Знание-сила, 2003 № 03 (909)

Мыльные пузыри Вселенной

Еще в начале XX века космическая иерархия была проста и бинарна: она включала лишь две структуры: нашу Солнечную систему и Млечный Путь, или Галактику – огромную звездную систему.

Капли увеличивают вселенную Становятся видимы звезды Вячеслав Куприянов.

В небесах царит свой удивительный порядок. Созвездия и туманности – лишь отдельные видимые нам элементы великих космических структур. В одном из недавних номеров нашего журнала (№ 9 за 2002 год) мы начали говорить о «мыльных пузырях» Галактики. А что бы мы увидели, взглянув на все наше мироздание со стороны?

Чем дальше астрономы заглядывают в глубины космоса, тем отчетливее распознают тайный строй Вселенной – удивительную геометрию ее пространства. На карту нанесены уже десятки тысяч галактик. Все они образуют «скопления», «суперскопления» и, наконец, космические «пузыри». Что за сила собрала воедино всю эту материю, вылепив из нее причудливый узор? Быть может, орнамент, испестривший просторы космоса, свивается в еще более сложные и пока неизвестные нам фигуры?

В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл оценил, что расстояние до туманности Андромеды намного превышает размеры нашей Галактики. С этого времени стало ясно, что спиральные, эллиптические и иррегулярные туманности являются родными сестрами нашего Млечного Пути. Так «второй этаж мироздания», прежде занятый одной лишь Галактикой, внезапно пополнился целой мириадой их.

Поначалу казалось, что они расположены в полном беспорядке. Однако Природа оказалась отменным архитектором. Чем дальше вглубь космоса заглядывали телескопы, тем отчетливее было видно, что отдельные галактики образуют сообщества.

Так, рядом с Млечным Путем располагалась Туманность Андромеды, а также еще десяток карликовых галактик, наподобие Магеллановых Облаков. Все они образовали так называемую Местную группу галактик. Последовали новые открытия. Мы словно оказались замурованы внутри целого ряда «матрешек». Едва нам удавалось осмотреть и исследовать очередную звездную систему, внутри которой была заключена Земля – крохотный шарик, затерянный на донышке безмерного сосуда, – как над нами вырисовывался очередной «горизонт». Растекшиеся по небу полоски звезд впадали друг в друга, образуя все более крупные звездные реки.

Наша Местная группа оказалась частью огромного скопления галактик, расположенного в созвездии Девы. По своей структуре это скопление немного напоминало Млечный Путь. Галактики внутри него были разбросаны, как звезды в Млечном Пути. По мере приближения к центру их плотность заметно росла. Впрочем, этого следовало ожидать, ведь галактики стягивал в единое целое сила гравитации. Судя по всему, Вселенная состояла из почти бесконечного множества шаровидных скоплений галактик, ведь, по законам гравитации, шар – идеальная космическая форма. Однако опять последовало неожиданное открытие.

В семидесятые годы американские астрономы Маргарет Геллер и Джон Хахра задались честолюбивой целью: изучить всю иерархию мироздания и понять, что скрывают отдаленные глубины космоса. Для этого не надо было гадать н~ «звездной гуще» – следовало предельно точно нанести на карту десятки тысяч галактик.

Сперва Геллер и Хахра выбрали небольшой участок космоса – фрагмент шириной 135 градусов и высотой 6 градусов (затем его расширили до размеров – 360 х 36 градусов). Маргарет Геллер стала составлять каталог галактик, оказавшихся здесь, помечая их длину и ширину, а также расстояние до них.

Осенью 1986 года, когда в распоряжении ученых оказалось достаточно много собранных данных, Геллер заметила странный феномен. Все эти тысячи галактик образовали невероятную фигуру, напоминавшую… человека ростом в 500 миллионов световых лет.

Джон Хахра отказывался в это верить, считая, что допущена ошибка в измерениях. Зато сторонники эзотерических учений заговорили о том, что все наше мироздание – «автопортрет» Господа Бога, увековечившего себя в своем Творении.

Однако вскоре астрономам стало понятно, что фигура человека была лишь частью грандиозного космического узора. Так, приглядываясь к морозной вязи, разрисовавшей стекло, или к облакам на небе, можно отыскать образы людей, но остальные части этой природной картины обычно не похожи на приглянувшийся портрет. Так же было со скоплениями галактик.

Вот только у звездного неба – в отличие от заиндевевшего окна или облачной чехарды – выявилась своя подлинная структура. Скопления галактик не были беспорядочно рассеяны в космической дали; они словно располагались на поверхности неких полых тел, занимавших все небо, своего рода «мыльных пузырей». Внутри них царила абсолютная пустота. Впору было сказать, что сам Господь Бог, уподобляясь ребенку, выдувает бессчетные галактики, как мыльные пузыри. Что ж, крохотные, живущие мгновение воздушные шарики – хорошая метафора, подчиняясь которой рассыплются в прах эти крохотные – по космическим меркам – планеты, галактики и звезды, все эти «пузыри Вселенной», живущие в ней один миг.

Из этих «пузырей» – своего рода «сверхгалактических гало» – складывался особый орнамент: гигантские системы звездных суперскоплений. Небо, напоминавшее древним мудрецам несколько сфер, расположенных одна над другой, скорее впрямь похоже на матрешку: ее части оказались вложены друг в друга.

Одна из самых крупных космических «матрешек» – «Великая Стена», открытая в 1989 году в небе Северного полушария. Размеры этой «стены» из многих тысяч галактик, напоминающей постройку из мыльных пузырей, составляют 500 х 200 х 15 миллионов световых лет. Она содержит примерно 5-10 процентов всей материи Вселенной.

Были обнаружены и другие крупные структуры, насчитывавшие тысячи и десятки тысяч галактик. Совсем недавно в созвездии Льва открыли крупнейшее скопление галактик, известное науке. Оно протянулось на шестьсот с лишним миллионов световых лет. Расположено оно примерно в шести с половиной миллиардах световых лет от нас (см. «Знание – сила», 2003, № 2).

«Мы можем увидеть сейчас весь спектр космических феноменов, – говорит австралийский астроном Мэтью Коллес, – от громадных космических континентов – сверхскоплений галактик – до отдельных гор, высящихся посреди вселенского пейзажа – галактик».

Этот грандиозный пейзаж мироздания смущал. Как ни велики были галактики длиной в сотни тысяч световых лет, все они оказались лишь песчинками в этом узоре. Впору было чувствовать себя не просто «затерянными в космосе», но потерянными в нем. Из «бесконечно малых точек», в которые превратились галактики, очерчивались бессчетные «мыльные пузыри» и рисовались тонкие, длинные нити: из этих нитей свивались фигуры вроде «человечка Маргарет Геллер». Если представить себе правоту физиков, отстаивающих «теорию струны», то тончайшие нити лежат и в основе всего Микромира – их вибрации рождают все элементарные частицы, – и ими же – «великими космическими нитями, или струнами» – замыкается известный нам Макромир.

После открытия космических сверхструктур сразу возникли вопросы: «Существуют ли они в самом деле? Или же нам кажется, что космическая материя принимает такую форму, как путнику, присевшему отдохнуть, может казаться, что облако над ним принимает форму «жирафа», «медведя», «яблока»? Чему подчиняются эти структуры? Фундаментальным законам природы или особенностям нашего зрения? Есть ли. на самом деле, эти «мыльные пузыри» и «нити» Вселенной или мы их выдумываем, прибегая к удобной аллюзии?»

Последующие наблюдения, сделанные, например, участниками проекта «Sloan Digital Sky Survey», подтвердили правоту Геллер и ее коллег. Космос, действительно, имеет причудливую структуру. В нем есть свои «мыльные пузыри», «человечки», «струны». Если прибегнуть к очень смелой аналогии, то у космоса есть своя… клеточная структура, и суперскопления галактик очерчивают границы каждой клеточки.

Космос, хотя бы по своему строению, напоминает одно огромное – и все еще растущее – живое существо, в одной из клеток которого затерян атом под названием «Солнечная система». Этот атом нельзя представить себе в виде некоего «кусочка вещества». Нет, он порожден регулярными перемещениями – назовем их «вибрациями» – неких незримых объектов, имеющих конечную длину. Данные объекты так ничтожно малы, что наблюдатель, пребывающий за пределами нашей Вселенной, никогда не сумеет их разглядеть. Он может лишь постулировать, что атомы «звездных систем» состоят из крохотных, вибрирующих или, если хотите, блуждающих (по-гречески planetes) объектов – своего рода «субатомарных нитей».

«Что вверху, то внизу». Мнения средневековых мистиков часто подозрительно схожи с новейшими воззрениями астрономов. «Теория струны» отражается в переплетении вселенских «нитей». Клеточная структура живых организмов отражается в «клеточном» узоре, украсившем мироздание.

Вселенная вовсе не напоминает некий застывший мир – карту галактик, приклеенную к небесной сфере. Нет, все здесь проникнуто движением.

Около двадцати лет назад было обнаружено, что группы галактик разлетаются совместно. Наш Млечный Путь вместе со скоплением галактик в созвездии Девы, вместе с суперскоплением галактик в созвездии Волосы Вероники, вместе с другими скоплениями космической материи мчится со скоростью 600 километров в секунду в сторону некоего неизвестного пока, но невероятно мощного источника гравитации. Уже первые расчеты показали, что суммарная масса этого объекта примерно такова, как у десяти тысяч крупных галактик, вместе взятых.

Половина всей нашей Вселенной затягивается в эту странную «воронку», где уже скопилось, наверное, столько материи, что невозможно себе даже представить. Пытаясь прибегнуть хоть к каким-то понятным сравнениям, скажем, что так же неотвратимо материя в центре нашей Галактики соскальзывает в черную дыру.

Один из космических картографов, Алан Дресслер, назвал этот таинственный, влекущий к себе объект, «Великим Аттрактором» (от англ, attraction – тяготение), «Великим Источником Притяжения». Однако разглядеть что-либо в той дали, куда все мы мчимся, пока не удалось.

О природе этого объекта много спорили. Предполагали даже, что это скопление материи, неизвестной пока науке. Согласно другой гипотезе, это – «космическая струна», невероятно массивный реликтовый объект, возникший в пору ранней молодости Вселенной – своего рода нитевидное искривление пространства-времени. Впрочем, дальнейшие наблюдения показали, что Великий Аттрактор является очень крупным скоплением галактик.

Расстояние от Млечного Пути до Великого Аттрактора составляет примерно 300 миллионов световых лет. Расположен Великий Источник Притяжения в небе Южного полушария. Он тянется от созвездий Павлина и Индейца до созвездия Парусов.

Другие галактики движутся в иных направлениях. С точки зрения автомобилиста, в космосе царит полный кавардак. Это приводит к частым столкновениям самих галактик и даже их скоплений (см. «Знание – сила», 2000, № 11).

Черные дыры, расположенные посреди галактик, могут сливаться при их столкновении. После такой сшибки черные дыры теряют до 40 процентов своей массы, излученной в виде гравитационных волн очень низкой частоты. Это приводит к деформации пространственно-временной структуры, как еще в 1916 году предсказывал Альберт Эйнштейн.

Распространяются гравитационные волны со скоростью света. В считанные доли секунды они излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Они пронизывают пространство, словно сейсмические волны – Землю, пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща материи, лежащая на их пути, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн, – поясняет известный американский физик Кип Торн, – материя поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси движения волн». Однако эти отклонения минимальны. Мы не замечаем их. Так, если бы мы имели дело с мостом, выстроенным от Земли до Солнца, то под действием гравитационной волны он удлинился бы на величину… атомного ядра.

Возможно, в ближайшие годы удастся обнаружить эти волны. Во всяком случае, сейчас ставится ряд экспериментов по их поиску.

«Быть может, – отмечает известный британский физик Мартин Рис, – при столкновении галактик черные дыры иногда выбрасываются в межгалактическое пространство». В таком случае в темных далях, разделяющих галактики, могут сновать целые стаи незримых гравитационных монстров.

Как же возникли гигантские скопления галактик? Почему они выглядят так, а не иначе? Подобные вопросы неминуемо влекут за собой другие: «Как возник наш мир? Почему он таков, каким мы его видим?».

Согласно общепринятому мнению, наш мир родился около 15 миллиардов лет назад в пламени Большого Взрыва. Единственной силой, упорядочившей материю, была гравитация. Однако сила эта слаба, и пока она упорядочит материю, пройдет слишком много времени. Чем больше структура, тем дольше она будет формироваться.

Становление космоса могло протекать двояким образом: «сверху вниз» (top down), когда в «первородном супе» зародились, а потом разрослись структуры, наблюдаемые нами теперь, или же «снизу вверх» (bottom up) – по этому сценарию газовые туманности сгущались в звезды, звезды стягивались в галактики, те образовывали скопления и, наконец, возникала космическая пена.

В последнее время подобные процессы удалось моделировать на компьютере. В первом случае все интересовавшие структуры – космическая «пена», суперскопления и скопления галактик, а также отдельные галактики – возникали, но это занимало очень много времени, тогда как старейшие галактики появились уже 13 миллиардов лет назад. Во втором случае образовались лишь галактики и их скопления, но никакой космической «пены», никакого «Великого Аттрактора» не было.

Зато, разумеется, не было недостатка в самых рискованных гипотезах, объяснявших влечение галактик друг к другу. Так, нобелевский лауреат по физике Ханнес Альфвен предположил, несмотря на скепсис коллег, что в космосе существует еще одна сила, пока неизвестная нам. Возможно, гигантские космические структуры возникают благодаря плазменным токам – электрически заряженным и высокоэнергичным потокам газа – и созданным им магнитным полям.

Быть может, в мироздании есть и другие силы, о которых мы пока ничего не знаем? Возможно, галактики – это не просто скопление мертвой материи. Возможно, они, подобно животным, сами «сбиваются в стаи», испытывая друг к другу симпатию. Ведь никакие законы гравитации или магнетизма не заставляют муравьев строить себе общежитие – муравейник.

Бенуа Мандельброт – человек, придумавший термин «фрактал», – сравнил структу ру Вселенной с перистым облаком. По его словам, весь мир организован по фрактальному принципу. Мироздание имеет «волокнистую» структуру, напоминая крону дерева или бронхи легких. Если это действительно так – а многое говорит в пользу этой гипотезы, – то сие будет иметь самые фатальные последствия для наших космологических спекуляций. Ведь они опираются в основном на формулы теории относительности. Однако те справедливы лишь для однородной Вселенной, в которой материя распределена сравнительно равномерно. Для фрактальной Вселенной они не действуют. Подводя итог, повторим: никто не знает, почему во Вселенной возникли громадные структуры и сколько времени ушло на их формирование.

Можно лишь отметить, как похож этот космический узор на «Мультивселенную» российского космолога Андрея Линде – множество не сообщающихся друг с другом Вселенных (см. «Знание – сила», 2000, Ne 1; 2001, № 11). Ведь ее тоже можно сравнить с мыльной пеной, усеянной множеством пузырьков: одни из них раздуваются, другие сдуваются – одни Вселенные рождаются, другие гибнут. Большой Взрыв, породивший наш мир, вовсе не является уникальным событием. Это – не первый и не последний Большой Взрыв, раздавшийся в Мультивселенной, но вся она, сотрясаемая бессчетным множеством взрывов, порождает все новые Вселенные, размножаясь таким образом.

Если уж мы позволили себе сравнить Вселенную с живым существом, то эти пузырьки, возникающие в Мультивселенной, напоминают… икринки: многие из них вскоре погибнут, и лишь некоторые разовьются в огромные, полные жизни организмы – новые Вселенные. Впрочем, подобное сравнение, скорее, достойно пера писателей-фантастов.

Однако не будем забывать, что космос полон тайн, и, может быть, даже наша, «обжитая» Вселенная обладает свойствами, которые нам трудно себе представить.

Адреса в Интернете:

Модели космических структур: http://archive. ncsa.uiuc.edu/Cyberia/Cosmos/CosmosCompHorne.html

Возникновение космических структур: http://zeus.rcsa.uiuc.edu:8080/GC3Horne Page.html

Космические структуры: http://universe.gsfc.nasa.gov/