Космогонические теории

Тема: «космогонические теории»
Введение
Глава 1. Определение космогонии. Космогония и космология.
1.1 Планетная космогония
1.2 Звездная космогония
1.3 Галактическая космогония
Глава 2. Начало космологии, первые космогонические теории И. Канта и П. Лапласа
Глава 3. Фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной
Глава 4. Космогоническая гипотеза Леметра – теория «Большой взрыва» и ранние эпохи образования Вселенной
Глава 5. Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной
Глава 6. Небулярные гипотезы и гипотеза О.Ю. Шмидта и другие гипотезы
6.1 Гипотезы захвата
6.2 Другие гипотезы
Глава 7. Космогонические гипотезы Лапласа-Роша, Фая, Дж. Жжинса и В. Фасенкова.
Заключение
Список литературы
Введение.
Проблема зарождения и существования Вселенной во все времена занимала человечество. Небо, которое было доступно для его обозрения, очень его интересовало. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук.
Об истории возникновения Солнечной системы, происхождении звезд, Солнца и Земли с давних времен создавалось много учений, и во многих из них содержалось определенное рациональное зерно — доля истины, объяснявшая какую-либо особенность космогенеза.Открытие Ньютоном в XVII веке закона всемирного тяготения лежит в основе главных идей первых эволюционных космогонических гипотез Канта, Гершеля, Лапласа. Их смысл — в постепенном изменении гравитирующей материи, непрерывной эволюции космических образований путем их уплотнения и ведущей роли в этом процессе сил гравитации.Вопросы об устройстве мира задавали себе люди тогда, когда настоящей науки еще не было, и потом, когда зарождающееся и набирающее силу знание начало свое бесконечное движение в отыскании истины. В V в. до нашей эры проблемой образования Солнечной системы интересовался Гераклит Понтийский. Из наиболее ранних теорий происхождения Солнечной системы известно учение Рене Декарта 1644 года. Но только со второй половины XVIII века порождаются эволюционные космогонические гипотезы такими учеными, как Бюффон, Кант, Лаплас, Рош, Мейер, Лоньер, Бикертон.Космогония и космология – родственные науки, которые занимаются изучением происхождения различных объектов Вселенной и их функционированием. Эти науки через призму человеческого мышления призваны отразить существующую реальность. Они пытаются разобраться в зарождении, внутреннем строении, развитии и жизни основных объектов космоса, которые доступны для наблюдения людей. Гибкость этих наук позволяют дополнять общую сложившуюся мировоззренческую картину новыми открытиями.
Космология и космогония пересекаются между собой и взаимодействуют в рамках философии, которая, по мнению гуманитариев, является матерью всех наук.
На каждом историческом этапе у людей были различные господствующие представления о Вселенной. Эти представления отражали тот уровень знаний и опыт изучения природы, который достигался на соответствующем этапе развития общества. По мере того как расширились пространственные (и временные) масштабы познанной человеком части Вселенной, менялись и космологические и космогонические представления.
1. Определение космогонии. Космогония и космология.
Космология (от космос + логия) — физическое учение о Вселенной как едином целом; представление о мироздании у разных народов, особенно с позиций его возникновения, через космогонию, (от греч. kosmogonia — происхождение мира, от kosmos — Вселенная).Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.Данное определение космологии берет в качестве предмета этой науки только Метагалактику.
Космого́ния (от вселенная + рождение), область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в неё тел — Солнца, планет (включая Землю), их спутников, астероидов (или малых планет), комет, метеоритов. Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. В современной космогонии широко используются законы физики и химии.
Космогонические гипотезы XVIII—XIX веков относились главным образом к происхождению Солнечной системы. Лишь в XX веке развитие наблюдательной и теоретической астрофизики и физики позволило начать серьёзное изучение происхождения и развития звёзд. В 1960-х началось изучение происхождения и развития галактик, природа которых была выяснена только в 1920-е.
После общих идей о развитии небесных тел, высказанных ещё греческими философами IV—I веках до н. э. ( HYPERLINK "https://science.wikia.org/ru/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B2%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%BF" \o "Левкипп" Левкипп, Демокрит, Лукреций), наступил многовековой период господства теологии. Лишь в XVII веке Рене Декарт отбросил миф о сотворении мира и нарисовал картину образования всех небесных тел в результате вихревого движения мельчайших частиц материи. Фундамент научной планетной Космогонии заложил И. Ньютон, который обратил внимание на закономерности движения планет. В 1745 Бюффон высказал гипотезу, что планеты возникли из сгустков солнечного вещества, исторгнутых из Солнца ударом огромной кометы (в то время кометы считались массивными телами). В 1755 Кант опубликовал книгу «Всеобщая естественная история и теория неба…», в которой впервые дал космогоническое объяснение закономерностям движения планет. В конце XVIII века на основании наблюдений Гершеля возникла гипотеза об образовании звёзд из туманностей путём их «сгущения» и гипотеза Лапласа о происхождении Солнечной системы.
На протяжении XIX и XX веков возникали и разрабатывались многие космогонические теории и гепотезы (гипотеза Мультона и Чемберлина, гипотеза Джинса), проводились исследования, давшие толчок современной науке (Гельмгольц, 1854; У. Томсон, 1862, К. Вейцзеккер, Х. Бете.
В разработке космогонии галактик делаются лишь первые шаги. Проводится классификация галактик и их скоплений. Изучаются эволюционные изменения звёзд и газовой составляющей галактик, их химического состава и др. параметров, природа начальных возмущении, развитие которых привело к распаду расширяющегося газа Метагалактики на отдельные сгущения, природа мощного радиоизлучения, которым обладают некоторые галактики, и связь его с взрывными процессами в ядрах.
1.1 Планетная космогония
В 1940-х, после крушения гипотезы Джинса, планетная космогония вернулась к классическим идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества (гипотеза Шмидта). В настоящее время является общепризнанным, что большинство планет аккумулировалось из твёрдого, а Юпитер и Сатурн также и из газового вещества.
Рост планет земной группы прекратился тогда, когда они вобрали в себя практически всё твёрдое вещество, имевшееся в районе их орбит (только у Марса часть вещества из его «зоны питания», вероятно, была поглощена массивным Юпитером). Но у планет-гигантов рост прекратился тогда, когда они действием своего притяжения выбросили из зоны своего формирования все «промежуточные» тела и их обломки, а также газы (в рассеянии последних важную роль могло сыграть интенсивное корпускулярное излучение молодого Солнца).
При аккумуляции планет происходил их разогрев, но у планет земной группы средняя температура поверхности определялась в основном нагревом от Солнца с влиянием парникового эффекта. Из более глубоких слоев тепло выходит медленно. Достаточно было остатка в 3—4 %, чтобы нагреть недра Земли и Венеры до 1000—1500 °С, а недра планет-гигантов до десятков тысяч градусов. Начальный разогрев Земли и Луны был связан как с выделением гравитационной энергии при их сжатии, так, вероятно, и с приливными деформациями этих двух первоначально близких тел. Дальнейшая эволюция их и др. планет земной группы определялась в основном накоплением тепла, выделившегося при медленном распаде радиоактивных элементов — урана, тория и др.,—имеющихся в ничтожно малых количествах во всех горных породах. Разогрев и частичное расплавление недр этих планет привело к выплавлению коры и выделению газов и паров. Последние у планет малой массы (Меркурий, Марс, Луна) полностью или в значительной мере рассеялись в пространство, а у более массивных планет в основном сохранились, образовав атмосферу и гидросферу (Земля) либо только атмосферу (Венера).
1.2 Звездная космогония
Проблемы происхождения и эволюции звёзд, а также звёздных систем изучаются в разделе космогонии, называемой звёздной космогонии. В ходе эволюции звезда проходит стадии, которые определяются изменениями условий механического и теплового равновесия в её недрах.
На начальной стадии эволюции (до момента прихода на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга — Ресселла) звезда светит за счёт энергии гравитационного сжатия. В это время точки, соответствующие звёздам, находятся на диаграмме выше и правее своего будущего положения на главной последовательности. Типичными представителями молодых звёзд средней массы, ещё не вполне сжавшимися, являются звёзды типа τ Тельца. Звёзды очень малой массы сжимаются миллиарды лет; представителями таких сжимающихся звёзд являются вспыхивающие звёзды типа μ Кита.
При образовании звёзд большую роль играет магнитное поле. Под действием сил гравитации межзвёздный газ скользит вдоль силовых линий, собирается с большого расстояния в плотные комплексы. Когда масса комплекса становится достаточно большой, он сжимается и поперёк силовых линий. При сжатии комплекса его вращение ускоряется. Дальнейшее сжатие становится возможным только при условии передачи части МКД окружающему газу. Это осуществляется вследствие закручивания силовых линий, натяжение которых передаёт вращение во внешнюю среду.
1.3 Галактическая космогония
Звёзды разных типов составляют в Галактике определенные подсистемы, которые образовались на различных стадиях формирования Галактики (см. Звёздные подсистемы). Сначала Галактика была протяжённым медленно вращающимся газовым облаком. Газ сжимался к центру; в процессе этого сжатия из него формировались звёздные скопления, большая часть которых позже рассеялась. Звезды, образовавшиеся в это время, движутся по очень вытянутым орбитам и заполняют слабо сплюснутый сфероид — тот объём, в котором ранее был газ. Эти звёзды входят в звёздные подсистемы, относящиеся к сферической составляющей Галактики. В отличие от звёзд, которые движутся практически без трения, газ теряет кинетическую энергию хаотических движений и сжимается. Радиус сфероида уменьшается, он ускоряет своё вращение, пока центробежная сила не уравновесит тяготение на экваторе. После этого сжатие происходит главным образом к экваториальной плоскости. На этой стадии образовались подсистемы, относящиеся к промежуточной составляющей Галактики. Горячие звёзды и скопления, в состав которых они входят, — молодые, они входят также в плоскую составляющую.
Звёзды и межзвёздная среда представляют собой 2 фазы эволюции вещества галактик. Со временем межзвёздная среда истощится, в Галактике исчезнут молодые звёзды, большая часть массы будет сосредоточена в звёздах малой массы, которые эволюционируют медленно, а также в остатках звёзд: в белых карликах, нейтронных звёздах и более массивных остатках, находящихся в состоянии коллапса.
2. Начало космологии, первые космогонические теории И. Канта и П. Лапласа
Попыткам найти научные объяснения происхождению и развитию Солнечной системы насчитывается свыше 200 лет. Первой космогонической гипотезой считают гипотезу немецкого философа И. Канта, изложенную им в 1755 г. в труде «Общая естественная история и теория неба,или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания Ньютоновских законов». По мысли И. Канта, Вселенная сначала состояла из первобытного хаоса, частицы которого были твердыми и неподвижными. Затем, на основе закона всемирного тяготения, хаос приобрел движение и массы частиц стали соединяться в более крупные тельца, образуя в конечном счете такие небесные тела, как Солнце и планеты с их спутниками. Разная скорость движения частиц и сгустков первичной материи при столкновениях вызвала вращение небесных тел. По взглядам И. Канта, Солнечная система представляет собой раскаленную, но постепенно остывающую массу. Солнце, по этой гипотезе, со временем должно совсем погаснуть. Гипотеза И. Канта в свое время оказала огромное влияние на мировоззрение прогрессивной части человечества и внесла идею развития материи за счет уплотнения первичных распыленных частиц.
Гипотеза П. С. Лапласа. Второй по времени считается гипотеза французского математика П. С. Лапласа, опубликованная в 1797 г. По взглядам П. С. Лапласа, Солнечная система возникла из огромной туманности, состоящей не из твердых частиц, как полагал И. Кант, а из раскаленного космического газа. В отличие от И. Канта, П. С. Лаплас полагал также, что туманность обладала и значительным движением. В этом утверждении заложена глубоко материалистическая мысль о том, что движение неотделимо от материи и так же вечно, как вечна и материя.
На основе закона всемирного тяготения материя постепенно уплотнялась, образуя в центре туманности центральное ядро. Охлаждение и уплотнение туманности привело к увеличению угловой скорости вращения до такой степени, что на экваторе наружная часть массы стала отделяться от основной туманности в виде кольца, вращающегося в плоскости экватора. Под влиянием все увеличивающегося осевого вращения подобных колец появилось несколько. Как пример подобных туманностей, существующих в настоящее время, П. С. Лаплас приводил кольца Сатурна. В отдельных участках колец материи находилось больше, чем в других. Такие участки с избыточным количеством материи притягивали к себе материю из других частей кольца и постепенно увеличивались вплоть до размеров планет Солнечной системы. Если же кольцо было с равномерным распределением газа, то в нем формировалась не одна крупная планета, а множество малых планет (астероидов). Каждая планета остывала и сокращалась в объеме. Скорость ее осевого вращения увеличивалась. В связи с этим на экваторе выделялось кольцо газа, за счет которого формировались спутники планет. Остывающие планеты покрывались твердой корой, на ее поверхности начинали развиваться геологические процессы.
Гипотезы И. Канта и П. С. Лапласа имели огромное прогрессивное значение для выработки научного мировоззрения и обычно излагались вместе под названием «небулярной гипотезы» Канта — Лапласа. До И. Канта и П. С. Лапласа ученые (в том числе и Ньютон) считали вселенную неизменной. П. С. Лаплас первый высказал мысль о том, что газовые туманности являются первичной формой материи, находящейся в вечном движении. Гипотеза Канта — Лапласа объяснила многие из известных в то время особенностей строения Солнечной системы, как, например, одинаковое направление вращения планет вокруг Солнца, почти круговую форму планетных орбит, близкое совпадение плоскостей этих орбит и т. д. Благодаря простоте небулярной гипотезы, а также правильности некоторых основных положений она владела умами на протяжении более сотни лет.
Однако впоследствии была доказана несостоятельность этой гипотезы. По И. Канту и П. С. Лапласу, первичное Солнце распалось на части и выделило планеты в результате избытка вращения. Теперь доказано, что звезда, у которой скорость вращения переходит за пределы безопасности, вовсе не создает семейства планет, а попросту распадается на части. Примерами звезд, разбившихся от избытка вращения, являются спектрально-двойные и кратные системы, не похожие на Солнечную систему.
По закону сохранения моментов вращения вращение первичного Солнца должно было сохраниться во вращении современного Солнца и в обращениях планет вокруг него. Момент вращения первичного Солнца должен быть равен сумме всех этих моментов. Однако эта сумма оказалась вовсе недостаточной для того, чтобы первичное Солнце могло разбиться на части: если к моменту вращения современного Солнца прибавить моменты вращения Юпитера и других планет в их орбитальных движениях, то окажется, что первичное Солнце вращалось примерно с той же скоростью, с какой в настоящее время вращается Юпитер. Следовательно, оно должно было обладать тем же сжатием, что и Юпитер в настоящее время. Но такого сжатия вовсе не достаточно, чтобы вызвать дробление вращающегося тела.
Наконец, предположение П. С. Лапласа о том, что газ, отделившийся от центрального тела, сформировался в газовые кольца, также оказалось неверным. По данным современной физики выделившийся газ рассеивается.
Глава 3. Фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной
Изучение состава близких к нам галактик показало, что они, как и наша Галактика, состоят из таких же объектов - звезд, звездных скоплений, туманностей. Это подтверждает вывод, что в «малых» масштабах физические законы, управляющие развитием звезд и звездных систем, в наблюдаемой части Вселенной одинаковы. Общие закономерности развития и структуры Вселенной изучаются путем построения космологических моделей. Это делается на основании общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1915 г.
Итак, в начале прошлого века, после того как Эйнштейн создал теорию тяготения, родилась современная космология, первым автором которой безоговорочно признается наш великий соотечественник Александр Александрович Фридман (1888-1925), а дата отсчитывается от времени публикации первой статьи Фридмана «О кривизне пространства» в 1922 году. В статьях (1922-1924) гг. Фридманом была показано, что наблюдаемая Вселенная в принципе не может быть стационарной - составляющая ее материя при бесконечном времени существования должна была либо разлететься, либо собраться в одном месте.
Темп удаления галактик друг от друга, как показывает решение Фридмана, может меняться с течением времени (правда, заметить это на наших «земных» промежутках времени практически невозможно, заметное изменение скорости разбегания галактик происходит за миллиарды лет). Возможны несколько вариантов моделей расширения Вселенной, но пока представим три наиболее характерных варианта расширения Вселенной.
Первые две модели описывают неограниченное во времени расширение Вселенной, и разница между ними в названии кривых, которыми описываются законы этих расширений: первая - гипербола, вторая - парабола. Третья модель расширения соответствует циклоиде. Наиболее полно характерные космологические модели, которые в различное время предлагались для объяснения свойств нашей Вселенной, представлены ниже:
1. Пульсирующая модель. В этой модели в некоторый «нулевой» момент космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная представляет собой некоторую сингулярную точку. С нулевого момента он начинает возрастать, достигает максимального значения и снова уменьшается до нуля. Так же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой модели.
2. Закрытая модель: масштабный фактор увеличивается от нуля до определенного максимального значения, достигаемого в бесконечно удаленном будущем.
3. Модель Лемэтра: масштабный фактор увеличивается от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти постоянным.
4.Модель Эйнштейна - де Ситтера: начавшееся однажды расширение продолжается неограниченно (это расширение происходит с замедлением).
5. Замкнутая Вселенная, в которой возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона-Леметра, масштабный фактор которой равен определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно возрастает в будущем.
6. И, наконец, отметим еще так называемую модель де Ситтера: в данном случае масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским астрофизиком Фредом Хойлом.
Теоретически, на основании уравнений теории Эйнштейна, можно построить около двух десятков моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется, астрофизикам пока не удалось выяснить.
Сегодня «разбегание» галактик принимается как реальный факт. На этой основе можно построить общую картину развития наблюдаемой Вселенной. Огромное большинство галактик светит настолько слабо, т. е. они так далеки, что никаких отдельных объектов в них различить нельзя. Но наблюдения показывают, что увеличение красного смещения галактик сопровождается уменьшением их яркости. Это является доказательством того, что в действительности происходит расширение наблюдаемой нами Вселенной. Но здесь речь идет, скорее, не о движении галактик в пространстве, а о расширении, творении самого пространства. Расстояния до галактик измеряются миллионами и миллиардами световых лет. Это значит, что мы видим их не такими, какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Углубляясь все дальше и дальше в пространство Вселенной, астрономы тем самым встречаются с все более и более молодыми объектами! Мы тем самым, по существу, видим прошлое вещества, прошлые эпохи Вселенной.
Парадоксы расширяющейся Вселенной. Парадоксальным является, прежде всего, само красное смещение, так как его космологическая природа не столь очевидна, какой она представляется в земных условиях.
Глава 4. Космогоническая гипотеза Леметра – теория «Большой взрыва» и ранние эпохи образования Вселенной
Как уже отмечалось, наша Метагалактика нестационарна, поскольку непрерывно изменяется, в прежние времена (если кому было наблюдать) она выглядела иначе, и не будет находиться в нынешнем виде вечно -- она имела начало и должна иметь конец своего, существования (таковы современные представления об эволюции Вселенной).
Около двадцати или десяти миллиардов лет назад (где-то в этом интервале времен) вещество, из которого сегодня состоят галактики, было сконцентрировано до очень больших плотностей в некоторой, так называемой, покоящейся сингулярной точке. В современную эпоху наблюдаемые скорости тогда образовавшихся галактик достигают и сотен, и двух сотен тысяч км/с, т. е. скорости их движения оказываются сравнимыми со скоростью света. Создается впечатление, что когда-то в те давние времена произошел гигантский по мощи взрыв этой сингулярной области (говорят об этом совершенно в условном смысле, а не в прямом толковании взрыва), который и явился началом развития Метагалактики (если угодно, Вселенной) к ее современному состоянию. Такой взгляд на начало мира оказался приемлемым многим ученым, гипотеза эта получила всеобщее признание и была названа гипотезой Большого взрыва (по англ. -- Big Bang). В варианте холодной сингулярности она принадлежит французскому космологу аббату Жоржу Лемэтру (1894-1966), ставшему впоследствии президентом Ватиканской академии наук, а в варианте горячей сингулярности - великому русскому ученому Георгию Гамову (1904-1968).
Итак, по современным воззрениям, Вселенная возникла в результате стремительного расширения, если угодно, взрыва, сверхплотного горячего вещества, обладавшего сверхвысокой температурой. Это был не обычный взрыв, который начинается из определенного центра и затем захватывает другие области пространства. По образному выражению нобелевского лауреата, американского физика Стивена Вайнберга (соавтора теории электрослабого взаимодействия), взрыв произошел одновременно везде, «причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». Другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало, т. е. тогда это была вся, именно вся Вселенная. И начальный Большой взрыв (Big Bang) был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства. Big Bang произошел 13-17 млрд лет назад (по оценкам из закона Хаббла).
Проследим за динамикой развития Вселенной после взрыва. Чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше температура, все ближе и ближе сингулярность - загадка взрыва Вселенной. Современная наука позволяет в мысленном путешествии во времени подойти к сингулярности вплотную.
Анализ «большого взрыва» свелся к обсуждению проблем, связанных с элементарными частицами. За последние годы в физике элементарных частиц произошли большие изменения. Сейчас логически последовательное описание Big Bang невозможно без элементарных частиц. Стало ясно, что такие элементарные частицы, как протон и нейтрон, не являются «кирпичиками мироздания», а являются сложными системами, состоящими из более элементарных объектов - кварков. Если условно мы подразделяем наш мир на три состояния по своим, в общем-то отличительным друг от друга, законами (микромир, макромир и мегамир), то в момент «большого взрыва» произошло слияние микро - и мегамира. Такое состояние Вселенной в то ушедшее время получило название микрокосмоса.
Почему мы здесь об этом говорим и пишем? Да потому, что правильность теоретических представлений о взаимодействии Великого объединения можно проверить по исследованиям и анализу процессов в сегодняшней Вселенной, ведь в сегодняшней Вселенной должны существовать следы тех грандиозных событий, которые происходили вблизи «большого взрыва». На наших глазах происходит осуществление научной мечты Эйнштейна -- мечты об объединении всех сил природы. Итак, при температурах Т=1027К происходит объединение трех сил: электромагнитной, слабой и сильной. Остается в стороне только одна сила -- гравитационная.
Казалось бы, осталось сделать только один шаг, но этот последний шаг до сих пор не удается сделать пока никому.Мы говорили о том, что в нашей Вселенной должны сохраниться «следы» тех процессов, которые протекали вблизи сингулярного состояния. К таким «следам» относятся самые фундаментальные свойства нашего мира, а именно, тот факт, что пространство имеет три измерения, а время -- одно измерение, тоже обусловлено теми, далекими для нас, процессами. Тот факт, что во Вселенной есть вещество, также обусловлен теми процессами. Вообще Вселенная вблизи «большого взрыва» напоминает суперген (если использовать биологическую терминологию), в котором заложена вся информация о будущем Вселенной. Недаром католической церкви понравился Big Bang.Однако продолжим анализ начала и последующих моментов после взрыва. Прошло три-пять минут после начала расширения, и температура во Вселенной упала ниже одного миллиарда градусов. При этой температуре возможно соединение протона и нейтрона в ядро дейтерия. В результате реакций синтеза при температуре ниже миллиарда градусов начинают возникать ядра гелия. На этом ядерные реакции в ранней Вселенной прекращаются. Расчеты показывают, что в первичном веществе должно образоваться около 25% гелия по массе, а остальное вещество (75%) -- это ядра атомов водорода (протоны). Наблюдения показывают, что первые звезды во Вселенной образовались из вещества, химический состав которого соответствует предсказаниям теории горячей Вселенной. Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной главным образом в недрах звезд, а за образование тяжелых элементов ответственны в первую очередь процессы в сверхновых звездах. (Таким образом, атомы, которые есть в нашем организме, когда-то были рождены в недрах какой-то сверхновой звезды).
После рекомбинации атомов вещество, заполняющее Вселенную, представляло собой газ, который вследствие гравитационной неустойчивости стал собираться в сгущения. Результаты этого процесса мы видим в виде скоплений галактик, галактик и звезд. Структура Вселенной весьма непроста, и изучение механизма ее образования -- это одна из самых интересных задач настоящего времени. Как ни странно, она далека от решения -- мы более ясно представляем себе, что происходило в первые секунды после «большого взрыва», чем в период от миллиона лет до нашего времени.
Есть много загадок в космологии, которые человечество еще не разгадало. Например, почему наша Вселенная является однородной? (Конечно, в больших масштабах). Почему средняя плотность вещества во Вселенной очень близка к критической плотности? И самая главная загадка: что могло быть причиной начала расширения?
Русские физики А.Д. Линде и А.А. Старобинский показали, что состояние с огромным отрицательным давлением, как у вакуума, во Вселенной могло возникнуть в результате квантовых эффектов в гравитационном поле. Это огромное отрицательное давление могло возникнуть при температуре «кипящего бульона», равной Т=1032К, т. е. при этой температуре происходит суперобразование (взаимодействие Великого объединения и гравитационное взаимодействие сливаются в одно взаимодействие). Соответствующий момент времени tn=3 х 10-44с, плотность материи в этот момент r=1094г/см3. Возможно, что возникновение состояния с огромным отрицательным давлением в этот момент и послужило первотолчком к расширению Вселенной.
Сейчас ясно одно: чем ближе к «началу», тем более экзотичней становятся законы природы, тем больше возникает вопросов.
Глава 5. Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной
Крупномасштабная структура Вселенной была предсказана российскими космологами и астрофизиками во главе с академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем. Теоретически анализируя законы эволюции малых возмущений плотности в расширяющейся Вселенной, Зельдович обнаружил любопытное явление: образующиеся объекты не обладали сферической формой (тогда как сами звезды, планеты -- сферы, есть и шаровые галактики). Это были структуры объемные, неравные по трем направлениям, весьма похожие на обычные блины. Зельдович так и назвал свою теорию теорией блинов (Бог, если это он испек Вселенную, не чужд обыденности!). Теория предсказывала существование в глубоком космосе пустот, теперь их называют войды (от англ. void -- пустота, пустое место).
Чтобы быть совсем точным, надо сказать, что самый крупный объект во Вселенной - Метагалактика, за пределами которой нам мир не виден. Крупномасштабная структура Метагалактики выявлена для шкалы расстояний от нескольких мегапарсек до нескольких сотен мегапарсек. С. Шандарин, Р. Киршнер и др., которые в 1981-82 гг. открыли крупномасштабную структуру, наблюдали далекие галактики в телескоп на трех полях галактик, отстоящих друг от друга на угловые расстояния в 5 градусов. В каждом из полей они сосчитали галактики, измерили их красные смещения и построили гистограмму (графическую столбчатую диаграмму), в плоскости которой отложили то что считали и измеряли: число галактик N -- красное смещение z. На гистограмме выявились два пика, разделенные почти пустым пространством. Их интерпретация была предельно проста: мы видим два блина крупномасштабной структуры Вселенной, а между ними пустое поле.
Дальнейшие исследования показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик имеют форму волокон, или филаментов (англ. filament -- нить, волокно), которые образуют стенки ячеек -- войдов. Внутри каждого войда галактик нет, они сосредоточены, в волокнах, образующих стенки войда (так можно себе представить трехмерную паучью паутину. Эта крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики, как принято считать, не образует более крупных структур, поэтому в данных мегамасштабах Метагалактика однородна и изотропна. Конечно, абсолютная категоричность здесь неуместна. Это мы говорили о структуре, а теперь о механизмах образования этих структур. После «большого взрыва» образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. В результате взаимопритяжения частиц пыли и газа (главным образом водорода) образовались первые поколения звезд. После того как возникли первые звезды, оставшийся газ, ввиду наличия у него внутреннего момента движения, собрался в тонкий диск (блин), и в этом диске сформировалось из газа второе поколение звезд. Наиболее массивные звезды быстро эволюционировали с образованием тяжелых металлов, которые выбрасывались в межзвездный газ. Некоторые из тяжелых металлов конденсировались в крошечные крупинки -- межзвездную пыль. Когда в центральной плоскости галактики было сформировано достаточное количество звезд, неустойчивость движения заставила их временно объединиться в скопления, из которых были сформированы спиральные рукава. Вещество, из которого они состоят, испытывает изменения. Некоторые звезды могут переходить из одного рукава в другой. Подобно звездам, межзвёздный газ и пыль также находятся в рукавах. Ядро еще больше сжимается и разогревается. В слоях, прилегающих к ядру, из-за огромной температуры также начинает образовываться гелий. Когда температура внутри звезды достигает 1,5 X 107К, гелий превращается в углерод, с последующим образованием все более тяжелых химических элементов. В результате образуются красные звезды, сверхгиганты. Заключительный этап жизни звезды зависит от ее массы. При малой массе внешние слои постепенно расширяются и, в конце концов, покидают ядро звезды; на месте гиганта остается горячий маленький карлик с белым свечением, который затем постепенно остывает и становится потухшей звездой. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последнем этапе эволюции теряют устойчивость и могут взорваться, как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами, а затем сжаться, превратившись в нейтронные звезды с диаметром в несколько километров.
Внутри звезд в ходе термоядерных реакций образуется до 30 химических элементов, а во время взрыва и все остальные известные на Земле химические элементы.
Напрашивается вывод: звезды и галактики подчиняются всеобщим законам диалектики: рождаются, живут и умирают. И процесс этот продолжается до наших дней.
Глава 6. Небулярные гипотезы и гипотеза О.Ю. Шмидта и другие гипотезы
Все космогонические гипотезы можно разделить на несколько групп: небулярные (Канта, Лапласа и др., к ним же относится и гипотеза О. Ю. Шмидта), гипотезы захвата, выброса и др. Небулярные гипотезы, а их больше всего, можно, в свою очередь разделить на две подгруппы.
Согласно первой из них Солнце и все тела Солнечной системы: планеты, спутники, астероиды, кометы и метеорные тела - образовались из единого газово-пылевого, или пылевого облака.
Согласно второй Солнце и его семейство имеют различное происхождение, так что Солнце образовалось из одного газово-пылевого облака (туманности, глобулы), а остальные небесные тела Солнечной системы - из другого облака, которое было захвачено каким-то, не совсем понятным, образом Солнцем на свою орбиту и разделилось каким-то, еще более непонятным образом на множество самых различных тел (планет, их спутников, астероидов, комет и метеорных тел) имеющих самые различные характеристики: массу, плотность, эксцентриситет, направление обращения по орбите и направление вращения вокруг своей оси, наклонение орбиты к плоскости экватора Солнца (или эклиптики) и наклон плоскости экватора к плоскости своей орбиты.
Как утверждают небесные механики, небулярные гипотезы Канта, Лапласа и др. среди прочих имеют следующий существенный недостаток: они не объясняют, почему Солнце и планеты так неравномерно распределили между собой количество движения (момент количества движения): на долю Солнца приходится около 2% момента количества движения, а на долю планет - около 98%, хотя совокупная масса всех планет в 750 раз меньше массы Солнца.
По-види?