокие корни н в основе своей был единым, протекавшим повсюду во Вселенной. Как могла однородная, лишенная каких-то особенностей среда превратиться в наблюдаемую сегодня сложную систему сверхскоплений, пустот и цепочек?

Распад или рост?

Эволюция структуры, в принципе, может происходить в двух направлениях: либо некий большой объект делится на маленькие кусочки, либо много мелких кусочков собираются вместе и образуют большой объект. В Московском государственном университете Яков Борисович Зельдович (1914–1987) с коллегами разработали сценарий, согласно которому сначала рождались большие структуры, а затем они постепенно делились на более мелкие фрагменты. Этими большими структурами, по их расчетам, были газовые облака, более массивные, чем скопления галактик. Поскольку в процессе коллапса в одном из направлений (случайном!) каждое облако непременно сжималось быстрее, чем в других направлениях, в итоге оно становилось плоским, блинообразным. Затем гигантские «блины» распадались на галактики. Это должно было объяснить, почему даже в наше время многие галактики организованы в плоские структуры. Однако открытие очень далеких галактик, на расстояниях с красным смещением z = 6 и даже ю, то есть в очень ранний период истории Вселенной, противоречит этой теории фрагментации, согласно которой галактики должны были рождаться намного позже.

В своей переписке 1692 года Ньютон и Бентли обсуждали поведение однородного вещества в пространстве под действием гравитации (см. главу 23). По этому поводу Ньютон высказал поразительную идею: «…если бы вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, то оно никогда не смогло бы собраться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая — там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Именно так могли образоваться и Солнце и неподвижные звезды, если предположить, что вещество было светящимся по своей природе».

Как видим, Ньютон описал процесс формирования звезд. Если вещество равномерно распределено по бесконечной Вселенной, то оно неустойчиво: под действием гравитационной силы притяжения из мелких уплотнений — «зародышей» — образуются сгущения. В целом это тот же процесс, который изучают современные астрономы, пытаясь понять происхождение галактик. Общепринятая точка зрения гласит, что первыми рождались мелкие объединения, а затем они собирались вместе и образовывали более крупные структуры. Самые мелкие «кусочки», входящие в гало современных галактик, имеют массы примерно в миллион масс Солнца. Постепенно они объединялись, образуя все бóльшие и большие агрегаты, до тех пор пока не сформировалось все многообразие галактических гало — от карликовых сфероидов с массами несколько миллионов масс Солнца до гигантских гало с массами в несколько триллионов солнечных масс. Эти гало собирали окружающий газ, и со временем некоторая его часть превратилась в звезды. Так образовались видимые галактики. В то же самое время эти галактики, стянутые вместе огромным гало из темной материи, собирались в скопления. По-видимому, карликовые сфероидальные галактики и шаровые звездные скопления являются выжившими остатками той стадии эволюции галактик.