Гравитация и Вселенная
В ясную безлунную ночь невооруженным глазом можно увидеть над горизонтом около 3000 звезд. Еще столько же звезд такой же яркости будет под горизонтом. Все они (вместе с Солнцем) составляют небольшую часть гигантской звездной системы, называемой Галактикой.
В состав Галактики входит примерно 200 миллиардов звезд. Звезды Галактики образуют в пространстве фигуру, напоминающую плоский диск диаметром около 100 тыс. световых лет с шарообразным утолщением в центре. Гравитационное притяжение не позволяет этим звездам рассеяться по пространству. Под действием сил всемирного тяготения звезды Галактики движутся вокруг ее центра по круговым и эллиптическим орбитам. Скорость галактического вращения на различных расстояниях от центра разная. Для Солнца она составляет примерно 250 км/с.
За пределами нашей Галактики существует множество других галактик. Эти галактики, в свою очередь, объединены в различные скопления. Так, например, наша Галактика вместе с туманностью Андромеды и несколькими другими сравнительно небольшими галактиками образует так называемую Местную группу.
Расстояния между скоплениями галактик обычно выражают в мегапарсеках (Мпк). Расстояние в 1 Мпк столь велико, что даже свету требуется для его прохождения 3,26 млн лет. Между тем ближайшие к Местной группе скопления галактик располагаются в 2-5 Мпк от нее.
Очень большое скопление галактик находится в созвездии Девы, в 20 Мпк от нас. Диаметр этого скопления 5 Мпк, и оно включает в себя несколько сот гигантских звездных систем.
Самое далекое скопление галактик, до которого удалось измерить расстояние, находится в созвездии Волосы Вероники, в 5200 Мпк от нас. Увидеть его можно только в самый крупный телескоп.
Но и эти гигантские расстояния с течением времени увеличиваются. Впервые это было установлено в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом. Открытый им закон гласит:
Вселенная расширяется, причем скорость, с которой галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними.
Теперь этот закон называют законом Хаббла. Математически он записывается в виде следующей формулы:
v = HR, (48.1)
где v — скорость удаления галактик; R — расстояние между ними; H ≈ 65 км/(с·Мпк) — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. Физический смысл этой постоянной заключается в том, что она показывает, с какой скоростью удаляются друг от друга галактики, находящиеся на расстоянии 1 Мпк.
Из закона Хаббла следует, что, чем больше расстояние между галактиками (и их скоплениями), тем быстрее они удаляются друг от друга.
Как долго будет происходить расширение Вселенной? Будет ли оно происходить вечно, или через некоторое время оно прекратится и галактики начнут сближаться?
Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим простую аналогию. Что будет с телом, брошенным вертикально вверх? Притяжение к Земле будет замедлять движение тела, и его скорость с течением времени будет уменьшаться. Дальнейшая «судьба» тела будет зависеть от скорости, сообщенной ему в начальный момент времени.
1. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то на некотором удалении от Земли его скорость уменьшится до нуля, после чего оно начнет падать вниз, приближаясь к Земле.
2. Если начальная скорость тела превышает вторую космическую, то оно уже никогда не вернется назад.
Нечто аналогичное будет происходить и с удаляющимися друг от друга галактиками. Выделим во Вселенной достаточно большую сферическую область радиусом R и объемом V = (4/3)πR3, в которой умещается столько галактик, что вещество в ней можно считать практически однородным. Если средняя плотность Вселенной равна ρ, то масса выделенной части Вселенной будет равна M = ρV = (4/3)ρπR3, и, следовательно, вторая космическая скорость для нее будет определяться выражением
Скорость же расширения рассматриваемой области Вселенной определяется выражением (48.1). Найдем отношение этих скоростей:
Полученный результат позволяет сформулировать важный вывод: если средняя плотность Вселенной ρ > 10-26 кг/м3, то v < v2 и расширение Вселенной через некоторое время (примерно 50 млрд лет) сменится сжатием; если же ρ < 10-26 кг/м3, то v > v2 и Вселенная будет расширяться вечно.
К сожалению, точное значение средней плотности Вселенной в настоящее время неизвестно. Поэтому вопрос о будущем нашего мира пока остается открытым.
??? 1. Сколько звезд в нашей Галактике? 2. С какой скоростью Солнце движется вокруг центра Галактики? 3. За какое время свет проходит расстояние, равное 1 Мпк? 4. Сформулируйте закон Хаббла. 5. Чему равна постоянная Хаббла? В чем заключается ее физический смысл? 6. От чего зависит будущее Вселенной? Будет ли она расширяться вечно?