Глава 29. Скопления галактик.
По различным наблюдениям и вычислениям можно сказать, что Галактика Млечного Пути является сверхгигантской системой. Более того, Туманность Андромеды тоже является галактикой-сверхгигантом. Остальные же выявленные ближайшие галактики представляют собой в основном карликовые. Всю группу ближайших к нам галактик раньше называли Местная система, или Местная группа (сейчас используетсятакже название «галактический кластер»). Судя по оценкам масс входящих в группу галактик, можно с некоторым основанием сказать, что он представляет собой систему из двух сверхгигантских галактик, окруженных 15 спутниками. Однако, так можно было бы говорить, если бы имелась уверенность в устойчивости такойгруппы. Но такой уверенности нет, Наоборот, Местная система (галактический кластер), скорее всего, неустойчива и должна распасться.
Рис.29/1. Местная система галактик.
При исследовании распределения галактик на небе астрономы обнаружили, что галактики очень часто расположены скоплениями. Как и в Местной группе, в таких скоплениях преобладают карликовые галактики, что позволяет сделать вывод о максимальной распространенности карликовых галактик во Вселенной вообще. Это подтверждает эволюционный закон – малые особи более распространены в природе, чем крупные.
Вспомним закономерности распределения по небу звезд, которое изучал в XVIIIвеке Гершель. Чем ближе к галактической плоскости Млечного Пути, тем больше звезд наблюдается на небе.
В XXвеке распределение галактик на небе изучал Хаббл. К его удивлению, он обнаружил прямо противоположную зависимость. Чем ближе к плоскости симметрии Млечного Пути, тем меньше галактик приходилось на каждый участок неба. Около самого галактического экватора галактики, за крайне редким исключением, не наблюдаются вовсе. Совершенно очевидно, что другие звездные системы не могут распределяться в пространстве по какому-то частному закону расположения нашей Галактики. Поэтому данное явление должно было быть объяснено другими причинами. В 1930 году, за 4 года до работы Хаббла, была открыта темная материя в Галактике, и показана ее концентрация к плоскости галактического экватора. Поэтому Хаббл правильно объяснил отсутствие наблюдаемых галактик в области галактического экватора тем, что темная материя преграждает путь свету от галактик, расположенных в этом направлении от наблюдателя. Так как темная материя располагается не равномерно, и существуют просветы между ее облаками, то в указанной зоне все же можно наблюдать некоторые галактики. Но подавляющее их количество скрыто от наших глаз. Но для инфракрасных лучей пылевая материя прозрачна. В 1968 году итальянский астроном Маффеи открыл две близкие гигантские галактики, лежащие почти на галактическом экваторе (галактическая широта -00,5). После этого их удалось обнаружить и в оптических лучах как очень слабые, едва различимые объекты. Оказалось, что темная материя ослабляет свет MaffeiIиMaffeiII, как они были названы в честь первооткрывателя, в 100 раз.MaffeiI, как удалось установить, является гигантской эллиптической галактикой, а последующие исследования MaffeiII выявили ее спиральную структуру. Пока еще не выяснено, принадлежат ли эти галактики кМестной группе или движутся независимо от нее.
Рис.29/2. Панорамное изображение зоны Галактического экватора. Видимый слева объект голубого цвета – MaffeiI.
Когда стало известно о существовании скоплений галактик, встал вопрос о том, не образуют ли они, в свою очередь, еще более масштабные системы? И не может ли такая иерархическая структурность распространяться до бесконечности, когда любая система входит в состав другой, а та – в состав еще более крупной, и так далее? Наука дала положительный ответ на первый вопрос и отрицательный – на второй.
В 1950-х Вокулер ввел термин «Сверхгалактика». Так он назвал концентрацию галактик размером порядка ста миллионов световых лет, в центре которой находится скопление Девы.
Рис.29/3. Центральная часть скопления галактик в созвездии Девы.
Вблизи плоскости Сверхгалактики, почти перпендикулярной плоскости нашей Галактики, лежит большинство близких скоплений галактик. Американский астроном Абельотметил существование не одного, а нескольких «скоплений из скоплений», расположенных значительно дальше СверхгалактикиВокулера (ее называют также Местной Сверхгалактикой или Местным Сверхскополением). В 1960-х астрономы Шейн и Виртанен(США) также обнаружили несколько «облаков» далеких галактик примерно такого же размера, как Местная Сверхгалактика. Существование необычно крупных концентраций галактик следовало и из работ Ф.Цвикки (США), составившего многотомный атлас распределения очень большого числа галактик и их скоплений по фотографическому Паломарскому обзору неба. Термин «Сверхскопление галактик» в применении к системе, объединяющей от нескольких до нескольких десятков отдельных скоплений галактик, прочно вошел в обиход. Сейчас выделено более двухсот сверхскоплений, состоящих из двух и более отдельных скоплений галактик.
Рис.29/4. Сверхскопление галактик Шепли (совмещение инфракрасного и рентгеновского снимков).
Вопрос о том, имеет ли Вселенная ячеистую структуру, впервые был поставлен в 1970-е годы в Тартуской обсерватории. Многочисленные работы астрономов разных стран подтвердили предположение, высказанное эстонскими астрономами. Оказалось, что самая крупномасштабная структура Вселенной действительно представляет собой ячейки различного размера, составленные из галактик и их систем. Галактики и их скопления концентрируются к своего рода изогнутым «стенкам» толщиной порядка 10 млн. световых лет, пересекающимся друг с другом. Некоторые «стенки» прослеживаются на сотни миллионов световых лет. Там, где стенки «смыкаются», галактик особенно много (сверхскопления). Эти области повышенной концентрации галактик образуют в пространстве подобие длинных волокон (цепочек). Внутри ячеек, между стенками, находятся пустоты (их называют «войды» от английского «void» – «пустое место»), в которых плотность галактик как минимум вдесятеро меньше, чем в среднем. Некоторым аналогом такой структуры может служить пена из мыльных пузырей.
Ближайшая к нам «стенка» проходит длинной дугой через южные созвездия Гидры – Центавра –Телескопа – Павлина – Индейца. Образующие ее галактики имеют лучевые скорости в несколько тысяч км/с, и большинство из них удалено от нас не менее чем на 20–30 млн. световых лет. К этой «стенке» принадлежит и скопление в Деве, и все Местное Сверхскопление, на периферии которого располагается Местная Группа галактик, включающая в себя нашу Галактику. Поскольку мы находимся вблизи края этой «стенки», составляющие ее галактики образуют на небе сравнительно узкую полосу, растянувшуюся более чем на 180 градусов, наподобие того как звезды Галактики концентрируются для нас в полосу Млечного Пути. Правда, отдельных звезд в галактиках во много раз больше, чем отдельных галактик в стенках ячеек.
К другой длинной «стенке», иногда называемой «Великая стена», которая протянулась полосой почти на пол-неба, принадлежит богатое хорошо изученное скопление в Волосах Вероники (Сoma), находящееся на расстоянии почти 300 миллионов световых лет от нас, в центре другой сверхгалактики.
Рис.29/5. Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники (Coma).
В 2003 на Англо-Австралийском телескопе (в Австралии) была завершена программа массового измерения лучевых скоростей внегалактических объектов, в том числе очень слабых и далеких. Анализ трехмерной картины распределения галактик, проведенный по этим измерениям в двух противоположных областях неба (вблизи Северного и Южного полюсов Галактики), показал, что описанная выше ячеистая структура прослеживается до расстояния более миллиарда световых лет в каждую сторону, и, по-видимому, продолжается еще дальше. Очевидно, такова структура всей нашей Вселенной.
Рис.29/6. Компьютерное моделирование ячеистой структуры Вселенной.
Важной особенностью, отличающей пары, кратные системы, группы, скопления галактик, с одной стороны, от элементов крупномасштабной ячеистой структуры – с другой, является то, что первые являются гравитационно связанными образованиями (гравитация сдерживает их от расширения и разрушения), а вторые – нет. Галактики в сверхскоплениях, в стенках ячеек продолжают удаляться друг от друга из-за космологического расширения Вселенной, для них также выполняется закон Хаббла. Масса всей совокупности звезд всех галактик в скоплении, как правило, оказывается недостаточной для того, чтобы удержать вместе быстро движущиеся галактики. Должна существовать еще масса, не излучающая света, гравитационное поле которой играет ключевую роль. Окончательный вывод о наличии невидимой массы в скоплениях был получен, когда обнаружилось, что гравитационные поля некоторых из них отклоняют проходящие сквозь скопления световые лучи, испущенные более далекими галактиками. При удачном расположении галактик за скоплением их световые лучи искривляются и сходятся на некотором расстоянии от скопления, словно они прошли сквозь стеклянную линзу не очень хорошего качества. Гравитационное поле скопления может «построить» изображения далеких галактик. Этот эффект хорошо изучен, он так и называется – «гравитационное линзирование».
Рис.29/7. Фотография, сделанная телескопом «Хаббл» с применением гравитационного линзирования.
Природа темной массы еще выясняется (рассматривается несколько возможных вариантов элементарных частиц, из которых она состоит), но уже сейчас очевидно, что эта невидимая среда должна играть большую роль и в формировании крупномасштабных структур Вселенной.