Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной

Итак, два важнейших наблюдательных факта, лежащих в фундаменте современной космологии, мы уже отметили - фридмано-хаббловское расширение Вселенной и гамовское реликтовое излучение. Их сопоставление ведет к логическому выводу о существовании некоего Космологического Горизонта, «заглянуть» за который и получить какую-то информацию об объектах, находящихся далее, и о структурах, превосходящих по размеру расстояние до Космологического Горизонта, человечеству не дано (по крайней мере, в современную технологическую эпоху).

Пока человек является обитателем Местного сверхскопления галактик, эффект красного хаббловского смещения для источника света, удаленного на расстояние R > 1,4 Гпк, приводит к тому, что этот объект станет неразличим на фоне микроволнового (реликтового) излучения.

Третьим наблюдательным фактом следует считать открытие и исследование крупномасштабной структуры Вселенной. До этого открытия самыми крупными объектами во Вселенной считались гигантские галактики и скопления галактик. Открытие сверхскоплений галактик (крупномасштабной структуры) произвело неизгладимое впечатление на космологов.

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). Размеры войдов около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. 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. Планируется построить полное трехмерное распределение галактик в Метагалактике на глубину, превышающую сотню мегапарсек.

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. Рукава представляют собой протяжные образования, которые вращаются вокруг центра галактики. 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. В межзвездном газе в результате вспышек сверхновых звезд возникает разница в давлении. Газ оттекает из области высокого давления в область низкого давления, образуются облака неионизированного газа высокой плотности. Силы тяготения стремятся сжать такое облако в более компактное образование. Однако сжатию препятствует внутреннее давление, которое стремится заставить облако расшириться. Обычно внутреннее давление больше гравитационного. Но иногда внешнее давление внезапно повышается из-за происходящих неподалеку бурных событий: например, вспышка сверхновой звезды, образование массивной звезды или крупномасштабная перестройка межзвездного магнитного поля. Облако может сжаться до плотности гораздо больше типичной. Тяготение может преодолеть внутреннее давление, вследствие чего облако начинает катастрофически сжиматься, и образуются звезды. По мере сжатия межзвездные пылинки защищают внутренние области облака от нагрева излучением звезд, находящихся снаружи. Температура облака падает, а с ним внутреннее давление в облаке. В результате облако распадается на части, а те, в свою очередь, на еще меньшие образования. В звездах в результате сжатия водород превращается в гелий. Поскольку в центре давление выше, то и гелий образуется в центре, образуется гелиевое ядро.

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.

Обогащенная тяжелыми элементами межзвездная среда образует звезды нового поколения. Возраст звезд по этому можно определить методом спектрального анализа. Есть звезды-сверхгиганты, намного превышающие массу Солнца. Они либо превращаются в нейтронную звезду, либо в процессе неограниченного сжатия превращаются в «черную дыру», т. е. в объект, обладающий гигантским по своей величине полем тяготения, не выпускающий за свои пределы никакое излучение. Их можно обнаружить косвенно, по их гравитационному воздействию на окружающие тела. Межзвездный газ или газ соседней звезды, притягиваясь и падая на «черную дыру» (этот процесс называется аккрецией), образует вокруг нее шлейф. Напрашивается вывод: звезды и галактики подчиняются всеобщим законам диалектики: рождаются, живут и умирают. И процесс этот продолжается до наших дней.

Резюме

Решение уравнений ОТО (теории тяготения Эйнштейна), осуществленное Александром Фридманом, привело к открытию фундаментального свойства Вселенной — ее нестационарности.

Экспериментальное доказательство нестационарности Вселенной в виде ее расширения появилось в 1929 году с открытием американским астрономом Э. Хабблом эффекта красного смещения линий в спектре галактических атомов водорода, интерпретированного как знаменитый закон Хаббла — закон разбега-ния галактик. Оценка величины постоянной Хаббла позволяет оценить возраст Вселенной (Метагалактики) в 13-17 млрд лет.

С открытием факта расширения Вселенной возникла проблема «начала» Вселенной. Данная проблема разрешена на сегодняшний день в виде гипотезы Лемэтра о «большом взрыве» и гипотезы Гамова о начальной горячей сингулярности. Проявлением Большого взрыва является предсказанное Гамовым и экспериментально обнаруженное реликтовое излучение. Современная наблюдательная астрономия практически достигла Космологического Горизонта, за которым Вселенная не видна.

Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы

Планетная космогония

Теперь рассмотрим проблемы планетной космогонии, т. е. проблемы образования планет и планетных систем, на примере нашей Солнечной системы. Надо ответить на несколько непростых вопросов. Как образовались планеты Солнечной системы и почему? Насколько распространены планетные системы во Вселенной? Распространены ли во Вселенной системы, подобные Солнечной, с планетами, подобными Земле?

Решение этих проблем можно начать с рассмотрения стадий рождения звезд. На начавшееся спонтанно сжатие газового облака и на дальнейшую судьбу звезды оказывают влияние, кроме тяготения, еще много факторов. Один из важнейших — возникающий во вращающемся газово-пылевом диске момент количества движения (вращательный момент). При сжатии диска во много раз момент вращения сохраняется неизменным, а момент инерции уменьшается пропорционально квадрату степени сжатия, и, значит, во столько же раз должна возрасти скорость вращения.

Высокая скорость вращения препятствует сжатию в сферу. По этой причине большинство галактик имеют дискообразную форму, но звезды, как правило, — более шары, чем какое-либо другое тело, они как-то умудряются избавляться от своего момента. Следует отметить, что сейчас установлено совершенно точно, что вдоль оси вращения звезды они несимметричны — в верхней части вытянуты, а в нижней сплюснуты. Наблюдения за газовыми дисками (туманностями) указывают на два возможных варианта сценария: первый — образование двойных звезд; второй — образование планетных систем. В первом случае момент вращения облака переходит в момент вращения звезд вокруг общего центра тяжести; во втором — передается планетам, вращающимся вокруг центральной звезды. В нашей Солнечной системе на планеты приходится всего 0,13% массы, но у них сосредоточен почти весь вращательный момент системы — примерно 98%, что пока убедительно не удалось объяснить никому.

Двойные звезды удалось получить в компьютерных моделях, пути их образования довольно ясны, и наблюдения показали, что по крайней мере 70% всех звезд — двойные или еще большей кратности — тройные, четверные и т. д. (максимум, что наблюдалось, — семерная).

Существование планет надежно, прямыми наблюдениями, удалось на начало 2006 г. доказать у более чем ста звезд в нашем ближайшем окружении. Это, как правило, планеты, превосходящие по массе Юпитер, но можно предполагать, что большинство одиночных звезд (которых в нашей Галактике многие миллиарды) должны иметь планетные системы и среди них должны быть (могут быть) и планеты, подобные Земле.

Относительно механизма образования планетных систем (конкретнее — нашей Солнечной системы) до сих пор нет окончательно сформированного мнения. Есть довольно продуктивные современные гипотезы и теории, восходящие к небулярной (из газопылевого облака, из туманности, ибо nebula это с лат. — туман) гипотезе Канта и Лапласа. Это теории Ф. Мультона и Т. Чембер-лена, Дж. Койпера, X. Альвена, Ф. Хойла, О. Шмидта, С. Всехсвятского и др. Но ни одна из них не может объяснить всех фактов, относящихся к планетам. В настоящее время можно считать достаточно точно установленными следующие два положения:

1) Планеты образовались приблизительно одновременно с Солнцем из материала того же газо-пылевого облака.

2) Образование планет происходило из холодной материи, и планеты никогда не проходили через стадию полного расплавления (хотя расплавление большей части вещества на ранних стадиях жизни некоторых планет вероятно).

Исходя из этих положений, строятся основные теории образования и начальной эволюции планет. В общих чертах их образование началось в газо-пылевом или протопланетном (допланетном) облаке. Протопланетные облака должны были иметь или принять уплощенную, дискообразную форму, поскольку траектории (орбиты) планет практически лежат в одной плоскости. Допланетное облако значительно превышало пределы самой далекой из планет — Плутона, который удален почти на 40 а. е. (а. е. — астрономическая единица, равна среднему расстоянию Земли от Солнца — 149,5 млн км). Планеты образовались из твердых тел — планетезималей. Планетезима-ли (англ. planetesimal от planet — планета, infinitesimal — бесконечно малая величина) — название мелких твердых частичек, так называемых допланетных тел, образовавшихся в допланетном облаке в результате конденсации вещества, согласно космогонической гипотезе американских асторономов Ф. Мультона и Т. Чемберлена. Первоначальный состав облака был свойственен обычным межзвездным туманностям — 99% газа (водород и гелий) и 1% пыли. В результате гравитационного коллапса газа и пыли к центральной части облака образовалось протосол-нце (протозвезда в других случаях), температура которого первоначально была десятки тысяч градусов. Это способствовало испарению пылевых частиц из протосолнца. Про-топланетное облако, в основном с газовой составляющей, оказалось подверженным вихревому движению газов. Облако остывало, в нем вновь появились твердые частички пыли. Через какое-то время в нем образовался тонкий пылевой диск, который начал расслаиваться на отдельные сгущения. В облаке участились столкновения и слипания отдельных пылинок, вот только на этом этапе началось образование планетезималей. По мере возрастания масс планетезималей и достижения ими километрового размера, у них появилась способность удерживать близ-находящиеся частички за счет тяготения. Далее уже происходило образование планет.

Образование планетезималей длилось, согласно расчетам, десятки тысяч лет. Образование протопланетных тел из планетезималей длилось несколько сот миллионов лет. В протопланетном рое протезималей их было несколько размеров. Больше мелких, меньше средних, крупных, таких, как Луна или Меркурий, совсем немного — единицы. Со временем орбиты крупнейших тел стали приближаться к круговым, а сами они становились центрами притяжения всего окружающего их вещества, явившись зародышами планет. Все это длилось около 100 млн лет.

В нашей Солнечной системе сейчас насчитывают 9 больших планет (все настойчивее заявляют астрономы об открытии 10-й планеты, названия которой пока нет, но предварительно говорят Плуто либо Цербер). Из них 4 планеты образуют «земную группу» — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты имеют твердую оболочку и медленно вращаются вокруг своей оси. Наибольшая из этих планет наша Земля. Группу планет-гигантов также составляют 4 планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. 9-ю планету, Плутон, обычно рассматривают отдельно от других, поскольку по своим характеристикам она относится, скорее, к планетам земной группы. Особенность ей придает необычная форма ее орбиты — сильно вытянутый эллипс. В результате Плутон периодически подходит к Солнцу даже ближе, чем Нептун, поскольку заходит внутрь его орбиты. Американский астроном Дж. Койпер, открывший знаменитый пояс астероидов Койпера, высказал даже гипотезу в середине XX века, что Плутон — астероид. Масса Плутона всего 0,002 массы Земли.

Далее, к Солнечной планетной системе относится большое число так называемых «малых планет», или астероидов, расположенных в основном между Марсом и Юпитером, а также значительное число относительно «крупных» малых планет (200-500 километров диаметром), расположенных за Нептуном, в поясе Койпера. К Солнечной системе относится множество комет, образующих так называемое облако Оорта, расположенное за орбитой Плутона, и многочисленные спутники больших планет.

Планеты земной группы расположены ближе к Солнцу и представляют собой твердые шары, состоящие в основном из силикатов с относительно тонкими газовыми атмосферами. По-видимому, у всех этих планет присутствует железное или железно-никелевое ядро различного размера (относительно наибольшее у Меркурия). Атмосферы планет сильно различаются по плотности и составу. У Меркурия примерно на 10 порядков менее плотная, чем земная, атмосфера состоит в основном из гелия, поставляемого солнечным ветром; у Марса и Венеры преобладающим компонентом (свыше 95%) атмосферы является углекислый газ, а вот плотность атмосферы Марса в 160 раз меньше, чем Земли, а Венеры — в 90 раз больше.

Земля единственная из всех планет обладает кислородной атмосферой и гидросферой — жидкой водой на поверхности. Не исключено, что когда-то жидкая вода была и на Марсе, а сейчас она присутствует в виде захороненного под пылью льда.

Внутреннее строение планет изучено весьма слабо. Больше всего мы знаем о Земле, о которой дальше будет сказано особо. Модели внутреннего строения для остальных планет земной группы строятся по аналогии с Землей.

Планеты-гиганты представляют собой огромные газовые шары, возможно, чаще всего жидкие, т. е. не имеющие твердой поверхности, как у планет земной группы. Из-за своих больших масс и достаточной удаленности от Солнца, гиганты удержали почти полностью легкие газы, преобладавшие в протопланетном облаке, — водород и гелий, из которых и состоят, в основном, их необычайно мощные атмосферы. В горячих глубоких недрах планет-гигантов (до 20 тыс. градусов), вероятно, все же присутствуют твердые ядра, составляющие очень небольшую часть каждой планеты по массе.

Причина различий в строении планет земной группы и планет-гигантов, не исключено, связана с их расстоянием от Солнца. Так, самая удаленная планета земной группы — Марс, находится всего в 1,52 а. е. от Солнца, тогда как ближайший гигант — Юпитер, в 5,20 а. е. Вблизи Солнца большая часть легких газов из атмосфер планет была «выметена» солнечным излучением в более далекие области, в открытое космическое пространство.

Дата добавления: 2015-09-05