Галактики. Большой путеводитель по Вселенной

Фотография Млечного Пути, сделанная космической обсерваторией «Планк». Целью проекта «Планк» было изучение изменения космического микроволнового фона – реликтового излучения, но поскольку эта космическая обсерватория наблюдала за всем небом, она также снабжала нас детальными изображениями Млечного Пути. Этот снимок показывает в белых оттенках тонкую эмиссию пыли в нашей Галактике, в основном сосредоточенную на галактическом диске, и обнаруживает сложную морфологию пространства над и под ним (на высоких галактических широтах). Бо́льшая часть галактик содержит значительное количество пыли, образовавшейся во время формирования звезд. Эта пыль поглощает ультрафиолетовый и оптический свет, но испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра по мере нагревания в поле межзвездного излучения

На страницах этой книги мы познакомимся со стандартной моделью космологии, или «космологическим конкордансом». Эта модель описывает все содержание, структуру и эволюцию Вселенной и называется «Лямбда-CDM» (от англ. Lambda-Cold Dark Matter, ΛCDM). С конца 1990-х годов большинство астрономов приняли эту модель в качестве наиболее подходящей из имеющихся на сегодняшний день для объяснения результатов наблюдений за всеми свойствами Вселенной. Лямбда (Λ) относится к символу, обозначающему темную материю, которая впервые появилась в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна как так называемая космологическая константа, а CDM обозначает холодную темную материю (точная природа темной материи не имеет особого значения для нашей истории, однако это понятие – важная ее деталь). Хотя мы описываем концепцию «Лямбда-CDM» как нашу стандартную модель космологии, и темная энергия, и темная материя находятся за пределами стандартной современной физической модели, где нам неясна их истинная природа. Это несколько обескураживающее положение, особенно в сочетании с тем фактом, что в модели «космического конкорданса» темная энергия и темная материя вместе образуют бо́льшую часть плотности энергии, а следовательно, и массы Вселенной, и привело многих критиков к концепции «Лямбда-CDM».

Я бы не хотел сейчас увязнуть в космологии, потому что эта книга все-таки посвящена только галактикам, но один тезис абсолютно безусловен: «Лямбда-CDM» – именно та модель, которая успешно описывает самый широкий комплекс собранных эмпирических данных. Конечно, природа космологической модели важна для истории галактик, но в известном смысле это отдельная проблема. Я бы хотел рассказать о том, что мы на самом деле знаем о галактиках благодаря тщательному наблюдению и анализу данных.

Описывая свет, то есть электромагнитное излучение, я говорю – и намеренно, и случайно – о частоте и длине волн света как взаимозаменяемых понятиях. Иногда это происходит в результате установившихся обычаев в том или ином разделе астрономии (например, в случае радиоастрономии и оптической астрономии), но в основном это связано с тем, что описание энергии света через его частоту ничем не отличается от того же описания в терминах длины волны: они обозначают одно и то же явление, но относятся к разным аспектам природы электромагнитного излучения. В качестве понятного примера можно представить простую модель световых волн по аналогии с волнами в океане: если вы сидите в лодочке на якоре посреди океана, по которому пробегают волны, то показателем того, как ваша лодка ныряет на волнах то вверх, то вниз, и будет частота. А расстояние между соседними гребнями и впадинами – это длина волны. Теперь вы видите, как эти два показателя связаны. Хотя волновая модель – один из способов описания процесса распространения излучения, где свет проявляется как колебания «моря» электромагнитных волн, далее я буду описывать свет в квантовой модели, где он распространяется в виде фотонов. В любом случае частота и длина волн света, будь то радиоволны, видимый свет или рентгеновское излучение, соотносятся с энергией электромагнитного излучения.