2. Метагалактика: Метагалактика – часть Вселенной, доступная нам всеми способами для наблюдения. За горизонтом видимости могут располагаться загадочные внеметагалактические объекты. Вселенной присуща структурность на всех уровнях: от ядер атомов до сверхскоплений.

Галактики, подобно звёздам, редко бывают одиночными. Они образуют структуры разного масштаба:

  1. Кратные галактики (десятки галактик).
  2. Местная группа галактик (десятки-сотни галактик, диаметром до 1 Мпк).
  3. Скопление галактик (сотни - тысячи галактик, диаметром до 10 Мпк).
  4. Сверхскопление галактик (10 тысяч галактик, диаметром до 50 Мпк).

В Местную группу галактик, размеры которой 1,5 Мпк, входят наша галактика «Млечный путь», Туманность Андромеды M31, Туманность Треугольника M33, Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако, неправильные галактики NGC 6822, IC 1613, карликовые галактики. В ней около сорока галактик, связанных взаимной гравитацией. Согласно последним исследованиям, Местная группа движется со скоростью 635 км/с относительно реликтового излучения в сторону неизвестного объекта под названием Великий Аттрактор, его масса превышает массу нашей галактики в десятки тысяч раз.

90% галактик концентрируются в скопления, в которые входят до нескольких тысяч галактик. Средний диаметр скопления галактик 5 Мпк. Скопление в созвездии Волосы Вероники мы видим таким, каким оно было 400 миллионов лет назад.

Скопление в созвездии Девы, находящееся в 15 Мпк от Местной группы, огромно: оно покрывает участок неба в 200 раз превышающий площадь, занимаемую Луной. Эллиптическая галактика M87 из этого скопления по размеру сравнима с нашей Местной группой.

Пространство между галактиками заполнено газом, температура которого более 10 миллионов К. В среднем на каждый кубический дециметр пространства приходится всего один атом, однако в связи с огромным объемом скопления полная масса газа сопоставима с массой всех галактик скопления.

Чтобы столь горячий газ не покидал скопление, его должна удерживать большая сила тяготения. По оценкам ученых, суммарного гравитационного поля всех галактик для этого недостаточно. Необходимо предположить, что существует так называемая скрытая масса. К этому же выводу можно прийти, рассматривая устойчивость самих скоплений. Скорости отдельных галактик настолько высоки, что без скрытой массы они разлетелись бы в разные стороны.

Состав Вселенной: Скопления галактик, по-видимому, самые крупные и устойчивые системы во Вселенной. Области повышенной концентрации скоплений галактик чередуются с пустотами в сотни миллионов световых лет. Местная группа также расположена в сверхскоплении, центр масс которого находится в созвездии Девы. Другое сверхскопление находится в созвездии Геркулеса на расстоянии около 700 миллионов световых лет. На компьютерной модели трехмерной карты северной части неба отмечено более 11 тысяч галактик.

Хорошо заметна структура, имеющая размеры 50×30×5 Мпк, названная Великой стеной. Похожее образование обнаружено и в южной части неба.

3. Ячеисто-сотовая структура: Ячеисто-сотовая структура Вселенной отражает картину распределения вещества в эпоху, когда галактик еще не существовало. Галактики собраны в сверхскопления, которые образуют слои и ленты, разделенные обширными пустотами, по структуре напоминающими губку.

В проекции на небесную сферу у Вселенной ячеистая структура: галактики распределены вдоль границ ячеек, а внутри их почти нет. Моделью пространственной структуры является кусок пемзы – вещество во Вселенной распределено равномерно.

Вывод 1: Вселенная однородна и изотропна.

В XX веке стали известны два экспериментальных факта, подтверждающих расширение Вселенной: красное смещение линий в спектрах галактик и реликтовое излучение. В 1929 году, исходя из наблюдений спектров галактик, американский астроном Эдвин Хаббл сформулировал закон: красное смещение в спектрах, а значит и скорости удаления галактик, возрастают пропорционально расстоянию до них.

Вывод 2: Метагалактика нестационарна – в настоящее время она расширяется.

Постоянная Хаббла, строго говоря, не является константой: её значение уменьшается со временем. Наличие красного смещения у галактик позволяет с большой точностью определять расстояния до них. Чем сильнее смещены линии в спектре галактик, тем дальше галактика.

По современным данным, численное значение постоянной Хаббла H = 75 км/(с·Мпк). Тогда время расширения по закону Хаббла (вероятно, близкое ко времени расширения нашей Вселенной) T = 1 / H = 14 миллиардов лет, а расстояние (условный размер Вселенной) R = c / H = 4300 Мпк.

Ясно, что понятие размеров Вселенной весьма условно. Реальная Вселенная безгранична и нигде не кончается. Радиус видимой части Вселенной не может превышать расстояние, которое излучение, распространяющееся со скоростью света, проходит за время, равное возрасту Вселенной.

Теоретические основы космологии были заложены Альбертом Эйнштейном и Александром Фридманом. В соответствии с решениями Фридмана уравнений Эйнштейна, 10–13 миллиардов лет назад (в начальный момент времени) радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объёме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся её масса. Плотность энергии была бесконечной, бесконечной была и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярность.

Спустя несколько секунд после Большого Взрыва, в горячей и плотной Вселенной, началась стадия первичного нуклеосинтеза, продолжавшаяся около трех минут. В результате термоядерных реакций образовывались ядра тяжелого водорода и гелия.

Затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной. Предсказанные количества водорода (75%) и гелия (25%) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.

4. Современные представления об эволюции Вселенной: Космологические модели приводят к выводу, что судьба Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего ее вещества.

  • Если она ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Этот вариант называется «открытая Вселенная». Похожий сценарий развития ждет и плоскую Вселенную, когда плотность равна критической. Через многие миллиарды лет прогорит все вещество в звездах, и галактики погрузятся во тьму. Останутся только планеты, белые и коричневые карлики, а столкновения между ними будут крайне редки. Если Земля все еще останется к этому времени, она будет замерзшей скалой в темной расширяющейся Вселенной.
  • Если плотность выше критической плотности, расширение Вселенной сменится сжатием. Это «закрытая Вселенная».

Эта величина ничтожно мала: достаточно, чтобы в кубе со стороной около 50 метров содержался один атом водорода.

Определить из наблюдений истинную плотность материи сложно. Плотность наблюдаемого вещества во Вселенной меньше критической, поэтому Вселенная должна неограниченно расширяться. Произведенный в последнее время учёт скрытой массы и массы физических полей приближает истинную среднюю плотность Вселенной к критическому значению. При этом видимое вещество дает вклад только 5%. Ускорение расширения Метагалактики доказывает факт наличия в пространстве трёх видов материи: обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии.

Заключение: Основные теоретические модели будущего Вселенной: закрытая и открытая.

  • Согласно закрытой модели, Вселенная может испытывать множество эволюционных циклов. Цикл расширения сменяется циклом последующего сжатия до возвращения в сингулярное состояние, затем следует новый взрыв, и все начинается снова. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной занимает примерно 100 млрд. лет. Каждый раз, возвращаясь к сингулярности, Вселенная теряет «память» о прошлом состоянии и может снова «родиться» с совершенно новым набором физических констант. Космологическая сингулярность — состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества.
  • Согласно открытой модели, должна произойти тепловая смерть Вселенной, связанная с остыванием звезд вследствие прекращения в них термоядерных реакций, когда закончится все ядерное топливо. По предварительным расчетам, это может произойти через 1014лет.

Естественная задача космологии заключается в том, чтобы как можно лучше понять возникновение, историю и устройство нашей собственной Вселенной.

В 2011 году была обнаружена тёмная материя, обладающая свойством антигравитации, она не испускает электромагнитное излучение и напрямую не взаимодействует с ним. Большая же часть Вселенной приходится на долю тёмной энергии, которая практически однородна, в отличие от обычной энергии и тёмной материи, которые распределены в космическом пространстве неоднородно, образуя звёзды, галактики и другие объекты. Считается, что тёмная энергия – это свойство самого пространства.

Специальная теория относительности позволяет рассчитать почти неограниченное количество космологических моделей. Даже экзотические по нынешним меркам модели в будущем пригодятся для описания тех частей Вселенной, которые пока ещё недоступны для наблюдения. Они могут подтолкнуть стремление отыскать неизвестные решения уравнений ОТО. Союз космологии и физики элементарных частиц рассматривает самую раннюю стадию жизни Вселенной как естественную лабораторию, идеально пригодную для изучения основных симметрий нашего мира, определяющих законы фундаментальных взаимодействий. Подлинная степень изотропии Вселенной была установлена благодаря космической аппаратуре лишь в течение последних двух десятилетий.

Несмотря на существование различных научных космологических моделей, представляется, что на самом деле человеческий разум ещё весьма далёк от ясного исчерпывающего понимания того, как на самом деле возникла, устроена и эволюционирует Вселенная. Дерзайте, молодые мыслители!

По словам знаменитого советского и российского астронома Андрея Финкельштейна, Солнечная система – это не уникальное место. Жизнь и разум - это рядовая вещь во Вселенной, и в ближайшее время ученые откроют места в нашей Галактике, где эта жизнь есть. И не только единство мирового сообщества на планете Земля, но и сообщество всех цивилизаций будет считаться фундаментальным свойством Вселенной, как темная материя, сверхновые звезды и черные дыры. Астрономия как наука будет развиваться за счет научных исследований, проводимых в космосе, которые охватывают различные разделы астрономии, физики, геофизики и биологии. Во Вселенной будут обнаружены новые явления, о существовании которых мы сейчас не можем даже догадываться.