Эволюция Вселенной

Вселенная - это самый глобальный объект мегамира, безграничный во времени и пространстве. Согласно современных представлений она представляет собой громадную необъятную сферу. Существуют научные гипотезы об «открытой», то есть «непрерывно расширяющейся», равно как и о «закрытой», то есть «пульсирующей», Вселенной. Обе гипотезы существуют в нескольких вариантах. Однако требуются очень основательные исследования, пока та или иная из них не превратится в более или менее обоснованную научную теорию.

Как считают ученые, все зависит от величины средней плотности материи во Вселенной, а величину эту пока еще не удалось определить с достаточной точностью. Зато точно рассчитана некая критическая величина, выше и ниже которой Вселенная должна вести себя по-разному.

Если средняя плотность материи равна этой величине или ниже ее, то Вселенная будет расширяться бесконечно, причем эта средняя плотность материи во Вселенной будет бесконечно стремиться к нулю - примерно так же, как если бы облачко дыма стало «расплываться» в воздухе. Если же плотность материи окажется выше указанной величины, то в будущем расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием.

Не исключено, что периоды расширения и сжатия чередуются бесконечно. В этом случае мы имеем «пульсирующую» Вселенную. Не исключено также, что циклы «расширение - сжатие» отличаются друг от друга, изменяясь согласно какой-то закономерности. В этом случае мы имеем «осциллирующую» Вселенную.

Метагалактика - это часть Вселенной, доступная изучению астрономическими средствами. Она состоит из сотни миллиардов галактик, каждая из которых вращается вокруг своей оси и одновременно разбегаются друг от друга со скоростями от 200 до 150 000 км/с.

Галактика - это скопление звезд в объеме, имеющем форму линзы. Большая часть звезд концентрируется в плоскости симметрии этого объема (галактической плоскости), меньшая часть, концентрируется в сферическом объеме (ядре галактики). Кроме звезд в состав галактик входят межзвездное вещество (газы, пыль, астероиды, кометы), электромагнитные, гравитационные поля, космические излучения. Солнечная система расположена вблизи галактической плоскости нашей галактики. Для земного наблюдателя звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, сливаются в видимую картину Млечного пути.

Квазары - это удаленные от нашей галактики на протяжении нескольких миллиардов световых космические объекты, каждый из которых, несмотря на относительно небольшие размеры, по мощности излучения превосходит обычную галактику. Принимая во внимание их компактность, их назвали «вроде бы звезды» (квази-звездные объекты, квазары). Пока ученым неясно, что такое квазары. Согласно одних гипотез, это сверхгалактики, по другим - взорвавшиеся галактики, согласно третьих, зародыши будущих галактик. Ответы на эти вопросы призваны дать дальнейшие исследования.

Межзвездная среда. То, что между звездами существует некая ослабляющая их свет среда, предположил еще в 1847 году выдающийся российский ученый В. Я. Струве. В начале XX века на фоне звезд был обнаружен межзвездный газ. В 30-х годах нашего века было доказано существование межзвездной среды. Изучая блеск звезд так называемых рассеянных скоплений, ученые обнаружили, что чем скопление дальше от Земли, тем оно кажется больше (хотя все они по величине должны быть примерно равны). Астрономы признали, что эффект этот создает среда, поглощающая свет.

Постепенно выяснилось, что межзвездные пространства пронизываются видимыми и невидимыми лучами, что здесь существуют магнитные поля, пыль, газ из атомов, ионов и молекул. Хотя эта материя межзвездной среды очень разрежена, масса ее огромна.

Пыль и газ проявляют себя в телескопах, лишь если их освещает своим светом звезда. Но сама звезда за пылевым занавесом тускнеет и краснеет свет ее ослабляется, как у Солнца, приближающегося к горизонту.

Исследования показывают, что в межзвездных пространствах преобладает водород. По числу атомов, распространенных в Космосе, он во много раз превосходит частицы всех остальных элементов, вместе взятых. Однако и этот газ разрежен чрезвычайно: в пространстве между звездами даже близ плоскости Галактики один атом водорода приходится на два-три кубических сантиметра пространства.

Межзвездный газ распределен неравномерно: местами он собирается в сравнительно плотные облака. В нашей Галактике основная масса газа с наибольшей концентрацией собрана в плоскости ее спиральных рукавов. Одна из последних моделей распределения межзвездного газа, рисует картину, согласно которой сферические облака диаметром в несколько парсек каждое расположены на расстоянии примерно 25 парсек друг от друга (парсек - единица измерения расстояний в астрономии, равная 3,26 светового года). Газ при этом находится в движении.

Совсем недавно были открыты «невидимые» звезды. Как и всем светилам, им свойственны процессы излучения, но в невидимом инфракрасном диапазоне. Детальные исследования показали, что эти звезды окружены «коконами» — плотными газово-пылевыми оболочками. Ученые полагают, что сами звезды образовались в результате сгущения разреженной материи, а газово-пылевая оболочка - это то, что не пошло на образование звезды.

В такой плотной и относительно холодной оболочке, напоминающей протопланетную туманность молодой Солнечной системы вполне могут синтезироваться весьма сложные молекулы и пылинки. На определенной стадии эволюции молодая звезда начинает испускать интенсивный «звездный ветер» - потоки электрически заряженных частиц-корпускул,— который и «выдувает» образовавшиеся молекулы и пылинки в межзвездное пространство.

Однако самыми большими «распылителями» такого рода молекул и пылинок являются, по-видимому, не молодые, а относительно старые и «холодные» (температура их поверхности от 2500 до 4500° С), так называемые «коптящие», звезды. Специалисты, изучающие эти необычные небесные объекты, доказали, что в их атмосферах, где мало водорода и много углерода, образуется графитная пыль, которая под давлением «звездного ветра» попадает в космическое пространство и рассеивается в нем. Примерно таким же путем в атмосферах звезд, более богатых кислородом, чем углеродом, конденсируются силикатные пылинки, также «выметаемые» в межзвездное пространство давлением излучения звезды.

Изучая поглощение и поляризацию света далеких звезд межзвездными пылинками, ученые пришли к выводу, что графитные или силикатные ядра пылинок в условиях межзвездного облака покрываются «мантией» из замерзших газов, прежде всего - обычного льда.

Некоторые звезды поставляют в космическое пространство частицы пыли. Поверхность этих частиц способна захватывать атомы межзвездного водорода. Сталкиваясь меж собой на поверхности пылинки, атомы сливаются в молекулы водорода, которые тут же отрываются от пылинок и попадают в «газовую фазу». Ионизация этих молекул космическими лучами приводит к цепочке ион-молекулярных реакций, в результате которых синтезируются все более сложные соединения. Особенность ион-молекулярных реакций в том, что они энергично протекают при сколь угодно низких температурах. Так происходит «сборка» сложных молекул в условиях межзвездного газово-пылевого облака.

Среди ста с лишним миллиардов звезд нашей Галактики имеются звезды, находящиеся на самых различных стадиях эволюции. Сравнивая их между собой можно как бы проследить историю звезды от ее возникновения и молодости до старости и угасания.

Согласно наиболее распространенной в настоящее время среди астрономов теории, звезды образуются в результате взаимного притяжения (гравитационного сжатия газопылевых облаков). Во время сжатия происходит превращение гравитационной энергии во внутреннюю энергию вещества, которое постепенно разогревается. Температура в центральной зоне формирующейся звезды растет. Когда она достигает 10-15 млн. градусов, начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Эти реакции обеспечивают равновесное, устойчивое состояние образовавшейся звезды на протяжении многих миллионов и даже миллиардов лет - тут все зависит от массы звезды.

Чем меньше масса - тем дольше живет звезда. Если масса протозвезды (то есть формирующейся звезды) очень мала, т. е. менее восьми процентов солнечной, то у нее в процессе гравитационного сжатия так никогда и не достигается температура центральной зоны, достаточная для начала термоядерных реакции. Такая протозвезда никогда не вспыхнет звездой.

Если масса протозвезды более или менее сопоставима с солнечной, то есть составляет не менее восьми сотых массы Солнца, то звезда «загорается» и может устойчиво светить миллионы или миллиарды лет. Так, звезды с массой, равной солнечной, живут около десятка миллиардов лет, звезды помельче - десятки миллиардов лет. Для сравнения: звезда, втрое превосходящая массой Солнце, живет около миллиарда лет, а вдесятеро превосходящая - «всего лишь» сотню миллионов лет.

Когда исчерпывается ядерное топливо, звезда, продолжая терять энергию на излучение, постепенно сжимается. И если ее масса не превышает массу Солнца более чем в 1,2 раза, то сжатие закончится, когда радиус звезды составит несколько тысяч километров. Иными словами, когда наше Солнце уменьшится до размеров одной из своих планет,— скажем, до размеров Земли. Плотность вещества при этом может достигнуть огромной величины —10⁹ г/см³. Такие звезды, давно известные астрономам, получили название белых карликов.

После превращения в белого карлика звезда остывает, почти не уменьшая своих размеров. Возникает еще одно относительно устойчивое, равновесное состояние, так что белый карлик на протяжении миллиардов лет может полностью остыть и превратиться в черный карлик того же размера, жизнь которого столь же или даже еще более продолжительна.

Если же масса звезды превышает солнечную более чем в 1,2 раза, то, по расчетам, в ходе сжатия плотность ее вещества превысит указанную выше критическую величину (10⁹ г/см³) и возникнут ядерные реакции, поглощающие много энергии. Равенство сил тяготения и давления нарушится, и звезда начнет стремительно сжиматься. В процессе этого сжатия может произойти ядерный взрыв, который действительно неоднократно наблюдался и получил название вспышки «сверхновой» звезды. При этом взорвавшаяся звезда сбрасывает оболочку, которая рассеивается в окружающем космическом пространстве.

Сама же звезда превращается в так называемую нейтронную звезду: силы тяготения сжимают ее настолько, что в центре звезды плотность оказывается сопоставимой с ядерной 10¹⁴ - 10¹⁵ г/см³).

Астрофизики называют нейтронную звезду своеобразным атомным ядром с поперечником в десяток километров. В такой звезде ядерные частицы- нуклоны.очень тесно прижаты друг к другу. Если масса нейтронной звезды не превосходит двух солнечных, то вновь наступает состояние устойчивого равновесия. Оно и является конечным состоянием этой остывшей звезды. Нейтронную звезду именуют «холодной», хотя в ее центре температура может достигать сотни миллионов градусов, и даже на поверхности - около миллиона.

Нейтронные звезды открыли в 1967 году, спустя 33 года после теоретического предсказания их существования, причем совершенно случайно. Выяснилось, что на поверхности нейтронных звезд, с их сильным магнитным полем, есть особенно активные области, излучающие мощные потоки радиоволн. Звезда вращается, и эти потоки - тоже. Получается нечто вроде вращающегося прожектора. Вспышки следовали одна за другой с очень коротким периодом - меньше секунды. Так быстро вращаться может только «маленькая» звезда с поперечником не больше нескольких десятков километров. Любая звезда покрупнее при такой скорости вращения будет просто разорвана на куски центробежными силами. Только у маленькой нейтронной звезды столь быстрое вращение не превышает предела прочности.

Новые космические объекты за их «пульсирующее» радиоизлучение назвали пульсары. И вот наблюдения подтвердили теорию. Выло доказано, что пульсары - это и есть нейтронные звезды. Такова «старость» не слишком крупной звезды, меньше примерно двух масс Солнца.

Массивные звезды в конце своей эволюции, как показывают расчеты, после исчерпания ядерного горючего, сжатия и возможных процессов сбрасывания внешних оболочек, сохраняет массу, все еще превышающую критический предел, равный примерно двум солнечным массам. Действие огромных сил давления сверхплотного ядерного вещества не может остановить нарастающий процесс сжатия. Начинается так называемый гравитационный коллапс: вещество звезды неудержимо стремится к центру, причем, согласно теории относительности, за доли секунды (для наблюдателя на самой звезде) или за миллиарды (для «стороннего» наблюдателя). При этом само вещество претерпевает качественные изменения. В конечном счете достигается предел, за которым и время и пространство распадаются на свои элементарные частицы - кванты. Такое принципиально, качественно новое состояние вещества во Вселенной астрофизики назвали «черной дырой».

Предполагают, что массивные «черные дыры» образуются после «смерти» массивных звезд. Существование такой «дыры» подозревают в центре нашей Галактики, а также в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик.

Некоторые ученые высказывают даже предположение, что значительная часть вещества нашей Вселенной как раз и заключается в «черных дырах». Пока что «черные дыры» обнаружены лишь по косвенным признакам. В некоторых так называемых двойных звездах, то есть в «сопряженных» друг с другом парах звезд, одним из двух компонентов, которых и является «черная дыра». Дело в том, что вещество одного из компонентов как бы «закручивается» вокруг другого и падает на поверхность последнего, образуя так называемый «аккреционный» диск (область захвата вещества под действием мощных гравитационных сил). При этом выделяется так много энергии, что излучение из диска выходит в основном в виде очень энергичных рентгеновских фотонов. Вот по этому рентгеновскому излучению от тесных двойных звездных систем ученые и судят о возможности наличия в них «черной дыры». Планируются эксперименты по регистрации гравитационных волн, идущих от таких объектов.

Большинство астрономов считает, что звезды, а также планеты и малые небесные тела образуются в результате взаимного притяжения частиц газово-пылевых облаков, широко рассеянных по всей Вселенной. Из рассеянного между звездами огромного количества газа и пыли, часто своеобразные «межзвездные облака», и до сих пор продолжают рождаться звезды. Ученые доказывают, что и сейчас можно наблюдать инфракрасное излучение протозвезд в стадии их окончательного формирования из межзвездных пыли и газа.

По современным представлениям, звезды и планеты не только сами рождаются из газово-пылевых облаков, но и, в свою очередь, рождают их, точнее, частично как бы «возвращаются» в газопылевое состояние. Астрономы полагают, что известное количество пылевых частиц во Вселенной образуется в атмосферах «холодных» звезд, откуда они выносятся в межзвездное пространство. Очень важно, что звезды возвращают в межзвездную среду не прежнее вещество, а вещество, обогащенное тяжелыми элементами, которые образовались в звездных недрах в результате реакции термоядерного синтеза.

В начале XIX века на том месте, где более семи с половиной веков назад вспыхнула яркая звезда, озадачившая древнекитайских астрономов, их французские коллеги обнаружили странную, словно бы расползающуюся туманность, имеющую вид сетки светящихся газовых волокон, окружающих светящуюся аморфную массу. Туманность назвали Крабовидной. Она расползалась с огромной скоростью - тысяча километров в секунду! Это дало основание ученым прийти к выводу, что около тысячи лет назад она занимала значительно меньшее пространство и была той самой звездой, что обнаружили китайцы в XI веке в созвездии Тельца. Все эти факты позволяют говорить о том, что на небосводе несколько тысячелетий назад именно в этой точке космического пространства вспыхнула звезда, и свет от нее шел до Земли тысячелетия, пока не был увиден землянами.

Так проявляют себя взрывы сверхновых звезд, во время которых синтезируются еще более тяжелые элементы (тяжелее железа), чем в недрах звезд.

Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва. В соответствии с этой теорией, примерно 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньший булавочной головки. По математическим расчетам, ее радиус практически был равен нулю, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние получило название сингулярного - бесконечная плотность в точечном объеме. В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, а сами эти понятия теряют смысл. Это состояние физики называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения и отрицательное давление, равносильное гравитационному отталкиванию огромной величины. Неустойчивое исходное состояние хаоса привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

Развитие Вселенной. Самый ранний этап развития Вселенной называется инфляционным. Он занимает ничтожно малый промежуток времени - до 10^-33 с после взрыва. С началом стремительного расширения во Вселенной возникает пространство и время. Вселенная раздувается до гигантского пузыря, превышающего на несколько порядков радиус современной Вселенной. Частицы вещества в этот период полностью отсутствуют. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной.

После инфляции начался горячий этап в развитии Вселенной. Всплеск тепла был обусловлен огромным запасам энергии, заключенным в «ложном» вакууме. После распада вакуума его энергия выделилась в виде излучения, разогревшую Вселенную до 10²⁷К. При этой температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Существовал единый тип взаимодействия, в котором роль частицы-посредника выполнял Х-бозон - тяжелая частица, превышающая массу протона в 10¹⁴ раз.

Отделение сильного взаимодействия от электрослабого произошло через 10^-33 с после «начала». Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. После прекращения переходов кварков в лептоны, число частиц несколько превысило число античастиц, нарушив симметрию мира. Это в дальнейшем определило развитие вещества Вселенной - галактик, звезд, планет и т. д.

Разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное произошло в на 10^-10 с,когда температура снизилась до 10¹⁵К. Электрослабый бозон разделился на фотон и три тяжелых векторных бозона. С этого момента во Вселенной стали существовать все четыре типа фундаментальных физических взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Слияние кварков в адроны происходит при снижении температуры до 10¹⁵К.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Частицы и античастицы аннигилируют, порождая фотоны и энергию. Такое состояние было через 0,01 с после начала развития.

Отделение нейтрино и антинейтрино от газовой смеси произошло в течение первой секунды, когда температура снизилась до 10 млрд. градусов.

Соединение и аннигиляция электронов и позитронов возникло на 14 секунде развития, при снижении температуры до 3 млн. градусов. Избыток электронов компенсировал положительный заряд протонов. Часть протонов превратилась в свободные нейтроны, определив их соотношение 8:1. Установившаяся пропорция сохранилась до настоящего времени. Такое же соотношение во Вселенной водорода и гелия. Формирование ранней Вселенной завершилось спустя 3 минуты 2 секунды от начала развития.

Нуклеосинтез, т. е. соединение протонов и нейтронов в ядра, начался при падении температуры до миллиарда градусов. Через полчаса после «начала» барионное вещество (ядра атомов) состояло из 28 % гелия, остальная часть - ядра водорода (протоны). Вещество составляло лишь ничтожную часть Вселенной. Основными же ее компонентами были фотоны и нейтрино.

Этап медленного остывания продолжался почти 500 тысяч лет. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов ядра водорода (протоны) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны, и превращаться в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало реликтовое излучение. В настоящее время оно сохранилось в виде радиоволн сантиметрового диапазона, которые равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-либо радиоисточником.

В результате возникла однородная Вселенная, представляющая собой смесь трех субстанций:

·...лептонов (нейтрино и антинейтрино);

·...реликтового излучения;

·...вещества (атомов водорода, гелия и их изотопов).

По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 млрд. лет. Предполагается, что в расширяющейся Вселенной случайно возникают уплотненные участки, в которых плотность постепенно возрастает. Появление таких уплотнений стало началом рождения во Вселенной крупномасштабных структур. Согласно расчетов, из этих сгущений должны были возникать плоские образования в форме дисков, которые распадались на более мелкие образования, ставшие зародышами галактик. Зародыши галактик распадались на более мелкие уплотнения, образовавшие зародыши звезд первого поколения.

Важнейшим узловым этапом эволюции Вселенной стало образование всей совокупности химических элементов. Они появились в звездах в ходе звездного нуклеосинтеза.

Тяжелые элементы образовались в звездах типа красных гигантов, которые обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную. Водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура составляет нескольких сотен миллионов градусов, что достаточно для протекания реакций углеродного цикла - слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона, кремния и т. д. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нем поднимается до 3-10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются до образования атомов железа. Ядро железа - самое устойчивое из всех химических элементов. Протекание реакций с образованием более тяжелых ядер требует больших энергетических затрат. Образование в недрах красных гигантов элементов от железа до висмута происходит в процессе медленного захвата нейтронов, а более тяжелые ядра предположительно возникают при звездных взрывах.

Красные гиганты имеют относительно короткий жизненный цикл, порядка десятка миллионов лет, поэтому межзвездная среда сравнительно быстро насыщается химическими элементами тяжелее гелия.

Следующим важнейшим этапом в формировании структур Вселенной является объединение атомов химических элементов в молекулы. В основе этих процессов находится электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде встречаются молекулы водорода, мельчайшие пылинки, в основе которых находятся кристаллы льда или углерод с примесью различных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака, а скопления газов вместе с пылинками - газово-пылевые облака.

Неожиданным открытием стало обнаружение в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до аминокислот. В настоящее время в межзвездных облаках их насчитывают более 50 видов. Еще более удивительно то, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Таким образом, синтез молекул, в том числе органических, достаточно распространенное явление в космосе.