Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Это изображение центра Млечного Пути в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, полученное Обзорным астрономическим телескопом видимого и инфракрасных диапазонов (англ. Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, VISTA). Ближнее инфракрасное излучение может проходить сквозь пыль, блокирующую свет в видимом диапазоне электромагнитного спектра, что дает нам более четкую картину звезд в этом плотном, переполненном и ярко светящемся балдже Галактики. Тем не менее в некоторых местах пылевые облака настолько плотные, что даже фотоны ближней инфракрасной области не могут пройти сквозь них. Примером такого участка служат темные волокнистые структуры, окаймляющие снимок

Есть и более причудливое объяснение: вполне возможно, что политика «контакта» среди наиболее развитых цивилизаций широкого галактического сообщества очень сложна или даже что существует известная общая апатия в этом вопросе. Поверить в последнее довольно трудно, но мне нравится новелла Иэна М. Бэнкса «Последнее слово техники»[1], которая описывает политический бесконтактный сценарий взаимодействия его же «Культуры» с событиями на Земле в 1977 году. Концепция жизни где-то в нашей Галактике, да и в других тоже, – предмет увлекательный и провоцирующий размышления, но мы не будем слишком глубоко погружаться в его обсуждение. Парадокс Ферми, также известный как «Где все?», задает вопрос: почему, если Вселенная настолько обширна и изобилует обитаемыми планетами и, предположительно, разными формами жизни, мы до сих пор не зафиксировали никаких следов ни одной внеземной цивилизации? Ответим здесь решительным заявлением: мы просто допускаем, что жизнь где-то существует, как в галактике Млечный Путь, так и в других, и что варианты ее проявлений бесконечны – от простых клеточных форм до сложных, технологически развитых цивилизаций, возможности которых превосходят все, что только может представить наше воображение. Как бы там ни было, следует помнить о том, что сложные биологические системы – это продукт процесса формирования и эволюции галактик.

Увеличенное изображение центра Млечного Пути в диапазонах волн ближней инфракрасной области спектра, которые способны пройти сквозь пыль, затеняющую вид на центральное звездное население нашей Галактики в видимом свете. Этот регион переполнен звездами, и даже в этих диапазонах заметны явные следы затемнения – так, участок изображения слева вверху темнее прочих, будто на него пролили чернила

Отправляясь в путешествие

Земля купается в сиянии Вселенной, состоящем из всех видов испускаемых за всю ее историю излучений. Наша цель – исследовать хотя бы часть этого излучения и попытаться понять, откуда и как оно пришло. Именно так мы и изучаем галактики.

Космологические эксперименты в сочетании с последними моделями архитектуры и эволюции Вселенной указывают на то, что ее возраст составляет около 14 млрд лет. Эта книга посвящена не Большому взрыву или космологии (то есть свойствам

Вселенной в целом) – она, скорее, о том, что происходило во Вселенной с момента ее возникновения и что сформировало наиболее очевидную и заметную для стороннего наблюдателя характерную особенность космоса – его галактики. Во время этого путешествия мы узнаем о том, как, по нашему мнению, эти галактики появились и как протекала их эволюция, и постараемся ответить на все те вызовы и вопросы, с которыми сталкиваются внегалактические астрономы сегодня: когда сформировались первые галактики? Как растут галактики и какие физические процессы определяют их судьбу? Более того, мы немного коснемся и самого предмета современной астрономии: что она делает и как работают астрономы.

Фотография Млечного Пути, сделанная космической обсерваторией «Планк». Целью проекта «Планк» было изучение изменения космического микроволнового фона – реликтового излучения, но поскольку эта космическая обсерватория наблюдала за всем небом, она также снабжала нас детальными изображениями Млечного Пути. Этот снимок показывает в белых оттенках тонкую эмиссию пыли в нашей Галактике, в основном сосредоточенную на галактическом диске, и обнаруживает сложную морфологию пространства над и под ним (на высоких галактических широтах). Бо́льшая часть галактик содержит значительное количество пыли, образовавшейся во время формирования звезд. Эта пыль поглощает ультрафиолетовый и оптический свет, но испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра по мере нагревания в поле межзвездного излучения

На страницах этой книги мы познакомимся со стандартной моделью космологии, или «космологическим конкордансом». Эта модель описывает все содержание, структуру и эволюцию Вселенной и называется «Лямбда-CDM» (от англ. Lambda-Cold Dark Matter, ΛCDM). С конца 1990-х годов большинство астрономов приняли эту модель в качестве наиболее подходящей из имеющихся на сегодняшний день для объяснения результатов наблюдений за всеми свойствами Вселенной. Лямбда (Λ) относится к символу, обозначающему темную материю, которая впервые появилась в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна как так называемая космологическая константа, а CDM обозначает холодную темную материю (точная природа темной материи не имеет особого значения для нашей истории, однако это понятие – важная ее деталь). Хотя мы описываем концепцию «Лямбда-CDM» как нашу стандартную модель космологии, и темная энергия, и темная материя находятся за пределами стандартной современной физической модели, где нам неясна их истинная природа. Это несколько обескураживающее положение, особенно в сочетании с тем фактом, что в модели «космического конкорданса» темная энергия и темная материя вместе образуют бо́льшую часть плотности энергии, а следовательно, и массы Вселенной, и привело многих критиков к концепции «Лямбда-CDM».

Я бы не хотел сейчас увязнуть в космологии, потому что эта книга все-таки посвящена только галактикам, но один тезис абсолютно безусловен: «Лямбда-CDM» – именно та модель, которая успешно описывает самый широкий комплекс собранных эмпирических данных. Конечно, природа космологической модели важна для истории галактик, но в известном смысле это отдельная проблема. Я бы хотел рассказать о том, что мы на самом деле знаем о галактиках благодаря тщательному наблюдению и анализу данных.

Описывая свет, то есть электромагнитное излучение, я говорю – и намеренно, и случайно – о частоте и длине волн света как взаимозаменяемых понятиях. Иногда это происходит в результате установившихся обычаев в том или ином разделе астрономии (например, в случае радиоастрономии и оптической астрономии), но в основном это связано с тем, что описание энергии света через его частоту ничем не отличается от того же описания в терминах длины волны: они обозначают одно и то же явление, но относятся к разным аспектам природы электромагнитного излучения. В качестве понятного примера можно представить простую модель световых волн по аналогии с волнами в океане: если вы сидите в лодочке на якоре посреди океана, по которому пробегают волны, то показателем того, как ваша лодка ныряет на волнах то вверх, то вниз, и будет частота. А расстояние между соседними гребнями и впадинами – это длина волны. Теперь вы видите, как эти два показателя связаны. Хотя волновая модель – один из способов описания процесса распространения излучения, где свет проявляется как колебания «моря» электромагнитных волн, далее я буду описывать свет в квантовой модели, где он распространяется в виде фотонов. В любом случае частота и длина волн света, будь то радиоволны, видимый свет или рентгеновское излучение, соотносятся с энергией электромагнитного излучения.