Не шар и не седло. Почему ученые называют нашу Вселенную плоской
Плоскоземельщиков еще не всех победили, а тут — новая плоскость в нашем мире! Да еще и такая масштабная!
При слове «Вселенная» большинство рисует в воображении бесконечную сферу, где галактики распределены более или менее равномерно. Однако по данным современной астрофизики это не так.
По форме Вселенной до сих пор ведутся дискуссии, но большинство астрофизиков разделяет гипотезу «плоской Вселенной».
«Как же так?», — возникнет резонный вопрос. Ведь когда мы смотрим в небо, мы видим, что звезды распределены по всей небесной полусфере. О какой же плоскости может идти речь?!
Какая форма у нашей Вселенной
Если на Землю мы можем посмотреть со спутников и МКС и убедиться, что она шар, то быть внешними наблюдателями и также взглянуть со стороны на Вселенную мы не можем.
Открытым остается вопрос трёхмерной топологии пространственного сечения Вселенной.
Проще говоря — какая геометрическая фигура лучше всего опишет, какой формы наша Вселенная. Ни одна из современных физических теорий, включая общую теорию относительности, не может дать нам однозначный ответ на этот вопрос.
Почему же астрофизики называют Вселенную плоской
Конечно, речь не идет о том, что Вселенная выглядит плоской, как бумажный лист формата А4.
Вселенная обладает трехмерной плоскостностью. Это означает, что пространство во все стороны подчиняется евклидовой геометрии. То есть оно прямое, а не искривленное.
Есть разница между математическими определениями плоского и изогнутого и повседневными определениями плоского и изогнутого. С точки зрения математики, плоскостным будет пространство, где сумма углов треугольника равна 180 градусами.
Если мы возьмем любые три точки во Вселенной и сложим из них треугольник, а затем посчитаем сумму его углов — она будет равна 180 градусам. Этого бы не случилось, если бы пространство было искривленным.
Если мы возьмем две параллельные прямые, то в бесконечности они не пересекутся. Это значит, что пространство не искривлено.
Представьте себе две параллельные прямые на шаровидной поверхности. Они не смогут вечно идти параллельно друг другу — они обязательно пересекутся. Как меридианы, которые пересекают экватор под прямым углом и в этом месте — параллельны друг другу. Но на полюсах они все пересекаются.
Космическая обсерватория Планк собрала данные по реликтовому излучению, включая его температуру, линзирования и поляризацию. И оказалось, что его параметр кривизны практически нулевой: ΩK = -0.004.
Возможно, на этапе своего возникновения Вселенная была с очень большой кривизной, однако со временем, расширяясь, она стала плоской.
Массивные объекты искривляют пространство. Как же Вселенная остается плоской?
Теория относительности говорит нам о том, что пространство искривлено. И это экспериментально подтвержденная теория. Однако искривляется оно не само по себе, а вблизи массивных объектов.
По факту, плоскость Вселенной означает — однородность распределения вещества.
Однако вещество во Вселенной в локальных участках распределено неоднородно. Есть пустоты, где плотность галактик в тысячи раз меньше, чем в среднем по Вселенной. А есть, наоборот, точки, где концентрация галактик намного выше — например, Великий Аттрактор и сверхскопление Шепли. Они настолько плотны и велики, что вокруг них начинают вращаться другие галактики, по аналогии, как наша Земля вращается вокруг Солнца.
Однако все это происходит лишь в небольших масштабах.
На больших расстояниях, например, от 200 млн световых лет, вещество во Вселенной распределено однородно по всем направлениям. Аналогичная ситуация и с искривленным пространством.
И, локально, массивные объекты могут искривлять пространство-время. Именно — локально!
Когда ученые говорят о том, что Вселенная — плоская по форме, речь идет о больших масштабах, без учета локальных изменений.
masterok
По модели Солнечной системы можно понять, что орбиты всех ее планет находятся как будто в одной плоскости. Если космическое пространство настолько необъятное, то возникает вопрос: почему планеты двигаются именно по таким траекториям, а не вращаются вокруг Солнца хаотично?
Планеты Солнечной системы отдалены друг от друга. Движутся они по специальным траекториям – орбитам. Планетные орбиты имеют форму вытянутого круга. При этом орбиты располагаются почти в одной плоскости, которая называется плоскостью эклиптики. Именно по эклиптике, большому кругу небесной сферы, движется Солнце. Это движение можно наблюдать с Земли в течение года. Полный оборот Солнце совершает за сидерический год, который равен 365,2564 дням.
Проблема расположения планет напрямую связана с теорией формирования Солнечной системы. Это достаточно сложный вопрос, тем более что ученым остается лишь моделировать и устраивать симуляции данного процесса. Стоит отметить, что фактически орбиты лежат почти в одной плоскости, поскольку им свойственно небольшое отклонение.
Вероятная причина такого расположения заключается в том, что планеты Солнечной системы образовались в пределах единого протопланетного диска. Другими словами – они сформировались из одной и той же материи. В процессе образования центральной звезды частицы за ее пределами продолжали двигаться и вращаться хаотично, но при этом на них действовал общий центр масс. Таким образом, вращение Солнца образовало единую плоскость вращения планет.
Предполагаемый возраст Солнечной системы – 4,6 миллиардов лет. В первую очередь, в центральной части газопылевого облака образовалось Солнце. Вокруг него, из вещества, оказавшегося за пределами центра, сформировался протопланетный диск. Позже из него возникли планеты, спутники и прочие космические тела.
Само же облако, по предположению ученых, могло образоваться после взрыва сверхновой звезды. Ее масса, должно быть, соответствовала массе 30 Солнц. Сверхновая звезда заполучила название Коатликуэ. Впоследствии Солнечная система эволюционировала.
В соответствии с Законом всемирного тяготения, планеты вращаются вокруг Солнца, так как оно обладает значительно большей массой. Поэтому Солнечная система остается относительно стабильной и планеты не улетают в космос. Ученым удалось обнаружить молодую звезду HL Тельца, возраст которой – около 100 000 лет. Она располагается на расстояние 450 световых лет от Земли. Вокруг звезды обнаружен протопланетный диск, а также одна сформировавшаяся планета возрастом не более 2000 лет. В пределах данного диска отчетливо видны скопления газов, которые впоследствии могут стать планетами.
Эта находка предоставляет возможность ученым наблюдать за формированием новой звездной системы и на основании полученных данных расширять сведения о появлении Солнечной системы.
Почему Солнечная система плоская?
Плоскостность нашей Солнечной системы можно приписать закону сохранения полного углового момента. Из-за этого всякий раз, когда частицы сталкиваются, они могут двигаться в любом направлении, но все движения вверх и вниз компенсируются, всегда следуя правилу, согласно которому общий спин в этой плоскости должен быть постоянным.
Все мы знаем, что Земля, другие планеты и их луны вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Однако вы когда-нибудь задумывались, почему эти небесные объекты движутся вокруг Солнца таким образом, что Солнечная система кажется лежащей на плоскости, а не движется в разные стороны?
На уроках мы узнали, и всем известно, что природа предпочитает сферическую ориентацию. От крошечной капли воды в условиях невесомости до формы нашей планеты — сферы — любимые формы природы. Даже Солнце, самый большой объект в нашем космическом районе, также, как вы уже догадались, является сферой! Так почему же все эти планеты, астероиды, метеоры и луны предпочли лежать в плоскости, бесконечно кружа в двухмерном танце?
Подумайте о кольцах Сатурна, которые тоже похожи на диски. Даже пояс астероидов лежит в плоскости. Это тоже не странное исключение для нашей Солнечной системы; другие галактики на расстоянии миллиардов световых лет ориентированы аналогичным образом. Млечный Путь, наша родная галактика, представляет собой группу туманностей, звезд и скал, плоско подвешенных в космосе из-за взаимного гравитационного притяжения.
Истоки нашей солнечной системы
Мы можем проследить происхождение нашей Солнечной системы до огромной бесформенной «капли» материи, плавающей в космосе около 4,6 миллиарда лет назад.
Частицы в этой «капле» постепенно начали приближаться из-за гравитации, и всякий раз, когда есть несколько частиц и мощные гравитационные силы, также происходят столкновения. Эти столкновения и последующие траектории этих частиц случайны, поэтому их невозможно предсказать. Хотя эти объекты перемещаются случайным образом, единственное, что остается постоянным, — это сила, называемая «угловым моментом». Солнечная система сама по себе является изолированной системой. Галактика также является изолированной системой, поскольку гравитационное влияние других космических объектов незначительно.
В «изолированной системе» полный угловой момент должен быть сохранен.
Эта физическая величина постоянна вокруг фиксированной оси. Эта ось является точкой в двухмерном пространстве, а в нашем мире, который существует в трех измерениях, эта ось оказывается линией. Система вращается в плоскости, перпендикулярной оси. Следовательно, всякий раз, когда частицы сталкиваются, они могут двигаться в любом направлении, но все движения вверх и вниз компенсируются, всегда следуя правилу, согласно которому общий спин в этой плоскости должен быть постоянным. Со временем и после бесчисленных столкновений эти частицы теряют свободу во всем, кроме двухмерного пространства, тем самым выстраиваясь в плоскости.
Это очень удачно для нас, поскольку нам нужно, чтобы все эти частицы собрались вместе, чтобы могли родиться планеты и звезды. В противном случае был бы достигнут тот же результат, но на это ушло бы гораздо больше времени. Более того, с точки зрения космологических событий и любителей наблюдать за звездами, мы не будем испытывать затмения так часто из-за низкой вероятности линейного выравнивания между планетами в сферической системе.
Все еще не идеально
Наша Солнечная система на самом деле не идеальный самолет, но все еще находится на пути к идеальной стадии. Плутон на самом деле лежит под неудобным наклоном из-за его низкой гравитации и изолированной орбиты. Пояс астероидов в самых наклонных местах также наклонен примерно на 20 градусов от основной плоскости. Однако, если не считать этих немногих исключений, сила углового момента оставила планеты нашей солнечной системы в аккуратной и предсказуемой плоскости.
Ученые обнаружили в галактике множество солнечных систем, которые даже более плоские, чем наша, в то время как у некоторых других есть огромные различия между их идеальным и реальным планами. Эта вариация может быть связана с тем, что они относительно молоды или имели особенно жестокую историю.
Наши предки когда-то верили, что мир плоский; мало ли они знали, что единственная плоская вещь в Земле — это ее более крупное положение в океане звезд.
Почему скопления космических тел имеют форму, близкую к плоской?
Все планеты на своих орбитах находятся в состоянии «динамического равновесия» — притяжение Солнца равно центробежной силе. Но оказывается, ничто не мешает им собраться «на чаёк» в одной плоскости.
То же самое явление, по-видимому, определяет относительно плоскую форму галактик. Но в момент рождения галактика вовсе не обязана быть плоской. Постепенное преобразование формы галактики ко всё более плоской форме может говорить о её возрасте.
Почему наша планетная система плоская?
Перед тем, как отвечать на вопрос, поставленный в заголовке, полезно выяснить, как эта плоскость расположена относительно траектории Солнца при её движении вокруг центра нашей галактики. Когда меня заинтересовал этот вопрос, мне казалось само собой разумеющимся, что на это положение влияет центр галактики. Если бы плоскость солнечной системы была перпендикулярна этой траектории, или хотя бы лежала в одной плоскости с траекторией и направлением к центру галактики, тогда можно было бы искать объяснение во влиянии центра галактики на это положение. Но оказалось, что плоскость солнечной системы никак не связана с направлением к центру галактики.
Плоскость солнечной системы, похоже, расположена совершенно случайным образом относительно траектории её движения вокруг нашей галактики. Но, тем не менее, это должно быть каким-либо образом связано с силами тяготения. Что же могло быть той случайностью, которая определила положение плоскости системы планет? Ответ, казалось бы, известен и абсолютно очевиден. Это было определено направлением вращения того самого газопылевого облака, которое, как многие считают, положило начало нашей солнечной системе.
Но я искал не просто ответ, а ту силу, которая заботится о том, чтобы наша система планет оставалась плоской. Другими словами, причину устойчивости её плоской формы.
Со времени исчезновения газопылевого облака, если оно вообще было, прошло предположительно уже не менее 4-5 миллиардов лет. За это время через нашу систему планет пролетело множество нарушителей спокойствия и наверняка они должны были повлиять на положение той или иной планеты, выбив её из прежнего положения, соответствовавшего когда-то существовавшей оси вращения газопылевого облака. Да ведь и облачко это никак нельзя предполагать изначально похожим на блин, оно наверняка в начале начал имело три пространственных размера, и каждый из этих размеров соответствовал вполне космическим масштабам. Уже тогда что-то заставило это облачко постепенно принять форму блина, в плоскости которого и оказались все планеты солнечной системы.
Но исследовать историю газопылевого облака вряд ли стоит. Что сегодня заботится о том, чтобы наша система оставалась плоской? И если уж я пришёл к выводу о совершенно случайном положении плоскости системы планет, то что в ней является более случайным, чем положение Юпитера? Уж не он ли делает систему планет плоской?
После этой мысли сразу возник следующий рисунок. На нём большая окружность — это Солнце, средняя — Юпитер, а маленькая — наша Земля. Пунктирной линией обозначена плоскость траектории Юпитера. Стрелками показаны силы притяжения, действующие на Землю со стороны Солнца и Юпитера. Сразу видно, что где бы ни находилась на своей траектории Земля, на неё всегда будут действовать силы, направленные к плоскости орбиты Юпитера.
Конечно, справедливо и обратное: повсюду Юпитер будет притягиваться к плоскости вращения орбиты Земли. Но исход этого «противоборства» не вызывает сомнения.
Разумеется, плоскость нашей системы планет, прежде всего, определяется взаимодействием тяжёлых планет, например, Юпитера и Сатурна. Только после этого можно учитывать незначительную корректировку за счёт более мелких планет. Но, тем не менее, совершенно очевидно всеобщее “стремление” планет собраться в одной плоскости.
Если высказанная выше идея правильна, то положение плоскости нашей планетной системы могло многократно подвергаться воздействию различных межзвёздных странников и может уже давным-давно не соответствовать первоначальному вращению первородного пылевого облака.
Кроме того, должны наблюдаться (и наблюдаются) некоторые отклонения положения плоскостей орбит отдельных планет от среднего положения плоскости нашей солнечной системы.
Вторая моя мысль была о том, что эта проблема давным-давно решена и настолько незначительна, что об этом просто уже давно нигде не пишут. Именно эта мысль привела к тому, что я долго не публиковал эту простую идею [1]. Но вот недавно я на одном из сайтов нашёл статью с тем же самым названием, что и в заголовке моей статьи. Я надеялся найти в ней то же самое решение, или же, наоборот, аргументы, которые заставят меня отказаться от моего слишком простого решения проблемы. Вместо этого я нашёл следующее утверждение: «И уж тем более не в состоянии современная космология дать внятное и непротиворечивое объяснение того, почему орбиты всех планет Солнечной системы лежат в одной плоскости» [2].
Человек, столь уверенным тоном упрекающий современную космологию в неспособности решить эту проблему, должен знать, что говорит. Конечно, проблемы решает не сама космология, а отдельные её представители, пусть и не всегда по долгу службы. Я выражаю благодарность автору вышеназванной публикации [2]. Его уверенность в точном знании существующей ситуации заставила меня оформить статью [1] и представить её на суд читателей.
О возможном методе определения возраста галактик
Наверное, многие читатели уже заметили, что похожие доводы могут относиться не только к системе планет какой-либо звезды. Ещё когда я обратил внимание на то, что должна существовать какая-то сила, которая поддерживает систему планет плоской, меня прежде всего интересовало то, что и все галактики являются относительно плоскими. Но мне мешал написать об этом тот факт, что в некоторых из них, в том числе и в нашей галактике, содержатся шаровые скопления. А это в какой-то мере противоречит той мысли, которую мне хотелось дополнительно высказать. Мысль же моя заключалась в том, что мера уплощения галактики может говорить об её возрасте.
Чаще всего картины галактик представлены так, что об их толщине судить довольно трудно. Тем не менее видно, что все они более или менее плоские. Но небольшое их число показано так, что хочется сказать, что более тонкой галактика быть просто не может. Пожалуйста, взгляните на галактику под
названием Сомбреро. Более плоскую галактику найти, пожалуй, трудно. Но и наша галактика в достаточной мере плоская, хотя в ней и содержатся шаровые скопления звёзд.
Не может ли оказаться так, что чем старше галактика, тем более она плоская? Ну, это, конечно, в среднем. В любой, даже очень старой галактике может произойти некоторое событие, после чего она станет выглядеть не слишком плоской. Но как общая тенденция, такое могло бы быть возможным. Если пособирать факты в нужном направлении, эту идею вполне можно развить. Такая тема исследования может заинтересовать многих молодых астрономов или математиков.
Но я хотел бы их одновременно предупредить, что не надо слишком увлекаться этой проблемой и быть осторожным в выводах. Во всём нужно знать меру. Если вдруг окажется, что вы вычислите, что какая-то галактика во много раз старше, чем время, протекшее после Большого Взрыва, то нобелевской премии вам не видать. Догмы надо почитать, перед ними надо раскланиваться, и тогда всё будет в порядке. Вернуться к истинному мнению, которое у вас возникнет в результате исследования, вы можете и несколько позднее. Ведь после получения нобелевки у вас будет много времени на дополнительное обдумывание и перепроверку. Вы можете совершенно случайно обнаружить, что не там поставили запятую, и что действительно вышисленный вами возраст галактики в 10 или 100 раз больше. Согласитесь, что после получения нобелевки щелчок по носу догматиков будет во много раз более эффектным? А премию они отобрать уже не смогут.