В ХХ в. в астрономии произошли поистине радикальные изменения. Прежде всего, значительно расширился и обогатился теоретический фундамент астрономических наук. Начиная с 20-30-х годов, в качестве теоретической основы астрономического познания стали выступать (наряду с классической механикой) релятивистская и квантовая механика, что существенно раздвинуло "теоретический горизонт" астрономических исследований. Общая теория относительности создала возможность модельного теоретического описания явлений космологического масштаба и по сути впервые поставила космологию - эту чрезвычайно важную отрасль астрономии - на твердую теоретическую почву. А создание квантовой механики послужило чрезвычайно мощным импульсом развития как астрофизики, так и космогонического аспекта астрономии (в частности, выяснения источников энергии и механизмов эволюции звезд, звездных систем и др.); обеспечило переориентацию задач астрономии с изучения в основном механических движений космических тел (под влиянием гравитационного поля) на изучение их физических и химических характеристик. Выдвижение на первый план астрофизических проблем сопровождалось также интенсивным развитием таких отраслей астрономической науки, как звездная и внегалактическая астрономия.

Среди этих открытий особенное значение имеют нестационарные процессы во Вселенной:

• обнаружение в конце 40-х годов существования "звездных ассоциаций", представляющих собой группы распадающихся после своего рождения звезд;
• обнаружение в 50-х годах явлений распада скоплений и групп галактик;
• открытие в 60-е годы квазаров (Квазары - самые мощные из известных сейчас источников энергии. При сравнительно небольших размерах (не более 1 светового месяца) средний квазар излучает вдвое больше энергии, чем вся наша Галактика, имеющая в поперечнике размер в 100 тысяч световых лет и состоящая из 200 млрд. звезд (!). Для квазаров характерны и признаки явной нестабильности: переменность блеска и выбросы вещества с огромными скоростями)., радиогалактик, взрывной активности ядер галактик с колоссальным энерговыделением (~ 1 0 n эрг, где n = 6 0);
• нестационарных явлений в недрах звезд;
• нестационарных явлений в Солнечной системе (быстрый распад короткопериодических комет, планетарная эруптивная деятельность и др.).

Кроме того, к выдающимся астрономическим открытиям следует отнести обнаружение:

• "реликтового" излучения, которое является важнейшим аргументом в пользу теории "горячей" Вселенной;
• "рентгеновских звезд";
• пульсаров;
• космических мазеров на линиях некоторых молекул (воды, ОН и др.);
• вероятное открытие "черных дыр"; и др.

Попытки объяснить эти и другие новейшие открытия столкнулись с рядом принципиальных трудностей, преодоление которых связано с необходимостью совершенствования теоретико-методологического инструментария современной астрономии. Все это привело к значительному возрастанию количества разрабатываемых астрофизических и космологических моделей, концепций, опирающихся на разные принципы и не связанных пока единой фундаментальной теорией.

По сути, астрономия во второй половине ХХ века астрономия вступила в период научной революции, которая изменила способ астрономического познания - на смену классическому способу познания пришел "неклассический" способ астрономического познания. Свидетельством этого является радикальная смена методологических установок астрономического познания и астрономической картины мира.

Рассмотрим сначала основные элементы современной астрономической картины мира, а затем и методологические установки неклассической астрономии.

Земля - спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся около этого источника тепла и света, делающего возможным жизнь на Земле. Кроме Солнца и Луны самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая и Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус - 700 тыс. км., т. е. в 100 раз превышает радиус Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Вся группа планет вместе с Солнцем называется Солнечной системой. Планеты, хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Планеты видны только потому, что они отражают солнечный свет, и, поскольку они гораздо ближе к Земле, этот свет кажется очень ярким. Но если бы мы перенесли к ближайшей из звезд наши самые мощные телескопы, то не смогли бы с их помощью даже различить эти ничтожные спутники Солнца.

Планеты должны быть и около многих других звезд, однако прямые наблюдательные данные о них отсутствуют, и есть только некоторые косвенные указания. Другими словами, современная астрономия исходит из идеи множественности планетных систем во Вселенной. Хотя это - гипотетическое предположение и строгих его доказательств пока не существует.

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхности Меркурия, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены).

По физическим характеристикам планеты делятся на 2 группы:

О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и др. характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Три из них (Венера, Земля и Марс) обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Только Земля имеет жидкую оболочку из воды - гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера - лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы - дефицит воды на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь у Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы стоятся главным образом на основании данных о свойствах веществе земных недр. Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют:

У Земли ядро, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000-5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры, у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространенные элементы в твердом "теле" Земли -

Fe ( 3 4 ,6 %), О (2 9 , 5 %) , Si ( 1 5 , 2 %) и Mg ( 1 2 , 7 %) .

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов - очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна тяжелых элементов, по-видимому, больше.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключение небольшого каменного ядра. Температура в центре Юпитера ~ 30 000 K . Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-видимому, состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд. лет тому назад. Вместе с тем, Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Поверхность планет и их спутников формируют кроме эндогенных (тектонических, вулканических) процессов и экзогенные - изменение поверхности в результате падения метеорных тел (кратеры), эрозия под действием ветра, осадков, воды, ледников, химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы определяют формы рельефа поверхности планет.

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого формировалось (или, возможно, уже было расположено) молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем - это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости. Таким образом, протопланетная туманность образовалась, по-видимому, вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным ( присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов.

Допланетное облако должно было быть маломассивным. Если бы оно было > 0,15 массы Солнца оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки - протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших и больших размеров, и в относительно короткий срок (1 0 n лет, где по разным оценкам n = 5 ч 8) сформировались 9 больших планет. Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты.

Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно присоединились к этим планетам либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны благодаря гравитационному воздействию планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одной тело Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя в литературе продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

Очень важным для понимания структуры и эволюции Вселенной является вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.

Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов было получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Всякое вещество во всех его формах - от самого твердого (алмаза) до любого газа (воздуха, например), от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик и звезд - представляет собой различные комбинации все тех же основных элементов.

Простейший элемент - водород. Его атом состоит всего из двух частиц - электрона и протона. Следующий простейший элемент - гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов, но если одни из них, например железо, широко распространены на Земле, то другие, например технеций, встречаются крайне редко. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.

Звезды - далекие солнца. Звезды - это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым.

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.

Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем доходит до нас за сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины a Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от нас на расстоянии 4 световых лет. (Световой год равен 9, 46 · 1 0 n км, где n = 12, или около 10.000 млрд. км. Парсек (пк) - единица для выражения межзвездных расстояний равная пути, который бы прошел свет (с=300 000 км/ сек) за 3, 26 года. 1 парсек = 3,083 · 1 0 n км, где n = 1 3 . Во внегалактической астрономии употребляются еще такие единицы как килопарсек (Кпк) (равный 1000 пк) и мегапарсек (Мпк) (равный 1 000 000 пк)).. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ час, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!

В звездах сосредоточена основная масса (98-99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды - мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Вещество звезд представляет собой плазму. И потому, строго говоря, звезда - это не просто газовый шар, а плазменный шар. Плазма - это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах - давлении, теплоемкости и р.), а иногда и нейтронного вещества (нейтронные звезды - пульсары, барстеры - источники рентгеновского излучения и др.; вещество в них состоит в основном из нейтронов)

Звезды в космическом пространстве не распределены равномерно. Они образуют звездные системы:

• кратные звезды (двойные, тройные и т.д.);
• звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов);
• галактики - грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150-200 млрд. звезд).

В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.

Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т.е. изменений их физических характеристик не наблюдается. Это отвечает состоянию равновесия. Однако наблюдения показывают, что существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. С теоретической точки зрения переменность и нестационарность - проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и такой вид звезд, в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки, в частности новые звезды. При вспышках (взрывах) т.н. сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии - гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Энергии гравитационного сжатия, как показывают расчеты, было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет, в то время как из геологических и др. данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд (типа t Тельца). С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет по различным расчетам от 12 до 15 млн. К. Таким образом, наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Предполагается, что у многих (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.

Эволюция звезд - это изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд со временем. Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд и находится в удовлетворительном согласии с данными наблюдений.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и от исходного химического состава. Химический состав звезды зависит от времени, когда она образовалась и от ее положения в Галактике в момент образования. Звезды первого поколения сформировались из вещества, состав которого определялся космологическими условиями (почти 70% водорода, 30% гелия и ничтожная примесь дейтерия и лития). В ходе эволюции звезд первого поколения образовались тяжелые элементы (следующие за гелием в таблице Менделеева), которые были выброшены в межзвездное пространство в результате истечение вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды последующих поколений сформировались уже из вещества, содержавшего 3-4% тяжелых элементов.

"Рождение" звезды - это образование гидростатически равновесного объекта, излучение которого поддерживается за счет собственных источников энергии. А "смерть" звезды - это необратимое нарушение равновесия, ведущее к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию.

Он приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры "включения" термоядерной реакции ( ~ 1 0 - 1 5 млн. К) превращения водорода в гелий ( ядра водорода, т.е. протоны, образуют ядра гелия: каждые четыре протона, объединяясь, образуют атом гелия). Такое превращение сопровождается большим выделением энергии.

У большинства звезд источниками энергии являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне. Водород - главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах очень велики, так что в звездах ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. При этом, пока в центральной зоне весь водород не выгорел, свойства звезды изменяются мало.

После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое близ поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка - расширяться. Звезда принимает гетерогенную структуру. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Полагают, что звезда типа нашего Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Правда, наше Солнце станет красным гигантом примерно через 8 млрд. лет. Так что особых оснований для беспокойства у жителей Земли нет. Ведь сама Земля образовалась всего лишь 5 млрд. лет назад.

Для красного гиганта характерна низкая внешняя, но очень высокая внутренняя температура. С повышение внутренней температуры в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. На этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций осуществляется синтез химических элементов. В результате роста давления, пульсаций и др. процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, выбрасываемое в межзвездное пространство. Когда полностью истощаются внутренние термоядерные источники энергии, дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.

Когда же энергия звезды иссякнет, звезда начинает изменять свой цвет от белого к желтому, затем к красному: наконец, она перестанет излучать и начнет непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького темного безжизненного объекта. Так белый карлик медленно превращается в "черный карлик" - мертвую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды - в миллиарды раз выше плотности воды. Так заканчивают свое существование большинство звезд.

Систематические исследования позволили уже к 1980 г. открыть свыше 500 вспышек сверхновых! Со времени изобретения телескопа ни одна вспышка сверхновой звезды не наблюдалась в нашей звездной системе - Галактике. Астрономы наблюдают пока их только в других неимоверно далеких звездных системах, столь далеких, что даже в мощнейший телескоп звезду, подобную нашему Солнцу, в них нельзя было бы увидеть.

Взрыв сверхновой - гигантский по силе взрыв старой звезды, вызванный внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом пространстве и образовали клочья облаков расширяющегося газа. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия( порядка 1 0 n эрг, где n = 5 0 ч 5 2 ) .Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение для обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для образования химических элементов (под воздействием мощных потоков нейтронов), а также для рождения первичных космических лучей.

Астрофизики подсчитали, что с периодом в 10 млн. лет сверхновые звезды вспыхивают в нашей Галактике, в непосредственной близости от Солнца. Дозы космического излучения при этом могут превышать нормальные для Земли в 7 тысяч раз! Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на нашей планете. Так объясняют, в частности, внезапную гибель динозавров.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела - нейтронной звезды или черной дыры.

Открытые в 1967 г. новые объекты - пульсары отождествляются с теоретически предсказанными нейтронными звездами. Плотность нейтронной звезды очень высока, выше плотности атомных ядер - 1 0 n г/ куб. см, где n = 1 5. Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, радиоизлучение фиксируется в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами. В настоящее время открыты сотни нейтронных звезд. Экстремальные физические условия в нейтронных звездах делают их уникальными естественными лабораториями, представляющими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.

Но если конечная масса белого карлика превышает 2-3 массы Солнца, то гравитационный коллапс непосредственно ведет к образованию черной дыры.

В черной дыре пространство и время взаимосвязаны необычным образом. Для наблюдателя внутри черной дыры направление возрастания времени является направлением уменьшения радиуса. Оказавшись внутри черной дыры наблюдатель не имеет больше сил вернуться обратно к поверхности, так же как он не может повернуть назад стрелки часов, отсчитывающих время его жизни. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Причина здесь простая: ничто не может остановить ход времени.

Итак, черна дыра так сильно искривляет пространство, что она как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной. Возникает вопрос, куда она может исчезнуть? Математический анализ показывает, что имеется разные решения. Но особенно интересно одной из них. В соответствии с ним, черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыры для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной и даже проникновения в другую вселенную.

Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, так и названные туманностями, видимые неизменно в одних и тех же местах в разных созвездиях. С помощью сильных телескопов Вильям Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого века у некоторых из них была обнаружена спиральная форма. Но что представляют собой эти туманности - долго оставалось загадкой. И только в 20-е годы ХХ века с помощью крупнейших в той время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что туманности - это не облака пыли, святящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы, в которых звезд несравненно больше, чем в близких к нам шаровых скоплениях. Таким образом, галактики - это гигантские звездные системы (до ~ 1 0 n , где n = 1 3 , звезд). Такого же порядка (n = 13) являются и массы галактик по отношению к массе Солнца.

Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль. Галактику Андромеды, большую по размерам и находящуюся достаточно близко к нам (всего в 1,5 млн. световых лет), в состоянии даже увидеть человек с хорошим зрением: это размытое пятно в созвездии Андромеды. В современные телескопы удается отыскать сотни миллионов других галактик. Строение их весьма различно, но одна форма наиболее характерна и примечательна - уплощенный диск с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава (нечто вроде огненного колеса, используемого в фейерверках). Галактика Андромеды, как и наша собственная, принадлежит к спиральному типу галактик. Солнечная система расположена в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии примерно двух третей ее радиуса от центра.

Следует всегда помнить, что, наблюдая Вселенную, мы видим галактики не такими, какие они есть теперь, а такими, какими они были в далеком прошлом. Ведь свет от них приходит к нам через пространство в миллионы и миллионы километров, на преодоление которого он затрачивает миллионы лет. Свет от ближайшей к нам галактики Андромеды достигает нас через 1,5 млн. лет. В большие телескопы можно наблюдать еще намного более далекие галактики, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад! В настоящее время наблюдается 1 0 n (где n = 1 4) галактик. А расстояния до самых дальних из них - свыше 10 млрд. световых лет.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них, велико и количество галактик, которые наблюдаются астрономами. Так, самой большой 6-метровый телескоп позволяет сфотографировать миллиарды галактик (!). В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях 1500 Мпк, находится сейчас несколько миллиардов галактик. Таким образом, наблюдаемая нами область Вселенной - это прежде всего мир галактик.

Одна из центральных проблем внегалактической астрономии - это определение расстояний до галактик и размеров самих галактик. До ближайших галактик, которые можно разрешить на звезды, расстояния определяются по их светимости.

Средние расстояния между галактиками в группах и скопления (несколько сотен кпк) примерно в 10-20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Расстояния между скоплениями галактик составляют десятки Мпк (мегапарсек). Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звезды во внутригалактическом пространстве (расстояния между звездами в среднем в 20 млн. раз больше их диаметра).

Наиболее исследована Местная группа галактик, в которой самыми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды. Вокруг них, в свою очередь, располагаются еще целые семейства галактик. Так, в семейство нашей Галактики входят 14 карликовых эллиптических галактики, несколько внегалактических шаровых скоплений и ряд т.н. неправильных галактик, среди которых крупнейшие - Магеллановы Облака (Большое и Малое).Недавно открыта новая галактика, кторая находится от нас на расстоянии всего 55 тыс. световых лет. Ее назвали Сникерс (усмешка, ухмылка). Несколько меньшее семейство у туманности Андромеды (одна спиральная, две эллиптические и несколько карликовых).

Чрезвычайно многообразны и формы галактик. Типология форм галактик была разработана еще Э. Хабблом. В основном она сохранилась и до настоящего времени, хотя, конечно, за прошедшие десятилетия были обнаружены и новые типы галактик. Он выделял три основных типа галактик:

Форма и структура галактик связаны с их основными физическими характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разнообразным.

В центрах галактики обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10% всей ее массы). Здесь происходят выбросы большого количества вещества, что и приводит к интенсивному движению туч водорода от центра галактики. В отдельных галактиках ядро может представлять собой черную дыру (или белую) дыру.

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны. Однако в космологических масштабах они ничтожно малы. Галактики разбросаны по Вселенной более или менее беспорядочно, если не считать того, что они обычно собраны в небольшие группы. Подобные группы галактик - "атомы" космологии. Космология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках - хотя они могут быть очень важными,- редко становятся существенными для космологии.

Звездный состав Галактики очень разнообразный. Звезды отличаются друг от друга физическими, химическими характеристиками, характером орбит, возрастом и др. Есть старые звезды, молодые (около 100 тыс. лет), а есть и звезды, рождающиеся в настоящее время. Подавляющее большинство звезд имеет "средний" возраст в несколько миллиардов лет. К ним относится и наше Солнце - рядовая звезда нашей Галактики, которое расположено ближе к ее краю, примерно в 25 000 световых лет от ядра Галактики.

Особый интерес для астрономов представляет ядро Галактики. В ядре Галактики нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей. Нет там и пыли, но есть в нем нейтральный водород, который по не вполне ясной причине растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью 50 км/ сек. Основное излучение ядра создается оранжевыми звездами-гигантами (но не сверхгигантами). Ядро Галактики должно было бы казаться очень ярким, если бы его не затмевало поглощение света в массах космической пыли. Но пыль меньше поглощает инфракрасные лучи и совсем почти не поглощает радиоволны. В центре ядра находится небольшое сгущение звезд с малым, но чрезвычайно компактным и сильным радиоисточником (Стрелец А). Было высказано предположение, что он является черной дырой (с массой примерно в миллион солнечных масс).

Хотя в мощные телескопы нам удается увидеть только галактики, в темных пространствах, разделяющих их, несомненно присутствует вещество. Вопрос в том, сколько его и в каком состоянии оно находится. Кроме вещества Вселенная насыщена излучениями и быстрыми частицами различных типов. Сюда входят электромагнитное и гравитационное излучения, потоки нейтрино и космические лучи (состоящие из множества разнообразных субатомных частиц).

Межзвездное пространство заполнено газом и пылью. Основной компонент межзвездного газа - водород. На втором месте - гелий. Значительно меньше в ней углерода, азота, кислорода и других химических элементов. Тяжелые элементы попадают в Космос как остатки взрывов сверхновых звезд. Таким образом, межзвездная среда - это вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри галактик.

Межзвездная среда тесно связана со звездами. Из межзвездного газа образуются звезды, которые на поздних стадиях эволюции вновь отдают часть своего вещества межзвездной среде. Обмениваясь со звездами веществом, межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд тяжелыми элементами. Звезды поставляют в межзвездную среду электромагнитное излучение и космические лучи.

Примерно 85% всех тяжелых элементов возникло на заре образования нашей Галактики, т.е. примерно 9-10 млрд. лет тому назад. В это время происходит интенсивный процесс звездообразования. Много возникало и сверхновых звезд. Однако 11-13% тяжелых элементов имеют возраст 5 млрд. лет.

В межзвездной среде астрофизики наблюдают и различные органические соединения: углеводород, спирты, альдегид, эфиры, аминокислоты и другие соединения, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода, а самые тяжелые имеют массу до 123 единиц масс водорода. В настоящее время в межзвездной среде открыто 35 органических молекул. Встречаются чаще всего они в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества.

Органические молекулы из межзвездной среды могли способствовать возникновению простейших форм жизни на Земле.

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактик - ее постоянное расширение, "разлет" скоплений Галактик. Об этом свойстве Метагалактик свидетельствует "красное смещение" в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое, независимое от направления, внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре ~ 3 K).

Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: то, что в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаком смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, находившееся в постоянном расширении.

Важным свойством Метагалактики является закономерность распределения в ней вещества. Материя в масштабах Метагалактики распределена равномерно. (Основная масса вещества сосредоточена в звездах.). В современном состоянии Метагалактика - однородна и изотропна. Это значит, что свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики (однородность) и по всем направлениям (изотропия). Была ли она такой в прошлом - маловероятно. В самом начале расширения Метагалактики анизотропия и неоднородность материи и пространства вполне могли существовать. Поиски следов анизотропии и неоднородности прошлых состояний Метагалактики - одна из важнейших проблем современной внегалактической астрономии.

Только в ХIХ в. и особенно в ХХ веке, когда был достигнут существенный прогресс в понимании природы и эволюции Вселенной как целого ситуация изменилась кардинально. Проблемы космологии современной наукой решаются с помощью исключительно научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура Вселенной и как она сформировалась.

Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предположения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, она исходит из предположения, что глобальное движение космоса подчиняется тем же самым законам, которые управляют поведением его отдельных составных частей.

Первую релятивистскую космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. В соответствии с предложенной Эйнштейном моделью Вселенная должна была быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра.

Мысль Эйнштейна о замкнутой, конечной, но неограниченной вселенной выглядела, безусловно, новой и странной. Людям часто довольно трудно представить себе подобное, и они задают вопрос: что же находится "снаружи" конечной вселенной? Этот вопрос столь же бессмыслен для трехмерных существ, как и вопрос, что находится "вне" поверхности сферы, для плоских существ, вынужденных постоянно жить на сферической поверхности. Для вселенной Эйнштейна нет понятия "снаружи", потому что, если бы существовали "снаружи" и "внутри", между ними должна была бы проходить граница. В модели Эйнштейна такой границы нет. Каждая точка эквивалентна любой другой, и ни одна из них не ближе ни к "центру", ни к "краю". Просто ни центра, ни края не существует.

С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888-1925). Именно А.А. Фридман, скромно опубликовавший свою работу в 1922 г., впервые сделал из ОТО космологические выводы, имеющиеся поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии.

Встретив сначала решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности изотропии, называются фридмановскими космологическими моделями.

А. А. Фридман показал, что решения "мировых уравнений" ОТО для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная расширяется (в одной модели - из точки; в другой - начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной.

Но определение средней плотности вещества во Вселенной пока не надежно. Во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные еще виды материи, дающие свой вклад в среднюю плотность. И тогда на "вооружение" придется брать "закрытую" модель Вселенной, в которой предполагается, что расширение в будущем сменится сжатием.

Представление о нестационарности Вселенной удивительным образом сочетается в современной космологии с представлением об однородности Вселенной. Достаточно неожиданно то, что Вселенная оказывается однородной в самых различных смыслах.

Во-первых, Вселенная однородна в том смысле, что структурные детали далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, и, естественно, определенные величины (такие, как заряд электрона), по-видимому, с большой степенью точности одинаковы повсюду, т. е. те же, что и в нашей области Вселенной, включая, конечно, и Землю. Типичная галактика, находящаяся в сотне миллионов световых лет от нас, выглядит в основном так же, как наша. Спектры атомов, а следовательно, законы химии и атомной физики там идентичны известным на Земле. Этот обстоятельство позволяет уверенно распространять открытые в земной лаборатории законы физики на более широкие области Вселенной.

Представление об однородности Вселенной еще раз доказывает, что Земля не занимает во Вселенной сколько-нибудь привилегированного положения. До Коперника человек помещал Землю в центр Вселенной, а все прочие небесные тела должны были обращаться вокруг нее. Открытие Коперника, доказавшего, что Земля движется вокруг Солнца, навсегда разрушило эту иллюзию. Но еще долго не было уверенности у астрономов в том, что с Землей, Солнцем, нашей Галактикой не связана какая-нибудь исключительность. Ныне мысль о том, что наша область Вселенной могла бы быть чем-то нетипичной, считается по меньшей мере еретической. Физические условия в ближайших к нам областях Вселенной более не рассматриваются как особые; они характерны для любого "среднего" места во Вселенной. Пусть наши Земля, Солнце или Галактика кажутся чем-то исключительно важными людям, для Вселенной в целом они не представляются ни важными, ни исключительными.

Представление о Вселенной было широко распространено среди астрономов лет сто назад. Считалось; что во всем бесконечном пространстве всегда были равномерно разбросаны постоянно светящиеся звезды. ХХ век внес в это представление существенные коррективы.

В 1929 г., американский астроном Эдвин Хаббл (1889 - 1953) огласил некоторые результаты измерений спектра света, приходящего к нам от удаленных галактик. Изучение спектрального состава света далеких звезд показало систематический сдвиг спектральных линий в красную область (т. е. к низкочастотному концу видимого спектра). Хаббл обнаружил, что это так называемое красное смещение возрастает пропорционально расстоянию до галактики. Стало очевидным, что удаленные галактики разбегаются от нас "в организованном порядке": чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Отсюда следовал совершенно однозначный вывод - Вселенная находится в состоянии расширения. Это неожиданное открытие в корне изменило все представления космологии. Расширяющаяся Вселенная - это Вселенная изменяющаяся, у нее есть биография, возможно даже с датами рождения и смерти.

Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц. (Фундаментальным открытием самых последних лет, конца ХХ в. является обнаружение пространственной анизотропии реликтового излучения, фона Вселенной. Это расширяет возможности релятивистской космологии, делает несущественным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов - рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах, на холодном молекулярном газе, поглощение пылью и др.)

Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях элементарных частиц удается воспроизводить физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10 n с, где n = - 1 2 , когда температура достигала 10 n К, где n = 1 6 , а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была "сжата" до размеров Солнечной системы. За этими границами возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации.

Но с некоторого уровня вообще возникает вопрос о возможности применения для описания эволюции Вселенной современных физических теорий. Вблизи сингулярности решения классических уравнений неприменимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских (r = 1 0 n г/ куб. см , где n = 9 3 ; T ~ 1 0 n К, где n = 3 2 . Планковской плотности и температуре соответствует возраст Вселенной t ~ 1 0 n с, где n = - 4 3 . В эту эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется еще несозданная квантовая теория тяготения.

Возможность установить процессы, происходящие на первых секундах и минутах существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение современного естествознания. Возможность моделировать первой секунды означает приближение к самой главной загадке природы - самому акту "сотворения мира"! Первые секунды Вселенной - это время таинственных состояний вещества и неведомых сил природы. Конечно же, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозрительных.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад осуществляется, отталкивание исчезает. Это значит, что инфляция исчезает и Вселенная переходит к во власть обычного гравитационного притяжения. "Часы" Вселенной тогда показывали всего 10 n сек (где n = - 34).Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной, которое мы сейчас наблюдаем, продолжается и неуклонно снижается. Постепенное замедление расширения Вселенной - это единственный след, который сохранился до настоящего времени от момента Большого взрыва.

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Большой взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естествознания.

Ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях.

Следующий этап рождения Вселенной связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10n с, где n = - 3 2 , а температура около 10n К, где n = 2 9 . В этот момент Космос был заполнен "супом" из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими составляющими экзотического "супа" были, вероятно, сверхмассивные частицы - переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х и У- частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Таким образом, подавляющая часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, аннигилировала в первые секунды Вселенной, а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) Исчезнув, оно превратилось в энергию: в процессе аннигиляции на каждый уцелевший электрон (или протон) возникало около миллиарда гамма - квантов. В результате расширения Вселенной это гамма-излучение "остыло", образовав к настоящему времени так называемое фоновое тепловое излучение, которое составляет значительную часть энергии Вселенной.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10n К (где n = 15) вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц - электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы. В этот момент нарушается калибровочная симметрия, а электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого.

Следующий фазовый переход происходит через одну миллисекунду после Большого взрыва и при Т=10n К ( где n = 13) приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы).

При Т ~ 2 · 1 0 n K (где n = 1 0) электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной и их энергия уменьшается только из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.

По мере дальнейшего падения температуры аннигилировали, создавая интенсивное гамма-излучение, все оставшиеся античастицы, и вещество превратилось в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов. С этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия, который и начинается через несколько секунд после Большого взрыва.

Методом математического с использованием данных ядерной физики астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной. (См.: Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981)

Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10n К, где n = 10 . При такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии минуты температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (несколько минут) промежуток времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 25 % из ядер гелия и на 75 % из ядер водорода (протонов). Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию названных элементов в современной Вселенной.

Великое счастье для нас, что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества. Так наше существование и сама возможность познания Вселенной прямо определяется отдаленным прошлым, начальными моментами Вселенной.

После стадии термоядерных реакций температура вещества еще настолько высока, что оно находится в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (T ~ 4 000 K), когда протоны присоединяют электроны и превращаются в нейтральный водород. Несколько раньше образовался нейтральный гелий. Как полагают, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии, образовались первые звезды и галактики

Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из зарождавшихся неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки - протогалактические сгущения. Постепенно они фрагментировались, в них образовывались меньшие сгустки вещества. Из таких сгустков разной массы, имевших определенный вращательный момент, постепенно сформировались звезды и галактики. Расширение Вселенной определило разлет галактик, которые сами практически не расширяются.

Таким образом, согласно современным космологическим представлениям, атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли. Атомы - это ископаемые космоса. Первооснову космического вещества составляет водород, на который вместе с гелием приходится почти 100% всех атомов, тогда как на каждый из остальных примерно 90 элементов - лишь исключительно малая доля.

За всю историю развития нашей Галактики в ней вспыхнуло примерно один млрд. сверхновых звезд!

Любопытно знать не только прошлое Вселенной, но и иметь представление о том, что будет с нашей Вселенной в необозримом будущем. Тем более, что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в "открытых" и "закрытых" ее моделях.

Таким образом, Вселенная предстает как закрытая система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому какие-то общие параметры Вселенной (Метагалактики) изменяются. Эти изменения отражаются очевидно в смене фундаментальных постоянных.

Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в открытых моделях. В соответствии с открытыми сценариями многие звезды остынут уже через 1 0 n лет (где n = 14). Остывание звезд достаточно быстро (уже через10 n лет, где n = 15) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10 n лет (где n = 19), большая часть звезд покинут свои галактики; центральные области Галактики коллапсируют, образуя "черные дыры". Так галактики прекращают свое существование, звезды превращаются в "черные карлики".

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон действительно нестабилен и распадается через 10 n лет (где n = 32), на g - квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино и квантов света с убывающей энергией.

Иначе разворачивается сценарий в том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 1 0 n лет (где n = 6 5), любое твердое вещество превратиться даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. Где-то через 1 0 n лет (где n = 1 500), любое вещество станет радиоактивным, а все жидкие капли - бывшие звезды станут железными. А черные дыры постепенно испаряются и превращаются в длинноволновое излучение. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!

В последние десятилетие, на фоне наката в массовом сознании очередной исторической волны мистицизма, широкое распространение получил вопрос о внеземных цивилизациях, их поисках и контактах с ними. Увлечение поисками НЛО и страстное ожидание пришельцев из внеземных цивилизаций чуть ли не стало повальным. Подчас это увлечение приобретает явные черты массового психоза - чуть ли не ежемесячно в средствах массовой информации (в том числе и достаточно серьезных) появляется "информация" о проявивших себя инопланетянах, контактах с ними, и даже об умыкании ими землян прямо в центрах многомиллионных городов!? Ширятся слухи о начатой операторами НЛО эвакуации землян в просторы Вселенной... Нет числа сообщениям о найденных доказательствах посещения Земли представителями высокоразвитых разумных цивилизаций в прошлом...

С точки зрения современной науки есть объективные основания для предположения о возможности существования внеземных цивилизаций. Таким основаниями выступают: представление о материальном единстве мира; о развитии, эволюции материи как всеобщем ее свойстве; данные естествознания о закономерном, естественном характере происхождения и эволюции жизни, а также происхождении и эволюции человека на Земле; астрономические данные о том, что и Солнце - типичная, рядовая звезда нашей Галактики и нет никаких оснований для его выделения среди множества других подобных звезд; и в том же время астрономия исходит из того, что в космосе существует большое разнообразие физических условий, что может привести в принципе к возникновению самых разнообразных форм высокоорганизованной материи.

Вместе с тем, надо иметь в виду, что далеко не на всякой планете может возникнуть жизнь. Для возникновения жизни необходим сложный комплекс условий. Во-первых, для возникновения (посредством естественного отбора) жизни необходимы значительные интервалы времени; поэтому жизнь может возникнуть только вокруг старых звезд, причем, старых звезд не первого, а второго поколений. Ведь именно рядом с такими звездами могут быть остатки тяжелых элементов, оставшиеся после взрывов сверхновых звезд. Во-вторых, на планете должны быть соответствующие температурные условия: слишком высокая или слишком низкая температуры исключают появление жизни. В-третьих, чтобы на планете могла возникнуть и развиваться жизнь, ее масса не должна быть слишком маленькой. Ведь в этом случае планета быстро теряет свою атмосферу, которая попросту испаряется ("диссипация"). Чем легче газ, тем быстрее он уходит за пределы планеты. С другой стороны, масса планеты не должна быть очень большой. Ведь такие планеты удерживают свою первоначальную атмосферу (из водорода и гелия) и не дает возможность изменения состава этой исходной атмосферы.

Четвертое важное условие образования жизни - это жидкая оболочка на ее поверхности. Ведь первичные формы жизни скорее всего возникли в воде. И, наконец, на планете должны быть условия для возникновения сложных молекулярных соединений, на основе которых могут протекать разнообразные химические процессы. В результате учета всех этих условий оказывается, что лишь у 1-2% всех звезд в Галактике могут быть планетные системы с явлениями жизни. Иначе говоря, при самых оптимальных оценках около 1 млрд. звезд могут иметь планетные системы, на которых в принципе возможна жизнь.

Одним из аргументов в пользу того, что внеземные цивилизации - явление очень редкое, выдвигается отсутствие видимых проявлений их активности. Но это утверждение само по себе тоже недостаточно строгое. Оно определяется во многом масштабом развития нашей цивилизации, в том числе и уровнем развития средств астрономических наблюдений.

Тема контактов со внеземными цивилизациями - пожалуй, одна из самых популярных в научно-фантастической литературе и кинематографии. Она и вызывает, как правило, самый горячий интерес у поклонников этого жанра, всех, интересующихся проблема Мироздания. Но художественное воображение здесь должно быть подчинено "жесткой" логике рационального анализа. А такой анализ показывает, что возможны следующие типы контактов:

Конечно, наибольшую привлекательность представляют контакты первого типа. Но они как раз и наиболее трудны в реальном осуществлении. Основная трудность здесь связана с длительностью полета. При полетах к другим цивилизациям длительность путешествия может быть больше времени жизни самой цивилизации (> L). Отсюда возникает вопрос о возвращении, ценности привезенной информации, а значит и смысле самого полета.

При полетах к далеким звездам со скоростями, незначительными по сравнению со скоростью света (V < < C) , требуется время, исчисляемое тысячелетиями. Поэтому такие полеты возможны только к ближайшим звездам. В настоящее время такие проекты обсуждаются. Хотя до их практического осуществления их еще очень далеко.

Но, согласно теории относительности, в условиях такого полета время сокращается только для экипажа космического корабля, а для жителей Земли оно будет течь как в нерелятивистской системе. Это значит, что оно может превышать время жизни самой земной цивилизации ( L ) . За время путешествия на Земле пройдут сотни и тысячи лет. Земная цивилизация измениться настолько, что не только доставленная информация станет ненужной, но и сам исходный смысл такое полета будет утерян.

В настоящее время реально возможными контактами со внеземными цивилизациями являются контакты по каналам связи. Если время распространения сигнала в ту и другую сторону ( t ) больше времени жизни цивилизации (t > L ) , то тогда речь идет об одностороннем контакте. Если же t < < L , то возможен двусторонний обмен информацией. Современный уровень естественнонаучных знаний позволяет серьезно говорить лишь о канале связи с помощью электромагнитных волн. И уже в настоящее время радиотехника находится на таком уровне, что дает реальную возможность установления такой связи.

Поиск внеземных цивилизаций должен предшествовать установлению связи с ними. В настоящее время наметилось несколько направлений поиска:

Он опирается на предположение, что технические развитые цивилизации рано или поздно должны перейти к преобразованию окружающего космического пространства (создание искусственных спутников вокруг своей звезды, искусственной биосферы и др.), в частности, для перехвата значительной части энергии звезды.

Как показывают расчеты, основная часть таких астроинженерных сооружений должна быть сосредоточена в инфракрасной области спектра, в интервале длин волн 3-10 мкм. Следовательно, задача обнаружения подобных внеземных цивилизаций должна начинаться с поиска локальных источников инфракрасного излучения или звезд с аномально большим избытком инфракрасного излучения. Такие исследования в настоящее время ведутся. С момента выдвижения этой идеи было обнаружено несколько десятков инфракрасных источников, однако оснований для того, чтобы связать какой-либо из них со внеземной цивилизацией пока нет.

В основе этого направления лежит допущение о том, что активность внеземных цивилизаций могла проявляться в историческом прошлом в виде посещения Земли и отпечатках такого посещения в памятниках материальной или духовной культуры различных народов. Так проблема внеземных цивилизаций сближается с тематикой истории культуры, археологии, где также имеется немало "белых пятен", загадок, тайн и проблем.

На этом пути открываются немалые возможности для различного рода сенсаций - ошеломляющих "открытий", квазинаучных мифологий о космических истоках отдельных культур (или их элементов). Так, например, рассказом о космонавтах называют легенды о вознесении святых на небо. Необъяснимые пока постройки большого каменного сооружения также не доказывают их космического происхождения. Спекуляции на этот счет вокруг гигантских каменных идолов на острове Пасхи были развеяны Туром Хейердалом, когда потомки древнего населения этого острова показали ему, как это делалось без всякой техники, а не только без вмешательства космонавтов. В этом ряду находятся и фантазии о том, что Тунгусский метеорит был не метеоритом или кометой, а космическим кораблем инопланетян. Все такого рода гипотезы и предположения нуждаются в самом тщательном и взвешенном исследовании.

Проблема поиска сигналов от внеземных цивилизаций в настоящее время формулируется прежде всего как задача поиска искусственных сигналов в радио- и оптическом (например, остронаправленным лучом лазера) диапазонах.

Но наиболее вероятной является все-таки радиосвязь. И потому важнейшей задачей здесь оказывается выбор оптимального диапазона волн для такой связи. Анализ показывает, что наиболее вероятны искусственные сигналы на волнах l 2 1 см (радиолиния водорода), l 1 8 см (радиолиния ОН) или l 1 ,3 5 см (линия водяного пара) или же на частотах, скомбинированных из основной частоты с какой-либо математической константой (, e и др.).

Серьезная постановка задачи поиска сигналов от внеземных цивилизаций требует создания постоянно действующей службы контроля, охватывающей всю небесную сферу. Причем, такая система должна быть и достаточно универсальной - рассчитанной на прием сигналов различного вида (импульсных, узкополосных и широкополосных).

Первые работы по поиску сигналов внеземных цивилизаций были проведены в США в 1960 г. Исследовалось радиоизлучение ближайших звезд ( Кита и e Эридана) на волне 21 см. В последующем (70-80-е годы) такие исследования проводились и в СССР. В ходе исследований были получены и обобщающие результаты. Так, в 1977 г в США (обсерватория Огайского университета) в процессе обзора неба на волне 21 см был зарегистрирован узкополосный сигнал, характеристики которого указывали на его внеземное и, вероятно, искусственное происхождение. Однако повторной регистрации этого сигнала получить не удалось, и потому вопрос о его природе остался открытым. Поиски в оптическом диапазоне проводились с 1972 г. и на орбитальных станциях.

Обсуждались проекты строительства многозеркальных телескопов на Земле и на Луне, сооружение гигантских космических радиотелескопов и др.

Поиск сигналов от внеземных цивилизаций - это одна сторона контакта с ними. Но существует и другая - сообщение таким цивилизациям о нашей, земной цивилизации. Потому наряду с поисками сигналов от космических цивилизаций были предприняты попытки направить послание внеземным цивилизациям. В 1974 г. с радиоастрономической обсерватории в Аресибо (Пуэрто-Рико) было направлено радиопослание в стороны шарового скопления М-31, находящегося от нас на расстоянии 24 тыс. световых лет. В этом послании закодирован текст, содержащий данные о жизни и цивилизации на Земле. Информационные сообщения также неоднократно помещались на космические аппараты, траектории которых обеспечивали им выход за пределы Солнечной системы.

Конечно, очень мало шансов на то, что эти послания когда-либо достигнут поставленной цели, но начинать когда-то надо. Важно то, что человечество не только серьезно задумывается о контактах с разумными существами из других миров, но уже и оказывается способным такие контакты, пусть в самой простейшей форме, налаживать.

Теоретические исследования и экспериментальные попытки регистрации гравитационных волн открывают перспективы развития гравитационной астрономии. Сведения о космосе несут не только волновые процессы, но и частицы (космические лучи, нейтрино). Причем, оказалось, что основная особенность наблюдений во внеоптических диапазонах состоит в том, что они несут с собой информацию, как правило, о нестационарных процессах во Вселенной.

Не потеряла еще своего значения для астрономического познания (прежде всего, для объяснения процессов, происходящих в Солнечной системе) и классическая механика. Как и прежде, все основные расчеты движений тел планетной системы и искусственных спутников Земли, Луны и планет, космических аппаратов, созданных человеком, осуществляется (в силу слабости релятивистских и квантовых процессов для этих систем) на базе ньютоновской механики.

4. Физическая реальность состоит из трех качественно несводимых друг к другу уровней: микро,- макро,- и мегамиров. В системе астрономического познания выделяется две большие подсистемы:

• астрономические науки, изучающие закономерности космических тел и процессов макроуровня (небесная механика, астродинамика, астрометрия и др.);
• астрономические науки, изучающие космические процессы на уровне мегамира (внегалактическая астрономия, релятивистская космология и др.); исследования носят космологический характер, если они имеют дело с линейными размерами, превышающими 1 0 n парсек (пк) (где n = 9); именно здесь проходит разграничительная линия между "обычным", астрономическим и космологическим масштабом.

В системе астрономического познания большую роль играет изучение закономерностей микромира, связанных с процессами излучения звезд, ранних этапов эволюции Вселенной и др. Поэтому современная астрономия пользуется и аппаратом микрофизики (квантовая механика, квантовая электродинамика, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика и др.).

Вопрос о глубинных внутренних связях между микро,- макро,- и мега - мирами, о том, что на определенном уровне они представляют собой некое (диалектическое) единство также входит в поле зрения современной астрономии.

Косвенным свидетельством в пользу наличия такой связи является необъяснимая пока закономерность взаимосвязи физических констант (гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света, заряд электрона, константы сильного и слабого взаимодействий, массы электрона, протона и других элементарных частиц, постоянная Хаббла, средняя плотность масс во Вселенной и др.), из которых можно построить безразмерные величины двух видов:

• первые - порядка 1 0 n , где n = - 2 (или - 3);
• вторые - порядка 1 0 n , где n = 4 0 ,

в которых связаны как атомные, так и космологические константы.

6. В трактовке сущности пространства и времени современная астрономия опирается на ОТО, в соответствии с которой пространственно-временные характеристики перестают быть фундаментальными, независимыми ни от чего понятиями физики. Геометрические характеристики тел, их поведение и ход часов зависят прежде всего от гравитационных полей, которые в свою очередь создаются материальными телами. Иначе говоря, предполагается, что пространственно-временная метрика Вселенной обусловлена гравитационным полем, которое создается вещественными телами. Пространственно-временная метрика Вселенной, определяющаяся гравитационным полем, в конечном счете зависит от закономерностей эволюции Вселенной. Другими словами, "искривленность" пространства и "замедленность" времени признается не только в отдельных частях Вселенной вблизи тяготеющих масс, но и в масштабах всей Метагалактики.

Общая идея о нестационарности Вселенной (пространственной и структурной) конкретизируется в следующих методологических установках:

8. То обстоятельство, что идея развития пронизывает все современное астрономическое знание, привело к переосмыслению роли космогонического аспекта в астрономическом познании. Современная астрономия исходит из установки о космогоническом смысле (прямом или опосредованном) любой астрономической проблемы. Именно космогонический аспект исследования Вселенной начинает все больше выступать в виде того организующего центра, который объединяет вокруг себя различные разделы дифференцировавшейся астрономической науки.

9. В современной неклассической астрономии (так же, как и в классической) нет свободы выбора условий наблюдения. Так же, как и классическая , современная астрономия осознает зависимость результата наблюдения от условий, в которых находится наблюдатель. Но отличие современной астрономии от классической состоит в том, что не во всех случаях современная астрономия допускает возможность пренебречь этой зависимостью или внести на нее поправку. Происходит возрастание роли субъекта в современной астрономии на эмпирическом уровне познания.

Так, при описании ОТО космологических явлений (искривленного пространства-времени) необходимо вместе с тем пользоваться классическими понятиями для описания содержания эксперимента с излучением, идущим от удаленных объектов, в однородной и изотропной локальной области плоского пространства-времени. Это описание условий эксперимента не может быть элиминировано в окончательном результате исследования.

• современная астрономия (как и "неклассическая" физика) отвергает классический идеал абсолютного описания, согласно которому в рамках одной теории можно достичь исчерпывающего описания закономерностей и свойств мира астрономических объектов;
• необходимость наличия в системе теоретического описания структуры и эволюции Вселенной не одной, а множества теоретических моделей;
• отсутствие единства в вопросах о содержании исходных абстракций (принципов, аксиом), в которых отражаются существенные характеристики предметной области, в вопросах выбора исходной концептуальной базы для построения таких моделей (например, разное отношение к космологическому постулату и др.).
• возрастание роли субъекта своеобразно проявляет себя в т.н. антропном принципе в космологии. В соответствии с этим принципом, возникновение человечества, самого познающего субъекта было возможным в силу того, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной (ее глубинная структура) именно таковы, какими они являются; если бы они были хотя бы немного иными, Вселенную просто не было бы кому познавать. Этот принцип вскрывает наличие глубокого внутреннего единства закономерностей исторической эволюции Вселенной с предпосылками возникновения и эволюции органического мира вплоть до возникновения человека и общества, существование некоторого типа универсальных связей (системообразующих отношений), на которых построен наш мир, наша Вселенная.

11. Изменяемость структуры познавательной деятельности в астрономии - одна из новых методологических установок. Принципы и способы познавательной деятельности в развитии астрономии периодически изменяются. Эпохи, когда происходят такие изменения - это эпохи научных революций в астрономии.

Итак, мы видим, что методологические установки современной астрономии ХХ в. существенно отличаются от методологических установок классической астрономии. Основные направления по котором произошло из размежевание:

1. отказ от установки на признание неизменности структуры космических образований, признание фундаментальной роли структурной эволюции Вселенной;

2. изменение пространственно-временных представлений;

3. расширение теоретической базы астрономии за счет новых фундаментальных теорий;

4. тенденции к отказу от идеи единственности Вселенной;

5. необходимость учета "условий познания" и на этой основе - новая гносеологическая ситуация в астрономии;

6. представление о периодической смене астрономических способов познания.

Такое существенное различие в методологических установках классической астрономии и современной, неклассической астрономии ХХ века позволяет сделать вывод о том, что в астрономии происходит смена способов астрономического познания, происходит научная революция.