Млечный путь – своеобразный вид нашей Галактики «в профиль». Кроме Солнца, в нее входит около 150 миллиардов звезд, и Галактика не единственная. Существует множество других, образующих Метагалактику (наблюдаемую Вселенную). Эдвин Хаббл (1899-1953) предложил классификацию галактик:
- эллиптические и сферические, состоящие в основном из старых звезд;
- спиральные, в «рукавах» которых находятся молодые звезды;
- неправильной формы.
В центральных областях галактик находятся компактные скопления огромного количества звезд – ядра. Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто. В каждом кубометре находится в среднем 10000 атомов вещества, если их хотя бы впятеро больше – это уже космическое облако (в атмосфере Земли порядка 1023 атомов на кубометр, а в лучшем лабораторном вакууме в кубометре их содержится 109).
Происхождение космических лучей – потоков заряженных частиц, открытых в 1912 г., много лет оставалось загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основные их источники – сверхновые звезды и активные ядра галактик. Наиболее загадочны лучи сверхвысоких энергий – их происхождение неясно не находит пока приемлемых объяснений.
В конце 60‑х гг. в США была запущена система спутников Вела с приборами, регистрирующими мягкие гамма-лучи для контроля за договором по запрещению атомных испытаний в атмосфере. Взрывы и не производились, но гамма-всплески загадочного происхождения фиксировались, о чем широкой общественности было сообщено лишь в 1973 г. В 1997 г. удалось наконец обнаружить в направлении гамма-всплеска источники с большим красным смещением, наблюдавшиеся и в рентгеновском, и в оптическом, и в радиодиапазоне. 23.1.1999 г. возник мощный гамма-всплеск до 300 МэВ, длившийся около 100 с. Одновременно с ним произошла световая вспышка, светимость которой в максимуме достигала 2∙1016 светимости Солнца! Во всех электромагнитных диапазонах суммарно выделилось 3∙1054 эрг. Получается, гамма-всплески – самое мощное взрывное явление в нынешней Вселенной. Источники этого грандиозного явления до сих пор не ясны.
Количество светящейся материи во Вселенной определяется по наблюдениям в видимом свете. Полное же количество гравитирующей материи сказывается на движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях. Проще всего динамика проявляется при определении траекторий вращения звезд в спиральных галактиках, в частности в нашей. Вне всяких сомнений во Вселенной имеется некая несветящаяся материя, проявляющая себя в гравитационном взаимодействии. Эта темная материя распределена неравномерно, но присутствует везде: и в галактиках, и в межгалактическом пространстве. Какова же природа «скрытой массы»? Думали, что речь идет о нейтральном водороде, сильно ионизованном газе, планетах, коричневых карликах, нейтронных звездах и черных дырах. Однако эти предположения не подтвердили наблюдения астрофизиков. Видимо, темная материя не состоит из нуклонов. Скрытая масса составляет более 80% гравитирующей материи во Вселенной, и мы об этой «темной материи» и «темной энергии» не знаем пока практически ничего.
Считается, что Метагалактика включает в себя несколько миллиардов галактик, и по некоторым представлениям, составляет лишь незначительную часть Вселенной. Галактики расположены в Метагалакике неравномерно, в виде ячеистой структуры - вроде пчелиных сот. Еще точнее – галактики расположены вдоль условных стенок «сот», внутри же – так называемые пустоты - «воиды». Наибольшие скопления галактик расположены в местах пересечения стенок. Эти скопления имеют почти сферическую форму и насчитывают сотни и тысячи галактик. Ближайшее к нам скопление находится в созвездии Девы и насчитывает порядка трех тысяч галактик. Изучены и малые группы галактик, в одно из них входят две большие спиральные галактики – наш Млечный путь и Туманность Андромеды. Каждая из этих спиральных галактик имеет группы карликовых галактик-спутников. Так, у нашей Галактики в числе спутников – Большое и Малое Магеллановы облака, а так же сотни совсем небольших плотных шаровых звездных скоплений. Всего в нашей группе 38 галактик. Пока известно несколько десятков подобных групп.
Если Вселенная вечна, бесконечна и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает парадокс: ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда, чего на деле не наблюдается. Анализируя спектры галактик удалось обнаружить так называемое красное (т.е. в сторону более длинных волн) смещение этих спектров на шкале частот относительно их обычного расположения. Э. Хаббл предположил, что красное смещение связано с тем, что галактики удаляются от нас (эффект Доплера), при этом оказалось, что чем дальше расположено от нас та или иная галактика, тем больше сдвиг, тем быстрее все они двигаются от нас. Разбегание галактик говорит о том, что раньше они были рядом, измерение скорости позволяет узнать, когда именно. Значит Вселенная эволюционирует и с определенного времени.
Многие астрофизики полагают, что около 25 млрд. лет назад все вещество было сосредоточено в одной точке вне времени и пространства. Затем произошел Большой Взрыв. Концепция Большого Взрыва в настоящее время получила широкое признание. И все-таки она испытывает затруднения при объяснении некоторых фактов: Чем определяется образование галактик из ионизированного газа и почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества? Буттом и Стейхардом была разработана теория инфляции или Раздувающейся Вселенной. Она не противоречит модели Большого Взрыва, но проникает в более ранние этапы зарождения Вселенной – во время вакуумно-подобного состояния в себе. Основная идея этой концепции состоит в том, что на самых ранних стадиях Вселенная имела неустойчивое вакуумно-подобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия и исходная материя возникли из квантового вакуума – из «пустоты».
В физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но он не является безжизненной пустотой: в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и исчезают. Вакуум наполнен этими частицами, взаимодействующими между собой. Энергия имеющаяся в вакууме, распределена на разных уровнях и именно благодаря этим уровням происходят процессы взаимодействия частиц. В инфляционной теории речь идет не просто о физическом вакууме, она предполагает наличие возбужденного или ложного вакуума. Полагается, что зарождающаяся Вселенная на самых ранних этапах как раз и была возбужденной квантовой системой. Хотя такое состояние вакуума неустойчиво и стремится к распаду, в нем заложены гигантские возможности для процессов отталкивания. Они-то и ответственны за расширение Вселенной. Согласно инфляционной теории, идет гигантское расширение с образованием не менее гигантской энергии и понижением температуры в пространстве. Энергия, которая была выделена в результате распада ложного вакуума, пошла на мгновенный нагрев Вселенной до 1027 К. Высвобожденную энергию можно представить как некую суперсилу, которая объединяла гравитационное сильное, ядерное слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что фаза инфляции продолжалась около 10-35 – 10-30 сек, а затем эволюция Вселенной пошла по детально разработанному теоретиками пути горячего Большого Взрыва. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разной скоростью, о чем мы догадываемся по наличию «реликтового излучения», которое сейчас наблюдается в виде однородного фона в длинноволновом диапазоне.
В 1963 г. были открыты таинственные квазизвездные объекты (квазары), представляющие собой компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики). Природа квазаров окончательно не объяснена. Вспомним, что, согласно гипотезе русского физика А.Кушелева, «красное смещение» имеет иную природу, для объяснения которой нет необходимости воображать себе Большой Взрыв (хотя и в этом случае квазары оказываются одними из древнейших объектов Вселенной). И все же именно взрывного варианта пока придерживается большинство исследователей.