Галактические нити вращаются – это знание меняет представления ученых о космосе
Галактики, как это может показаться, не были распределены по Вселенной случайным образом: большинство из них собрались в группы, которые и связали между собой галактические нити.
В прошлом году ученые изучили самую длинную из когда-либо обнаруженных нитей, протянувшуюся на 50 млн световых лет. А самая крупная космическая структура, когда-либо обнаруженная, — это так называемая Великая стена Геркулес – Корона Бореалиса, расположенная между созвездиями Геркулеса и Северная корона. Это чрезвычайно длинная галактическая нить размером более 10 млрд световых лет.
Согласно новому исследованию специалистов Потсдамского астрофизического института имени Лейбница (Германия), последнее, что стало известно об этих огромных волокнах, пересекающих всю Вселенную, — они вращаются. Исследователи нанесли на карту движение, которое происходит в галактиках, и обнаружили, что огромные космические волокна вращаются в масштабе сотен миллионов световых лет. И это стало неожиданностью для астрофизиков.
Астрономы ранее не видели вращения Вселенной в таких масштабах. Нам известно о вращении Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, о движении Солнца вокруг себя и центра Млечного Пути. Во Вселенной мы также наблюдаем, что все планеты вращаются вокруг своей оси, что звезды вращаются вокруг черных дыр, и что галактики также вращаются, образуя большие спиральные структуры. Но согласно статье, опубликованной в Nature Astronomy, гигантские галактические нити, в которых находятся два триллиона известных галактик, также вращаются.
Это означает, что угловой момент (момент вращения объекта) имеет место в бесконечно больших масштабах, а не только в масштабе планет, звезд, галактик, скоплений, галактических сверхскоплений и звездных скоплений. Возможно, что во Вселенной вращается вообще все.
Исследователи говорят, что генерация вращения является одной из ключевых загадок в изучении космоса. Вращение — это следствие эволюции Вселенной: его не было в ранней Вселенной, но оно возникло при формировании галактик, отметив всю их последующую эволюцию, согласно космологическим моделям.
Ученые отмечают, что космическая паутина в целом и галактические нити в частности тесно связаны с образованием и эволюцией галактик. Они также сильно влияют на движения галактик, могут регулировать их направление и движение гало темной материи.
Идея полного вращения Вселенной не нова, она продолжала развиваться с середины XX века. Было даже высказано предположение, что Вселенная возникла в результате углового движения, хотя происхождение вращения объектов, от звезд до галактик, пока остается вопросом без ответа. В настоящее время нет единого мнения о том, вращается ли вся Вселенная или нет, но открытие вращения космических нитей подтверждает эту гипотезу.
Великий аттрактор. Что находится в точке, вокруг которой вращается наша галактика
Но для начала, давайте вспомним, как работает гравитация.
Но в быту и даже в физических расчетах эта модель часто упрощается. Поэтому мы говорим, что Земля нас притягивает. Хотя и наша масса влияет на Землю.
Строго говоря, Земля и другие планеты не вращаются вокруг Солнца. Просто в Солнечной системе существует центр масс, вокруг которого вращаются Солнце и все планеты.
Но так как масса Солнца составляет 99,86% массы Солнечной системы, то этой условностью в расчетах обычно пренебрегают. Да и сам центр масс Солнечной системы находится внутри Солнца, только не в центре.
Великий аттрактор. Что это такое и где он находится
Великий аттрактор имеет массу, в тысячи раз превышающую массу нашей галактики. И он является центром притяжения для Млечного пути и других галактик вокруг.
Астрофизики полагают, что этот объект представляет собой сверхскопление галактик.
Великий аттрактор не так уж велик
В юности я был крепким парнем. Даже по меркам супертяжей. И когда я занимался боксом часто полагался на свои габариты. В ущерб технике. И тренер всегда мне говорил:
-На любую силу найдется еще большая сила!
И тренер был прав. Когда я пытался покорять все новые и новые вершины, там было полно и сильных и высоких. И приходилось быть гибким. Менять тактику и достигать успеха за счет техники.
Как подсчитали астрономы Гавайского университета, вклад Великого аттрактора в движение нашей галактики составляет 44%. А больший вклад оказывает именно сверхскопление Шепли.
Какие последствия этих сверхскоплений для нашей галактики
Из-за Великого аттрактора и сверхскопления Шепли наш Млечный путь и ближайшие к нам галактики движутся с огромными скоростями.
И, к примеру, наш Млечный путь летит прямо навстречу галактике Андромеды, которая в три раза крупнее нашей.
Примерно так может выглядеть ночное небо с Земли через 2 млрд лет. В нем появится яркая галактика Андромеды.
Ориентировочно, через 4 млрд лет наши галактики столкнутся. И, вероятнее всего, из двух галактик возникнет новая, более крупная галактика.
Перед человечеством задолго до этого возникнут задачи и поважнее. К тому моменту активность Солнца сделает жизнь на Земле невозможной. Так что у нас есть в запасе примерно миллиард лет, чтобы провести космическую экспансию и освоить, наконец, другие звездные системы. И не только в кино, а на самом деле.
Почему вертится Земля и другие космические объекты?
Каждый день Земля делает один оборот вокруг своей оси, вот почему на нашей планете существуют восходы и закаты. Наш каменистый космический дом вертится с тех самых пор, как сформировался 4,6 миллиардов лет назад и будет продолжать вращаться до конца времен, которые, вероятно, наступят после того как Солнце превратится в красного гиганта и поглотит ближайшие планеты. Но когда наша Солнечная система только родилась, все обломки ранней звездной системы вращались вокруг Солнца примерно в одном и том же направлении. Сталкиваясь, обломки также вращали Землю и почти все остальные объекты в Солнечной системе – в этом направлении. Но почему все космические объекты вообще вращаются?
Все объекты во Вселенной вращаются
Как сформировалась Земля и Солнечная система?
Наша планета образовалась из диска газа и пыли, который вращался вокруг новорожденного Солнца. Кусочки пыли и камней в процессе вращения слиплись вместе, формируя планету. По мере ее роста камни продолжали сталкиваться с зарождающейся Землей, тем самым создавая силы, заставляющие ее вращаться. Еще больше интересных статей о Солнечной системе и ее планетах читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Солнце и Солнечная система образовались, когда облако пыли и газа обрушилось из-за собственного веса. Большая часть газа конденсировалась, чтобы стать Солнцем, в то время как оставшийся материал уходил в окружающий планетообразующий диск. Перед тем как коллапсировать, молекулы газа и частицы пыли двигались повсюду, но в какой-то момент некоторые из них немного сдвинулись в одном определенном направлении, приводя в движение его спин. Когда газовое облако коллапсировало, его вращение ускорилось – точно так же фигуристы начинают вращаться быстрее, поджимая руки и ноги.
Формирование Солнечной системы масштабное и красочное событие
Поскольку в космосе не так уж много места, чтобы замедлить ход событий, как только что-то начинает вращаться, оно обычно продолжает движение. У вращающейся ранней Солнечной системы в этом случае было много того, что называется угловым моментом – величиной, которая описывает тенденцию объекта продолжать вращение. В результате, после рождения Солнечной системы, все планеты, вероятно, вращались в одном и том же направлении. А о том, что ждет Солнце в будущем, я писала в предыдущей статье.
Как вращаются планеты Солнечной системы?
Но сегодня у некоторых планет свой собственный спин в движении. Так, Венера вращается в противоположном направлении, как и Земля, а ось вращения Урана и вовсе наклонена на 90 градусов. Ученые не совсем понимают, почему эти планеты такие, но кое-какие идеи у них есть.
Столкновение Венеры с обломками, возможно, привело к тому, что она стала вращаться в другую сторону. Но есть и другая теория – согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Nature в 2001 году, гравитационное взаимодействие с Солнцем наряду с другими факторами могло привести к замедлению и обратному вращению Венеры. В случае с Ураном исследователи предположили, что столкновения, а точнее одно крупное происшествие с участием нескольких объектов могло привести к вращению планеты в другую сторону.
На изображении симуляция вращения объектов во время формирования Солнечной системы
Вращение – это фундаментальное поведение объектов во Вселенной. Все в пространстве вращается в том или ином направлении.
Астероиды вращаются. Звезды вращаются. Галактики вращаются – по данным NASA, Солнечной системе нужно 230 миллионов лет, чтобы завершить один оборот вокруг Млечного Пути. Но одними из самых быстрых объектов во Вселенной являются пульсары – плотные вращающиеся объекты, которые по сути являются мертвыми массивными звездами. Существуют пульсары, которые могут вращаться сотни раз в секунду. Самый быстрый из известных науке был обнаружен в 2006 году и получил название Terzan 5ad. Он вращается 716 раз в секунду.
Наша Солнечная система – ничем не примечательна по меркам Вселенной
Как пишет Live Science, черные дыры могут быть еще быстрее. Одна из них, согласно результатам исследования 2006 года, под названием GRS 1915+105 вращается где-то от 920 до 1150 раз в секунду! Можете себе представить?
Но все космические объекты – отнюдь не вечный двигатель – они замедляются. Когда Солнце сформировалось, оно вращалось вокруг своей оси каждые четыре дня, в то время как сегодня на один оборот уходит около 25 дней. Исследователи полагают, что его магнитное поле взаимодействует с солнечным ветром, что и замедляет его вращение. Более того, вращение Земли тоже замедляется. Гравитация Луны притягивает Землю таким образом, что слегка замедляет ее движение. А проведенное в 2016 году исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the Royal Society A, показало, что за столетие вращение Земли замедлилось на 1,78 миллисекунды. Как ни крути, Вселенная очень странная.
Как Земля движется в космосе? Теперь мы знаем это во всех масштабах
Спросите у учёного наш космический адрес, и вы получите довольно полный ответ. Мы находимся на планете Земля, которая вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Солнце вращается по траектории эллипса вокруг центра Млечного Пути, который внутри нашей Местной группы тянется в сторону Андромеды; Местная группа, в свою очередь, движется внутри нашего космического Сверхскопления Ланиакея, галактическими группами, кластерами и космическими пустотами, а они лежат в войде KBC, посреди структуры Вселенной в широком масштабе. После десятилетий исследований наука наконец-то собрала полную картину этого движения и может точно определить скорость нашего движения в космосе в любом масштабе.
В пределах Солнечной системы вращение Земли играет важную роль в формировании экваториального утолщения, в смене дня и ночи, а также помогает питать защищающее нас от космических лучей и солнечного ветра магнитное поле.
Скорее всего, читая это, вы воспринимаете себя неподвижными. Тем не менее мы знаем, что в космическом масштабе мы движемся. Во-первых, Земля вращается вокруг своей оси и несёт нас сквозь космос со скоростью почти 1700 км/ч относительно кого-то на экваторе. Это число может показаться большим, но по сравнению с другими скоростями нашего движения во Вселенной эта скорость едва заметна. На самом деле в километрах в секунду это не так быстро. Вращаясь вокруг своей оси, Земля сообщает нам скорость всего 0,5 км/с, или менее 0,001 % скорости света. Но есть другие перемещения, и они [в смысле скорости] важнее.
Скорость, с которой планеты вращаются вокруг Солнца, намного превышает скорость вращения любой из них вокруг своей оси, это касается даже самых быстрых планет — Юпитера и Сатурна.
Как и все планеты нашей Солнечной системы, Земля движется по орбите Солнца гораздо быстрее скорости вращения вокруг своей оси. Чтобы удержаться на стабильной орбите, мы должны двигаться вправо и со скоростью около 30 км/с. Внутренние планеты — Меркурий и Венера — движутся быстрее, а внешние (вроде Марса и планет за ним) — медленнее. Вращаясь в плоскости Солнечной системы, планеты непрерывно меняют направление своего движения, и Земля возвращается в свою исходную точку через 365 дней. Ну хорошо, почти в исходную точку.
Точная модель движения планет по орбите Солнца, которое движется по Галактике в другом направлении.
Даже Солнце само по себе не статично. Млечный Путь огромен, массивен, и, самое важное, он движется. Все звёзды, планеты, газовые облака, крупицы пыли, чёрные дыры, тёмная материя и многое движутся внутри Млечного Пути и вносят свой вклад в гравитационную сеть. С нашей точки зрения, а мы находимся в около 25 000 световых лет от центра Галактики, Солнце вращается по эллипсу и совершает полный оборот каждые 220–250 миллионов лет или около того.
Предполагается, что скорость нашего Солнца на этой траектории составляет 200–220 км/с, это довольно много по сравнению как со скоростью вращения Земли, так и со скоростью вращения нашей планеты вокруг Солнца, тогда как оба вращения наклонены относительно плоскости движения нашей звезды вокруг Галактики.
Хотя орбиты Солнца в плоскости Млечного Пути находятся на расстоянии около 25000–27000 световых лет от центра, орбитальные направления планет нашей Солнечной системы совсем не выровнены относительно Галактики.
Но сама Галактика не стационарна, она движется из-за гравитационного притяжения всех сгустков сверхплотной материи и, в равной степени, из-за отсутствия гравитационного притяжения от областей с плотностью ниже средней. Внутри нашей Местной группы мы можем измерить нашу скорость в направлении к самой большой, массивной галактики на нашем космическом заднем дворе: Андромеде. Похоже, что оно движется к нашему Солнцу со скоростью 301 км/с, а это означает (учитывая движение Солнца по Млечному Пути), что две самые массивные галактики Местной группы, Андромеда и Млечный Путь, движутся навстречу друг другу со скоростью примерно 109 км/с.
Самая большая галактика в Местной группе, Андромеда, кажется маленькой и незначительной рядом с Млечным Путём, но это из-за её расстояния, составляющего около двух с половиной миллионов световых лет. В настоящий момент она движется к нашему Солнцу со скоростью около 300 км/с.
Местная группа, как бы массивна она ни была, изолирована не полностью. Другие галактики и скопления галактик поблизости притягивают нас, и даже более отдалённые сгустки материи оказывают гравитационное воздействие на Землю. Основываясь на том, что мы можем увидеть, измерить и вычислить, эти структуры, по-видимому, – причина дополнительной скорости примерно в 300 км/с, но в несколько ином направлении, чем другие скорости, вместе взятые. И это объясняет часть движения во Вселенной в крупном масштабе, но не всё движение. Кроме того, существует ещё один важный эффект, который был количественно рассчитан только недавно, — гравитационное отталкивание космических пустот.
Различные галактики Сверхскопления Девы, кластеризованные и сгруппированные вместе. В самых больших масштабах Вселенная однородна, но если вы посмотрите на неё в масштабе галактик или скоплений, то окажется, что преобладают сверхплотные области и области с плотностью ниже средней.
Для каждого атома или частицы материи во Вселенной, которые собираются в сверхплотной области, существует область некогда средней плотности, потерявшая соответствующее количество массы. Точно так же, как область плотнее средней притягивает, область, плотность которой ниже средней, будет притягивать с силой ниже средней.
Если взять большую область пространства с меньшим, чем в среднем, количеством материи, на практике её сила будет отталкивать, а плотность выше средней, напротив, — притягивать. В нашей Вселенной в направлении, противоположном от ближайшей области сверхплотности, пролегает огромная пустота с плотностью ниже средней. Мы находимся между этими двумя областями, поэтому силы притяжения и отталкивания складываются, причём каждая из них вносит в скорость примерно 300 км/с, то есть общая скорость приближается к 600 км/с.
Гравитационное притяжение (синим цветом) сверхплотных областей и относительное отталкивание (красным цветом) областей с плотностью ниже средней, когда они действуют на Млечный Путь.
Сложив все эти движения вместе: вращение Земли вокруг своей оси, её вращение вокруг Солнца, движение Солнца по Галактике, которая направляется к Туманности Андромеды, движение Местной группы, притягиваемой к области сверхплотности и отталкиваемой от областей с плотностью ниже средней, мы получим число, указывающее, как быстро на самом деле мы движемся во Вселенной, в любой момент времени.
Мы обнаружили, что Земля движется со скоростью 360 км/с в каком-то определённом направлении плюс-минус около 30 км/ч в зависимости от времени года и направления. Выводы о скорости Земли подтверждены реликтовым излучением, которое в направлении движения планеты проявляется лучше, а в противоположном направлении — ослабевает.
Остаточное свечение от Большого взрыва на 3,36 милликельвина горячее средней температуры в одном направлении (красном) и на 3,36 милликельвина холоднее средней температуры в другом направлении (синем). Это происходит благодаря движению в пространстве в целом.
Если проигнорировать движение Земли, мы обнаружим, что Солнце относительно реликтового излучения движется со скоростью 368 ± 2 километра, затем, если пренебречь движением Местной группы, получится, что Млечный Путь, Андромеда, Галактика Треугольника и все остальные относительно реликтового излучения движутся со скоростью 622 ± 22 км. Эта большая неопределённость, кстати, в основном связана с неопределённостью в движении Солнца вокруг центра Галактики, это самый трудный в смысле измерения компонент.
Относительные притягивающие и отталкивающие эффекты сверхплотных и недостаточно плотных областей Млечного Пути, комбинация которых известна как Дипольный отталкиватель.
Возможно, не существует универсальной системы отсчёта, но есть система, измерения в которой полезны: полезен отсчёт от покоя реликтового излучения, также эта точка отсчёта совпадает с системой отсчёта удаления галактик друг от друга по закону Хаббла. У каждой видимой галактики есть то, что мы называем «пекулярной скоростью» (или скоростью, превышающей скорость, с которой галактики удаляются друг от друга согласно закону Хаббла), — от нескольких сотен до нескольких тысяч км/с, и то, что мы видим, в точности соответствует этому. Пекулярная скорость движения нашего Солнца — 368 км/с, а нашей Местной группы — 627 км/с — прекрасно согласуется с нашим пониманием того, как в пространстве движутся все галактики. Благодаря эффекту дипольного отталкивания теперь мы понимаем, как происходит это движение, во всех масштабах.
В постижении тайн космоса людям точно не обойтись без помощников и именно таким компаньоном может для нас стать искусственный интеллект. Если AI изначально создали для облегчения жизни на Земле, почему бы с его помощью не исследовать космос? Многие компании, включая NASA и Google, уже внедрили ИИ для поиска новых небесных тел и жизни на других планетах и всегда будут рады специалистам в области AI и нейронных сетей. Работать с которыми мы учим на курсах по Machine Learning и его расширенном варианте «Machine Learning и Deep Learning».
На Земле тоже много работы. Узнайте, как прокачаться в других крутых инженерных специальностях или освоить их с нуля:
Галилей был неправ. Земля не вращается вокруг Солнца. Она вращается вокруг вас, уже десятки лет. По крайней мере, по вашему собственному представлению.
Где Солнце и планеты приобрели угловой момент, который привёл к их вращению? Я не говорю про орбиты, а про вращение вокруг осей. Я понимаю аналогию с фигуристом, в которой распростёртые руки увеличивают вращение из-за сохранения углового момента. Но фигурист сам закручивает себя. Если фигурист стоит на месте, он может вытягивать и поджимать руки, но вращаться от этого он не начнёт.
Когда планеты и солнце начали образовываться, как они получили изначальный момент вращения?
Легко заставить что-либо вращаться быстрее, если оно уже вращается – нужно лишь поменять момент инерции. А что такое момент инерции?
Вспомним второй закон Ньютона – сила равна произведению массы на ускорение, F = ma. Точнее сказать, что сила изменяет свойство тела под названием импульс. Если вы приложите к массе внешнюю силу, её импульс, то есть то, как она движется, изменится. Если известна сила, то известно, как именно изменится импульс. А если вы не прикладываете внешнюю силу к объекту, то его импульс не может меняться.
И если бы во всей вселенной всё состояло из точечных масс, расположенных на одной линии, то ничего бы и не возникло. Но в нашей Вселенной двигающиеся массы распределены в нескольких измерениях.
А в этом случае у системы есть не только импульс, но и угловой момент. Импульс изменяется в зависимости от массы, а угловой момент меняется в зависимости от комбинации массы и её распределения. Эта комбинация и составляет момент инерции. Поэтому второй закон Ньютона говорит о том, как объекты изменяют свой импульс (как массы меняют скорость), и есть эквивалентный закон, относящийся к тому, как объекты меняют свой угловой момент, или как момент инерции испытывает изменения в скорости вращения.
Примером служит то, как фигурист, подтягивая руки и ноги, начинает быстрее вращаться. Когда его масса распределяется ближе к оси вращения, и момент инерции уменьшается, скорость вращения увеличивается для компенсации. Если ваши масса и её распределение изменяются, то скорость вращения изменяется в обратную сторону для компенсации. Но так же, как вы можете изменить импульс системы, прилагая внешнюю силу, вы можете изменить угловой момент системы, применяя внешний крутящий момент.
Крутящий момент – сила, прилагаемая таким образом, что она меняет вращение объекта.
Дальше – интереснее. Каждая звёздная система во Вселенной начиналась с облака газа и пыли. Эта облака могут быть в сотни или миллионы раз массивнее нашего Солнца, но изначально они очень рассеянные, и распространяются на многие сотни или тысячи световых лет. Если у этих облаков есть какое-либо вращение, то его сложно обнаружить, так как для завершения даже одного оборота им потребуется миллиарды лет.
Но газовые облака существуют не в изоляции. Вокруг них существует вся остальная материя и энергия Вселенной, подверженная гравитации. И когда две массы во Вселенной двигаются друг относительно друга, но не двигаются точно друг к другу или друг от друга, гравитационная сила, испускаемая ими, создаёт крутящий момент.
Этот феномен известен как приливное ускорение, и впервые был понят Джимом Пиблзом (куратором моего куратора) в 1976 году. (Так что ваш вопрос попал по адресу!). Поэтому каждая масса, существующая во Вселенной, родилась она с угловым моментом, или нет, получила таковой, спустя 13,8 миллиардов лет. Это включает все облака газа, в том числе и то, из которого родилась наша Солнечная система. Можно разбивать эти газовые облака и далее, по участкам, из которых создаются отдельные звёзды и системы.
Все они, превратившись в звезду или систему, будут распределены как трёхосевые эллипсоиды. Проще говоря, типа как сферы, но только если нарисовать внутри них три перпендикулярные оси, допустим, X, Y, Z, то одна из осей будет короче остальных. Когда система сжимается под воздействием гравитации, она быстрее всего сожмётся вдоль самой короткой из осей, а поскольку обыкновенная материя взаимодействует сама с собой, то она расплющится, как блин. Эти образования называют «блины Зельдовича», по имени советского физика, работавшего над теориями образования звёзд.
Ну а по двум остальным осям вы получите что-то вроде диска, который в целом будет вращаться так, как указывает угловой момент. Поэтому в нашей Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении – против часовой стрелки, если смотреть вниз с северного полюса Солнца, Солнце вращается в том же направлении, почти все луны вращаются вокруг своих планет в том же направлении, и почти все планеты вращаются вокруг своих осей в том же направлении.
Есть только два больших исключения: Венера, которая вращается очень медленно, но в противоположном направлении, и Уран, который вращается на боку. Считается, что обе планеты испытали изменение углового момента из-за вмешательства постороннего тела. То есть, их вращение было изменено внешним вращательным моментом.
Вот поэтому планеты, луны, звёзды и звёздные системы вращаются.
Скорость, с которой планеты вращаются вокруг Солнца, намного превышает скорость вращения любой из них вокруг своей оси, это касается даже самых быстрых планет — Юпитера и Сатурна.
Хотя орбиты Солнца в плоскости Млечного Пути находятся на расстоянии около 25000–27000 световых лет от центра, орбитальные направления планет нашей Солнечной системы совсем не выровнены относительно Галактики.
Остаточное свечение от Большого взрыва на 3,36 милликельвина горячее средней температуры в одном направлении (красном) и на 3,36 милликельвина холоднее средней температуры в другом направлении (синем). Это происходит благодаря движению в пространстве в целом.
