Наше место во Вселенной: что таит в себе космос и где именно находится Земля

С появлением телескопов выяснилось, что мир намного шире и разнообразнее, чем может показаться человеку, который никогда не покидал родной деревни. В пределах Андромеды и других близких галактик удалось различить такие же звезды, как у нас, а дальше найти сотни миллионов иных галактик. На общем фоне Млечный Путь оказался довольно зауряден. Есть во Вселенной галактики и в десятки раз крупнее, и совсем крошечные, на несколько тысяч звезд (против 200–400 млрд, как у нас), – что-то вроде «космических хуторов».

Постепенно астрономы стали наносить их на карту, заметив, что галактики расположены совсем не случайным образом. Здесь, на Земле, поселения и города концентрируются вдоль рек и побережий, на перекрестках торговых путей, а широкие бесплодные равнины остаются пустынными. Так же выглядит и крупномасштабная структура Вселенной. Отдельные галактики, направляемые гравитационными силами, образуют группы. Группы складываются в скопления и сверхскопления, разделенные огромными пустотами – войдами, практически лишенными вещества.

Ближайшие окрестности нашей «деревни» так и называются – Местная группа. В масштабах Вселенной она охватывает совсем небольшое пространство, всего около 10 млн световых лет, и включает три крупные галактики (Млечный Путь, Андромеду и Треугольник) плюс несколько десятков их мелких спутников и других карликовых галактик. По некоторым данным, их чуть более 80.

При этом массивные галактики намного более развиты, чем крошечные соседи. Они обладают четко выраженной структурой и содержат больше «металлов» – элементов тяжелее водорода и гелия. Такие элементы образуются в недрах звезд и при взрывах сверхновых, и, чтобы галактика насытилась ими, в ней должны смениться поколения светил.

У карликов для этого слишком мало вещества, и звездообразование там идет довольно медленно. Например, Segue 2, крошечная спутница Млечного Пути, способна сформировать звезду примерно раз в 10 тыс. лет, тогда как в Млечном Пути их появляется шесть-семь штук ежегодно. В результате такие галактики сохранили состав, характерный для очень ранней Вселенной, которая была наполнена лишь легчайшими ядрами, появившимися вскоре после Большого взрыва.

Большие, но далекие галактики видны как квазары – компактные, но очень яркие источники радиоизлучения. Считается, что так проявляют себя сверхмассивные черные дыры в галактических центрах. Они активно поглощают вещество, окружая себя раскаленным излучающим диском. В отличие от звезд это не точечные источники, но, как и по свету звезд, по красному смещению квазара можно определить расстояние до его галактики. Например, квазар Тикап находится в 39 тыс. световых лет от Земли. На изображении показаны скорости движения вещества вокруг центральной области Тикапа, где находится черная дыра.

Самые заметные из карликовых галактик – Большое и Малое Магеллановы Облака, которые из южного полушария Земли можно увидеть невооруженным глазом. Они в тысячи раз меньше нашей и находятся так близко, что гравитация Млечного Пути постепенно разрушает оба соседних облака. Млечный Путь перетягивает их вещество, оно выливается узким Магеллановым потоком, лишая маленьких соседей материи, необходимой для образования новых звезд.

Но это будет лишь эхом куда более грандиозной встречи. Главная соседка Млечного Пути – туманность Андромеды. Эти две галактики, крупнейшие в округе, во многом определяют эволюцию всей Местной группы. Прежде они не раз поглощали своих мелких соседей, звездные популяции которых до сих пор можно различить внутри. Сегодня галактики сближаются со скоростью более 100 км/с, и через несколько миллиардов лет плоскость Андромеды начнет входить в Млечный Путь под углом около 80°. Судьба нашего звездного дома после их слияния неясна. По некоторым расчетам, с вероятностью 50% Солнечная система будет отброшена еще дальше к периферии вновь образовавшейся галактики, а с вероятностью 12% и вовсе вылетит за ее пределы.

В отличие от земных городов и деревень, в космосе ничто не остается на месте. Звезды, галактики и скопления постоянно перемещаются, направляемые силой гравитации. Такое движение, не включающее расширение самой Вселенной, называют пекулярным. По космическим меркам, оно не слишком велико – порядка сотен километров в секунду, намного меньше скорости расширения. Но чтобы оценить пекулярное движение точнее, требуется точка отсчета, хотя бы условно неподвижная. Обычно в этой роли выступает реликтовое излучение – невидимый фон, на котором разворачиваются все события. Это первый свет, который появился примерно 380 тыс. лет спустя после Большого взрыва.

К тому времени Вселенная увеличилась и остыла настолько, что все излученные фотоны перестали тут же поглощаться, а успевали преодолеть хоть какое-то расстояние. Их температура тогда была огромной, но за миллиарды лет волны сильно растянулись и сегодня превратились в слабые микроволновые колебания с температурой около 2,7° выше абсолютного нуля. Не считая мелких отклонений, у реликтового фона можно заметить глобальную неоднородность, дипольную анизотропию. В одном направлении он чуть горячее, а в противоположном – холоднее. Вероятно, это связано с эффектом Доплера, изменением частоты излучения из-за нашего движения относительно микроволнового фона.

Получается, что вся наша Местная группа летит на скорости около 600 км/с к области, лежащей за светящейся плоскостью Млечного Пути. Туда же направляются еще около тысячи галактик, объединенных в Местное сверхскопление, которое иногда – в честь крупнейшего участника этой команды – называют сверхскоплением Девы. Отдельные части в структуре подобного масштаба (более 100 млн световых лет) уже не связаны гравитацией друг друга. Их объединяет нечто более грандиозное – точка, куда устремлено их движение.

Центр этого Великого аттрактора локализован в созвездии Наугольника на расстоянии 220 млн световых лет. Его масса в 100 тыс. раз больше, чем у Млечного Пути, – это 5х1016 солнц. Природа Великого аттрактора в точности неизвестна. Возможно, он представляет собой особенно крупное сверхскопление галактик или огромный сгусток темной материи. Но скорее всего, это своего рода «центр тяжести» всей обширной области Вселенной, куда устремляются сверхскопление Девы и все, что находится здесь.

Отследить движения тысяч звезд и галактик – занятие сложное и кропотливое. В отличие от наблюдений индивидуальных объектов, будь то звезды или астероиды, такие исследования называются астрономическими обзорами. Например, Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS) велся два десятилетия, участок за участком. Получив предварительное изображение, ученые выделяли на нем объекты (звезды, квазары, галактики) и точно переносили их на 80-сантиметровые алюминиевые пластины, высверливая отверстия в соответствующих местах. К каждому отверстию подводили кабели отдельного датчика и повторяли съемку, теперь получая уже индивидуальные спектры. Наконец, после обработки всей информации определяли пекулярные скорости, составив лучшую на сегодняшний день трехмерную карту Вселенной.

Эти данные использовала команда знаменитого астрофизика из Гавайского университета Брента Талли. К 2014 году ученые свели воедино движения более чем 8000 галактик в нашей области Вселенной и обнаружили, что сверхскопление Девы всего лишь малая часть, несколько нитей куда более грандиозной разветвленной структуры, устремленной к Великому аттрактору. Эта область получила название Ланиакея, что в переводе с гавайского означает «неизмеримые небеса». Впрочем, примерные размеры Ланиакеи определить все-таки удалось: она занимает пространство более чем в полмиллиарда световых лет в поперечнике и включает 100–150 тыс. галактик, сотни скоплений и сверхскоплений.

Где-то дальше, за аттрактором, находится аналогичная область притяжения другой колоссальной структуры, сверхскопления Шепли. А ближайшее к нам сверхскопление Персея – Рыб устремляется в противоположную сторону, направляемое собственным гравитационным центром. Тесно гранича с Ланиакеей, оно образует с ней грандиозный тандем, гиперскопление Рыб – Кита, протянувшуюся на миллиард световых лет часть галактической нити.

От этой череды вложенных друг в друга структур может закружиться голова, но, к счастью, здесь «матрешка» заканчивается. Насколько известно, такие нити – самые крупные элементы Вселенной. На самых больших масштабах космос оказывается густой паутиной филаментов и листов (стен) из галактик, разделенных обширными пустотами-войдами. Впрочем, такие структуры уже не слишком выделяются из фона. Средняя плотность галактики заметно выше межгалактического пространства, но, если провести такие расчеты для скопления, разница окажется меньше, а для сверхскопления будет почти незначительной. С увеличением масштаба Вселенная становится все более однородной, и в ней уже не различить ни «дома», ни «деревни», ни адреса.