Вселенная и пути ее эволюции. Что будет дальше со Вселенной

• Название: Что будет дальше со Вселенной
• Анкор: Вселенная и пути ее эволюции
• Дата: 02.10.2022
• Размер: 205.79 Kb.
• Имя файла: Вселенная и пути ее эволюции.rtf
• Тип: Реферат; #709419
• страница: 2 из 3

Ранний этап эволюции Вселенной

Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первона­чальном плазмоподобном² сгустке, не было ни водорода, ни ге­лия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трех секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразования определялись процессами расширения и осты­вания сгустка.

При температуре 10²⁷ К, если только справедлива гипотеза Большого объединения, лептоны³ и кварки⁴ в сгустке свободно превращались друг в друга, то есть были неразличимы. В среде существовал единый вид взаимодействия и роль его частицы-посредника выполнял скалярный бозон, названный X-бозоном. Это была необычайно массивная частица, порядка

10^-9 г, что в 10¹⁴ раза больше массы протона. Эти частицы ис­чезли после снижения температуры в ранней Вселенной, остат­ков их пока не найдено, ожидать, что такие частицы могут быть обнаружены, не приходится, так как подобных темпера­тур нет нигде в современной Вселенной.

Через 10^-33 секунды после “начала” кварки и лептоны раз­делились, а сильное взаимодействие отделилось от электросла­бого. Единый Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. К момен­ту прекращения переходов кварков в лептоны число кварков несколько превышало число антикварков (вообще, современ­ное существование Вселенной связано с нарушениями симмет­рии), а число электронов - число позитронов. В общем сгустке число частиц в каждом миллиарде оказывалось на единицу больше числа античастиц. Это и определило дальнейшее появ­ление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, пла­нетами и разумными существами на некоторых из них.

Следующая критическая точка – 10^-10 с, когда температура снизилась до 10¹⁵ К. После этого безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и три тяжелых век­торных бозона. Электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все че­тыре известные ныне науке фундаментальные взаимодействия.

При снижении температуры до 10¹⁵ К прекращается сво­бодное существование кварков, они сливаются в адроны.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Образуются барионы и антибарионы, которые аннигилируют, оставляя после себя фотоны и выделившуюся энергию. Но так как барионов немного больше, чем антибарионов, оставшиеся стали примесью в однородной смеси фо­тонов и лептонов. Такое состояние было достигнуто через 0,01 с после “начала”.

В течение первой секунды температура снизилась до 10 млрд. градусов. Этого оказалось достаточно для отделения от газовой смеси нейтрино и антинейтрино. К 14 секунде темпе­ратура упала до 3 млрд. градусов и при этом появились усло­вия для соединения и аннигиляции электронов и позитронов. При этом электронов опять-таки было немного больше, чем позитронов. Их избыток и суммарный отрицательный заряд точно компенсировал суммарный положительный заряд про­тонов, которые появились раньше. Также в протоны превра­щались свободные нейтроны, пока в конце концов отношение числа протонов к числу нейтронов не стало равно 8:1, оно со­хранилось в дальнейшем и определило соотношение водорода и гелия во Вселенной.

Спустя 3 минуты 2 секунды после “начала” температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось фор­мирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра - нуклеосинтез. Плот­ность вещества в что время уже была в сто раз меньше плотно­сти воды, размеры Вселенной возросли почти до 40 световых лет (для расширения пространства скорость света не является предельной). Через полчаса после “начала” барионное вещест­во Вселенной состояло из 28% гелия, остальное - ядра водорода (протоны). Но барионное вещество - это ничтожная часть Все­ленной, ее основными компонентами были фотоны и нейтрино.

Затем почти 500 тысяч лет шло медленное остывание. Все­ленная, оставаясь однородной, становилась все более разре­женной. Когда она остыла примерно до 3 тысяч градусов, про­тоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли захваты­вать свободные электроны и превращаться при этом в ней­тральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило “память” о структуре барионного веще­ства в момент разделения. Сегодня его энергия снизилась до температуры всего 3 К. И оно излучает радиоволны в санти­метровом диапазоне. Эти радиоволны были открыты в 1964 г. и стали серьезным подтверждением концепции “горячей” Все­ленной. Они равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником.

В результате мы имеем однородную Вселенную, представ­ляющую собой смесь трех почти не взаимодействующих суб­станций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В сложившихся условиях, когда уже нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, пер­спективой было бы дальнейшее расширение и остывание Все­ленной, завершающееся образованием “лептонной пустыни” - чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напро­тив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет.

Структурная самоорганизация Вселенной

Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возни­кают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнения проявляют себя заметнее, чем вне него. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчетам, из этих сгущений должны были возникать плоские образования, напоминающие блины.

Сжатие водородно-гелиевой плазмы в “блины” неизбежно приводило к значительному повышению их температуры. В ко­нечном счете, сжатие “блина” порождало его неустойчивость, и он распадался на более мелкие подсистемы, которые, возможно, стали зародышами галактик. Подсистемы, в свою очередь, дос­тигали состояния неустойчивости и распадались на более мел­кие уплотнения, ставшие зародышами звезд первого поколения.

Образование разномасштабных структур во Вселенной от­крыло возможность для новых усложнений вещества. Важней­шим узловым моментом стало образование всей совокупности элементов таблицы Менделеева. Они появились в звездах в хо­де процессов звездного нуклеосинтеза.

Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвездной среде тяжелые элементы изготовлены в звездах типа красных гигантов. Желтые карлики типа нашего Солнца поддерживают свое состояние главным образом в результате термоядерной реакции, превращающей водород в гелий. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превы­шающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает не­скольких сотен миллионов градусов, что оказывается доста­точным для протекания реакций углеродного цикла - слияния 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.

Ядро железа - самое устойчивое во всей последовательно­сти химических элементов. Здесь проходит граница, выше ко­торой нуклеосинтез перестает быть источником выделяющейся энергии (как это было в предыдущих реакциях) и протекание реакций с образованием еще более тяжелых ядер требует энер­гетических затрат.

Разработана теория образования в недрах красных гиган­тов элементов от железа до висмута - в процессах медленного захвата нейтронов. Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно проис­ходило в оболочках взрывающихся звезд или при прохожде­нии сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой звезды, через гелиевую оболочку этой звезды с массой около 25 солнечных масс.

Красные гиганты быстро расходуют запас гелия, у них ко­роткий жизненный цикл порядка десятка миллионов лет. За время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10^-4 –10^-5 масс Солн­ца, а в конце существования он с взрывом сбрасывает внеш­нюю оболочку вместе с накопившимися в ней “шлаками” - хи­мическими элементами, результатами деятельности циклов 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.

Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Так, в местах нахождения разнообразных хими­ческих элементов протекают процессы их объединения в моле­кулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в мо­лекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процес­сов - химические силы, за которыми скрывается одна из фун­даментальных сил природы - электромагнитное взаимодейст­вие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распро­странены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентра­ция вещества ничтожно мала, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылин­ки, в их основе - кристаллики льда или углерода с примесью гидратов разных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака. Скопление газов вместе с пылинками формирует газопылевые облака. Но са­мое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, - это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных орга­нических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находят во внешних оболочках неко­торых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, - распростра­ненное и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью назвать конкретные пути проте­кания такого синтеза.

В связи с этим невольно возникает вопрос, способно ли ус­ложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря, возможна ли там жизнь?

Эта тема неод­нократно обыгрывалась в научно-фантастических произведе­ниях, но современная наука не позволяет дать ни положитель­ного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Пока мы зна­ем только один вариант жизни в Космосе - на Земле.

Наличие тяжелых химических элементов, а также молекул и их соединений обеспечивает также возможность образования около некоторых звезд второго поколения планетных систем типа Солнечной. В таких системах становится возможным протекание геологической и химической эволюции.

Образование Солнечной системы

Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образо­вании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, при­мерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обна­ружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирова­ния планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными изме­рялись очень слабые периодические изменения скорости дви­жения шестнадцати звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационно связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из ше­стнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера. Можно предполагать, что существование крупного спутника типа Юпитера, по аналогии с Солнечной системой, указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет. Наиболее вероятное существо­вание планетных систем отмечено у эпсилона Эридана и гам­мы Цефея.

Но следует отметить, что одиночные звезды типа Солнца - явление не столь уж частое, обычно они составляют кратные системы. Нет уверенности, что планетные системы могут обра­зовываться в таких звездных системах, а если они в них возни­кают, то условия на таких планетах могут оказаться неста­бильными, что не способствует появлению жизни.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключении. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедея­тельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.

Вообще, сегодня мы больше знаем о происхождении и эво­люции звезд, чем о происхождении собственной планетной системы, что не удивительно: звезд много, а известная нам планетная система - одна. Накопление информации о Солнеч­ной системе еще далеко от завершения. Сегодня мы видим ее совершенно иначе, чем даже тридцать лет назад.

И нет гарантии, что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевернут все наши представления о процессе ее образования.

Сегодня существует довольно много гипотез образования Солнечной системы. В качестве примера изложим гипотезу шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исхо­дили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявля­ется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого они привлекают совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазмен­ные процессы.

К моменту, когда начали образовываться планеты, цен­тральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать маг­нитным полем, уровень которого превышает определенное критическое значение, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разреженной плазмой. Без этого про­цесс планетообразования невозможен.

Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий. Венера, Земля, Марс) практически погружены в разреженную атмо­сферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца распространялась до современной орбиты Плутона.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допуще­ния об образовании Солнца и планет из одного массива веще­ства, в одном нераздельном процессе. Они считают, что снача­ла из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизываю­щих пространство, которому предстоит стать областью обра­зования вторичных тел.

Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изо­топном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих эле­ментов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнеч­ной системы поступила из одного газопылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть веще­ства с другим изотопным составом поступила из другого газо­пылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газо­пылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значи­тельным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окру­жала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разре­женную замагниченную плазму. Как и в наши дни с поверхно­сти Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и дости­гали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стяги­ванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, про­бои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под дей­ствием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались, и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, то есть с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделилось три-четыре концентрических области, плот­ности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, которые при относи­тельно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см³), а планеты-гиганты имеют намного меньшие плот­ности (1 -2 г/см³).

Существование критической скорости, с достижением ко­торой нейтральная частица, движущаяся ускоренно в разре­женной плазме, скачком ионизируется, подтверждается лабо­раторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что подобный механизм способен обеспечить накопление не­обходимого для образования планет вещества за сравнительно короткое время порядка ста миллионов лет.

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего ве­щества, начинает отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны заставляет плазму вращаться быстрее, а цен­тральное тело замедлять свое вращение. Ускорение плазмы увеличивает центробежные силы, оттесняя ее от звезды. Между центральным телом и плазмой образуется область очень низ­кой плотности вещества. Создается благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Достигнув определенной мас­сы, зерна получают от плазмы импульс, и далее движутся по кеплеровской орбите, унося с собой часть момента количества движения в Солнечной системе: на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% от массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количества движения.

Выпавшие зерна, захватив часть момента количества дви­жения, следуют по пересекающимся эллиптическим орбитам. Множественные соударения между ними собирают эти зерна в большие группы и превращают их орбиты в почти круговые, лежащие в плоскости эклиптики. В конце концов, они собира­ются в струйный поток, имеющий форму тороида (кольца). Этот струйный поток захватывает все частицы, которые с ним сталкиваются, и уравнивает их скорости со своей. Затем эти зерна слипаются в зародышевые ядра, к которым продолжают прилипать частицы, и они постепенно разрастаются до круп­ных тел – планетезималий. Их объединение образует планеты. А как только планетные тела оформляются настолько, что возле них появляется достаточно сильное собственное магнит­ное поле, начинается процесс образования спутников, в ми­ниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет около Солнца.

Так, в этой теории, пояс астероидов - это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии планетезималий. Кольца у крупных планет - это остаточные струйные потоки, оказав­шиеся слишком близко к первичному телу и попавшие внутрь так называемого предела Роша, где гравитационные силы “хозяина” так велики, что не позволяют образоваться устой­чивому вторичному телу.

Метеориты и кометы, согласно модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдален­ных от Солнца областях существовала слабая плазма, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные пото­ки, в которых рождаются планеты, образовываться не могли. Слипание выпавших частиц привело в этих областях к единст­венно возможному результату - к образованию кометных тел.

Сегодня есть уникальные сведения, полученные “Вояджерами” о планетных системах Юпитера, Сатурна, Ура­на. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.

1. Одинаковая закономерность в распределении вещества по химическому составу: максимум концентрации летучих ве­ществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное тело и на периферийную часть системы. На некотором удалении от центрального тела располагается минимум летучих веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен самыми плотными планетами земной группы.

2. Во всех случаях на долю первичного тела приходится бо­лее 98% общей массы системы.

3. Имеются наглядные признаки, указывающие на повсеме­стное образование планетных тел путем слипания частиц (аккреция) во все более крупные тела, вплоть до окончатель­ного оформления планеты (спутника).

Конечно, это только гипотеза, и она требует дальнейшей разработки. Так же пока не имеет убедительных доказательств предположение, что образование планетных систем является закономерным процессом для Вселенной. Но косвенные дан­ные позволяют утверждать, что, по крайней мере, в определен­ной части нашей галактики планетные системы существуют в заметном количестве. Так, И.С. Шкловский обратил внимание на то, что все горячие звезды, температура поверхности кото­рых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном рубеже возникает внезапный резкий спад ско­рости вращения. Звезды, входящие в класс желтых карликов (типа Солнца), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Скорость вращения Солнца - 2 км/с. Низкие скорости вращения могут быть результатом передачи 99% пер­воначального момента количества движения в протопланетное облако. Если это предположение верно, то наука получит точ­ный адрес для поиска планетных систем.