Эволюция Вселенной. Важнейшим направлением разработки теории нестационарной Вселенной в XX в

Важнейшим направлением разработки теории нестационарной Вселенной в XX в. явилось исследование физических процессов в начальные моменты Вселенной. Центральным здесь оказался вопрос о смысле сингулярности.

Качественно новым и глубоким шагом в изучении начальных состояний Вселенной была разработка модели горячей Вселенной (Дж. Гамов и его сотрудники в 1948— 1956 гг.). В соответствии с этой концепцией, Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась высокой плотностью и высокой температурой вещества.

В теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения – микроволнового фонового излучения с температурой около 2,7 К. (Косвенным подтверждением служит обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе и высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной).

Рождение Вселенной.

Акт первый: инфляция физического вакуума.

Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума за счет фазового перехода первого рода;

Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантовых полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Физический вакуум обладает ненулевым значением плотности энергии и давления, поэтому в нем происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.). Вакуум описывается скалярными полями, для которых характерны квантовые флуктуации. Сингулярность — это и есть квантовая флуктуация вакуума. Физический вакуум — форма материи, характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления – отрицательные.

Возбужденное состояние физического вакуума («ложный вакуум»), способено создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии.

Скорость раздувания значительно превосходила световую. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10^-34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной – это единственный след, который сохранился до настоящего времени от периода инфляции.

В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10²⁷ К и энергии 10¹⁴ ГэВ. А это и есть Большой взрыв.

С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее фундаментальные взаимодействия, наблюдаемые сегодня.

Акт второй: Большой взрыв и его последствия. Большой взрыв связан с эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10^~34 с, а температура около 10²⁷ К. Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического вакуума множества разнообразных виртуальных частиц. Космос заполняется смесью частиц. Важнейшими ее составляющими были сверхмассивные частицы – переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и Y-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при падении Т< 10²⁷ К Х- и Y –бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. В результате появляется небольшой избыток частиц по отношению к античастицам: на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль.

По мере остывания Вселенной, антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) В результате аннигиляции (превращение одних частиц при столкновении в другие частицы) возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.

Вплоть до 10^~12с после Большого взрыва температура была высока (Т >10¹⁵К) и особенности материи во Вселенной резко отличались от её современного состояния:

o адроны еще не образовались;

o не различались слабое и электромагнитное взаимодействия (электроны, мюоны и нейтрино не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Y-частиц);

o кварки и легионы еще существенно не различаются, не обладают массой покоя и др.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 1015 К вызывает внезапный переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент (10^~12 с) нарушается калибровочная симметрия и электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W- и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение электронов, нейтрино, фотонов и кварков.

Следующий фазовый переход происходит при Т = 10¹³ К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие, сильно взаимодействующие частицы). С этого момента (10^-5с) открылся прямой путь для ядерных реакций – синтеза гелия.

При Т = 2*10¹⁰ К и t= 0,2с нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, они легко перемещаются во Вселенной, только их энергия уменьшается из-за ее расширения.

Сценарии будущего Вселенной. Теоретическое моделирование будущего Вселенной различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.

«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 10⁵³т, можно предположить, что через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное состояние (полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет).

Вселенная может быть представлена как система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться (могут изменяться фундаментальные физические константы).

В соответствии с «открытыми» моделями уже через 10¹⁴лет многие звезды остынут, что через 10¹⁵лет приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и превратятся в черные карлики. Центральные области галактик образуют черные дыры. Галактики прекращают свое существование.

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон нестабилен и распадается через 10³¹ лет на γ-квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся за 10⁹⁶ лет, через 10¹⁰⁰ лет во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.

Если же протон стабилен, то через 10⁶⁵ лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10¹⁵⁰⁰ лет любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!

₂₆

Через 10¹⁰, железные капли превратятся в «черные дыры». Эти «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 10⁶⁷ лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние – окончательная «смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу — физический вакуум.

4. Звезды – строение и эволюция

Звезды - это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым.

В ночном небе невооруженным глазом можно видеть около 6000 звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10²².

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в сотни и тысячи раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше (около 10 км). Предельная максимальная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам, а минимальная примерно 0,03 солнечной массы.

Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самая близкая к нам звезда - Проксима Центавра, не видимая с территории России. Проксима Центавра — маленькая звезда, ее масса в 7 раз меньше, чем масса нашего Солнца, а поверхностная температура (3000°) в два раза меньше, чем температура на поверхности Солнца. Поэтому она светит на небе очень тускло и не видна невооруженным глазом, хотя и является самой близкой к нам звездой. Она отстоит от Земли на расстоянии всего 4,2 световых лет (курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!).

Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы:

o кратные звезды (двойные, тройные и т.д.);

o звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов);

o галактики — грандиозные звездные системы, в которых содержатся миллиарды и сотни миллиардов звезд.

Большинство звезд находятся в стационарном состоянии, однако существуют звезды, свойства которых меняются - переменные звезды и нестационарные звезды. Переменные звезды изменяют свое состояние (блеск, излучение электромагнитных волн, магнитное поле и др.) регулярным или нерегулярным образом. Нестационарность может быть вызвана взаимодействием с другими звездами, перетеканием вещества от одной близкой соседки к другой.

В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды — мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца.

Звезда — это изменяющаяся плазменная система. В ходе жизни звезды ее химический состав и распределение химических элементов значительно изменяются. На поздних стадиях развития звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры - источники рентгеновского излучения и др.).

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии ~ гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов, и выделяется большое количество энергии.

Энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет. Из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд.

С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет от 12 до 15 млн. К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная среда.

Между звездами и межзвездной средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда —> звезды —> межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами. Около 85% всех химических элементов тяжелее гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд. лет назад. В то время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10—13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд. лет.

Хотя даже в мощные оптические телескопы мы видим в нашем галактическом пространстве лишь звезды и разделяющую их темную «бездну», на самом деле межзвездное галактическое пространство заполнено материей, веществом и полем.

Межзвездная среда состоит:

ü на 90% из межзвездного газа, который довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1 % массы межзвездной среды),

ü космических лучей,

ü пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного излучения.

Межзвездный газ состоит:

из атомов водорода (около 90% всех атомов)

гелия (около 8%);

другие химические элементы (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.) - 2%.

Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд. масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд!

Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (наиболее плотные и холодные части молекулярного газа). При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью (которая представляет собой твердые тугоплавкие мельчайшие частицы, содержащие водород, кислород, азот, силикаты, железо), образуя газопылевые образования, облака.

Эволюция звезд. Время звездной эволюции очень велико. Каждая из множества звезд на небе проходит некоторый этап эволюции.

Основные фазы в эволюции звезды:

Ø рождение (звездообразование);

Ø длительный период (обычно стабильного) существования звезды как целостной системы, находящейся в гидродинамическом и тепловом равновесии;

Ø период ее «смерти», т.е. необратимое нарушение равновесия, которое ведет к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава, который, зависит от времени образования звезды и ее положения в Галактике в момент образования. Чем больше масса звезды, тем быстрее идет ее эволюция и тем короче ее «жизнь». Для звезд с массой, превышающей солнечную массу в 15 раз, время стабильного существования - около 10 млн. лет (время, отведенное для нашего Солнца — около 10 млрд. лет).

Каждое поколение звезд имеет особые закономерности формирования и эволюции. Звезды первого поколения образовались из вещества, состав которого сложился в начальный период существования Вселенной - почти 75% водорода и 25% гелия с ничтожной примесью дейтерия и лития. В ходе быстрой эволюции массивных звезд первого поколения образовались более тяжелые химические элементы (в основном вплоть до железа), которые впоследствии были выброшены в межзвездное пространство в результате истечения вещества из звезд или их взрывов.

Звезды последующих поколений формировались из вещества, содержащего 3—4% тяжелых элементов. Поэтому в звездной эволюции различают: эволюцию отдельной звезды, эволюцию отдельных типов (поколений) звезд и эволюцию звездной материи как таковой.

Звездообразование - это процесс рождения звезд из межзвездного газа, газопылевых образований, облаков. Процесс звездообразования продолжается непрерывно.

Для каждого поколения звезд характерны конкретные условия звездообразования. Первые поколения звезд образовывались в основном в области галактического центра, во всем его объеме. В дальнейшем, в связи с тем, что межзвездный газ все больше концентрировался в плоскости Галактики, звездообразование происходило и происходит сейчас в этой галактической плоскости.

Звезды образуются не в одиночку, а группами, скоплениями, что является результатом гравитационной конденсации, сжатия (коллапса) громадных объемов межзвездного газа, газопылевых облаков.

Звездообразование начинается со сжатия и последующей фрагментации (под действием гравитационных сил) протяженных холодных облаков молекулярного межзвездного газа. Масса газа должна быть такой, чтобы действие сил гравитации преобладало над действием сил газового давления. При современных температурах межзвездного газа (10-30 К) его минимальная масса, которая может конденсироваться, составляет не менее тысячи масс нашего Солнца. Каждый из образовавшихся фрагментов может в свою очередь разделяться на отдельные фрагменты (так называемая каскадная фрагментация). Последняя серия фрагментов и представляет собой материал, из которого непосредственно формируются звезды.

По мере сжатия в таком фрагменте постепенно выделяются ядро и оболочка. Ядро - это центральная, более плотная и компактная часть, достигшая гидростатического равновесия. Оболочка - это внешняя, протяженная часть газопылевого фрагмента. (Из материала оболочки впоследствии при ее преобразовании в газопылевой диск могут образовываться окружающие звезду планеты.) Процесс конденсации сопровождается возрастанием магнитного поля, ростом давления газа. Долгое время оболочка остается плотной и непрозрачной, что делает рождающуюся звезду невидимой в оптическом диапазоне. (Зато ее можно зафиксировать средствами радио- и инфракрасной астрономии.) Так постепенно формируются протозвезды - грандиозные непрозрачные массы межзвездного газа со сформировавшимся ядром, в которых гравитация уравновешивается силами внутреннего давления.

С образованием протозвезды рост массы ее ядра не прекращается. Масса ядра продолжает увеличиваться за счет выпадения газа на ядро из оболочки (аккреция). Силы гравитации растут и разогревают ядро, которое претерпевает качественные изменения, в том числе возрастают его светимость и давление излучения. Затем рост ядра и конденсация газа из оболочки прекращаются. Оболочка постепенно «сдувается» излучением и рассеивается. А ядро приобретает вид звездного объекта. Этот процесс гравитационного сжатия длится недолго (от сотен тысяч до нескольких десятков млн. лет) и заканчивается тогда, когда температура в центре достигает 10-15 млн. градусов и включается другой источник энергии - термоядерные реакции. Сжатие прекращается, и процесс звездообразования завершается: протозвезда окончательно превращается в звезду.

В ходе водородных термоядерных реакций в центральной зоне водород превращается в гелий, выделяя громадное количество энергии.

Водород - главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах 12настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. До тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.

В недрах звезд, при температурах более 10 млн.К и огромных плотностях, газ обладает давлением в миллиарды атмосфер. В этих условиях звезда может находиться в стационарном состоянии лишь благодаря тому, что в каждом ее слое внутреннее давление газа уравновешивается действием сил тяготения. Если внутри звезды температура повысится, то звезда должна раздуться, так как возрастает давление в ее недрах. Если же температура внутри звезды, а значит и давление, понизится, то радиус звезды уменьшается. Такое состояние называется гидростатическим равновесием.

Стационарное состояние звезды характеризуется еще и тепловым равновесием. Процессы выделения энергии в недрах звезд, процессы теплоотвода энергии из недр к поверхности и процессы излучения энергии с поверхности должны быть сбалансированы. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться. Это приведет к ускорению ядерных реакций, и тепловой баланс будет вновь восстановлен. Таким образом, звезда представляет собой тонко сбалансированный «организм», она оказывается саморегулирующейся системой. Причем чем звезда больше, тем быстрее она исчерпывает свой запас энергии.

После выгорания водорода в центральной зоне звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Постепенно они перемещаются на периферию звезды. Звезда принимает гетерогенную структуру. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка - расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Полагают, что на стадии красного гиганта наше Солнце увеличится настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Но Солнце станет красным гигантом примерно через 5 млрд. лет.

Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. На этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций осуществляется синтез более тяжелых, чем гелий, химических элементов (нуклеосинтез).

Нуклеосинтез происходит в недрах звезд.

В период стабильного развития звезд в ходе термоядерных реакций происходит синтез гелия из водорода. А в недрах красных гигантов, при температуре свыше 150 млн. градусов, начинается новый этап ядерных реакций, в ходе которых происходит горение гелия: три ядра гелия образуют ядро углерода. Ядро углерода, взаимодействуя с ядром гелия, дает ядро кислорода, а синтез ядра кислорода с ядром гелия — неон и т.д., вплоть до кремния.

На следующем этапе ядерных реакций начинаются реакции углеродного горения. При этом происходит резкое взрывное повышение температуры еще на 1-2 порядка, т.е. до миллиардов и десятков миллиардов градусов. В этих условиях ядерные реакции, ведут к образованию химических элементов так называемого железного пика (Fе, Ni, Мn и др.). Но для синтеза тяжелых элементов необходимо больше энергии, чем высвобождается в процессе реакции.

На этом этапе подключается механизм нейтронного захвата: нейтрон, проникая в ядро, связывается там. В результате образовывается стабильное ядро изотопа нового химического элемента. Нейтроны и протоны ведут себя устойчиво. Если же ядро оказывается нестабильным, перегруженным нейтронами (их число превышает число протонов), то происходит реакция β-распада, в ходе которой нейтрон превращается в протон с образованием электрона и нейтрино. При таком распаде ядро превращается в изотоп следующего в периодической системе химического элемента. (Обратный процесс может происходить в случае перегруженности ядра нестабильными протонами.)

Различают два вида нейтронного захвата.

1) это медленный захват, когда следующий нейтрон поглощается после того, как завершится β-распад предыдущего (образование в выгоревших ядрах звезд-гигантов элементов вплоть до висмута).

2) это быстрый захват, при котором ядро успеет захватить несколько нейтронов, прежде чем начнется процесс β-распада. Но для такого быстрого захвата необходим поток нейтронов колоссальной мощности, что возможно только в период грандиозных звездных катастроф — вспышки сверхновой звезды (происхождение богатых нейтронами тяжелых элементов - урана, тория и др.- с массовым числом до 270).

Одно из важных следствий теории нуклеосинтеза состоит в том, что наше Солнце является звездой второго либо третьего поколения звезд. Солнце и Солнечная система возникли тогда, когда в недрах звезд предшествующих поколений уже были синтезированы тяжелые элементы и выброшены в пространство Вселенной. Из вещества, обогащенного этими тяжелыми элементами, и образовалась наша Солнечная система.

На стадии красного гиганта осуществляются основные реакции. В результате изменения химического состава, роста давления, пульсаций и других процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Динамическое равновесие звезды нарушается, происходит периодический сброс верхних оболочек. В этом случае звезда наблюдается как ядро планетарной туманности. Планетарная туманность — это система, состоящая из звезды (ядра туманности) и симметрично окружающей ее светящейся газовой оболочки (их может быть несколько), расширяющейся в пространстве с достаточно большой скоростью (20—40 км/с). По мере разряжения свечение оболочки ослабевает, и она становится невидимой. Планетарные туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами.

Красный гигант теряет свою массу, исчерпывает термоядерные источники энергии. На завершающем этапе нуклеосинтеза в недрах красного гиганта наступает нейтронизация вещества — электроны под громадным давлением «вдавливаются» в атомные ядра, взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. Красный гигант остывает. Теперь судьба звезды зависит от массы оставшегося ядра.

При массе менее 1,4 массы Солнца звезда, обладая громадной плотностью (сотни тонн на 1 см³), сохраняет свое стационарное, равновесное состояние - белые карлики. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет тогда, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образуя планетарную туманность. Поэтому белые карлики, окруженные остатками оболочки, выглядят обычно как планетарные туманности. Белый карлик не имеет ресурсов для термоядерных реакций, он постепенно охлаждается, причем время охлаждения достаточно велико — примерно 10⁹ лет. Это время сравнимо с возрастом Галактики.

Когда энергия звезды иссякнет, звезда меняет свой цвет с белого на желтый, затем на красный. Она перестает излучать и начинает непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького темного безжизненного объекта. Так белый карлик медленно превращается в мертвую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды в миллиарды раз выше плотности воды. Так заканчивают свое существование большинство звезд.

При массе более 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии становится невозможным, так как давление не может уравновесить силу тяготения. В таких звездах начинается гравитационный коллапс — неограниченное падение вещества к центру. Если внутреннее давление и другие причины останавливают коллапс, происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образованием газовых туманностей.

Если масса умирающей звезды более чем в 3 раза превышает массу Солнца, то уже ничто не может предотвратить гравитационный коллапс, такая звезда как бы взрывается внутрь, неизбежно превращаясь в черную дыру.

Сверхновые звезды — это такие звезды, блеск которых при вспышке в течение нескольких суток увеличивается настолько, что становится сравнимым с яркостью всех звезд галактики и может даже превосходить ее (в 1006,1054, 1181, 1572 и 1604гг. и менее достоверные сведения из китайских летописей — в 185, 369, 386 и 393 г.г.).

Взрыв сверхновой звезды— гигантский по силе взрыв старой звезды, вызванный коллапсом ее ядра. Под воздействием силы тяготения вещество звезды начинает ускоренно двигаться к ее центру, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Масса ядра растет, и нарастает гравитационное поле. В результате ядро ускоряется быстрее, чем оболочка. Высокое давление сбрасывает оболочку — звезда взрывается. Взрыв сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее раскидывают наружные слои звезды в космическом пространстве и образуют клочья облаков расширяющегося газа. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия (порядка 10⁵²эрг).

Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение для обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для распространения химических элементов во Вселенной, а также для рождения первичных космических лучей.

Дозы космического излучения при взрыве могут превышать нормальные для Земли в 7 тысяч раз! Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на нашей планете (внезапную гибель динозавров).

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела — нейтронной звезды или черной дыры.

Нейтронная звезда — это гидростатически равновесная звезда, состоящая в основном из нейтронов. Она имеет много свойств, общих со свойствами ядра атома, но и много различий. Атомное ядро — это квантово-механическая система, единство которой обеспечивается ядерными силами, сильным взаимодействием. А единство нейтронной звезды обеспечивается балансом между сжимающей ее силой тяготения и давлением, направленным от центра звезды к ее поверхности.

Типичная нейтронная звезда имеет радиус 18-10км. Плотность нейтронной звезды очень высока, соизмерима с плотностью атомных ядер - 10¹⁵ г/см3. Ядро нейтронной звезды состоит из сверхтекучей нейтронной жидкости, сверхпроводящих протонов и вырожденных электронов, а верхний слой - твердая кора из железа. Благодаря сверхтекучей нейтронной жидкости в такой звезде распространяются волны плотности, подобные порывам ветра на поле, покрытом травами. Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет.

Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе в направлении магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами.

Расчеты показывают, что в нашей Галактике должно содержаться около 100 млн. нейтронных звезд и черных дыр.

Черные дыры. Старые массивные звезды, умирая, переходят в состояние гравитационного коллапса. Результатом коллапса является образование области, в которой тяготение настолько велико, что оттуда ничего выйти уже не может. Окружающее звезду пространство-время свертывается, звезда исчезает из Вселенной, а вместо нее остается сильно искривленная область пространства-времени, т.е. та черная дыра, модель котором существует еще с начала XX в. Если масса умирающей звезды в 3 и более раз превышает массу Солнца, то она, завершая свой жизненный путь, неизбежно превращается в черную дыру. Проявлениями гравитационного коллапса являются вспышки новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды и др.

Сильное гравитационное поле черной дыры должно вызывать бурное излучение электромагнитных волн при попадании в это поле газа. Газ образует закручивающийся вокруг черной дыры быстро вращающийся уплотняющийся диск. При этом кинетическая энергия его частиц, разгоняемых силой тяготения черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, по которому черная дыра может быть обнаружена.

В настоящее время существует уже более 10 кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятков кандидатов в сверхмассивные черные дыры (с массой 10⁸~ 10⁹ масс Солнца) в ядрах галактик (в том числе и нашей) и в квазарах. Недавно исследование движения звезд, сосредоточенных в центре нашей Галактики, показало, что одна из них, двигаясь по орбите вокруг центра Галактики на расстоянии, всего в 3 раза превышающем расстояние от Солнца до Плутона, имеет немыслимую для других звезд скорость — 5000 км/с, а период ее обращения 15,2 года. Такое быстрое движение по орбите может быть объяснено только тем, что в центре нашей Галактики находится массивный (3,7 млн. масс Солнца) и сверхкомпактный объект. А с точки зрения современных представлений, таким объектом может явиться только черная дыра.

Черная дыра - область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.

Звезда с массой, равной массе Солнца за тысячную долю секунды может превратиться из обычной звезды в черную дыру. А если масса равна массе миллиарда звезд (ее горизонт равен 2,8 световых часа), то такой процесс займет несколько дней.

Свойства черной дыры крайне необычны.

1. Черная дыра может гравитационно захватывать тела, прилетающие из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R = 2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос.

Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос.

Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.

2. В черной дыре происходит фундаментальное замедление времени. Она так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной – либо в другую часть нашей Вселенной, либо внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной, и даже проникновения в другую вселенную.

((Во время свободного падения тело будет разорвано грандиозными силами тяготения: если оно падает ногами вниз, то ноги окажутся ближе к черной дыре, чем голова, и будут двигаться быстрее — человек вытянется к тонкую нить длиной сотни километров; попадая под горизонт черной дыры, свет приобретает грандиозную энергию и испытывает фиолетовое смещение, здесь накапливается так называемый фиолетовый слой фотонов, сильнейшая вспышка рентгеновских и γ-лучей, губительная для всего живого)).

Размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики (10⁴⁴ г) до песчинки массой 10^-5 г.

Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Черная дыра массой в 10 масс Солнца испарится за 10⁶⁹лет. «» массивные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции Вселенной, и сейчас существуют, причем, возможно, даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются обнаружить с помощью γ-телескопов. А маломассивные черные дыры, теряя массу, разогреваются и излучают еще сильнее. В конце концов они должны взорваться и, по-видимому, полностью исчезнуть, породив мощную вспышку жесткого γ-излучения. Вспышка черной дыры с массой 10⁹ г за 0,1с будет эвивалентна энергии взрыва миллиона водородных бомб! «»

5. Солнечная система – структура

Планеты и их спутники.

Земля — спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов, кроме Солнца и Луны, являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. км, т.е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше их и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды.

Кроме планет, в солнечную систему входят спутники планет, астероиды, кометы, метеорные тела.

Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник - Луна), Марс (2 спутника), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (1 спутник).

Земля в 40 раз ближе к Солнцу, чем Плутон, и в 2,5 раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть еще одна или несколько планет, но поиски их среди множества звезд слабее 15-й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного времени.

Важную роль в Солнечной системе играет межпланетная среда, те формы вещества и поля, которые заполняют пространство Солнечной системы. Основные компоненты этой среды — солнечный ветер (поток заряженных частиц, в основном протонов и электронов, истекающих с поверхности Солнца); заряженные частицы высокой энергии, приходящие из глубин космоса; межпланетное магнитное поле; межпланетная пыль, основным источником которой являются кометы; нейтральный газ (атомы водорода и гелия).

По физическим характеристикам планеты делятся на две группы:

o планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс);

o планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

О Плутоне известно мало, но он ближе по своему строению к планетам земной группы.

Строение планет. Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Спутник Сатурна - Титан - окутан плотной атмосферой и по размерам больше планеты Меркурий. Титан - единственный спутник в нашей Солнечной системе, обладающий постоянной и плотной газовой атмосферой, которая состоит главным образом из азота и метана (ее температура -180°С).

Земля имеет жидкую оболочку из воды - гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера - лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы - дефицит воды на Венере.

Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют:

ü кору - самую внешнюю тонкую (10—100 км) твердую оболочку;

ü мантию — твердую и толстую (1000—3000 км) оболочку;

ü ядро — наиболее плотную часть планетных недр.

Ядро Земли, состоящее из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000-5000 К.

Жидкое ядро, есть также у Меркурия и Венеры; а у Марса его нет.

Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%).

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий, и другие элементы содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна больше тяжелых элементов.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд. лет назад.

Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер.

Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции (объединении) и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью — тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение еще не завершилось. Такие процессы вызывают перемещения отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы. Причина вулканических процессов состоит в том, что в верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору, и происходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной, группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс. При этом выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состояние.

Высокой тектонической и вулканической активностью отличаются и спутники дальних планет Солнечной системы, особенно Юпитера и Сатурна.

Поверхность планет и их спутников формируют не только эндогенные (тектонических, вулканических) процессы, но и экзогенные - падение метеорных тел, астероидов; эрозия (под действием ветра, осадков, воды, ледников); химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др.

6. Солнечная система – генезис

Считается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем — это единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости.

Протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. Такое уплотнение произошло в результате взрыва сверхновой звезды, который мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Протопланетное облако не было массивным (если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно собралось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца); было неустойчивым. Оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки — протопланеты.

Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров. В относительно короткий срок (10ⁿ лет, где n = 5—8) сформировались девять больших планет.

В настоящее время господствует идея холодного начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции. (Хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.)

Астероиды, кометы, метеориты являются остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) объясняется повторением процесса образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана.

Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) объясняют захватом.