Основные космологические и космогонические представления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Основные космологические и космогонические представления

Основные представления о мегамире

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что он начинается с расстояний около 10⁷ и масс 10²⁰ кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28Ч10⁺⁷ м, масса 6Ч10²¹ кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.) - среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5Ч10¹¹м.

Световой год - расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46Ч10¹⁵м.

Парсек (параллакс-секунда) - расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08Ч10¹⁶ м = 3,26 св. г.

Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу - Млечного Пути.

Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 14 млрд. лет. Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, Земли - 4,5 млрд. лет.

Солнечная система

Девять планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить на две группы: планеты Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Особняком стоит последняя планета - Плутон. Считается, что диаметр Солнечной системы равен приблизительно 6Ч10¹⁶ м: на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.

Планеты Земной группы. Планеты Земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных суток, на Венере - 243 дня). Ось вращения Венеры наклонена в другую сторону, и вращается Венера в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. У этих планет мало спутников (у Меркурия и Венеры нет, у Земли - один, у Марса - два совсем небольших). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО_2, что приводит к сильному парниковому эффекту (температура на поверхности Венеры достигает 500^О)_. Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Атмосфера Марса состоит в основном из CО₂, однако она сильно разрежена (давление в 150 раз меньше, чем давление на поверхности Земли).

Поверхность планет Земной группы твердая, гористая, она хорошо изучена благодаря автоматическим станциям, пролетавшим вблизи планет или даже садившимся на поверхности Марса и Венеры. Следует отметить, что в Солнечной Системе лишь планеты Земной группы имеют твердую поверхность. Химический состав планет Земной группы приблизительно одинаков. Они, в основном, состоят из соединений кремния и железа. В небольшом количестве присутствуют и другие элементы.

Более или менее одинаково и строение планет земной группы. В центре планет есть железные ядра разной массы. У Меркурия, Земли, Марса часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который называют мантией. Тонкий слой над мантией называется корой. У этих планет есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряженности.

Земля движется по орбите со скоростью 30 км/с. Ее орбита незначительно отличается от круговой. В течение 24 часов Земля делает полный оборот вокруг своей оси, которая наклонена к плоскости орбиты под углом 66^О34''.За счет этого наклона и происходит смена времен года. Земля сплюснута у полюсов, таким образом, ее форма близка к эллипсоиду вращения.

Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов поясом астероидов - малых планет. Самая крупная из них - Церера, была открыта первой, в начале 19 века. Сейчас зарегистрировано более 5500 малых планет. Все они движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, однако их орбиты вытянуты значительно сильнее.

Планеты-гиганты. Планеты-гиганты располагаются за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самый легкий гигант - Уран - в 14,5 раза массивнее Земли. Их особенность - большие размеры и масса. Например, радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в 318 раз больше земной. Юпитер - несостоявшаяся звезда. Ему совсем немного не хватило массы. Планеты-гиганты имеют малую плотность, самая низкая плотность у Сатурна: 0,7Ч10³ кг/м³ (ср. у Земли - 5,5Ч10³ кг/м³). В среднем плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.

У планет-гигантов нет твердой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние.

Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причем, они вращаются как бы слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а самое медленное вращение присуще околополярным областям. Такое необычное вращение обусловлено тем, что, как уже было сказано выше, планеты-гиганты - это жидкие планеты. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями с периодом 25-35 суток.

Сами гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико. Газообразная атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. По-видимому, в недрах планет-гигантов, где давление и температура очень высокие, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем. Магнитные поля планет-гигантов превосходят магнитные поля планет земной группы.

Планеты-гиганты окружены естественными спутниками. У Сатурна открыто 18 спутников, у Урана - 21, у Юпитера - 17, у Нептуна - 8.

Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца - скопления мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиболее крупными обладает Сатурн - они были обнаружены еще в 17 в. галактика солнце планета вселенная

Малые планеты и кометы. Между орбитами Юпитера и Сатурна проходят орбиты тысяч небольших (в среднем, несколько километров) и немассивных тел, именуемых астероидами. Эти тела, называемые также малыми планетами, не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики, их орбиты заметно вытянуты. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении. За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние наблюдения, тоже находится пояс астероидов.

1. Основная масса системы сосредоточена в Солнце - 99,8%, а основной момент количества движения - 98,5% принадлежит планетам.

2. Плоскости орбит всех планет практически совпадают - плоскость эклиптики

3. Все планеты, за исключением Венеры, и почти все спутники планет вращаются вокруг своей оси в одном направлении, совпадающем с направлением их движения по орбите.

4. Эллиптические орбиты планет очень близки к окружностям.

5. Планеты делятся на 2 группы - Земная группа и планеты-гиганты. В земной группе много тяжелых элементов, гиганты состоят из легких газов: Юпитер на 70% состоит из водорода - несостоявшаяся звезда.

Гипотеза Канта-Лапласа. Кант предположил, что Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса» посредством гравитационной аккреции. Формируясь из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежными силами. У Канта, таким образом, образование планет происходило из холодного газопылевого облака.

Идею Канта поддержал Лаплас, однако, согласно его гипотезе планеты образовались в результате отделения от раскаленного протосолнца газовых колец, их охлаждения и конденсации. Кольца разделялись на несколько масс, образовавших затем разные планеты. Опыт Плато - вращающаяся капля масла в стакане воды и спирта отделяет от себя кольца, впоследствии формирующие вращающиеся капли.

Эта гипотеза получила название небулярной (от лат nebula - туманность) гипотезы Канта Лапласа. Поскольку формирование колец и планет происходило в условиях вращения туманности и действия центробежных сил, эта гипотеза называется еще и ротационной (лат. rotatio - вращение).

Гипотеза Джинса. Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить также и тот факт, что момент количества движения (кинетический момент) планет почти в 50 раз больше момента количества движения Солнца, а это противоречит закону сохранения кинетического момента. Для разрешения этого противоречия появились так называемые «катастрофические гипотезы», к которым относится приливная гипотеза Джинса. Согласно ей некая звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала мощные приливы на нем, принявшие форму сигарообразного выброса вещества Солнца, узкого по краям (Земная группа и Плутон) и широкого посередине (планеты-гиганты). Из этого выброса впоследствии и образовались планеты. Из этой гипотезы следовал вывод об уникальности Солнечной системы.

Гипотеза О.Ю. Шмидта. Советский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956) предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, могло захватить материю, обладающую достаточным моментом количества движения. Планеты образовались путем холодной конденсации из газопылевого облака. Под воздействием излучения Солнца и гравитации произошла сепарация легких и тяжелых элементов - тяжелые в центре, легкие по краям - из них образовались планеты-гиганты. Шмидт считал, что кометы - остатки вещества, из которого возникли планеты-гиганты, а метеориты и астероиды - остатки строительного материала внутренних планет.

По Шмидту Земля была первоначально холодная. В начале 20 в. считали, что земля была огненно-жидкая. Сейчас считается, что сразу после образования Земля была частично расплавленная, ее температура составляла около 1500 градусов. Источники нагрева - ударная энергия, гравитационное сжатие, радиоактивный распад. На первых этапах шла гравитационная сепарация на тяжелое железное ядро и легкие породы.

Сейчас выяснено, что астероиды - не остатки строительного материала, - они образовались из жидкого вещества некогда существовавшей планеты, разрушившейся в результате гравитационного притяжения Юпитера. Метеориты также имеют планетарное происхождение.

В настоящее время ученые склоняются к различным вариантам небулярной гипотезы. Получены интересные результаты на численных моделях с использованием мощных ЭВМ. Ожидается, что новый свет на загадку образования Солнечной системы прольют дальнейшие исследования планет земной группы и планет-гигантов с помощью автоматических космических станций.

Звезды, их характеристики

Более 90% видимого вещества Вселенной сосредоточено в звездах. Именно звезды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Однако процессы эволюции звезд и их внутреннее строение были поняты сравнительно недавно. Начальной точкой в создании теории строения звезд и процессов, протекающих в них, можно считать 1926 год - год выхода в свет книги А. Эддингтона «Внутреннее строение звезд».

Характеристики звезд. Основными характеристиками звезд являются:

· масса,

· радиус,

· абсолютная величина, характеризующая ее светимость,

· температура, · спектральный класс.

Одна из основных характеристик звезды - светимость определяется, если известна видимая величина и расстояние до нее.

Очень важную информацию о звездах, об их химических свойствах, температуре дает изучение спектров звезд. Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам.

В 1900 г. американский астроном Пикеринг ввел понятие спектрального класса звезды. Спектральные классы звезд обозначаются буквами латинского алфавита O, В, А, F, G, К, М Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности. Таким образом, Солнце, по сравнению с классами O, В, А, F имеет «небольшую» температуру, но в своем классе G - оно является довольно горячей звездой. По цвету звезды можно оценить ее температуру. Так, звезды красного цвета (М) имеют температуру поверхности около 4000 К. Оранжевые звезды имеют более высокую температуру. Желтое солнце (G) нагрето уже до 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10 тыс. К видятся нам белыми и голубыми. Температуры звезд спектрального класса О достигают 40000 - 50000 К. Таким образом, спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует и ее температуру.

Очень важными характеристиками звезды являются ее радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца, например, 1,2 Мс, т.е. в 1,2 раза больше массы Солнца.

Источником энергии звезд типа солнца является так называемая протон-протонная реакция - термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах (порядка 10¹³К). При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки и протоны (ядра водорода), благодаря так называемому туннельному эффекту, сталкивается с другим протоном, преодолевая силы кулоновского отталкивания - потенциальный энергетический барьер, окружающий его. При столкновении один из протонов превращается в нейтрон и, таким образом, рождается ядро тяжелого водорода - дейтерия с высвобождением позитрона е⁺ и нейтрино :

Н¹ + Н¹ D² + e⁺ + 2.2 МЭв

Позитрон взаимодействует с электроном - происходит аннигиляция:

e⁺ +e^-2 2.1 МЭв

Далее, ядро дейтерия, соединяясь с другим протоном, образует ядро легкого изотопа гелия и гамма квант г:

D² + H¹ He³ + г . 5.5 МЭв

Окончательная реакция - слияние ядер легкого гелия и высвобождение двух протонов:

Не³ +Не³ Не⁴ + Н¹ + Н¹ + 12.8 МЭв

В итоге при образовании одного ядра гелия выделяется 32.4 МЭв! Это огромная энергия. Естественно, при образовании ядра гелия возникает дефект массы - именно часть массы исходных ядер водорода превращается в энергию.

Водород постепенно выгорает и давление внутри звезды повышается - звезда резко расширяется (Солнце расширится так, что поглотит орбиты всех планет) и возникает красный гигант. Огромная атмосфера не обеспечивает отдачу энергии, температура в ядре звезды повышается, начинается синтез углерода.

He+He+He C

И более тяжелых - вплоть до Fe. Далее железа нуклеосинтез в ядрах звезд не идет. Ядро звезды разогревается и отбрасывает атмосферу - возникает белый карлик - это, фактически, смерть звезды. Далее она превращается в красный карлик и черный карлик.

Галактики и метагалактика

Понятие «галактика» в современном языке обозначает огромную звездную систему. Происходит оно от греческого слова «молоко, молочный» и было введено в обиход для обозначения нашей звездной системы. Она, как известно, видится нам как тянущаяся через все небо светлая полоса с молочным оттенком и названная поэтому «Млечный Путь». Именно в Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звезд нашей Галактики, вот почему часто говорят: наша Галактика -- это Млечный Путь. Число звезд в ней - более 200 миллиардов, т.е. порядка триллиона (10¹²). Она имеет форму диска с утолщением в центре.

Диаметр самого диска, т.е. диаметр нашей Галактики равен приблизительно 10²¹м -100 тыс световых лет, масса Галактики ~ 10⁴² кг. Рукава Галактики имеют спиральную форму, т.е. расходятся по спиралям от ядра. В одном из рукавов на расстоянии около 3ґ10²⁰ м от ядра находится Солнце, расположенное вблизи плоскости симметрии. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике -- это карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), есть двойные звезды и целые звездные скопления, движущиеся как единое целое (например, звездное скопление Плеяды). Их открыто в настоящее время более 1000. Шаровые скопления содержат красные и желтые звезды-гиганты и сверхгиганты. Кроме этого, в галактике есть туманности, состоящие в основном из газа и пыли. Межзвездное пространство заполнено разреженным межзвездным газом. Галактика вращается вокруг своего центра. Линейная скорость движения Солнца вокруг центра Галактики равна 250 км/с. Полный оборот по своей орбите Солнце делает примерно за 200 миллионов лет (2 * 10⁸ лет). Этот период называется галактическим годом.

В начале 20-го в. было доказано, что кроме нашей Галактики существуют и другие, также состоящие из миллиардов звезд. В совокупности они образуют нашу вселенную, или Метагалактику. Одна из ближайших к нам галактик -- Туманность Андромеды -- находится от нас на расстоянии, примерно 2,5 * 10²² м, - приблизительно 2.5 миллиона световых лет, ее диаметр равен 1.3 диаметра Млечного Пути, а масса практически равна массе нашей Галактики. По внешнему виду все галактики делятся на 3 основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

В 1963 г. во Вселенной были открыты квазизвездные, т.е. звездоподобные источники сильного радиоизлучения. Их назвали квазарами. Это - весьма удаленные от нас объекты Вселенной, расстояние до них порядка 10²⁵ - 10²⁶ м. Они находятся на периферии видимой Вселенной. К настоящему времени их насчитывается более тысячи. Квазары излучают огромное количество энергии. Так, квазизвездный объект размером с Солнечную систему может излучать в 10 раз больше энергии, чем Млечный Путь - наша галактика. По современным представлениям квазары - это активные ядра далеких галактик или сами эти галактики, которые мы видим "сбоку". Галактики образуют группы, группы образуют систему, крупные системы называются скоплениями: они состоят из сотен и тысяч галактик.

Эволюция галактик

Согласно современным представлениям, вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако. Под действием сил тяготения (собственной гравитации) оно сжималось. В ходе этого сжатия, или коллапса рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В конце концов кинетическая энергия звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Таким образом, подсистема самых старых звезд, возникших в начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму, образовав гало. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.

Разбегание галактик

В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Кроме того, оказалось, что чем дальше галактика, тем больше смещение линий. На основе известного из физики эффекта Доплера было сделано заключение, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается. Так как наша Галактика не является центром Вселенной, это означает, что происходит взаимное удаление галактик.

Математически закон Хаббла записывается следующим образом:

V = HЧr,

где V - линейная скорость галактики, км/с, r - расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н - постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(сЧМпк).

Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются.

Отметим некоторые особенности расширения Метагалактики.

1. Расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплении галактик. Сами галактики и кратные системы звезд не расширяются (этому препятствуют силы тяготения). Таким образом, можно говорить лишь о расширении Вселенной, т.е. Метагалактики.

2. Не существует центра, от которого происходит расширение.

3. Постоянная Хаббла в каждый момент времени одинакова во всей Вселенной, но зависит от времени (со временем убывает).

Время t = 1/Н, называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов, находящихся в разных частях Вселенной.

Расширение Метагалактики говорит о том, что Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, глобальный характер принципа эволюции.

Структура и геометрия Вселенной

Открытия конца 70-х годов 20-го в. показали, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ своего рода ячеек, т.е. Вселенная имеет ячеистую (сетчатую, пористую) структуру. Пространственной моделью может служить кусок пемзы. В небольших масштабах вещество во Вселенной распределено неравномерно. В больших же масштабах она однородна и изотропна.

Космологические модели Вселенной. Модели Вселенной в разные времена были различными, но главная их особенность состояла в неизменности Мира в целом, т.е. это были стационарные модели. Еще Ньютон, анализируя космологические представления, возникшие после Коперниканской революции, когда Земля перестала быть центром Вселенной, пришел к выводу, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. Но очень вскоре после Ньютона, знаменитый тогда астроном Шезо в 1744 году сформулировал фотометрический парадокс: если Вселенная бесконечна, то звезды на небе должны светить так ярко, что будут затмевать Солнце - не слишком яркую звезду. В конце 19 века немецким астрономом Зеелигером был сформулирован еще один парадокс - который впоследствии получил название космологического, или гравитационного. Если Вселенная бесконечна, то в каждой ее точке должна быть бесконечная гравитация.

Следует сказать, что все логические парадоксы возникают из-за нашего человеческого понятия бесконечности. Достаточно вспомнить древнегреческие Апории Зенона может ли Ахиллесс догнать черепаху, полет стрелы и пр. В природе же нет ничего бесконечного, бесконечность существует только в математике, как некая человеком созданная модель. И надо всегда помнить, что это только модель, до конца не применимая к реальности, иначе возникают логические сбои и парадоксы.

Основным доказательством стационарности Вселенной была видимая неизменность звездного неба. Даже великий А. Эйнштейн, создавая в начале 20 в. общую теорию относительности, был уверен в стационарности Вселенной.

В 1922 г. советский физик-теоретик Л.А. Фридман, анализируя космологические уравнения А. Эйнштейна, пришел к выводу, что они допускают нестационарность Вселенной (расширение или сжатие). Фридман проанализировал уравнения Эйнштейна для трех случаев: постоянно расширяющаяся Вселенная с плоским Евклидовым пространством, пульсирующая Вселенная со сферическим пространством - замкнутый, сферический мир, и постоянно расширяющаяся гиперболическая Вселенная - гиперболический мир. Во всех трех случаях уравнения Эйнштейна работали. Выбор варианта определяется величиной средней плотности материи во Вселенной относительно ее критического значения. По современным представлениям, r_кр ~ 10^-26 кг/м. Если средняя плотность материи во Вселенной r < r_кр, то это соответствует расширяющейся (открытой) Вселенной. При r > r_кр галактики будут сбегаться, что соответствует сжимающейся (закрытой) Вселенной. Средняя плотность видимой материи оценивается равной 10^-28 кг/м, что означает, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Но в последнее десятилетие физики обнаружили, что видимая материя составляет только малую толику вещества Вселенной. Нейтрино, имеющего массу покоя, во Вселенной находится в 10 раз больше, чем видимого вещества. Более того, по современным представлениям, около 90% материи приходится на так называемую темную материю и темную энергию. Темная материя видна только по ее мощному гравитационному воздействию - она формирует так называемые гравитационные линзы, преломляющие свет далеких галактик и звездных скоплений. Темная материя, скорее всего представляет из себя неизвестные нам частицы массой 100-1000 масс протона, образовавшиеся на ранних стадиях формирования Вселенной. Темная энергия, по современным представлениям, равномерно рассеяна во всем пространстве и обладает антигравитационными свойствами. Не исключено, что скоро в физике появится новое сверхслабое, антигравитационное фундаментальное взаимодействие. Таким образом, масса Вселенной вполне достаточна для модели пульсирующей, сферической и замкнутой Вселенной. В этом случае, т.е. в закрытой Вселенной расширение рано или поздно сменится сжатием и галактики станут сбегаться. Но Вселенная все равно останется безграничной, но пространственно конечной, подобно сфере.

Эволюция звезд

Известно, что самым распространенным элементом во Вселенной является водород. Второй по распространенности элемент - гелий (по числу атомов - 10% от распространенности водорода, по массе - до 30%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах - основное их количество распределено в межзвездном и межгалактическом пространстве. Водород и гелий в межзвездном пространстве находятся, в основном, в атомарном состоянии и служат «исходным сырьем» для образования звезд.

Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя плотность вещества в нашей Галактике - примерно 2-3 атома на 1 см³, но в отдельных областях эта плотность выше, т.е. наблюдаются флуктуации плотности, которые обусловлены хаотическим движением атомов в пространстве. Таким образом, плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. Если при этом количество вещества в данной области превосходит определенное критическое значение (приблизительно 1000 солнечных масс), то в этой области возникают сильные гравитационные поля, препятствующие разлету газо-пылевого облака - так называемой глобулы, стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров, заставляя вещество падать к центру облака. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако. Имеются многочисленные данные, подтверждающие предположение, что звезды образуются при конденсации облаков межзвездной пыли и газа.

Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится зародышем будущей звезды - протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц переходит в тепло. В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область. Дальнейшее сжатие протозвезды приводит к такому повышению температуры и давления, что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Протозвезда «разгорается», становится настоящей звездой и «занимает свое место» на Главной Звездной последовательности. При этом силы тяготения, стремящиеся сжать вещество звезды, уравновешиваются силами внутреннего давления. Важную роль здесь играет масса звезды. Если масса звезды велика, последняя при рождении попадает на верхнюю часть главной последовательности, а если масса мала, то звезда оказывается в нижней её части.

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды. Таким образом, впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах.

Типичная звезда (подобная Солнцу) большую часть свой жизни медленно «перемещается» вдоль Главной последовательности, сжигая свой водород в термоядерной топке. Солнце, например, движется так уже 4,5 миллиарда лет, и будет оставаться на Главной последовательности еще примерно 5 миллиардов лет. Более массивные звезды эволюционируют намного быстрее.

Когда водород в центре звезды исчерпан, она сжимается, что приводит к увеличению температуры и началу другой термоядерной реакции - превращению гелия в углерод. При этом выделяется огромное количество энергии, и светимость звезды возрастает. Выделение энергии приводит к увеличению радиационного давления и, как следствие, к расширению внешних слоев звезды. В результате расширения вещество внешних слоев охлаждается, и излучение звезды становится все более красным, так что звезда резко смещается от главной последовательности. Расширение продолжается до тех пор, пока диаметр звезды не возрастет в 200-300 раз. Звезда при этом превращается в красного гиганта. Через пять с лишним миллиардов лет такая судьба ожидает Солнце. Вначале, все сильнее и сильнее разогреваясь, оно сожжет Землю, а затем, расширяясь, поглотит то, что от нее останется.

По достижении стадии красного гиганта звезда эволюционирует дальше, и ее положение на диаграмме Герцшпрунга - Рессела сдвигается влево. Примерно через 1% времени жизни звезды она пересекает Главную последовательность. Солнце, например, совершит этот путь приблизительно за 100 млн. лет. В этот период у большинства звезд нарушается динамическое равновесие, и они начинают пульсировать - периодически сжиматься и расширяться. Это - так называемые цефеиды.

После стадии красного гиганта судьба звезды в значительной степени определяется ее массой М (см. схему на рисунке 2). Звёзды с массой меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного "топлива" и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд, подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,4 масс Солнца, постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остаётся маленький и горячий белый карлик. По образному выражению …белый карлик «вызревает» внутри красного гиганта. После того, как последние запасы белого карлика будут израсходованы, он быстро охлаждается, становясь красным, а затем черным карликом.

Новые и сверхновые звезды. Когда в звезде с М > 1,4 М_С израсходуются остатки ядерного горючего она так же, как и «легкая» звезда начинает двигаться вниз на H-R диаграмме. При этом выделение энергии и светимость звезды уменьшаются, однако, прежде чем произойдет значительное охлаждение звезды, она может пройти стадию неустойчивости, на протяжении которой происходят извержения вещества звезды в пространство. При каждом таком извержении происходит резкое увеличение светимости. Такие звезды называются новыми (Также, и наиболее часто, вспышки новых происходят при взрывах двойных звездных систем, не выдержавших гравитационные приливы). Наиболее мощные взрывы называются Сверхновыми звездами. В нашей галактике вспышки Сверхновых были зафиксированы в 1054, 1572, 1604 годах. Кроме этого, обнаружено около 10 туманностей - остатков от вспышек Сверхновых, наиболее известной из которых является Крабовидная туманность в созвездии Тельца. В телескопы наблюдались многочисленные сверхновые в других галактиках.

Только во время взрывов сверхновых во Вселенной происходит синтез элементов тяжелее железа - включая золото, платину, свинец и всех трансурановых. В ядрах звезд весь нуклеосинтез останавливается на железе, потому что дальнейшее утяжеление ядер в данных условиях энергетически невозможно - слишком высок потенциальный барьер, и энергии на его преодоление в ядрах звезд не хватает. Наличие тяжелых и сверхтяжелых элементов в Земной коре говорит о том, что наша Солнечная система - вторична или третична, и образовалась из газопылевой туманности на месте взрыва сверхновой звезды.

Нейтронные звезды. После взрыва сверхновой ее оболочка сбрасывается, и, распространяясь в разные стороны, образует туманность, в центре которой остается весьма плотная нейтронная звезда.

Масса ядра звезды к этому времени остается достаточно велика, поэтому гравитационные взаимодействия очень сильны. Кроме того, энергия взрыва Сверхновой, выделившаяся в результате синтеза сверхтяжелых элементов еще больше сжимает ядро - находящиеся в нем электроны приобретают огромные энергии и, преодолевая кулоновские, и, частично, сильные ядерные взаимодействия, буквально влипают в протоны. В результате образуются нейтроны, на которые не действуют электростатические силы отталкивания, и нейтроны под действием сил мощной гравитации еще больше сближаются. Образуется очень плотная упаковка вещества, состоящего практически из одних нейтронов. Для сравнения - столовая ложка такого вещества будет иметь массу, соизмеримую с массой Земли.

Эта «нейтронизация» вещества происходит за счет гравитационного коллапса, т.е. сверхмощного сжатия звезды. Нейтронные звезды пульсируют с малым периодом (около 0.001с), однако существуют нейтронные звезды с периодом пульсации порядка 1,4с. Они называются пульсарами. Типичным примером пульсара является нейтронная звезда в Крабовидной Туманности.

Черные дыры

При массах звезд от 2 до 10 М_С весьма возможна ситуация, когда после вспышки Сверхновой давление нейтронов уже не может предотвратить полный гравитационный коллапс. И когда скорость падения в поле тяжести такой звезды становится равной скорости света, гравитационный коллапс неизбежен, и звезда продолжает сжиматься до бесконечности (теоретически - до точечного размера). Для такой звезды существует понятие «гравитационного радиуса» r_g, соответствующему критическому размеру звезды. Сфера соответствующего радиуса называется сферой Шварцшильда (в честь немецкого ученого К. Шварцшильда). С точки зрения классической механики гравитационный радиус - это радиус такого тела, из поля тяжести которого не может вырваться свет. Для Земли такой гравитационный радиус равен 1см, для Солнца - 100м. Таким образом, когда звезда, сжимаясь, достигает критического размера, она перестает излучать, сохраняя способность притягивать («засасывать») все, что оказывается в поле ее тяготения. За это она и получила название «черная дыра».

Граница черной дыры - так называемый горизонт событий. Ничто, никакие материальные тела, никакая информация не может прорваться через него. Здесь происходит сильнейшее искривление пространства и замедление времени - вплоть до его остановки. Прогиб пространства здесь столь велик, что черные дыры порой рассматривают как дыры в пространстве-времени, являющиеся воротами в другие миры - другие Вселенные. Поскольку время при падении в дыру замедляется, оно становится бесконечным для стороннего наблюдателя, но конечным для падающего. То, что происходит после пересечения горизонта событий - уже находится вне времени - черная дыра - также дыра во времени.

Впервые существование во Вселенной объектов, обладающих таким полем тяготения, что ничто материальное не может вырваться из их плена, было предсказано еще в 1796 г. Лапласом. Однако вывод о существование черных дыр следует из ОТО

Теория черных дыр разработана в настоящее время достаточно подробно, однако базируется она на совсем ином фундаменте -- квантово-статистической механике. Без эффектов, предсказанных именно квантовой статистикой, каждый астрономический объект мог бы случайно «свалиться» в черную дыру и мир был бы совсем не таким, каков он на самом деле.

Здесь следует вернуться к Квантово-Полевой картине мира и сказать, чем, по современным представлениям, является физический, или квантовый вакуум. По нашим, обыденным, Ньютоновским представлениям, это просто пустота. Но это не так. Физический вакуум буквально нашпигован виртуальными частицами очень низких энергий - они рождаюся как правило парами, частица-античастица, и тут же исчезают, не нарушая при этом законы сохранения, потому что существуют они только один квант времени - и зафиксировать их поэтому невозможно. А по современным квантовым представлениям квантованы все физические величины - в том числе, пространство и время. Для времени квант составляет где-то около 10^-21 секунды. Возникающие из вакуума частицы-античастицы практически не успевают провзаимодействовать с веществом. Но, тем не менее, еще в середине 20 века было зафиксировано так называемое «дрожание» электрона при движении по орбите - электрон постоянно взаимодействует с возникающими из вакуума виртуальными частицами, и они заставляют его «дрожать». При наложении на вакуум сильных гравитационных или электромагнитных полей рождающиеся частицы приобретают энергию поля и становятся долгоживущими - нормальными частицами, способными нормально взаимодействовать с веществом.

Поэтому черные дыры не являются вечными - наблюдается эффект так называемого квантового испарения. За счет своей огромной гравитации черные дыры постоянно вызывают в окружающем их пространстве рождение частиц-античастиц с немалыми энергиями, которые разлетаются в разные стороны и уносят с собой энергию и вещество черной дыры. Черные дыры, таким образом, испаряются. Ничто в этом мире не вечно.

Можно ли обнаружить черные дыры - ведь они не испускают никакого излучения? Оказывается можно - косвенным путем. Выше уже говорилось о кратных звездных системах (двойных, тройных звездах). Если одним из компонентов тесной звездной системы является черная дыра, невидимая, но обладающая массой, она будет засасывать вещество звезды-спутника, действуя как «прожорливый вампир». Газовый диск вокруг черной дыры разогревается до десятков миллионов градусов Кельвина и становится исключительно мощным источником рентгеновского излучения. Это излучение и можно обнаружить, и оно действительно обнаруживается. Сейчас «подозреваемыми» на черные дыры являются объекты в созвездиях Лебедь, Стрелец, Скорпион и др. Общее же количество черных дыр во Вселенной должно быть очень большим (в одной нашей Галактике их может быть сотни миллионов). Предполагается, что черные дыры находятся в большом количестве в ядрах галактик.

Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник или был создан, интересуют людей с незапамятных времен. В различных мифах, натурфилософских представлениях до нас дошли идеи о бесконечном пространстве и времени. Действительно, утверждения о том, что мир возник из какого-то первичного хаоса или был сотворен в некоторый момент времени, неявно предполагают, что Хаос и Творец существовали еще «до того», а за границами мира, как бы далеко они ни располагались, всегда есть что-то еще, по крайней мере, пустота. Принципиально иная концепция возникла в 20-х годах 20-го века. Основываясь на созданной незадолго до того общей теории относительности, ленинградский физик А.А. Фридман пришел к выводу, что в силу каких-то пока не ясных причин Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры (так называемой сингулярности) и стала стремительно расширяться. Размеры «зародыша» Вселенной сопоставляют с размерами атомного ядра, т.е. 10^-15 м. Ученик Фридмана Дж. Гамов рассчитал в конце сороковых годов модель горячей взрывающейся Вселенной, положив начало так называемой теории "Большого взрыва". Широкое распространение и внедрение эта теория получила с середины 1960-х годов.

Спрашивать о том, что было до «Большого Взрыва» и что находится за пределами стремительно расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная, согласно теории Большого Взрыва ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого. Такая трудно совместимая с нашей интуитивной логикой картина следовала из полученных Фридманом формул. Вскоре, однако, астрономические наблюдения подтвердили факт расширения окружающего нас пространства: американский астроном Э. Хаббл измерил его скорость. Экстраполируя обратно к исходному нулевому объему, можно было оценить время жизни Вселенной -- что-то около 15 -- 20 миллиардов лет. По современным данным - 14 млрд лет. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первые моменты протекали стремительно. Вначале образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества - кварки и антикварки. В течение той же доли секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. Как известно, антипротон отличается от протона противоположным зарядом, а в остальном эти частицы являются почти тождественными. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которых обе частицы исчезают, превращаясь в излучение (фотоны). Также возможны ядерные реакции обратные реакции аннигиляции, когда из фотонов образуется пара протон-антипротон. Сказанное о протоне и антипротоне верно также и для любой другой пары частицы и соответствующей античастицы.

После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение.

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала. Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но, так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода.

Вселенная стала намного «просторнее». Ее размеры достигли нескольких млрд световых лет всего за несколько сотен тысяч лет. И это ничуть не противоречит СТО - предельности скорости света. Дело в том, что не Вселенная расширялась сама по себе, а пространство, которого ранее не было, развертывалось, и вселенная расширялась вместе с ним. Не было центра расширения, просто расстояния между двумя любыми точками пространства увеличивались. Но процесс развертывания пространства очень скоро прекратился, и сейчас мы наблюдаем его только на уровне скопления галактик. Даже размеры отдельных галактик уже не меняются, не говоря уже о размерах пространства у нас, на Земле. Но далекие скопления галактик продолжают разбегаться, о чем говорит немалая сейчас постоянная Хаббла (50-100 км/сек), и пространство на краю Видимой Вселенной продолжает расширяться.

Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того первичного излучения, предсказанного Г. Гамовым. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 14 миллиардов лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым.

При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. В местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Близка к Гамовской теории Большого Взрыва, или «горячей Вселенной» и модель «раздувающейся, или инфляционной Вселенной», отличающаяся описанием процессов в течение первых микроскопических долей секунды (10^-30 c) после начала расширения (см рис. 3).

Дополненная теорией ядерных реакций в остывающем по мере своего расширения правеществе теория Большого Взрыва позволила рассчитать относительные концентрации (распространенность) водорода, дейтерия и более тяжелых химических элементов в природе, что также оказалось в согласии с результатами наблюдений.

В последнюю четверть двадцатого века теория Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии. Сейчас она считается доказанной. Существует масса ее вариаций, в том числе, инфляционная модель, которая все более и более становится общепринятой.

В соответствии с Инфляционной моделью, Большой взрыв был порождён флуктуацией вакуума, находящимся в особом состоянии, называемом ложным вакуумом или инфлатонным скалярным полем. Причина флуктуации -- квантовые колебания, которые испытывает любой объект на квантовом уровне; вероятность крупной флуктуации низка, но отлична от нуля. В результате флуктуации вакуум вышел из состояния равновесия - возможно, в результате туннельного эффекта и перешёл в новое состояние -- обычного физического вакуума - в новое состояние равновесия. Другая гипотеза флуктуации - переброс энергии через черные дыры, расположенные в других мирах, других Вселенных - ведь черные дыры фактически находятся вне пространства и времени.