Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Третий вопрос — о форме — вызывает еще больше споров и сомнений. В настоящий момент согласия по этому вопросу нет, хотя чаще всего ученые склоняются к самому скучному варианту — сфере. Давно существует тенденция считать Вселенную сферической — внутренней частью громадного шара, состоящего из пространства и вещества. Но в разные моменты недавнего прошлого считалось также, что Вселенная по форме представляет собой спираль, бублик, продолговатый мяч для регби или неевклидову геометрическую фигуру, известную как рог Пикара. Эта фигура может быть как плоской, так и с кривизной. Если так, то ее кривизна может быть положительной или отрицательной, а может меняться от одного места к другому. Фигура вселенной может быть конечной или бесконечной, односвязной или полной отверстий — или вообще несвязной, когда она распадается на отдельные области, в принципе не взаимодействующие между собой.

* * *

Большую часть Вселенной занимает пустое пространство, но немало в ней также и вещества — это порядка 200 миллиардов галактик с 200–400 миллиардов звезд в каждой[76]

. Важно, как распределено это вещество: сколько его содержится в каждой отдельно взятой области, поскольку Эйнштейновы уравнения поля связывают геометрию пространства-времени с распределением вещества.

Вещество во Вселенной совершенно точно не размазано равномерно на тех масштабах, которые мы наблюдаем, но это открытие совершено лишь несколько десятков лет назад. До этого все сходились во мнении, что выше масштаба галактик общее распределение вещества во Вселенной кажется равномерным — примерно как газон выглядит гладким и однородно зеленым, если вы не видите на нем отдельные травинки. Но на самом деле наша Вселенная больше похожа на газон с большими грязными прогалинами и отдельными участками клевера, что порождает новую неоднородную структуру на более крупном масштабе. А если вы пытаетесь сгладить эту неоднородность еще более широким взглядом, газон вообще исчезает и на его месте появляется автостоянка при супермаркете. Или, выражаясь более прозаически, в космическом распределении вещества прослеживается явная тенденция к комковатости на самых разных масштабах.

Если говорить о ближайшей к нам области пространства, то большая часть вещества в Солнечной системе слиплась воедино и образовала звезду — Солнце. Есть, конечно, и более мелкие комки вещества — планеты, и еще более мелкие — луны, астероиды, объекты пояса Койпера… плюс всевозможные камни, камешки, пылинки, молекулы, атомы, протоны. Двинувшись в другом направлении — в сторону более крупных масштабов, мы обнаруживаем другие типы комковатости. Несколько звезд могут быть гравитационно связаны между собой и образовывать двойную или кратную звездную систему. Рассеянные скопления — это группы из тысячи или около того звезд, сформировавшихся примерно в одно время из одного и того же коллапсирующего молекулярного облака. Рассеянные скопления встречаются в галактиках; в нашей Галактике их известно около 1100. Шаровые скопления состоят из сотен тысяч старых звезд, собранных в громадный шар с нечеткими границами; как правило, такие скопления выглядят как спутники, обращающиеся вокруг галактик и играют роль их спутников. У нашей Галактики известно 152 подобных спутника, а всего их у нее, возможно, около 180.

Галактики представляют собой поразительные примеры клочковатости Вселенной: это кляксы, диски и спирали, содержащие от 1000 до 100 триллионов звезд, с диаметрами от 3000 до 300 000 световых лет. Но галактики распределены в пространстве тоже неравномерно. Как правило, они существуют тесно связанными группами примерно по 50 объектов или более многочисленными (до тысячи или около того) в виде скоплений галактик. Скопления, в свою очередь, собираются в сверхскопления, которые образуют невообразимо огромные полотна и волокна с колоссальными пустотами (войдами) между ними.

Мы, к примеру, живем в Галактике, которая входит в Местную группу галактик вместе с Галактикой Андромеды (M31) и еще 52 галактиками, многие из которых являются карликовыми галактиками вроде Магеллановых Облаков и выступают в роли спутников двух доминантных спиралей: Андромеды и нашей Галактики. Примерно десять карликовых галактик не связаны гравитационно с остальными. Еще одна крупная галактика в нашей местной группе — Галактика Треугольника, которая, возможно, тоже является спутником Андромеды. Вся Местная группа целиком имеет размер в поперечнике около 10 млн световых лет. Сама она входит составной частью в сверхскопление Ланиакея, которое удалось идентифицировать в 2014 году при попытке определить сверхскопления математически, путем анализа скоростей галактик друг относительно друга. Сверхскопление Ланиакея насчитывает 520 млн световых лет в поперечнике и содержит 100 000 галактик.