§ 63. Структура Вселенной

Определения и обозначения

Метагалактика — наблюдаемая часть Вселенной, свет от объектов которой успел достичь наблюдателя и может быть зарегистрирован. Её границы связаны с возможностями наблюдений и возрастом Вселенной, а не обязательно с краем всего космоса. Термин нужен, чтобы отделять доступную нам область от Вселенной в целом.

Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Под действием притяжения её вещество удерживается как единое крупное образование. Млечный Путь — галактика, внутри которой находится Солнечная система.

Скопление галактик — гравитационно связанная группа галактик, движущихся в общем поле тяготения. Галактики могут казаться соседними на небе только из-за проекции, поэтому одной видимой близости недостаточно. Понятие скопления показывает, что между объектами существует физическая связь.

Крупномасштабная структура Вселенной — распределение галактик, их скоплений, сверхскоплений и войдов на огромных расстояниях. Сверхскопления представляют собой протяжённые области повышенной плотности, а войды — разреженные области между ними. Это понятие описывает общий «рисунок» распределения вещества.

Как это устроено

Структуру Вселенной удобно представлять как последовательность вложенных уровней. Звезда может входить в звёздную систему, например Солнечную, а множество звёздных систем и межзвёздного вещества образует галактику. Несколько галактик могут быть собраны в скопление, а скопления и отдельные галактики входят в ещё более протяжённые крупные структуры.

Гравитация заставляет вещество собираться там, где его плотность немного выше средней. Газ сжимается, в нём рождаются звёзды, а звёзды, газ, пыль и тёмная материя удерживаются в галактиках общим притяжением. На ещё больших масштабах гравитация связывает галактики в скопления, хотя расширение Вселенной ограничивает размеры таких связанных систем.

Расширение Вселенной означает увеличение расстояний между удалёнными галактиками и скоплениями. Это не обязательно движение каждой галактики через уже существующее пространство от единого центра: меняются сами расстояния между крупными системами. Внутри галактик и связанных скоплений гравитация может удерживать объекты, поэтому расширение не разрывает их.

Карты распределения галактик показывают не равномерное облако, а сеть плотных перемычек, узлов и огромных разреженных областей. Узлы и перемычки связывают со сверхскоплениями, а почти пустые промежутки называют войдами. В отдельных областях Вселенная заметно неоднородна, но при усреднении по достаточно большим объёмам плотность вещества становится примерно одинаковой.

Уровни структуры Вселенной

Читать таблицу следует снизу вверх по размеру отдельных систем: от звёздной системы к галактике, затем к скоплению и крупным структурам. Войды не являются ещё одним компактным объектом рядом со сверхскоплением, а обозначают разреженные промежутки сети. Метагалактика включает всю доступную наблюдениям область, поэтому её нельзя автоматически считать отдельной гравитационно связанной системой.

Разбор задач

Задача 1. Иерархия объектов

Условие. Расположите звёздную систему, галактику, скопление галактик и Метагалактику от меньшего уровня структуры к большему. Нужно определить, какие объекты входят друг в друга. Отдельно следует не перепутать физическую систему с наблюдаемой областью Вселенной.

1. Звёздная система содержит одну или несколько звёзд и тела, связанные с ними гравитацией.
2. Галактика включает множество звёздных систем и межзвёздное вещество.
3. Скопление объединяет несколько галактик, а Метагалактика охватывает все наблюдаемые объекты и структуры.

Ответ. Правильный порядок таков: звёздная система → галактика → скопление галактик → Метагалактика. Каждый следующий уровень охватывает больше объектов. При этом Метагалактика выделяется не общей гравитационной связью, а доступностью наблюдения.

Задача 2. Сверхскопления и войды

Условие. На схеме галактики собраны в плотные области, между которыми находятся обширные пустые области. Требуется определить, где изображены сверхскопления, а где войды. Главным признаком будет не размер изображения, а плотность распределения галактик.

1. Найдите участки, где галактик особенно много и они образуют узлы или перемычки.
2. Свяжите такие плотные участки с крупномасштабными структурами, называемыми сверхскоплениями.
3. Разреженные промежутки между ними назовите войдами, помня, что они не абсолютно пусты.

Ответ. Плотные области на схеме — сверхскопления или их части. Обширные участки с малым числом галактик — войды. Так наблюдаемая карта превращается в подобие ячеистой космической сети.

Задача 3. Расширение Вселенной

Условие. Два скопления галактик находятся далеко друг от друга, и расстояние между ними увеличивается. Нужно объяснить, почему это не означает обязательного движения скоплений сквозь пространство от общего центра. Для решения надо различить локальное движение и космологическое расширение.

1. Проверьте масштаб явления: для очень далёких систем расширение пространства становится существенным.
2. Представьте, что меняются расстояния между удалёнными объектами, а не обязательно их скорости относительно ближайшего пространства.
3. Сделайте вывод о том, что увеличение расстояний само по себе не задаёт центральную точку.

Ответ. Скопления могут удаляться друг от друга из-за расширения Вселенной. Это не похоже на разлёт от единого центра в обычном пустом пространстве. Поэтому рост расстояний между далёкими системами не доказывает существование центра Вселенной.

Типичные ошибки

Метагалактика — это вся Вселенная. Ошибка возникает из-за смешения наблюдаемой области с реальным объёмом космоса. Проверка проста: спросите себя, описывает ли термин предел наблюдений или физическую границу.

Любые близкие на небе галактики образуют скопление. Две галактики могут находиться на разных расстояниях от нас и лишь случайно проектироваться рядом. Нужно выяснить, связаны ли они общей гравитацией и имеют ли согласованные расстояния и движения.

Сверхскопление — компактный объект с чёткой границей. Так его представляют по аналогии со скоплением, хотя сверхскопление обычно является протяжённой областью повышенной плотности. Проверьте, идёт ли речь о единой связанной системе или о крупной сети галактик и скоплений.

Войд абсолютно пуст. Такое представление появляется из-за самого слова «пустота», но в войдах просто намного меньше галактик. Проверить себя можно вопросом: допускает ли определение малую плотность, а не отсутствие вещества?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о звёздах, галактиках и гравитационном взаимодействии. Без них трудно объяснить, почему объекты объединяются в системы разного масштаба и чем реальное скопление отличается от случайной проекции на небе.

Крупномасштабная структура связана с космологическими моделями, наблюдениями далёких галактик и изучением распределения вещества. Знание о расширении Вселенной помогает правильно трактовать увеличение расстояний и не искать у космоса обязательный центр.

Что запомнить

• Млечный Путь — галактика, в которой находится Солнечная система.
• Галактики объединяются в скопления и более крупные структуры.
• Сверхскопления разделены областями с малой плотностью галактик — войдами.
• На достаточно больших масштабах распределение вещества в среднем однородно.
• Метагалактика — наблюдаемая часть Вселенной, а не обязательно вся Вселенная.
• Расширение Вселенной проявляется в увеличении расстояний между далёкими галактиками.