Нестационарная Вселенная
Было время, когда казалось, что космические объекты, составляющие население нашей Вселенной, почти не изменяются с течением времени, постепенно переходя от одного стационарного состояния к другому стационарному состоянию. Однако с появлением новых средств астрономических исследований, позволяющих регистрировать и анализировать информацию, содержащуюся не только в оптическом, но и в других диапазонах космических электромагнитных излучений, картина «спокойной» Вселенной была кардинально пересмотрена. Выяснилось, в частности, что почти все известные нам галактики излучают не только свет, но и радиоволны, и что эти излучения связаны с выделением огромных количеств энергии. В настоящее время не приходится сомневаться в том, что источником этих энергий являются активные физические процессы, протекающие в ядрах этих звездных систем. И, судя по всему, подобные активные нестационарные процессы играют весьма существенную роль в эволюции космических объектов! Эта роль впервые была отмечена выдающимся советским астрофизиком академиком В.А. Амбарцумяном.
В 1960-х годах новые технические возможности позволили астрономам исследовать неизвестные свойства уже известных объектов. В частности, внимание ученых привлекли так называемые голубые звезды. Они были впервые обнаружены и даже сфотографированы 100 лет назад и на этих снимках выглядели так же, как и другие звезды нашей Галактики. Правда, было замечено, что они обладают очень сильным ультрафиолетовым излучением, но это обстоятельство почему-то в то время никого не заинтересовало. И только когда выяснилось, что эти звезды являются еще и радиоисточниками, они стали объектом пристального исследования. Одной из таких звезд, зарегистрированной в каталогах космических радиостанций под номером ЗС 273, заинтересовался американский астроном, голландец по происхождению Мартен Шмидт. Исходя из результатов спектральных наблюдений, он пришел к выводу о том, что объект ЗС 273 должен находиться от Земли на расстоянии порядка нескольких миллиардов световых лет, то есть у границ наблюдаемой области Вселенной. Но это означало, что загадочный объект излучает неправдоподобно большое количество энергии…
Открытие космических объектов, впоследствии получивших название квазаров, явилось одним из самых выдающихся событий в естествознании второй половины XX столетия.
Согласно подсчетам, квазар ЗС 273, обнаруженный первым, излучает примерно в сто раз большую энергию, чем самые гигантские известные нам галактики! Это тем более удивительно, что квазары представляют собой компактные образования – их поперечники достигают всего нескольких световых месяцев, максимум – года.
По-видимому, квазары возникли раньше, чем галактики, а затем каким-то образом «обрастали» звездами и становились ядрами этих звездных систем. Что же касается источников их энергии, то этот вопрос остается открытым. Единственное, что можно утверждать определенно, – то, что это не термоядерные реакции. Такие реакции заведомо не могли бы обеспечить столь высокий выход энергии из столь небольшого объема.
Читайте также
7. ВСЕЛЕННАЯ КАК ВСЕЕДИНСТВО
7. ВСЕЛЕННАЯ КАК ВСЕЕДИНСТВО Возьмем основные категории пространства, времени и причинности. Время трансцендирует непрерывно в будущее и в прошлое. Первый транс освобождает от каждого момента («ничего, пройдет!»), но никогда не освобождает от времени: он делает все
Наша Вселенная
Наша Вселенная Сегодня под Вселенной мы понимаем не весь материальный мир, а ту его часть, которая выделена в процессе практической и познавательной деятельности человека. В принципе за пределами нашей Вселенной может находиться бесчисленное множество других
Вселенная из… «ничего»
Вселенная из… «ничего» Идея, согласно которой «из ничего не родится ничто», возникла еще в V веке до н. э. в эпоху Парменидов. И оказалась одной из самых устойчивых идей, которая прошла через столетия и сохранялась в естествознании в неизменном виде почти до самого
Фрактальная Вселенная
Фрактальная Вселенная До начала 80-х годов XX столетия в астрофизике господствовало представление о расширяющейся однородной и изотропной Вселенной, то есть о такой Вселенной, основные свойства которой приблизительно одинаковы для достаточно больших областей
Изотропна ли Вселенная?
Изотропна ли Вселенная? Поскольку пространство и время являются формами существования материи, то их свойства во многом зависят от того, каким образом распределены в них различные материальные объекты. До сравнительно недавнего времени одним из основных положений
6.1. Биофилическая вселенная?
6.1. Биофилическая вселенная? Если когда?нибудь нам удастся установить контакт с разумными инопланетянами — как мы преодолеем «культурную пропасть»? Одним из вариантов общей культуры для нас могла бы стать физика и космология. Иная разумная жизнь будет, как и мы, состоять
Живая Вселенная
Живая Вселенная В предыдущей части, я сделал попытку описать понятие «жизнь», через понимание того, как развилась Вселенная от простых вещей, к вещам более сложным. Здесь, я хочу посмотреть на это явление, более широким образом, как фундаментальную особенность самой
Что такое Вселенная?
Что такое Вселенная? По мнению некоторых теоретиков, новейшие достижения в математике относительности предсказываю, что через черные дыры в нашей Вселенной можно попадать в другие Вселенные. Откуда мы знаем, что это возможно? Был ли кто-нибудь в действительности в другой
36. Самоотражающая Вселенная
36. Самоотражающая Вселенная Ничто не может долго оставаться удаленным от Бога, равно как и отделенным от той Основы Бытия, вне которой не существует ничто… Кен Уилбер в книге «Вверх из рая» Создатель квантовой или волновой механики Эрвин Шрёдингер говорил, что природа,
Так покорится нам Вселенная…
Так покорится нам Вселенная… Что на практике означает прочность, в миллионы раз превышающая удельную прочность такого обыкновенного вещества, как скажем, легированная сталь? Это, например, возможность создания компактных, абсолютно безопасных термоядерных
Глава 9 Пространство и время. Вселенная 1 и вселенная 2. Источник жизни 1 и источник жизни 2. Творец. Защитные механизмы вселенной
Глава 9 Пространство и время. Вселенная 1 и вселенная 2. Источник жизни 1 и источник жизни 2. Творец. Защитные механизмы вселенной Человек – мера всех вещей Протагор Данную главу нам необходимо начать со слов американского физика австрийского происхождения Фритьофа
Источник
Что значит нестационарность вселенной
Космология изучает физическую природу, строение и эволюцию Вселенной как целого .
Понятие «Вселенная» означает Космос, доступный человеческому наблюдению .
Космология рассматривает наиболее общие свойства всей области пространства, охваченной наблюдением. Мы называем ее Метагалактикой. Наши знания о Метагалактике ограничиваются горизонтом наблюдений. Этот горизонт определяется тем, что скорость света не мгновенна. Следовательно, мы можем наблюдать только те области Вселенной, от которых свет успел дойти до нас к настоящему времени. При этом мы видим объекты не в их нынешнем состоянии, а в том, в котором они были в момент испускания света.
Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии, физике, математике, химии и других смежных дисциплинах.
Несколько предпосылок изучения Вселенной:
- считается, что формулируемые физикой законы функционирования мира действуют во всей Вселенной
- считается, что наблюдения астрономов также распространяются на всю Вселенную
- считается, что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип)
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.
Проблемы возникновения и устройства Вселенной занимали людей с древности. Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились представления, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых». Небо — это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги. Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.
В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, над которым на столбах поддерживается круглое выпуклое небо. Разъяренный дракон будто бы согнул центральный столб, вследствие чего Земля наклонилась к востоку. Поэтому все реки в Китае текут на восток. Небо же наклонилось на запад, поэтому все небесные светила движутся с востока на запад.
В греческих колониях на западных берегах Малой Азии (Иония), на юге Италии и в Сицилии в седьмом веке до нашей эры началось бурное развитие науки, в частности, философии, как учения о природе. Именно здесь на смену простому созерцанию явлений природы и их наивному толкованию приходят попытки научно объяснить эти явления, разгадать их истинные причины. Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский . Это ему принадлежат слова: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим. » Тогда же Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля, как и другие небесные тела, имеет форму шара. Вселенная представлялась Пифагору в виде концентрических, вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикреплены планеты
Гераклид Понтийский и Евдокс Книдский в IV в до н.э. утверждали, что все тела во Вселенной вращаются вокруг своей оси, и обращаются вокруг общего центра (Земли) по сферам, количество которых в разных космогониях варьировало от 30 до 55. Вершиной этой картины мира стала система Клавдия Птолемея (II в. н.э.).
Первые научно-обоснованные модели Вселенной появились после открытий Коперника, Галилея и Ньютона. Сначала Р. Декарт выдвинул идею эволюционной вихревой Вселенной. Согласно его теории, все космические объекты образовались из первичной однородной материи в результате вихревых движений. Солнечная система, согласно Декарту – один из вихрей космической материи. И. Кант развивал идею бесконечной Вселенной, образовавшейся под действием механических сил притяжения и отталкивания, и попытался выяснить дальнейшую судьбу такой Вселенной. Математически описал гипотезу Канта великий французский математик Лаплас.
И. Ньютон считал, что тяготеющая вселенная не может быть конечной, так как в этом случае все звезды, ее составляющие, под действием сил тяготения соберутся в центре. Он пытался объяснить наблюдаемое противоречие бесконечным количеством звезд во Вселенной, а также бесконечностью мира во времени и пространстве. Однако космология столкнулась тогда с парадоксами.
Гравитационный парадокс: согласно ньютоновскому понятию гравитации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неизбежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что Вселенная не может существовать вечно.
Решая эту проблему, И. Кант сделал вывод о нестатичности Космоса. Туманности он называл «мировыми островами». Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними так, что суммарные силы Космоса остаются конечными. Тогда парадокс разрешается.
Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно ярким. На самом же деле такого эффекта не наблюдают. В 1823 г. Ольберс показал, что пылевые облака, которые поглощают свет более дальних звезд, сами нагреваются и должны, поэтому излучать свет. Этот парадокс разрешился сам собой после создания модели расширяющейся Вселенной.
Современная космология возникла после появления общей теории относительности Эйнштейна и поэтому ее, в отличие от классической Галилеевой и Ньютоновой космологии, называют релятивистской. Эмпирической базой для космологии являются оптические и радиолокационные астрономические наблюдения. Открытие элементарных частиц и исследование их поведения на ускорителях в условиях, приближенных к существовавшим на первоначальных этапах развития Вселенной, помогло понять, что происходило в первые моменты ее эволюции.
Когда Эйнштейн работал над своей общей теорией относительности, Вселенная представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не были открыты Метагалактика и ее расширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, которая равномерно наполнена Галактиками, находящимися на неизменных расстояниях. Тогда неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения. Этот результат находился в противоречии с выводами ОТО. Чтобы не вступать в конфликт с общепринятой картиной мира, Эйнштейн произвольно ввел в свои уравнения новый параметр — космическое отталкивание, которое характеризовалось с помощью космологической постоянной. А. Эйнштейн предполагал, что Вселенная стационарна, бесконечна, но не безгранична. То есть она мыслилась в виде сферы, постоянно увеличивающейся в объеме, но имеющей границы.
Единственным человеком, который в 1922 году верил в правильность выводов ОТО применительно к космологическим проблемам, был молодой советский физик А. А. Фридман. Он заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства.
Модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной.
Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.
Однородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.
Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься
В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами . Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности.
А.Фридман , на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга.
Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть , вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации – расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А.Фридмана – один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер . Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж.Леметр . В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться — эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля.
В первой модели пространство искривлено и замкнуто само на себя. Это сфера, поэтому размеры его конечны. Во второй модели пространство искривлено иначе, в форме гиперболического параболоида (или седла), пространство бесконечно. В третьей модели с критической скоростью расширения пространство плоское, и, следовательно, тоже бесконечное.
Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана — Де Ситтера – Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла . В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую)сторону .
Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Более того, оказалось, что скорость разлета галактик не одинакова в различных частях Вселенной. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения — такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. Закономерная связь скорости удаления галактик с расстоянием до них описывается с помощью постоянной Хаббла ( Н , км/сек на 1 мегапарсек расстояния).
V = Hr , где V — скорость удаления галактик, r — расстояние между ними.
Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния.
Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик». В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.
Согласно всем трем моделям эволюции Вселенной, она имела точку отсчета — состояние, характеризовавшееся нулевым моментом времени. Начальным состоянием материи в ней было некоторое сверхплотное состояние, которое характеризовалось неустойчивостью, что и привело к его разрушению. В результате вещество Вселенной стало стремительно разлетаться. Сейчас мы знаем , что за каждый млрд лет жизни Вселенная расширяется на 5 – 10%. Наиболее вероятное значение постоянной Хаббла в 80 км/сек дает нам значения времени расширения- от 13 до 17 млрд лет. В 2002 году с помощью компьютерной модели современного состояния Вселенной были получены результаты, дающие нам время ее жизни в 13,7 млрд лет.
Механизм дальнейшей эволюции зависит от средней плотности вещества в ней. Критической плотности вещества соответствует величина в 3 атома водорода в 1 м3 пространства. Однако неопределенность в современном значении плотности вещества Вселенной очень велика. Если сложить массы всех известных в настоящее время Галактик и межзвездного газа, то получится величина ρ=0,3 атома Н, то есть на порядок меньше критической. Соответственно, Вселенная может расширяться вечно.
Однако, существует так называемая проблема скрытой массы. Возможно, ученым известна не вся имеющаяся во Вселенной материя. По последним данным, наблюдаемая масса Вселенной составляет всего 5-10% относительно общей массы вещества. В случае подтверждения этого результата, эволюция Вселенной может пойти по другому пути. На роль скрытой носителей массы Вселенной претендуют различные космические объекты. В нашей и других Галактиках существует большое количество темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании которой мы узнаем по ее гравитационному воздействию на орбиты звезд. Более того, внутри галактических скоплений содержится еще большее количество такой материи. Эта материя представляет собой вакуумные квантовомеханические структуры . На ее долю падает 75% скрытой массы.
На роль носителей скрытой массы могут претендовать нейтрино, частицы, образовавшиеся на ранних стадиях развития вселенной. Как стало известно в последние 3 года, нейтрино все- таки имеют массу, следовательно, могут участвовать в формировании гравитационных взаимодействий.
Кандидатами на ту же роль являются и некоторые экзотические объекты, такие как черные дыры — объекты точечного размера и огромной массы, которые содержатся во вселенной в больших количествах, пространственные струнные объекты и т.п..
По мнению ряда ученых, 20% скрытой материи представлены « зеркальными частицами», из которых состоит невидимый нами « зеркальный мир», который пронизывает нашу Вселенную. Гипотез на этот счет достаточно, однако их подтверждение или опровержение — дело будущего.
В случае, если предположения ученых о неизвестной нам массе вещества Вселенной подтвердятся, то ее эволюция может пойти по пути, предложенному в модели Фридмана, или по схеме Пульсирующей Вселенной. В этой модели Вселенная проходит бесконечно большое количество осцилляций, то есть в конце каждого жизненного цикла возвращается в первоначальное состояние с точечным объемом и бесконечно большой плотностью.
Очень важной проблемой современной космологии являются начальные моменты существования нашей Вселенной. Удачная попытка решения этой проблемы связана с именем американского астрофизика Георгия Антоновича Гамова , который в 1942 г. предложил концепцию эволюции Вселенной путем «Большого взрыва». Основная цель автора концепции заключалась в том, чтобы, рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемые в наше время соотношения между количеством различных химических элементов и их изотопов. Теория Горячей Вселенной и Большого взрыва дает определенные предсказания о состоянии вещества Вселенной в первые моменты ее жизни.
Первоначальный момент — состояние сингулярности
В первоначальный момент времени Вселенная была сосредоточена в минимальном объеме, который был в миллиарды раз меньше булавочной головки. А если точно следовать математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность – равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью – точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Согласно оценкам, это происходило от 13,7 млрд лет назад.
В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, сами эти понятия теряют смысл. Идет не просто замыкание пространственно-временного континуума, как следует из общей теории относительности, а его полное разрушение
Причины возникновения такого начального состояния, а также характер пребывания материи в этом состоянии считаются неизвестными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Неизвестно также, что было до момента взрыва. Долгое время ничего нельзя было сказать и о причинах Большого взрыва, и о переходе к расширению Вселенной, но сегодня появились некоторые гипотезы, в которых содержится попытка объяснить эти процессы.
Итак, исходное состояние перед «началом» обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок. Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной.
Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое назвали «ложным» вакуумом. Это состояние характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, которые равносильны гравитационному отталкиванию такой силы, которая вызвала безудержное и стремительное расширение. Это и было первым толчком – началом. С началом стремительного расширения Вселенной возникает время и пространство.
Согласно гипотезе Алана Гута, американского математика, в первые моменты времени Вселенная расширялась со все возрастающей скоростью. Такое расширение получило название раздувания. По разным оценкам период раздувания занимает невообразимо малый промежуток времени – до 10-39 секунды после начала. Этот период называется инфляционным. За это время Вселенная успевала раздуться до гигантского «пузыря», радиус которого на несколько порядков превышал радиус современной Вселенной, но там практически отсутствовали частицы вещества. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Более того, в ней сформировались локальные неоднородности, которые затем сглаживались при дальнейшем расширении Вселенной. Затем нарушилось равновесие сил, удерживавших Вселенную в подобном неустойчивом состоянии, и произошел всплеск энергии, заключенной в «ложном» вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 1027° К.. С этого момента Вселенная развивалась согласно теории горячего Большого взрыва.
Планковская фаза (10–39 сек)
При сверхвысоких температурах и плотностях даже общая теория относительности еще не применима, поскольку она не учитывает квантовые эффекты, которые в тот момент преобладают. Возможно, в этот период могли возникать кванты гравитационного поля- гравитоны.
На этом этапе, возможно, происходили взаимные превращения частиц и квантов излучения. То есть излучение и вещество еще неотделимы друг от друга. Все три вида взаимодействия –сильное, слабое и электромагнитное, еще не разичаются и являются различными формами единого взаимодействия. Физики называют эту фазу ЭРОЙ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ.
Из двух квантов гамма — излучения возникают пары электрон-позитрон.
Это хорошо известный в настоящее время процесс:
Когда температура несколько упала, электрон-позитронные пары начали аннигилировать. При аннигиляции каждой такой пары выделяются два фотона, обладающие высокой энергией, то есть гамма лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.
Адронная фаза (10 -3 сек)
Чем больше энергия квантов, тем более массивные частицы могут образовываться в результате взаимодействия.
По мнению современной физической теории, в ранней Вселенной должны были существовать уникальные условия, способствующие возникновению кварков и антикварков — этих первичных кирпичиков Вселенной. В этот момент кварки либо могли находиться в свободном состоянии, либо существовать в виде кварк-глюонных струй.
В момент времени менее миллисекунды температура была настолько высокой, что доминировали сильные взаимодействия. В результате из кварков формировались тяжелые частицы класса адронов – мезоны и антимезоны, протоны и антипротоны, а также некоторые экзотические виды ядерных частиц, например гипероны. Процесс рождения ядерных частиц оказывал в высшей степени стабилизирующее действие. Начальная анизотропия быстро сглаживалась, в результате Вселенная стала изотропной и наполнялась излучением.
С понижением температуры спустя несколько микросекунд после большого взрыва пары адронов, тяжелых элементарных частиц, практически полностью аннигилировали. Завершилась адронная эра, когда доминировали сильные взаимодействия.
Лептонная фаза
Далее наступил период слабых взаимодействий. В результате слабых взаимодействий происходил радиоактивный распад свободных нейтронов, оставшихся после адронной эры на электроны и протоны, а мезонов на мюоны и антинейтрино.
Именно в это время происходит образование нейтрино и антинейтрино. Эти частицы относятся к классу лептонов, соответственно во Вселенной наступила лептонная эра. В лептонную эру Вселенная состоит из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Через 0,2 секунды после сингулярности происходит отрыв нейтрино от вещества. Эти частицы с огромной скоростью разлетаются по всему пространству Вселенной.
В течение короткого периода в начале эры присутствуют также электрон-позитронные пары. Спустя одну секунду с момента Большого взрыва условия меняются. Температура опускается менее 10 млрд К, .и электрон-позитронные пары аннигилируют. Реакции образования нейтронов прекращаются. В этот период во Вселенной на каждые шесть протонов приходится один нейтрон( это соотношение сохраняется во Вселенной до настоящего времени).
Затем происходят события, в которых нейтрон активно участвует. Идет процесс синтеза более тяжелых элементов из более легких. Этот процесс называется термоядерным синтезом.
Термоядерный синтез (3 минуты)
Когда температура Вселенной упала до 1 млрд. К. начинаются реакции синтеза.
При такой температуре энергии протонов и нейтроно уже не хватает для сопротивления сильному ядерному взаимодействию. Они начинают объединяться между собой. Сначала нейтрон захватывается протоном и образуется ядро дейтерия. Дейтерий легко поглощает нейтроны. На следующей стадии образуется тритий, и, наконец – тритий вступает в реакцию с протоном и образуется ядро гелия. Почти все нейтроны оказываются связанными в ядра гелия. В результате термоядерного синтеза во Вселенной образовалось 25% по массе гелия, остальное вещество состояло из свободных протонов. Большой взрыв создал гелий. Такое соотношение водорода и гелия во Вселенной ( 75% : 25%) могло образоваться только при тех условиях, о которых идет речь. Любые изменения условий приведут к другому соотношению этих элементов во Вселенной. Затем температура упала, и дальнейший синтез более тяжелых ядер прекратился. Образовалось очень незначительное количество ядер лития и бериллия.
Радиационная эра (100 часов)
Через несколько часов после Большого взрыва образование ядер прекратилось. В этот период все вещество находится в форме плазмы — некоего промежуточного состояния. Спустя 10000 лет она остыла примерно до 3 тысяч К, протоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли спокойно захватывать свободные электроны и превращаться в нейтральные атомы этих элементов. Плазма стала нейтральной. В этот момент излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что называется сейчас реликтовым излучением. Оно поступает сейчас из всех точек небосвода и не связано с каким-нибудь отдельным источником. Именно этот факт и послужил одним из аргументов, подтверждающих, что Большой взрыв был. Этот период получил название периода отделения вещества от излучения .
Так как нейтральное вещество взаимодействует с излучением гораздо слабее, чем полностью ионизованное, длина пробега квантов этого «реликтового» (остаточного) излучения превысила размеры Вселенной. Начиная с «эпохи рекомбинации», реликтовое излучение и вещество эволюционируют независимо. Эффект Доплера в расширяющейся Вселенной приводит к уменьшению наблюдаемой частоты реликтового излучения и, соответственно, температуры, определяющей форму его спектра. В настоящее время температура реликтового излучения составляет 2,7 К и наблюдается оно в виде радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Необходимо подчеркнуть: реликтовое излучение — единственный прямой источник информации о структуре Вселенной в эпоху рекомбинации, 10 — 12 миллиардов лет назад.
В следующие 300 тысяч лет расширение Вселенной проходило без особых изменений в ее составе и свойствах. Вывод о спокойной фазе расширения Вселенной следует из ее нынешнего однородного и изотропного состояния.
По мере расширения Вселенной фоновое излучение прошло через весь спектр, переходя из гамма-излучения в рентгеновское, затем в ультрафиолетовое, оптическое, инфракрасное. Наконец энергия фотонов упала до величины, соответствующей диапазону радиоволн. В любой заданный момент времени спектр излучения определялся температурой Вселенной. Характер излучения во Вселенной при этом не менялся, постепенно сдвигаясь в сторону более низкой температуры.
Важнейшим итогом этого периода стало то, что все электроны оказались связанными, а Вселенная стала прозрачной. С этого момента фотоны могли двигаться прямо без рассеяния.
После периода отделения вещества от излучения вещество остывает довольно быстро по сравнению с излучением. Согласно законам термодинамики при расширении газа темп снижения температуры в два раза превышает темп расширения. Температура излучения в свою очередь снижается с расширением системы лишь линейно. При этом фотоны теряют при расширении меньше энергии, чем медленно движущиеся частицы. В современной Вселенной оставшееся вещество практически потеряло всю температуру, которая составляет всего 3° К..
В тот период, когда температура достигла значений на уровне 3000°К, появилась возможность синтеза во Вселенной более тяжелых элементов.
Фаза образования Галактик
В силу принципа неопределенности, в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества, так называемые флуктуации плотности. Современная физическая наука не может найти достаточно разумных объяснений факту появления таких флуктуаций. Все предположения носят предварительный характер, и нуждаются в уточнении. Одно из предположений основано на участии в этом процессе нейтрино.
Пока нейтрино двигались со скоростью, близкой к С, их флуктуации быстро рассеивались. Однако, через сотни тысяч лет, скорость их должна сильно замедлиться. Начиная с некоторого момента, крупные сгущения нейтрино уже не рассеиваются, и дают начало первым структурным образованием Вселенной. Эти образования состоят из вещества, а нейтрино играют роль центров притяжения для этих гигантских сгущений.
В расширяющейся Вселенной возникновение этих областей приводит к постепенному развитию медленно изменяющихся возмущений. Эти уплотнения возникли в период отделения вещества от излучения. Постепенно уплотнения увеличивались и внутри их развивались гравитационные взаимодействия. В итоге эти области престают расширяться и коллапсируют, в результате чего и образуются протогалактики. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчетам, из этих сгущений должны были возникнуть простые образования, напоминающие блины.
Сжатие водородно-гелиевой плазмы в «блины» неизбежно привело к значительному увеличению их температуры. По мере расширения Вселенной, сжатие большого «блина» также порождало его неустойчивость, и он распадался на более мелкие подсистемы, которые стали зародышами галактик. Критической массой, при которой происходили эти процессы, была величина в 100 млрд. масс Солнца , протяженность облака- 150000 световых лет.
Фаза эволюции Галактик
После сжатия протогалактическое облако не могло более оставаться однородным и сферически симметричным. Гравитация в нем превалирует над силами давления. Скорость сжатия вещества в облаке значительно превышала скорость звука. При таком сжатии газового облака неизбежно порождаются турбулентные потоки. В составе большого облака нарастают малые неоднородности. Происходит случайным образом распределенный по всему объему процесс газовой фрагментации. Результатом этого процесса является формирование фрагментов размером с ныне существующие галактики. В галактики довольно близки по своему размеру, который составляет в среднем около 30 000 световых лет. Только неправильные галактики оказываются несколько меньше обычных.
В условиях формирования облака при высоких температурах излучение свободно уходит из него, и оно начинает охлаждаться. Быстрое охлаждение фрагмента способствует его дальнейшей фрагментации, при которой начинают образовываться первичные звезды. Наступает ФАЗА ОБРАЗОВАНИЯ ЗВЕЗД .
Структура Вселенной
Образовавшиеся галактики распределены в пространстве Вселенной не случайным образом. Характер их распределения носит название корреляции галактик. Галактики сначала образуются из протогалактического облака, а потом постепенно скучиваются. Иерархия образования структур включает в себя группы галактик внутри бедных скоплений, которые потом входят в состав богатых скоплений. Вероятно, первоначальное их распространение было случайным, Затем вступили в действие гравитационные силы, которые привели к стягиванию галактик в большие скопления.
Интересным представляется проследить структуру видимой нами части Вселенной — Метагалактики . Метагалактика состоит из гигантских звездных систем, подобных нашей — галактик. Всего три таких объекта видны на небе невооруженным глазом, как слабосветящиеся размытые пятна — это Большое и Малое Магеллановы облака ( в южном полушарии) и Туманность Андромеды. Многие миллионы других галактик можно видеть только в сильные телескопы. Несколько сотен галактик хорошо изучены. Для нескольких тысяч — получен спектр и определено рассеяние, для нескольких десятков тысяч даны оценки звездной величины и углового расстояния, описаны особенности внешнего вида. Все галактики классифицированы и помещены в каталоги под соответствующими обозначениями. Так, например Туманность Андромеды получила название М31 .
 |
Проблемой изучения галактик и их классификации занимался Э.Хаббл. По внешнему виду и характеру распределения яркости он разделил все галактики на эллиптические, спиральные, линзовидные и неправильные.
Эллиптические — имеют в пространстве форму эллипсоидов с различной степенью сжатия. Некоторые из них обладают почти идеальной шарообразной формой ( рис 1. Е0 –Е4), а некоторые сильно сплющены и похожи на линзу. Это линзовидные галактики ( рис 1. Е5 – Е7). Они не имеют ядра, их яркость плавно возрастает от периферии к центру. Внутренняя структура отсутствует. Почти все они имеют в спектре преобладание красного цвета.
Спиральные галактики (S0 – Sс – Sвс) — наиболее часто встречаемы. Типичным представителем является наша галактика. В отличие от эллиптических, они имеют центральное ядро и структуру в виде спиральных рукавов. Вещество в них присутствует не только в спиральных ветвях, но и между ними. В рукавах сосредоточены наиболее яркие горячие звезды, молодые звездные скопления и светящиеся газовые туманности. Все они имеют центральный звездный диск, сфероидальную составляющую, похожую на небольшую линзовидную галактику и плоскую составляющую или рукава.
Неправильные галактики имеют несимметричный вид, содержат горячие звезды, молодые звездные образования и большие количества межзвездного газа. Именно такими оказались ближайшие к нам галактики Магеллановы облака. Именно в галактиках такого типа обнаруживаются интересные небесные явления – вспышки сверхновых и т.д
Все галактики рассредоточены в Метагалактике не случайно, а находятся по узлам нерегулярной сети, напоминающей своим расположением соты пчелиного улья. Между этими узлами галактик практически нет.
Галактики — этот системы звезд и связанные с ними межзвездные среды — разреженный газ с небольшой примесью твердых пылинок . Диаметры галактик составляют 50- 70 и более килопарсек. Встречаются и карликовые системы, размеры которых на порядок меньше. Все галактики обладают довольно интенсивным радиоизлучением.
В космическом пространстве существуют галактики с аномальными свойствами.
Радиогалактики . Они относятся к числу массивных эллиптических галактик и отличаются аномально высоким радиоизлучением – в десятки тысяч раз выше, чем у нормальных. Механизм излучения связан с выбросом из них больших облаков частиц, движущихся в магнитном поле. Одна из таких галактик находится в созвездии Центавра. Всего обнаружено около 500 таких объектов.
Квазары . В 1963 году были открыты мощные источники радиоизлучения, которые назвали квазизвездными, или квазарами. Мощность выделения ими энергии в сотни и тысячи раз больше, чем у обычных галактик. Известно около 1500 таких объектов. Ряд особенностей квазаров связывают их с ядрами галактик- компактность, переменность излучения, нетепловой характер спектра. Характерная особенность спектров- в них красное смещение достигает максимальных размеров. Вероятно, это наиболее удаленные от нас объекты, разлетающиеся со скоростью, близкой к С.
Пояс квазаров расположен на расстоянии 600 мегапарсек от Млечного пути. Дальше и ближе они практически отсутствуют. Вероятно, их образование было приурочено к определенному периоду в развитии Вселенной. Это ядра галактик, находящиеся на каком–то этапе своей эволюции.
Форма Вселенной
Современное состояние Вселенной еще очень плохо изучено. Однако, вероятно уже существует ответ на вопрос: Какова современная форма вселенной?
Многолетние наблюдения показали, что Вселенная обладает рядом физических свойств, которые резко сокращают число возможных претендентов на ее форму. И одно из главных таких свойств топологии Вселенной — ее кривизна. Согласно принятой на сегодняшний день концепции, примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до уровня, достаточного для объединения электронов и протонов в первые атомы Когда это произошло, излучение, которое вначале рассеивалось заряженными частицами, внезапно получило возможность беспрепятственно проходить через расширяющуюся Вселенную. Это известное ныне как космическое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение удивительно однородно и обнаруживает только очень слабые отклонения (флуктуации) интенсивности от среднего значения. Такая однородность может быть только во Вселенной, кривизна которой всюду постоянна .
Постоянство кривизны означает, что пространство Вселенной имеет одну из трех возможных геометрий: плоскую евклидову сферическую с положительной кривизной или гиперболическую с отрицательной.
Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX задался целью ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? Оказалось, что в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает, как евклидова. Недавние исследования, проведенные с помощью высотных аэростатов, поднятых над Антарктидой, также подтверждают этот вывод. При измерении углового спектра мощности реликтового излучения был зарегистрирован пик, который, как полагают исследователи, может быть объяснен только существованием холодной черной материи — относительно больших, медленно движущихся объектов — именно в евклидовой Вселенной. То есть, ученые довольно уверенно говорят о том, что пространство нашей Вселенной должно удовлетворительно описываться геометрией Евклида, как трехмерное пространство очень малой кривизны
Перспективы дальнейшего развития Вселенной
До недавнего времени теоретики рассматривали все возможные варианты дальнейшей эволюции Вселенной: бесконечный разлет, сжатие, стационарное состояние.
Вывод о том, что наша Вселенная будет расширяться вечно с все увеличивающейся скоростью, был признан самым важным научным открытием в астрономии за последние 3 года.
Две группы астрономов, тщательно исследуя свет, приходящий к нам от самых удаленных звезд, пришли к выводу, что вещество во Вселенной разлетается все быстрее и быстрее. Мало того, этот разлет будет продолжаться вечно. В работах принимали участие американские астрономы из университетов Вашингтона, Сиэтла и Берклиевской национальной лаборатории в Калифорнии. Позднее их результат был подтвержден и другими группами. Впервые за весь прошедший век сделано ясное утверждение о сценарии развития Вселенной на экспериментальной основе. Полученный результат возрождает очень популярную в начале века идею (активно опровергавшуюся Альбертом Эйнштейном) о том, что есть сила отталкивания между массами вещества, работающая против гравитационной силы притяжения. Наличие такой силы могло бы помочь объяснить открытый разлет Вселенной.
Что же будет ожидать такую Вселенную в будущем? По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и их скопления удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Эра светящегося вещества закончится и вселенная погаснет. Наступит тепловая смерть Вселенной , которую предсказали Клаузиус и Гельмгольц еще в середине XIX века.
Источник