Илья Гулькаров | Число Галактик в Нашей Вселенной и их Эволюция

Слово галактика или Island of Stars означает гигантское скопление сотен миллиардов звёзд. Как известно, Галактика, в которой находится наша солнечная система, называется Мilky Way. Это была единственная галактика, известная астрономам около 100 лет назад. Знаменитый американский астрофизик Эдвин Хаббл в 1924 г. с помощью 2.5 метрового телескопа показал, что другая галактика, Andromeda Galaxy, находится вне нашей и является также как и наша гигантским скоплением звёзд. Сегодня мы знаем, что она находится на расстоянии 2.5 млн световых лет от нашей.

Вскоре Хабблом были обнаружены и другие галактики. В 1929 г. он заметил, что галактики движутся (удаляются) и пришёл к выводу, что наша Вселенная расширяется и что имеется взаимосвязь между расстоянием до галактики и её скоростью. Хаббл установил новый закон, носящий сегодня его имя. Согласно этому закону, имеется линейная связь между расстоянием до галактики и её скоростью: чем дальше находится галактика, тем больше её скорость, т.е. тем быстрее она от нас удаляется. На самом краю Вселенной галактики удаляются со скоростью близкой к скорости света. Эта взаимосвязь между расстоянием и скоростью позволила Хабблу определить постоянную носящую его имя. С помощью этой постоянной удалось вычислить возраст Вселенной. Возраст Вселенной оказался около 14 млрд лет.

За эти открытия Хабблу была присуждена Нобелевская премия и в его честь был назван самый крупный в то время телескоп в мире – Hubble Space Telescope. С помощью этого телескопа во Вселенной было обнаружено огромное количество новых галактик – спиральные, эллиптические и нерегулярной формы. Их массы могут сильно различаться (low and high mass galaxies). Как показали расчёты число галактик во Вселенной оказалось порядка 100–200 миллиардов. Астрономы понимали, что это число является нижней оценкой числа галактик.

Как же было определено это фантастическое число? С этой целью выбирается определённый участок неба размером в сотни тысяч и даже миллионы световых лет. Затем этот участок фотографируется с помощью телескопа. Для того чтобы увидеть весьма удалённые галактики время экспозиции должно быть большим – десятки дней (to take very deep exposures). Полученное изображение называется Hubble Deep Field. Зная всю поверхность Вселенной, учитывая её размер, можно сосчитать полное число таких участков. Сначала находится число галактик на одном участке. Это число, умноженное на полное число участков, даёт нам число галактик во Вселенной.

Видны различные галактики – большие и маленькие и они имеют разные цвета. В этом эксперименте на одном участке было выявлено около 3000 галактик. Однако этот метод даёт довольно грубую (нижнюю) оценку полного числа галактик.

В мае 2018 г. в американском журнале Discover была опубликована интересная статья “One–Trillion Galaxy Universe”, в которой обсуждается как нам следовало бы правильно определить полное число галактик во Вселенной, учитывая их эволюцию (galaxies evolution). При этом учитываются все виды излучения от галактик – инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое и тот факт, что галактики формируются во Вселенной не сразу и что их число зависит от времени прошедшего после Большого Взрыва (БВ), хотя масса Вселенной разумеется остаётся постоянной. На ранних этапах Вселенной образуются галактики со сравнительно небольшой массой, которые со временем, через миллиарды лет, формируют галактики с большей массой.

Каждая большая галактика, образовавшаяся в поздние периоды развития Вселенной, соответствует примерно 10 галактикам с малой массой, которые образовывались раньше (например, через один млрд лет после БВ). Поэтому, если учесть все галактики, которые образовались во Вселенной в различные периоды времени, то мы придём к цифре 2 триллиона, т.е. в 10 раз больше, чем мы думали раньше. Вселенная, которую мы видим сегодня, включает галактики с большой массой, которые образовались позже в результате слияния галактик с меньшей массой – напомню, что в те далёкие времена их было в 10 раз больше.

Очень скоро будет запущен новый телескоп the James Webb Space Telescope, который существенно улучшит возможности астрономов исследовать более удаленные и не очень яркие галактики. Число галактик возможно изменится. Как эти новые исследования помогут улучшить наши знания о Вселенной и, в частности, как она эволюцировала и стала такой, какой мы её знаем сегодня? В известном смысле, эти новые знания помогут нам понять историю нашей Вселенной, этапы её развития, эволюцию, а также предсказать её дальнейшую судьбу. Наша Вселенная настолько сложная, что иногда высказываются сомнения сумеем ли мы понять её когда-нибудь. Сегодня мы многого не знаем и имеется очень много вопросов, на которых нет ответа – фундаментальные законы и постояные, почему они оказались во Вселенной и почему они именно такие, а не другие, природа тёмной материи и тёмной энергии, почему вещество превалирет над антивеществом, какова судьба нашей Вселенной, имеются ли новые поколения кварков и лептонов, как возникла жизнь на Земле, существуют ли другие вселенные или параллельные миры(multiverses), возможна ли вселенная без возникновения в ней жизни, в чём наша миссия, почему она расширяется с ускорением и многое-многое другое.

Давайте зададим себе вопрос – возможно ли себе представить, что наша Вселенная окажется бесконечной, с бесконечным числом галактик и звёзд в ней. Ответ на этот вопрос связан с известным парадоксом Ольбера. Согласно этому парадоксу, если число звёзд было бы бесконечным, то они бы осветили все уголки нашей Вселенной и тогда везде было бы ярко не только днём, но и ночью. Наличие ночи, однако, говорит о том, что наша Вселенная на самом деле конечна.

Разумеется, когда-нибудь мы узнаем механизм образования нашей Вселенной и найдём ответы на многие вопросы. Именно в этом состоит смысл наших исследований, ибо, как говорил Эйнштейн, «я всё время хочу понять».