Основные этапы и стадии эволюции Вселенной (от Большого взрыва до сегодняшнего дня).
Происхождение Вселенной — любое описание или объяснение начальных процессов возникновения существующей Вселенной, включая образование астрономических объектов (космогонию), возникновение жизни, планеты Земля и человечества. Существует множество точек зрения на вопрос происхождения Вселенной, начиная с научной теории, множества отдельных гипотез, и заканчивая философскими размышлениями, религиозными убеждениями, и элементами фольклора.
В рамках общепризнанной ныне теории Большого взрыва специалисты выделяют четыре основных этапа эволюции Вселенной:
• Адронная эра: при очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц, прежде всего из адронов. Этот этап длился одну десятитысячную долю секунды, но именно тогда взаимодействие между частицами (ядерная сила) было наиболее интенсивным;
• Лептонная эра: в это время температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино, именно тогда и образовалось так называемое нейтринное море, благодаря которому и началось реликтовое излучение;
• Фотонная эра; собственно с окончанием фотонной эры, когда температура Вселенной снизилась до определённого значения, а вещество было отделено от антивещества, и заканчивается широкая фаза Большого взрыва. В сумме адронная, лептонная и фотонная эры составляют примерно одну тридцатитысячную часть возраста Вселенной;
• Звёздная эра: основной этап существования Вселенной, который продолжается и в настоящее время. На этом этапе Вселенная расширяется, вещество образовывает звёзды, планеты, звёздные системы, галактики и так далее, вплоть до появления жизни и разумных её форм.
Гипотезу «Большого Взрыва» называют также моделью горячей Вселенной, или стандартной моделью. Эта гипотеза стала общепринятой после открытия в 1965 г. реликтового излучения.
Несмотря на стандартность и общепринятость, концепция «Большого Взрыва» не дает ответа на некоторые вопросы. Например, каковы причины образования галактик из ионизированного газа? Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества?
Самой большой проблемой остается состояние сингулярности, введение которого требуется уравнениями общей теории относительности А. Эйнштейна.
Космологическая сингулярность — состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Космологическая сингулярность является одним из примеров гравитационных сингулярностей, предсказываемых общей теорией относительности (ОТО) и некоторыми другими теориями гравитации.
Немного другая трактовка:
• Самая ранняя эпоха, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, это планковское время (10 −43 с после Большого взрыва). В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий. По современным представлениям, эта эпоха квантовой космологии продолжалась до времени порядка 10 −11 с после Большого взрыва.[⇨]
• Следующая эпоха характеризуется рождением первоначальных частиц кварков и разделением видов взаимодействий. Эта эпоха продолжалась до времён порядка 10 −2 с после Большого взрыва. В настоящее время уже существуют возможности достаточно подробного физического описания процессов этого периода.
• Современная эпоха стандартной космологии началась через 0,01 секунды после Большого взрыва и продолжается до сих пор. В этот период образовались ядра первичных элементов, возникли звёзды, Галактики, Солнечная система.
Важной вехой в истории развития Вселенной в эту эпоху считается эра рекомбинации, когда материя расширяющейся Вселенной стала прозрачной для излучения. По современным представлениям это произошло через 380 тыс. лет после Большого взрыва. В настоящее время это излучение мы можем наблюдать в виде реликтового фона, что является важнейшим экспериментальным подтверждением существующих моделей Вселенной.
Источник
концепции современного естествознания
С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство, идет безудержное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной; или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами.
По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает чрезвычайно малый промежуток времени – до 10 -33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом, За 10 -33 с размеры Вселенной увеличились в 10 50 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.
Каждый из таких «пузырей» расширялся со скоростью света, а в целом Вселенная раздувалась со скоростью, в миллионы раз большей скорости света. Принципы теории относительности, запрещающие движение быстрее света, при этом не нарушались, так как обмен информацией шел только между причинно связанными областями, а «пузыри» пространства таких связей не имели. Один из таких «пузырей» стал зародышем нашей Метагалактики. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. Энергия, существовавшая в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 10 27 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, каждый из которых переводил ее в более сложное состояние.
12.2. Ранний этап эволюции Вселенной
Доступная наблюдению часть Вселенной состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгустке не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер атомов водорода и гелия прошло немногим более трех минут. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и остывания сгустка.
Эра Великого объединения
К этому времени, названному эрой Великого объединения, Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10 27 К. В этом сгустке были лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, все виды нейтрино), кварки и их античастицы. Все они свободно превращались друг в друга. В сгустке помимо гравитационного взаимодействия существовало великое (большое) взаимодействие со своим переносчиком – бозоном Хиггса. Плотность Вселенной в это время была столь велика, что она была непрозрачна для электромагнитного излучения. Эра Великого объединения продолжается от 10 -43 до 10 -33 с.
Адронная эра
Далее, от 10 -33 с до 10 -6 с, наступила адронная эра. Она началась с разделения кварков и лептонов, когда температура понизилась и стала меньше 10 27 К. При этом сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Бозон Хиггса распался на глюоны и безмассовый бозон – переносчик электрослабого взаимодействия. К моменту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикваков, а число электронов – число позитронов. Таким образом, современное существование Вселенной связано с нарушением симметрии на самых ранних этапах ее эволюции. Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц приходилась одна частица, которой не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.
При снижении температуры до 10 15 К электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. При этом электрослабый бозон распался на фотон и три тяжелых векторных бозона. Таким образом, во Вселенной утвердились все четыре известные сегодня науке фундаментальные взаимодействия.
Понижение температуры до 10 13 К прекратило свободное существование кварков. Они слились в адроны, важнейшими из которых стали протоны и нейтроны. При этом барионов опять-таки было больше, чем антибарионов.
Лептонная эра
Далее наступает лептонная эра, продолжающаяся от 10 -6 до 1 с после начала. Температура при этом упала от 10 12 до 10 10 К. В это время основную роль играли лептоны, участвовавшие во взаимных превращениях протонов и нейтронов. К концу лептонной эры происходила аннигиляция электронов и позитронов, и опять электронов было немного больше, чем позитронов, поэтому остались только те электроны, которым не хватило пары. Оставшихся электронов оказалось ровно столько, что они смогли точно компенсировать суммарный электрический заряд протонов, появившихся раньше, в адронную эру. В конце лептонной эпохи вещество стало прозрачным для нейтрино, которые перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.
Фотонная эра
Вслед за лептонной следует фотонная эра (эра излучения), которая продолжалась от 1 с до 1 млн лет. Температура Вселенной снизилась от 109 до 3000 К. На протяжении первых трех минут происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклеосинтеза — соединения протонов и нейтронов (которых было примерно в 8 раз меньше, чем протонов) в атомные ядра. К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие элементы. Правда, не следует забывать, что барионное вещество составляло ничтожную часть Вселенной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино. К этому времени Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуре барионного вещества в момент разделения и представляет собою радиоволны в сантиметровом диапазоне, которые были открыты в 1964 г. Эти сигналы равномерно поступают со всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником. Их открытие стало серьезным подтверждением концепции «горячей» Вселенной и теории Большого взрыва.
Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений – шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в электронейтральные атомы водорода и гелия.
В результате образовалась однородная Вселенная, состоящая из трех почти не взаимодействующих субстанций:
1) барионного вещества (водорода, гелия и их изотопов);
2) лептонов (нейтрино и антинейтрино);
3) излучения (фотонов).
К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» – что-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной к структурной Вселенной занял от 1 до 3 миллиардов лет.
12.3. Структурная самоорганизация Вселенной
Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнений проявляют себя заметнее, чем вне их. Поэтому несмотря на общее расширение Вселенной вещество притормаживается и его плотность начинает постепенно нарастать. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур – галактик, а затем и отдельных звезд.
Рождение и эволюция галактик
Итак, первым условием образования галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений вещества в однородной Вселенной. Впервые подобная мысль была высказана еще И. Ньютоном, который утверждал, что если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда бы не собралось в единую массу. Оно собиралось бы частями в разных местах бесконечного пространства. Эта идея Ньютона стала одним из краеугольных камней современной космогонии.
Вторым условием появления галактик стало наличие малых возмущений, флуктуации вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Земли. Известно, что водяной пар конденсируется на крохотных частичках – ядрах конденсации. Ими могут быть частички сажи или поваренной соли. Конечно, между атмосферой Земли и ранней Вселенной разница очень велика. Но считается, что и, там, и там наличие затравочных флуктуации необходимо.
К сожалению, современной науке пока не известны причины появления таких флуктуации. Но считается, что наличие единственной силы – гравитации, действующей в однородной Вселенной, достаточно для нарушения исходной однородности. Анализ процессов гравитационной неустойчивости привел к понятию «джинсовой массы» и «джйнсова размера» (в честь Д. Джинса – знаменитого английского астронома, занимавшегося анализом данных проблем).
Джинсов размер – это критический размер сгущения вещества, необходимый для появления затравочной флуктуации.
Джинсова масса – масса этого сгущения.
Если размеры и масса сгущения меньше критических величин, то в конце концов сгущение начнет расширяться и постепенно рассосется, от него не останется и следа. Если же размеры и масса сгущения больше критических величин, то плотность сгущения будет расти.
В середине XX в. советский академик Е. Лифшиц выполнил расчеты, описывающие поведение таких сгущений. Он доказал, что в расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться медленнее, чем Вселенная в целом, что они будут постепенно отставать в расширении от остальной Вселенной и в какой-то момент времени совсем перестанут расширяться.
Эти изолированные участки вещества очень велики по массе – 10 15 – 10 16 масс Солнца. Эти массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это весьма своеобразно – анизотропно. Вначале исходные объекты имели форму куба, а затем сжались в пластинку – «блин».
Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Слои пересекаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат блины. Отдельный блин представляет собой сверхскопление галактик и имеет плоскую форму.
Так как «блинная» теория не свободна от недостатков, есть и другие космогонические гипотезы. Так, возможно, первичные сгущения имели массу 10 5 – 10 6 масс Солнца, и из них сразу возникли и шаровые скопления, и галактики, и скопления галактик. Эти первичные сгустки, сжимаясь, становились сферически симметричными. Кроме того, они сразу фрагментировались на звезды.
Существуют предположения, почему чаще встречаются спиральные галактики, чем галактики других типов. Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, затем за несколько сотен миллионов лет (немного, по космическим меркам) неровности сглаживаются, и образуется массивная эллиптическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, постепенно приобретающая вид спиральной галактики. Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа, занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.
Также есть предположение, почему в скоплениях галактик присутствует одна гигантская галактика, а остальные – мелкие. Считается, что вначале гигантская галактика лишь немного превосходила по своим размерам соседние галактики. Но по мере того, как галактика двигалась по спиральной траектории к центру скопления, она заглатывала более мелкие системы. Такие мелкие галактики, обреченные на «съедение», называют галактиками-миссионерами.
Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.
Наша Галактика вращается довольно сложным образом. Значительная часть галактической материи вращается дифференциально, как планеты вращаются вокруг Солнца, не обращая внимания на то, по каким орбитам движутся другие, достаточно далекие космические тела, и скорость вращения этих тел уменьшается с увеличением их расстояния от центра. Но есть часть диска нашей Галактики, который вращается твердотельно, как музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. В этой части галактического диска угловая скорость вращения одинакова для любой точки. Кстати, наше Солнце находится в таком участке Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференциального вращения равны. Такое место называется коротационным кругом. В нем создаются особые, спокойные и стационарные условия для процессов звездообразования.
Самый большой интерес ученых вызывает вращение спиральных рукавов Галактики. Есть предположение, что, возможно, в центре Галактики находится сингулярная точка – черная дыра, в которой не только перерабатывается, но и рождается материя. Истечение этой рождающейся в центре Галактики материи и образует спиральные структуры.
Рождение и эволюция звезд
Рождение звезд в Галактике происходит постоянно. Этот процесс компенсирует так же непрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому в Галактике есть звезды старые и молодые. Самые старые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, возраст их сравним с возрастом Галактики. Старые звезды формировались, когда протогалактическое облако распадалось на все более мелкие сгустки, в результате постепенного дробления которых возникли скопления звездных масс.
Современные звезды возникают из газопылевых облаков, размеры которых больше критической джинсовой длины. Газопылевые облака начинают сжиматься под действием гравитационных сил, и энергия сжатия превращается при этом в излучение, которое может свободно выходить из облака в космическое пространство. При дальнейшем сжатии температура внутренних областей облака повышается, и таким образом образуется протозвезда (горячее ядро), которую еще почти не видно, так как она находится внутри родительского облака. Период сжатия облака солнечной массы составляет около миллиона лет.
Затем протозвезда сжимается гораздо медленнее. В ней протекают конвекционные процессы, связанные с перемещением внутренних, более горячих слоев вещества снизу вверх и холодных наружных – сверху вниз. При этом температура протозвезды достигает нескольких тысяч градусов. Кроме того, конвекция сопровождается короткой вспышкой светимости.
При этом процесс сжатия протозвезды продолжается, стремясь к некоторому конечному значению. Светимость протозвезды при этом падает. Данный этап занимает десятки миллионов лет. Наконец, сжатие прекращается, в звезде начинаются термоядерные реакции, и она становится стабильной обычной звездой, в которой действие сил тяготения, стремящихся сжать ее в точку, уравновешивается внутренним давлением газа, истекающим из звезды. Такая звезда является саморегулирующейся системой. Так, если температура внутри нее повысится, то звезда раздувается. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться, ядерные реакции ускоряются, и баланс восстанавливается.
С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени характеристики звезды – ее светимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. 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 звезда выходит на завершающий этап своей жизни. С нашим Солнцем это произойдет примерно через 8 млрд лет. При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбиты Земли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутся оплавленные камни).
Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. Одновременно в термоядерные процессы включаются все более тяжелые ядра, что приводит к синтезу химических элементов. При этом красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Так, только за один год Солнце на стадии красного гиганта может потерять одну миллионную часть своего веса. Таким образом, всего за десять – сто тысяч лет от красного гиганта остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда становится белым карликом. То есть белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта, а затем сбрасывает остатки оболочки, из которой образуется планетарная туманность.
Такие звезды невелики по своим размерам – по диаметру они даже меньше Земли, хотя их масса сравнима с солнечной. Но плотность такой звезды в миллиарды раз больше плотности воды. Кубический сантиметр его вещества весит больше тонны. Тем не менее, это вещество является газом, хотя и чудовищной плотности. Это очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов. В белых карликах термоядерные реакции практически не идут, они возможны лишь в атмосфере этих звезд, куда попадает водород из межзвездной среды. В основном, эти звезды светят за счет огромных запасов тепловой энергии. Время охлаждения белого карлика сотни миллионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет его меняется от белого к желтому, а затем к красному. Наконец, он превращается в черный карлик – мертвую холодную маленькую звезду размером с земной шар, который невозможно увидеть из другой планетной системы.
Несколько иначе развиваются более массивные звезды. Они живут всего несколько десятков миллионов лет. В них очень быстро выгорает водород, и они превращаются в красные гиганты всего за 2,5 млн лет. При этом в их гелиевом ядре температура повышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая температура дает возможность протекания реакций углеродного цикла – слияние ядер гелия в углерод. Ядро углерода в свою очередь может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3 – 10 млрд градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа – самого устойчивого во всей последовательности химического элемента. Более тяжелые химические элементы – от железа до висмута – также образуются в недрах красных гигантов в результате медленного захвата нейтронов. При этом энергия не выделяется, как при термоядерных реакциях, а наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды все убыстряется.
Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно происходит в оболочках взрывающихся звезд, при их превращении в новые или сверхновые звезды, которыми становятся некоторые красные гиганты. В зашлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ более не способен противостоять давлению ядерного газа. Наступает коллапс – катастрофическое сжатие звезды, она «взрывается внутрь». Но если отталкивание частиц или другие причины все же останавливают коллапс, происходит мощный взрыв – вспышка сверхновой звезды, в окружающее пространство сбрасывается не только оболочка звезды, а до 90% ее массы, что приводит к образованию газовых туманностей. При этом светимость звезды увеличивается в миллиарды раз. Так, был зафиксирован взрыв сверхновой звезды в 1054 г. В китайских летописях было записано, что она была видна днем, как Венера, в течение 23 дней. В наше время астрономы выяснили, что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную туманность, являющуюся мощным источником радиоизлучения.
Взрыв сверхновой звезды связан с выделением чудовищного количества энергии. При этом рождаются космические лучи, намного повышающие естественный радиационный фон и нормальные дозы космического излучения. Так, астрофизики подсчитали, что примерно раз в 10 млн лет сверхновые звезды вспыхивают в непосредственной близости от Солнца, повышая естественный радиационный фон в 7 тысяч раз. Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на Земле. Кроме того, при взрыве сверхновых звезд идет сброс всей внешней оболочки звезды вместе с накопившимися в ней «шлаками» – химическими элементами, появившимися в результате нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.
Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела – нейтронной звезды или черной дыры.
Теоретически предсказанные нейтронные звезды, или так называемые пульсары, были открыты в 1967 г. Плотность нейтронных звезд выше, чем плотность белых карликов в миллиарды раз, и достигает 10 14 – 10 15 г/см 3 . При этом начинаются процессы нейтронизации – чудовищное давление внутри звезды «вгоняет» электроны в атомные ядра, и звезды постепенно превращается в гигантскую нейтронную каплю, так что чайная ложка вещества такой звезды весит миллиарды тонн. Температура ее около 1 млрд градусов, а масса заключена между 1,2 и 2,4 массами Солнца. При этом размеры такой звезды составляют всего лишь около 20 км в диаметре. Нейтронные звезды довольно быстро остывают. Меньше ста тысяч лет требуется, чтобы температура нейтронной звезды упала до сотни миллионов градусов.
Нейтронные звезды очень быстро вращаются. Кроме того, они обладают очень мощным магнитным полем, напряженность которого составляет сотни тысяч миллиардов гаусс. Пустота в литровой банке, содержащей внутри себя такое поле, весила бы около тысячи тонн. Столь сильное магнитное поле в сочетании с быстрым вращением нейтронной звёзды приводит к тому, что эти звезды испускают радиоволны в виде узких пучков направленного излучения, представляющего повторяющиеся импульсы. Поэтому нейтронные звезды и называют пульсарами. Стареющие нейтронные звезды в некоторых случаях могут стать рентгеновскими пульсарами, излучая не радиоволны, а рентгеновские лучи.
Если масса завершающей свой жизненный путь звезды больше 2–3 масс Солнца, то гравитационное сжатие приведет непосредственно к образованию черной дыры, свойства которой были описаны в общей теории относительности. Если такая звезда является частью системы двойной звезды, то газ с видимой звезды может перетекать к черной дыре, образуя вокруг нее закручивающийся диск. При этом колоссальная кинетическая энергия частиц, разгоняемых тяготением черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, и по нему черная дыра может быть обнаружена. Возможно, именно черная дыра находится в рентгеновском источнике Лебедь Х-1.
Математический анализ показывает, что черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Поэтому воображаемый космический путешественник мог бы теоретически использовать черную дыру в качестве средства передвижения по вселенным. Такими точками перехода должны быть сингулярности, образующиеся в черной дыре. Правда, возможность такого перехода существует лишь гипотетически, так как любой объект при приближении к черной дыре будет раздавлен приливными гравитационными силами.
Также расчеты показывают, что черные дыры испаряются за счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной дыры, а из того пространства, которое находится перед горизонтом черной дыры. При этом, чем меньше черная дыра по массе, тем выше ее температура и тем быстрее она испаряется. Размеры черных дыр могут быть разными: от массы галактики (10 44 г) до песчинки массой 10 -5 г. Так, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 10 69 лет. Поэтому маленьких черных дыр, которые могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва, уже нет, а вот дыры больших размеров вполне могли сохраниться даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются найти с помощью гамма-телескопов.
В целом же, по-видимому, на долю черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике приходится около 100 млн звезд. Экстремальные физические условия в них делают их уникальными естественными лабораториями, дающими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.
Дальнейшее усложнение вещества во Вселенной
Хотя появление крупномасштабных структур во Вселенной привело к образованию множества разновидностей галактик и звезд, среди которых есть совершенно уникальные объекты, все же с точки зрения дальнейшей эволюции Вселенной особое значение имело появление звезд – красных гигантов. Именно в красных гигантах в результате процессов звездного нуклеосинтеза появилось большинство элементов таблицы Менделеева. При этом химические элементы попадали в межзвездное пространство не только при превращении красного гиганта в новую или сверхновую звезду. За время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10 -4 – 10 -5 масс Солнца. Поэтому, как было отмечено выше, звезды второго поколения с самого начала содержат в своем составе примесь тяжелых элементов.
Источник