Мировоззренческие проблемы космологической эволюции

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеют большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной - зависит от конкретных эмпирических исследований и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства-времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной - замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась с Большого взрыва. Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства-времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала Большого взрыва, составило бы 13 миллиардов лет. Однако есть основания полагать, что расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше. Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначально «горячей» модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не наблюдали и не анализировали в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены. Главный же итог современных исследований состоит в том, что они показали: Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением новых и сложных структур.

В больших масштабах Метагалактику можно считать однородной и изотропной, но в масштабах меньших встречаются неоднородности в виде систем галактик и звёзд. Как же они могли возникнуть в однородной, изотропной и расширяющейся среде? Видимо, какие-то неоднородности и возмущения были и на ранней стадии образования Вселенной. В 1946 г. академик Е.М. Лившиц на основании общей теории относительности Эйнштейна рассмотрел вопрос о малых неоднородностях в однородной среде. Выяснилось, что неоднородности, возникшие в гравитационно неустойчивых средах, с течением времени растут. Скорость роста зависит от соотношения в ней вещества и излучения. В процессе эволюции «выжили» только крупномасштабные неоднородности. Их массы могли быть в 10¹³-10¹⁴ раз больше массы Солнца и продолжали свой рост, достигая массы, сравнимой с массой крупных скоплений галактик. Такие массивные облака газа приобретают не сферическую форму, а становятся похожими на гигантские «блины». Это происходит вследствие беспрепятственного сжатия, которое неодинаково по разным направлениям. Кроме того, плавное сжатие на некотором этапе приобретает характер сверхзвуковой ударной волны: скорость падения газа в облаке превысила скорость теплового движения частиц, и образовались скачки давления, температуры и плотности. В разных частях расширяющейся Вселенной могли возникнуть разные «блины». Те, которые родились позже, имели меньшие массу, плотность, температуру. Продукты распада «блинов» тоже оказались разными: из одних «блинов» образовались скопления галактик, из других - небольшие группы галактик, из третьих - одиночные галактики. Ударные волны могли стать причиной вращения галактик. Взаимодействуя между собой, «блины» могут довольно естественно образовывать границы наблюдаемых ячеек крупномасштабной структуры Вселенной. Многие недостающие звенья картины воссоздания современной ячеистой структуры способны восполнить нейтрино, обладающие определённой массой покоя.

Предположения о существовании массы покоя у нейтрино высказывались неоднократно, и в конце 80-х гг. были сведения об обнаружении такого свойства нейтрино в СССР и США. Согласно теории Большого взрыва, нейтринные облака сформировались примерно через 300 лет после начала расширения, а обычное вещество стало переходить из плазменного состояния в состояние нейтрального газа примерно через миллион лет после начала расширения. Поэтому в формировании структуры обычного вещества большую роль сыграли нейтрино. Их можно назвать «тестом», на котором пеклись «блины». Когда обычное вещество стало собираться в центральных частях нейтринных облаков, проявилась ячеистая структура Вселенной.

Каждая галактика, возникшая из распавшихся «блинов», имела свой жизненный путь: в ней возникали шаровые звёздные скопления, звёзды разных поколений и т.д. Например, в нашей спиральной Галактике массивные звёзды первого поколения завершили свой жизненный путь и, взорвавшись, обогатили межзвёздную среду тяжёлыми элементами. Часть из них вошла в состав звёзд нового поколения. Звёзды последующих поколений, включая те, которые рождаются на наших глазах, формируются в обнаруженных недавно молекулярных облаках, богатых молекулами водорода, других веществ и межзвёздной пылью. Звёзды малых масс эволюционируют медленно, и поэтому многие из них дожили до наших дней.

Очень важна роль в строении и эволюции галактик молекулярных облаков. Частицы пыли в них способствуют образованию молекул (Н₂, СО, ацетона (СН₃ )₂СО, цианодекапентина НС₁₁Ы и др.) и защищают их от разрушения ультрафиолетовым излучением горячих звёзд. Именно в молекулярных облаках рождаются различные группы молодых звёзд: ассоциации, рассеянные скопления и другие в зависимости от массы облака.

Молодым звездам с массой, близкой к массе Солнца, предстоит долгая жизнь - не менее 1 0 миллиардов лет. Звезды с массой в несколько десятков раз больше массы Солнца живут несколько миллионов лет, а звезды с массой в два раза меньше солнечной, могли бы спокойно жить до 1 00 миллиардов лет.

Звезда - это основная структурная единица мегамира. Галактики, Метагалактика, другие структуры космического масштаба состоят из звезд. Известно много различных типов звезд. Как мы уже говорили выше, каждая звезда проходит различный эволюционный путь, переходя из одного типа в другой. Их можно разделить на две большие группы: обыкновенные звезды и компактные звезды. К компактным звездам относят белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Их размеры лежат в пределах от нескольких километров до нескольких тысяч километров. Размеры нормальных звезд изменяются от 10⁸ до 10¹¹ м. Ближайшая к нам звезда Солнце. Солнце является источником жизни на Земле.

Масса Солнца составляет 210 кг, радиус - 710 км. Количество энергии, излучаемой Солнцем огромно. В секунду Солнце излучает 41·0³⁶ Дж энергии. На долю нашей планеты приходится лишь одна миллиардная часть этой энергии. За время существования жизни на Земле (около 3,5 млрд лет) Солнце излучило 4^.10⁴³ Дж. Откуда же берется такое количество энергии? Какие процессы на нашем светиле обеспечивают такое постоянство свечения? Ведь если бы светимость Солнца уменьшилось за это время в несколько раз, жизни на земле не было бы. Поэтому, если Солнце и меняло свою светимость, то не более чем на несколько процентов.

В разное время источником энергии Солнца считали различные причины. Так, И. Ньютон и Ю. Майер считали, что источником энергии Солнца служит кинетическая энергия падающих на него метеоритов и комет. Г. Гельмгольц и У. Томпсон (лорд Кельвин) в конце XIX века предположили, что выделение энергии Солнцем обеспечивается его радиуса под действием его собственной гравитации. Астроном Дж. Джинс предположил, что источником энергии Солнца является радиоактивность. Джинс был близок к пониманию проблемы, также как и один из пионеров астрофизики А. Эддингтон, которые считали, что источником энергии Солнца является атомное ядро. В 1939 году Х.А. Бете построил количественную теорию, объясняющую ядерные процессы в звездах. Было установлено, что звезды - это гигантские природные термоядерные реакторы.

Термоядерные реакции - это реакции синтеза более тяжелых ядер из легких. Самая распространенная термоядерная реакция это реакция синтеза ядер гелия из ядр водорода:

4¹Н →⁴Не + 2v + 2 е+ + 26 МэВ.

Масса образовавшихся ядер гелия на 0,7% меньше суммарной массы четырех ядер водорода вследствие дефекта масс. Пользуясь формулой Эйнштейна Е = mc² можно, правда достаточно грубо, оценить запас энергии в Солнце, предполагая, что оно все состоит из водорода, который целиком превратится в гелий:

0,7Мсс² = 120·10⁴³ Дж.

Это в 30 раз больше, чем требуется для обогрева Земли в течение 3,5 млрд лет. Более точные расчеты показывают, что запаса термоядерного горючего в Солнце для обеспечения постоянного свечения может хватить на 10 млрд лет.