Рис. 22.3. Телескопы системы Шмидта («камеры Шмидта») сыграли важную роль на раннем этапе исследования распределения галактик на небе, (а) Этот телескоп назван в честь эстонского изобретателя Бернхарда Шмидта (1879–1935), разработавшего его в 1931 году. С любезного разрешения Гамбургской обсерватории, (б) Гораздо раньше в Финляндии Юрьё Вяйсяля (1891–1971) предложил такую же конструкцию телескопа, но не опубликовал свои результаты, и Шмидт не знал о них. (в) 70-см телескоп системы Шмидта в финской обсерватории Туорла. Фото: Рами Рекола.
Не все сразу поверили в реальность столь неожиданных структур. Возможно, что данные о красном смещении, собранные разными наблюдателями для различных целей, не дают нормального представления о распределении галактик. Чтобы подтвердить открытие эстонских астрономов, требовалось провести хорошо организованный однородный обзор красных смещений, перекрывающий большие области неба. Первый такой проект был предпринят в Гарвард-Смитсонианском астрофизическом центре (СfА) в США. Для этой программы потребовалось измерить красное смещение у 1900 новых галактик. В 1986 году в статье под названием «Ломоть Вселенной» (A Slice of the Universe) астрономы В. Лаппарант, М. Геллер и Дж. Хакра подтвердили существование оболочкообразных скоплений галактик, а также нашли и другие сложные структуры в мире галактик. Их карта (представленная как часть рис. 22.4) стала символом сложности распределения галактик в пространстве.
Рис. 22.4. Используя красное смещение как меру расстояния, можно изобразить распределение галактик в пространстве. Меньшая карта основана на данных CfA, опубликованных в 1986 году (см. текст). Были измерены красные смещения многих галактик в узкой полосе неба, и их положение было изображено на рисунке в шкале скоростей (расстояний). Большая карта, основанная на данных SDSS, проникает глубже в пространство. На ней тоже заметны характерные структуры, но большего размера. Великая Стена CfA и Великая Стена Слоана протянулись поперек этих карт. Обратите внимание на крупные пустоты. С любезного разрешения Ричарда Готта III и Марио Джюрик.
Эти результаты воодушевили на проведение нескольких больших обзоров красных смещений для построения трехмерной карты Вселенной. Чтобы одновременно измерять красное смещение многих галактик, были использованы особые мультиобъектные спектрографы. В крупнейшей из этих программ — Слоановском цифровом обзоре неба (Sloan Digital Sky Survey, SDSS) были измерены красные смещения 1 млн галактик на четверти небесной сферы на глубину около полутора миллионов световых лет. Для этого использовался специальный телескоп в обсерватории Апачи-Пойнт (шт. Нью-Мексико). Сам телескоп небольшой, диаметр зеркала 2,5 м, но его продвинутый спектрограф может за одну экспозицию измерить красные смещения 640 галактик.
Новый мир крупномасштабных структур.
Новые трехмерные карты расширили наше представление о Вселенной — от Местного сверхскопления до расстояний в десятки раз больших. Обстановка за пределами нашей Галактики оказалась неожиданно сложной. Можно ли сравнить эту структуру с чем-то знакомым? Быть может, это просто случайные флуктуации? Как известно, при случайном распределении точек их плотность в среднем постоянна с небольшими вариациями от места к месту. Величина этих вариаций должна следовать закону, открытому профессором физики Парижского университета Симеоном Дени Пуассоном (1781–1840). «Распределение Пуассона» получится, например, если с закрытыми глазами разбросать крупу по клетчатой бумаге и подсчитать, сколько крупинок попало в каждый квадратик. В большинстве квадратов число крупинок окажется близким к ожидаемому среднему (полное число крупинок, деленное на число квадратов). В некоторых будет чуть больше или чуть меньше. И лишь в очень малой доле квадратов число крупинок будет сильно отличаться от среднего.
Распределение галактик действительно получается таким, если в качестве «клеток» брать очень большие объемы пространства. Однако в масштабе десятков и даже сотен миллионов световых лет галактики не «разбросаны» в пространстве случайно — пустоты, сверхскопления и гигантские стены четко свидетельствуют об этом (рис. 22.5).
Возможно, на Земле вообще нет ничего аналогичного галактическим структурам Вселенной, образовавшимся под действием гравитации, в необычных космических условиях, на огромных пространственных расстояниях, в течение очень долгого времени. Вначале эстонцы говорили о «ячеистой структуре», тогда как американская команда сравнивала полученную картину с «мыльной пеной», в которой пузыри разделены плоскими поверхностями. Но можно предложить и другую модель из той же области быта: мир галактик можно сравнить с губкой. Ее пустые места соединяются между собой, так что из нее можно выжать воду и воздух. Если положить рядом несколько губок, то видно, что внутри них очень сложная структура, но количество вещества в каждой из них примерно одно и то же. Это помогает нам представить переход от неоднородного распределения вещества к однородному.
Рис. 22.5. Схематическая карта наших окрестностей галактической Вселенной в пределах примерно 250 млн световых лет. С разрешения Энтони Фэйралла и издательства Praxis РиЫ. Ltd, Chichester, UK.
Иерархия и фракталы.
Тенденция наблюдаемых структур — как сверхскоплений, так и пустот, — к росту их размера при составлении все более глубоких карт напоминает свойства систем с иерархической структурой. Кроме того, объединение галактик в пары, группы, скопления и сверхскопления тоже сродни иерархии. Все это уже обдумывали мыслители XVIII века, например Райт, Кант, Ламберт. Они еще не знали про галактики, но обращение спутников вокруг планет, а самих планет — вокруг Солнца помогало им представить системы большего размера. Даже сейчас мы можем описать наше положение относительно разных уровней космической иерархии: мы живем в Солнечной системе, которая находится в Местном спиральном рукаве, принадлежащем Галактике, которая является членом Местной группы, которая, в свою очередь, является частью Местного сверхскопления, которое входит в гиперскопление Рыбы-Кит, которое… Тут мы дошли до расстояний в сотни миллионов световых лет, а что происходит на больших масштабах, пока представляем весьма туманно.
Прежние космические иерархии, о которых размышляли еще до того, как стало известно о галактиках, кажутся слишком простыми и неуклюжими для описания всей сложности Вселенной галактик. Но у них есть современные потомки, которые могут представить более реалистичную картину. Это фракталы — математические объекты, которые в 1970-х годах ввел Бенуа Мандельброт и которые сейчас широко применяются в естественных и гуманитарных науках. Само слово «фрактал» Мандельброт вывел от латинского frractus — ломать, дробить на фрагменты. Фракталы — это системы, части которых похожи на целое. Увеличительное стекло выявляет в этих самоподобных системах новую структуру, которая похожа на ту, что видит невооруженный глаз. Иными словами, по изображению части фрактальной структуры невозможно судить о ее реальном размере! Это похоже на то, что мы видим на рис. 22.4, поэтому фрактальный анализ сейчас часто применяется для исследования крупномасштабной структуры Вселенной. Очень подробно фрактальные характеристики пространственного распределения галактик исследовали итальянец Лучиано Пиетронеро и его команда из Римского университета.
