Нил Тайсон - Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда

Звезды галактики Млечный Путь образуют большой плоский диск. Соотношение диаметра к толщине у него составляет тысячу к одному, так что наша галактика площе самого плоского блина на свете. Это даже больше похоже на какую-нибудь тортилью. Нет, диск Млечного Пути точно не сфера, однако, вероятно, изначально наша Галактика тоже была шарообразной.

Как она стала плоской, понять нетрудно: представим себе, что когда-то Галактика была большим шарообразным облаком коллапсирующего газа, которое медленно вращалось. При коллапсе шар вращался все быстрее и быстрее – как фигуристы, когда они прижимают руки к телу, чтобы ускорить вращение. Галактика естественным образом сплющивалась с полюсов, а центробежные силы предотвращали коллапс в центре диска. Так что если бы колобок увлекся фигурным катанием – в раннем детстве, когда его еще не испекли, – плохой конец у сказки настал бы еще раньше.

Все звезды, сформировавшиеся в облаке Млечного Пути до коллапса, вращаются по широким высокоскоростным орбитам. Оставшийся газ, легко налипающий сам на себя, будто в воздухе сталкиваются две горячие зефирины, застревает в середине диска и отвечает за все последующие поколения звезд, в том числе и за Солнце. В наши дни Млечный Путь не схлопывается и не расширяется, поскольку представляет собой гравитационно созревшую систему, где звезды, вращающиеся по орбитам над и под диском, можно считать скелетом первоначального сферического газового облака.

В целом вращающиеся предметы уплощаются, и именно поэтому диаметр Земли от полюса до полюса меньше, чем диаметр у экватора. Не очень заметно, всего на 0,3 %, примерно на 40 километров. Однако Земля маленькая, по большей части твердая и вращается совсем не быстро. В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у нее на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час. Сравним хотя бы громадную, стремительно вращающуюся газовую планету Сатурн. Сутки на Сатурне пролетают всего за десять с половиной часов, так что его экватор вращается со скоростью 35 000 километров в час, а диаметр от полюса к полюсу на целых 10 % меньше, чем в середине: эта разница заметна даже в маленький любительский телескоп.

В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у нее на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час.

Сплюснутые сферы принято называть сжатыми сфероидами, а сферы, вытянутые от полюса к полюсу, – вытянутыми сфероидами. В обычной жизни прекрасными, пусть и несколько гротескными примерами обеих геометрических форм служат гамбургер и хот-дог соответственно. Не знаю, как вам, а стоит мне отведать гамбургер, как я сразу же вспоминаю о Сатурне.

Чтобы оценить темп вращения далеких космических объектов, мы вычисляем силу действия центробежных сил. Возьмем, к примеру, пульсары. Вращаются они со скоростью больше тысячи оборотов в секунду, так что мы понимаем, что сделаны они не из обычных стройматериалов – иначе разлетелись бы в клочки. Более того, если бы пульсар вращался еще быстрее, ну, скажем, со скоростью 4500 оборотов в секунду, его экватор двигался бы со скоростью света, так что сразу понятно, что вещество пульсара не такое, как у других звезд. Чтобы представить себе пульсар, нужно мысленно утрамбовать массу Солнца в шар размером с Манхэттен. Сложно? Тогда попробуйте вообразить сто миллионов слонов в тюбике от губной помады. Чтобы достичь такой плотности, придется сжать все пустое пространство вокруг атомных ядер и между электронами, вращающимися по орбитам. При этом почти все электроны (отрицательно заряженные) окажутся прижаты к протонам (положительно заряженным) и получится шар из нейтронов (нейтрально заряженных) с невообразимой гравитацией на поверхности.

Чтобы представить себе пульсар, нужно мысленно утрамбовать массу Солнца в шар размером с Манхэттен. Сложно? Тогда попробуйте вообразить сто миллионов слонов в тюбике от губной помады.

При таких условиях горный кряж на нейтронной звезде может быть не выше толщины бумажного листка, а на восхождение на него у вас уйдет больше сил, чем на Земле – на восхождение на гору высотой пять тысяч километров. Короче говоря, там, где гравитация сильна, все высокое склонно проваливаться и заполнять низины – прямо-таки библейская картина: «приготовьте путь Господу, прямыми сделайте в степи стези Богу нашему; всякий дол да наполнится, и всякая гора и холм да понизятся, кривизны выпрямятся и неровные пути сделаются гладкими» (Исайя 40:4). Вот отличный рецепт изготовления сферы! Именно поэтому мы считаем, что пульсары – самые идеальные сферы во Вселенной.

При изучении богатых скоплений галактик их общая форма о многом говорит астрофизикам. Одни лохматые, другие растянуты тонкими волокнами, а третьи – словно огромные диски. Ни одно из этих скоплений не приняло стабильную с точки зрения гравитации сферическую форму. Некоторые из них так растянуты, что составляющие их галактики не смогли бы за 14 миллиардов лет – возраст Вселенной – пересечь их из конца в конец. Мы делаем вывод, что скопление таким родилось, поскольку у взаимного притяжения между галактиками не хватило времени, чтобы повлиять на форму скопления.

Однако есть и другие системы, например, красивое скопление Волос Вероники, с которым мы познакомились в главе о темном веществе, – они сразу говорят нам, что стали шарообразными благодаря гравитации. Поэтому все галактики в их пределах движутся в разных направлениях с равной вероятностью. Однако в таком случае скопление не может вращаться достаточно быстро, иначе оно бы сплющилось, как сплющилась галактика Млечный Путь.

Скопление Волос Вероники, как и Млечный Путь, представляет собой зрелую гравитационную систему. На астрофизическом жаргоне подобные системы называются релаксировавшими – это означает сразу многое, в том числе неожиданное обстоятельство, что средняя скорость галактик в таком скоплении служит прекрасной мерой общей массы, несмотря на то что в объектах, по которым вычисляется эта средняя скорость, содержится весьма малая часть этой массы. Именно поэтому гравитационно релаксировавшие системы так хорошо выдают наличие несветящегося темного вещества. Я вам больше скажу: если бы не релаксировавшие системы, мы бы, вероятно, и по сей день не открыли вездесущее темное вещество.

Самая большая и совершенная сфера на свете – всем сферам сфера – это вся наблюдаемая Вселенная. Куда бы мы ни посмотрели, галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Как мы узнали из первых глав, это знаменитый признак расширения Вселенной, который открыл Эдвин Хаббл в 1929 году. Если свести воедино эйнштейновскую относительность, конечность скорости света и пространственное разрежение массы и энергии как следствие расширения Вселенной, в каждом направлении от нас на каком-то расстоянии скорость удаления галактик достигает скорости света. На этом расстоянии и дальше свет от всех объектов теряет всю энергию, не успев долететь до нас. Поэтому Вселенная за пределами этой сферической «границы», в сущности, невидима и, насколько мы можем судить, непостижима.