Вселенная. Происхождение и развитие

В современной космологии существует две линии, объединяющие все группы гипотез происхождения Вселенной:

1 линия – классическая теория о происхождении Вселенной, которая основывается на мифах древности. Основатели: И. Кант – философ и Лаплас – физик, математик (жил во времена Наполеона).

Эта теория исходит из того, что Вселенная произошла из разреженного состояния материи путем дальнейшего ее сжатия под действием гравитации.

2 линия – основывается на прямо противоположном представлении. Здесь предполагается, что Вселенная произошла из сверхплотного состояния путем Большого взрыва и дальнейшего ее расширения. Основатели: академик Амбарцумян (происхождение Вселенной – Большой взрыв) и Фридман (дальнейшее расширение).

Эта теория называется «Релятивистская модель нестационарной (изменяющейся) Вселенной».

Эта вторая линия гипотез имеет научное обоснование, благодаря открытию микроволнового реликтового излучения, оставшегося от породившего Вселенную Большого взрыва, и эффекта Доплера, свидетельствующего о расширении Вселенной.

Реликтовое излучение было открыто в 1989 г. В 2006 году ученые (США) Джон Мэтер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию за открытие анизотропии реликтового излучения. Анизотропия реликтового излучения заключается в неоднородности температуры излучения, то есть излучение то более интенсивно, то менее. Мэтер и Смут открыли анизотропию реликтового излучения в апреле 1992 года, а еще ранее, в январе того же года, сотрудник РАН Андрей Брюханов выступил с сообщением об обнаружении анизотропии реликтового излучения в эксперименте «Реликт» на борту космического аппарата серии «Прогноз».

Через 10^-33 с после Большого взрыва установилось «нужное» соотношение плотности излучения и плотности вещества.

10⁹ : 1 (излучение : вещество). При таком соотношении плотностей излучения и вещества отрицается аннигиляция (самоуничтожение) вещества и антивещества.

Согласно теории вероятности количество вещества и антивещества после Большого взрыва должно быть одинаковым.

Пока нет объяснения, почему вещество преобладает над антивеществом после Большого взрыва. Объяснение существует на уровне гипотез (скрытые симметрии и асимметрии, например «Буриданов осел»). Буридан – первый ректор Сорбоннского университета.

После Большого взрыва через 10^-33 с развитие Вселенной можно разделить на 4 эпохи. Название эпох (этапов) происходит по преобладанию частиц, вещества, излучения.

1. Адронная эпоха (греч. «адрос» – тяжелый). После Большого взрыва материя существовала в виде частиц и поля, имевших огромную энергию. Этим объясняется название «Релятивистская …». Американские исследователи считают, что материя после Большого взрыва существовала не в виде раскаленного газа, а в виде жидкости. Первые частицы (прародители) – преоны. Распад преонов привел к появлению гипотетических частиц – кварков. Кварки не существуют в свободном состоянии, как предполагают, из них состоят протоны и нейтроны.

В эту эпоху под действием больших температур и давления из кварков начали образовываться протоны и нейтроны.

Кварки, протоны и нейтроны относятся к тяжелым частицам и называются адроны.

К концу эпохи из протонов и нейтронов начинают образовываться ядра. В большом количестве ядра образуются также в лептонную эпоху при Т = 10¹² К (температура поверхности Солнца – 6000 К).

2. Лептонная эпоха (греч. «лептос» – легкий).

В эту эпоху образуется большое количество легких частиц, к которым относятся электроны, нейтрино и др. Нейтрино образуются в ядерных реакциях типа:

( электронное нейтрино).

Поскольку в эту эпоху существуют ядра и электроны, следовательно начинается образование атомов (Т = 10⁷ К). Эта эпоха длится 10 с.

3. Эпоха излучения. Плотность излучения меньше, чем в адронную эпоху, но все равно многократно превышает плотность вещества.

По мере уменьшения температуры в результате рассеяния энергии плотность излучения уменьшается, а плотность вещества растет.

Длится 1 млн. лет.

4. Эпоха вещества. Плотность вещества преобладает над плотностью излучения. Длится 15 – 18 млрд. лет.

Дальнейшее развитие Вселенной зависит от соотношения (Gr - H²):

– если соотношение (Gr - H²) < 0, то Вселенная может расширяться до бесконечности;

– если (Gr - H²) > 0, то расширение сменится сжатием.

Здесь G – гравитационная постоянная; Н – постоянная Хаббла (коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактик и расстоянием до них); r – плотность вещества во Вселенной. Эдвин Хаббл – американский астрофизик.

Эффект Доплера (красное смещение)

Эффект Доплера состоит в изменении частоты принимаемого сигнала в зависимости от относительной скорости движения источника и приемника сигнала.

На рисунке, созданном воображением художника, показано, что частоты звучания оркестра изменились в результате движения платформы, на которой располагается оркестр (источник сигнала), что вызвало удивление музыкантов, стоящих на неподвижной платформе (приемник сигнала).

Как свидетельствует легенда, Доплер открыл эффект изменения частоты сигнала для звуковых волн, позднее эффект Доплера был установлен для электромагнитных волн.

Эффект Доплера для электромагнитных волн заключается в том, что спектр излучения далеких галактик смещается в красную сторону. Это связано с увеличением длины волны излучения от звезд далеких галактик. Эффект Доплера сначала был открыт в акустике (для звуковых волн). Заключается в изменении частоты (n) принимаемого излучения в зависимости от относительной скорости v движения источника и приемника излучения:

, (1)

где с – скорость света в вакууме; n₀ – частота излучения, когда источник и приемник неподвижны. Это соотношение для электромагнитной волны.

Если источник и приемник удаляются друг от друга (в частном случае – удаляющаяся галактика), то относительная скорость движения v является положительной.

Тогда в соотношении (1) подкоренное выражение будет меньше 1, следовательно n < n₀ и частота излучения уменьшится.

Если частота (n) растет, то длина волны (l) уменьшается, если частота (n) уменьшается, то длина волны (l) увеличивается. Смещение спектра излучения в красную сторону (0,7 мкм) свидетельствует о том, что в настоящее время галактики удаляются друг от друга, а Вселенная расширяется.

Следовательно, раньше Мир был более плотным. Значит, вторая группа гипотез имеет научное подтверждение.

Объекты Вселенной

В настоящее время Вселенная состоит из галактик (скоплений 10⁹ ¸ ¸ 10¹² звезд) различного типа.

В зависимости от формы, галактики подразделяются :

– на плоские;

– дискообразные;

– спиралевидные (Млечный путь).

Существуют необычные объекты во Вселенной – квазары, от которых приходит мощное излучение на Землю, и механизм этого излучения не ясен.

Во Вселенной очень много газа и пыли. По-видимому, существуют черные дыры.

Неизвестные объекты – пульсары (излучение у них пульсирующее). Предполагают, что пульсары – это нейтронные звезды, они очень быстро вращаются и их излучение пульсирует.

Предполагают, что кометы и метеориты, которые долетают до Земли, могли принести на нее органические соединения.

Звезды, как люди, рождаются, живут и умирают в результате Большого взрыва и снова возвращают вещество во Вселенную (круговорот вещества во Вселенной). Но при этом возвращенное вещество имеет уже другой состав. В этом новом веществе содержится гидроксильная группа ОН, СН₃НСО, СН₃ОН и др., которая является строительным материалом для органических молекул.

Эволюция звезд

Эволюция звезды зависит от ее массы и размеров. Обычно масса звезды сравнивается с массой Солнца (масса Солнца @ 2×10³⁰ кг).

1. Внутри звезды происходят термоядерные реакции, радиоактивные элементы постепенно расходуются в этих реакциях. Газы, которые образуются при ядерных реакциях, раздувают оболочку звезды. Температура оболочки звезды уменьшается, и она приобретает красный цвет (Красный гигант).

По мере увеличения оболочки Красный гигант может превратиться в планетарную туманность, в центре которой находится небольшая звезда (Белый карлик) с излучением белого света.

Далее оболочка отделяется от звезды и образуется туманность.

Если туманность поглотит другую звезду или туманность и ее масса окажется равной массе Солнца, то цикл повторится.

2. Если туманность поглотит за счет притяжения другой объект и ее масса будет больше массы Солнца, то образуется Красный сверхгигант.

В результате взрыва Красного сверхгиганта возникает сверхновая звезда.

Из сверхновой звезды, в зависимости от ее массы, может образоваться либо черная дыра, либо нейтронная звезда (если масса звезды больше 2,5 МС, МС – масса Солнца).

Аккреция (приращение, увеличение) – процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства.

Аккреционный диск – диск из вращающегося вокруг звезды вещества, которое оседает на поверхности светила.

В случае излучающих тел (звезд) аккреция газа возможна только при условии, что светимость тела не превышает критическую светимость, то есть гравитационные силы превышают давление излучения тяготеющего тела.