Концепция развития и эволюция Вселенной

Вселенная – это самая крупная материальная система; это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Происхождение Вселенной интересует людей с древнейших времен, но даже крупнейшие достижения современного естествознания не позволяют дать исчерпывающие ответы. Принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивисткой модели, основанной на теории гравитации. Эта модель описывала стационарное состояние Вселенной, но последующие астрофизические наблюдения опровергли эту гипотезу.

В 1922 г. профессор Петроградского университета А. Фридман в результате решения космологических уравнений пришел к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она либо расширяется, либо сужается.

В 1924 г. американский астроном Э. Хаббл впервые измерил расстояние до ближайших галактик, а в 1929 г. он по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод Фридмана о расширении Вселенной.

Результаты наблюдений показывают, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1парсек = 3,3 световых года; световой год – это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1 земной год). Отсюда возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет. Предполагается, что изначально Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам она оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции Большого взрыва.

Эта концепция предполагает, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью с момента ее образования. Существует также гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотностей, то расширяясь, то сжимаясь, и тогда возраст Вселенной определить невозможно (рисунок 1).

По мере развития естествознания выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на ранних стадиях развития Вселенной. Экспериментальное подтверждение получила, выдвинутая в конце 40-х гг. 20 в., модель горячей Вселенной Г. Гамова. Согласно этой гипотезе в начальный момент расширения Вселенной протекали ядерные процессы в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось. Из этой модели следуют два вывода:

1) вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода и гелия (3:1);

2) в космосе должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому названное реликтовым (оно было обнаружено в 1965 г.).

Краткая история эволюции Вселенной, основанная на современных данных космологии, представлена на рисунке 2.

Лекция: «Структура Вселенной»

Часть Вселенной, доступная исследованию современными астрономическими средствами, называется Метагалактикой.

Вселенная состоит из галактик, отдельно стоящих звезд, планет, разреженного газа и космической пыли.

Главные составляющие Вселенной – это галактики – огромные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в галактику, наблюдаемую в форме Млечного пути. По форме и строению различают эллиптические, шаровые и неправильной формы галактики. Млечный путь относится к спиральным галактикам.

Мир звезд необыкновенно разнообразен, в них сосредоточено более 90% наблюдаемого вещества, и хотя все звезды – раскаленные шары, которые светятся собственным светом, их физические характеристики различаются весьма существенно.

В зависимости от размера выделяют звезды-гиганты и сверхгиганты (больше Солнца в миллионы и миллиарды раз); нормальные звезды; звезды-карлики (меньше Солнца и даже Земли; нейтронные звезды (диаметр 20-30 км, но с огромной плотностью вещества; были обнаружены в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению).

В зависимости от температуры поверхности различают:

- 3-4 тыс. градусов – красные;

- 6 тыс. градусов – желтые;

- 12 тыс. градусов – белые и голубоватые.

Эволюционный путь звезды согласно теории скользящей эволюции звезд (90-е гг. 20 в.): облако газа и пыли (газопылевое облако) сжимается и нагревается, с некоторого момента объект становится непрозрачным, давление и температура внутри растут, замедляя сжатие – так возникает протозвезда. Внутренние слои разогреваются за счет энергии гравитации падающего к центру вещества, объект как бы закипает, что отражается бурными вспышками на поверхности. Это продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты температуры, достаточные для начала термоядерных реакций. В соответствии со своей массой звезда занимает свое место во Вселенной. По мере выгорания водорода светимость звезды уменьшается, и постепенно звезда становится сначала желтой, а затем красной, коричневой, и может погаснуть совсем, став черным карликом – пеплом угасшей звезды.

Но иногда во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд: такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких земных суток выделяют огромное количество энергии (в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце). Затем, исчерпав все свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность.

Лекция: «Происхождение и структура Солнечной системы»

В центре расположена звезда Солнце, вокруг которой обращаются по эллиптическим орбитам 8 планет вместе со своими спутниками, множество малых планет - астероидов, многочисленные кометы и межпланетная среда. В порядке удаления от Солнца планеты располагаются следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (Плутон с 2007 г. принято считать малой планетой). Три последние можно наблюдать только с помощью телескопа, остальные видны невооруженным глазом как яркие светящиеся диски.

Считается, что Солнечная система возникла в результате превращения туманности (Кант, Лаплас, Шмидт): планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака (98% водорода и гелия), окружавшего Солнце. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, слой стал неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобрели почти круговые орбиты и в своем росте стали обгонять другие тела, став зародышами будущих планет. Как более массивные они присоединили к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым в течении примерно 4,5-5 миллиардов лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы:

1) сравнительно небольшие планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Они достаточно плотные (5,5 г/см³). Спутники есть только у Земли – Луна, и у Марса – Фобос и Деймос.

2) планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), состоят в основном из водорода и гелия, плотность близка к плотности воды, имеют кольца и большое число спутников.

Между Марсом и Юпитером расположен пояс астероидов. Предполагается, что это осколки еще одной планеты (Фаэтон), которая по каким-то причинам взорвалась.

Солнце – центральное тело нашей планетной системы и ближайшая к Земле звезда, представляет собой раскаленный плазменный шар. Предполагается, что в недрах Солнца при огромных температурах – около 15 миллионов градусов – и гигантском давлении протекают термоядерные реакции синтеза, сопровождающиеся выделением большого количества энергии. Почти вся энергия Солнца выделяется в его центральной части, откуда переносится излучением и во внешний слой передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца – фотосферы – около 6000 К. Солнце источник света, тепла, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также элементарных частиц.