Галактики, как и звёзды, образовывают группы и скопления различной численности. Однако лишь сравнительно малая доля звёзд входит в состав рассеянных скоплений, шаровых скоплений или звёздных ассоциаций, а подавляющая масса является просто звёздами общего поля Галактики. Большинство галактик является членами групп или скоплений галактик и только незначительная часть располагается вне групп и скоплений в общем поле Метагалактики.

     Группы  галактик содержат десятки членов. Например, наша Галактика входит в состав группы ближайших к нам галактик, состоящей из более чем 20 членов. Эта группа образует так называемую Местную систему. В свою очередь Местная система входит в состав скопления, центр которого находится в той части неба, на которую проектируется созвездие Девы. Скопления, как правило, насчитывают сотни и даже тысячи членов. Одно из самых больших скоплений в созвездии Волосы Вероники содержит около десяти тысяч галактик. Оно имеет почти сферическую форму и его радиус составляет примерно 4 мегапарсек (Мпк).

     Следует обратить внимание на разницу между скоплениями звёзд, образующими галактики, и скоплениями галактик. Расстояние между членами звёздного скопления огромны по сравнению с размерами звёзд. Расстояния между членами скопления галактик всего лишь в несколько раз больше, чем размеры галактик.

     Наблюдения  на больших инструментах показали, что скопления и группы скоплений, в свою очередь, распределены далеко не случайным образом. Так, Местная система, в которую входят наша Галактика и туманность Андромеды, образует вместе с другими близкими группами галактик систему, названную Местным сверхскоплением. В Метагалактике имеются и другие сверхскопления. Их средний размер составляет 20–30 Мпк.

     В последние годы обнаружено, что многие богатые скопления галактик содержат значительные количества горячего ионизированного газа, являющегося источником мощного рентгеновского излучения. Открытие протяжённых источников рентгеновского излучения, отождествлённых со скоплениями галактик, явилось выдающимся достижением рентгеновской астрономии последних лет. Самыми мощными из них являются скопления Волосы Вероники, Персея и Девы. Характерные размеры протяжённых источников составляют 0,1–1 Мпк, а их светимость лежит в пределах 10 ⁴³–10 ⁴⁵ эрг/с. Детальное исследование их спектров показало, что источником излучения является горячий газ с температурой 10 ⁷–10 ⁸ К, захваченный гравитационным полем скопления. Масса такого газа в ряде скоплений сравнима с суммарной массой галактик.

     Обнаружена  замечательная особенность скоплений  галактик: для многих из них масса, определённая по скоростям собственного движения галактик в скоплении, оказывается заметно больше массы, определённой по общей светимости галактик. Первый способ нахождения массы основан на предположении, что скопления представляют собой стационарные гравитационно-связанные системы. Полная механическая энергия каждой такой системы должна быть отрицательной, причём кинетическая энергия должна составлять (в среднем по времени) половину модуля гравитационной потенциальной энергии, то есть

E_кин = 0,5 | E_грав |.     (1)

     Это соотношение представляет собой  так называемую теорему вириала  классической механики. Она получается как прямое следствие уравнений движения при общей стационарности системы. Например, для частицы с массой m, обращающейся по стационарной круговой орбите вокруг центрального тела с массой M такой, что M > m, скорость движения V определяется из условия равенства (по модулю) центробежной F_ц и гравитационной F_грав сил (рис. 2):

F_ц =mV ² /r , F_грав =GMm/r ² ,     (2)

где r — радиус орбиты. Полагая, что F_ц = F_грав , имеем

V ² = GM /r ,     (3)

то есть

E_кин=mV ² / 2 = GMm / (2r).     (4)

     Легко провести доказательство и для любой системы, состоящей из произвольного числа частиц. Если размер скопления R и дисперсия скоростей галактик V известны, то по формуле (2) можно оценить так называемую вириальную массу скопления:

M_VT ≈ RV ² / G .     (5)

     Другой  способ определения массы состоит  в том, что полную наблюдаемую светимость скопления умножают на некоторое число, принимаемое за стандартное для отношения масса/светимость галактики, найденное независимо для отдельных галактик. Это последнее отношение различно для галактик разных типов, но если известно, что в данном скоплении преобладают галактики какого-то определённого типа, то суммарную массу этих галактик M_L можно таким способом действительно оценить. Оказывается, суммарная масса галактик скопления почти всегда меньше вириальной массы скопления: M_L > M_VT .

     Это обстоятельство (его называют вириальным парадоксом) было установлено Ф. Цвикки (Швейцария) в 30-е годы. Результаты новых детальных исследований подтверждают этот парадокс.

     Вириальный  парадокс исчезает, если скопления не являются стационарными системами, тогда к ним нельзя применять вириальную теорему. Однако если они всё же стационарны, то для его разрешения следует предположить наличие в скоплениях значительных масс тёмного, не светящегося вещества (скрытой массы) помимо вещества самих галактик, причём эта скрытая масса должна быть в 3–10 раз больше общей массы галактик в скоплениях. В пользу второй возможности имеется ряд серьёзных аргументов.

     Иерархия  космических структур обрывается на скоплениях и сверхскоплениях. В различных областях Метагалактики, имеющих размер 100–300 Мпк и более и содержащих много галактик и скоплений, средняя плотность видимого вещества галактик оказывается одинаковой, где бы не находились эти области. Эта плотность составляет ρ ≈ 3 × 10 ^–31 г / см ³ . С учётом скрытых масс эта величина возрастает примерно втрое.

     Тот факт, что средняя плотность в различных областях пространства одинакова, означает однородность Метагалактики, если рассматривать её в большом масштабе, превосходящем размер ячейки неоднородности (100–300 Мпк). Это одно из фундаментальных свойств окружающей нас Вселенной, размеры которой достигают почти 1500 Мпк.

     Другим  фундаментальным свойством Вселенной  является нестационарность. Наблюдения показывают, что галактики и скопления галактик, разделённые расстояниями, превосходящими размер ячейки неоднородности, удаляются друг от друга. Этот факт был установлен благодаря измерению лучевых скоростей галактик.

     Первое  успешное определение лучевой скорости галактики по наблюдению доплеровского смещения её спектральных линий было выполнено в 1912 году В.М. Слайфером в обсерватории Ловелла (США). Он нашёл, что одна из галактик в созвездии Андромеды приближается к Земле со скоростью около 200 км/с. Это удивительный результат, если вспомнить, что большинство звёзд движется со скоростями не более 50 км/с. Изучая спектры других галактик, Слайфер нашёл, что для большинства из них характерно красное смещение линий, то есть в отличие от галактики в Андромеде эти галактики не приближаются, а удаляются с относительно большими скоростями. К 1914 году Слайфер измерил спектры 13 галактик; все они, за исключением двух, удалялись со скоростями около 300 км/с.

     Значение  результатов Слайфера прояснилось  в дальнейшем благодаря важному открытию Э.П.Хаббла (США), который показал, что скорости удаления галактик отнюдь не случайны. Исходя из измеренных им расстояний до спиральных галактик, Хаббл в 1929 году установил, что вплоть до расстояний в 6 млн световых лет скорости галактик V пропорциональны расстояниям R до них: V = HR. Коэффициент пропорциональности H, названный фактором (или постоянной) Хаббла, измерен с не очень высокой точностью: H = 50–100 (км/с)/Мпк. Наиболее вероятным считается значение H = 75 (км/с)/Мпк.

     Величину, обратную постоянной Хаббла, можно рассматривать как возраст нашей Метагалактики: T = H ^–1 = 2×10 ¹⁰ лет. Величина H не зависит от направления, а это означает, что Метагалактика не только однородна, но и изотропна.

     Данные  о распределении и движении галактик до недавнего времени были единственным источником сведений о Метагалактике. В 1965 году было открыто электромагнитное излучение, однородно заполняющее Метагалактику и приходящее равномерно со всех сторон. Измерения интенсивности этого излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 20 см показали, что оно равновесно, то есть имеет планковский спектр с температурой T = 2,7 K. В указанной области длин волн изотропия этого излучения установлена с точностью до десятой доли процента, что значительно превышает точность, с которой установлена изотропия постоянной Хаббла (~20%).

     Разлёт  галактик свидетельствует, что наша Метагалактика расширяется. Будет ли наша Метагалактика расширяться неограниченно или её расширение сменится сжатием? Ответ на этот вопрос зависит от того, каково значение плотности вещества в Метагалактике в настоящее время. При малой плотности Метагалактика будет неограниченно расширяться, а при большой — расширение сменится сжатием из-за действия сил гравитации. Существует критическое значение плотности вещества ρ_крит , отделяющее один случай от другого. Известно, что вторая космическая скорость для шара с массой M записывается следующим образом:

V = (2GM / R) ^1/2 .     (6)

Подставляя  в (6) выражение для массы

M = 4π / 3 ρR ³,

а вместо скорости — выражение V = HR, находим

HR = (8πG / 3 ρR ² ) ^1/2 ,

или, выражая  отсюда плотность ρ_крит:

ρ_крит =3H ² / (8πG),     (7)

то есть критическое значение средней плотности в Метагалактике зависит от постоянной Хаббла H. При значении постоянной H = 75 (км/с)/Мпк получаем, что ρ_крит ≈ 10 ^–29 г / см ³. Для вещества, входящего в галактики, усреднённая плотность составляет около 3 × 10 ^–31 г / см ³, то есть много меньше критической. Учёт скрытой массы позволяет увеличить эту оценку.

Природа «скрытой массы»

     Галактики в скоплениях двигаются слишком быстро, и при этом скопления не распадаются. Звёзды, расположенные на краях спиральных галактик, вращаются вокруг них быстрее, чем предсказывает теория, и при этом не улетают прочь. Запасы невидимого вещества с его дополнительной гравитацией удерживают эти галактики и звёзды в равновесии. Поскольку все тела — от протонов до планет — участвуют в гравитационном взаимодействии, тёмное вещество теоретически может состоять из чего угодно. Многие астрономы поддерживают мысль о том, что тёмное вещество состоит из более или менее обычного вещества — множества слабо светящихся коричневых карликов или, возможно, тёмных планет типа Юпитера (см. табл. 1).