Мегамир: современные космологические концепции Вселенной

Планеты. Солнечная система. Строение планет. Происхождение солнечной системы. Звезды. Галактики. Эволюция вселенноహ. Современные космологические модели. Модель " горячей" вселенной или " большого взрыва". Большой взрыв: инфляционная модель. Этапы космической эволюции. Антропный принцип в космологии.

Звездное ночное небо, усеянное бесчисленным множеством звезд, мерцающих и постоянно светящихся, с древнейших времен привлекало человека. Люди восхищались, пытались как-то осмыслить, понять блистающее над ними чудо. Было высказано немало фантастических предположений, догадок, противоречивых мнений, мифов, сказок. Однако научные представления о космосе, звездах начинают складываться со времен Николая Коперника, создается гелиоцентрическая система. Его и считают основателем научной космологии.

Современная космология - это астрофизическое учение о Вселенной как целом, теория ее структуры и динамики, основанная на изучении наиболее общих свойств (однородности, изотропности и расширения), доступных для исследования части универсума. Теоретической основой научной космологии являются фундаментальные физические теории (общая теория относительности, теория поля и др.).Ее эмпирический базис составляет внегалактическую астрономию. Общие теоретические выводы космологии важны в общенаучном и философском значении.

Объектами изучения космологии являются планеты, звезды, галактики, метагалактика и более мелкие космические тела.

Планеты. Солнечная система.

Специфика планет как объектов мегамира объясняется их происхождением. В ходе космогонического процесса вокруг больших, излучающих тепловую энергию и свет космических тел - звезд - возникают темные, сравнительно небольшого размера небесные тела - планеты, вращающиеся вокруг звезды. Будучи несветящимися, темными, планеты обнаруживают себя отраженным свечением. Отсюда ясно, что наблюдатель с Земли не может увидеть планеты-спутники отдаленных звезд. Поэтому наблюдательная астрономия изучает планеты, их происхождение на примере нашей Солнечной системы.

Планеты солнечной системы вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам и в зависимости от удаленности от Солнца расположены в таком порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник - Луна), Марс (два спутника - Фобос и Деймос), Юпитер (16 спутников), Сатурн (17 спутников), Уран (15 спутников), Нептун (6 спутника) и Плутон (1 спутник). Более подробные характеристики планет даны в табл.3:

Таблица 3.

Планеты.

Строение планет.

В Солнечной системе наиболее изучены планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Строение планет имеет слоистый характер, то есть выделяют несколько сферических оболочек, которые различаются плотностью, фазовыми состояниями, химическим составом и др. Планеты земной группы отличаются твердыми оболочками, содержащими почти всю массу планет. Венера, Земля, Марс имеют атмосферу. У Земли имеется гидросфера (вода), биосфера (живое вещество и результаты его функционирования). На Марсе есть криосфера (ледяные полярные шапки, вечная мерзлота в грунте). Твердые оболочки планет: 1) внешняя (10 - 100 км толщины), 2) мантия (1000 - 3000 км), 3) ядро - наиболее плотная сфера.

Ядро Земли, состоящее, вероятно, из железа, имеет две части: внешнюю (жидкую) и внутреннюю (твердую). Температура ядра - 4000-5000 К. Химический состав твердых оболочек Земли: железо - 34, 6 %, кислород - 29, 5%, кремний - 15, 2%, магний - 12, 7 %. Иной химический состав гигантских планет: Юпитер и Сатурн содержат в той же пропорции как и Солнце, водород и гелий. Уран и Нептун, вероятно, содержат больше тяжелых элементов. Радиоактивный распад элементов, процессы аккреции гравитационного захвата вещества сопровождаются выделением энергии и являются ее основными источниками в недрах планет. При этом происходит постепенное перераспределение вещества в соответствии с плотностью.

Подобное перераспределение на Земле еще имеет место и вызывает горообразование, тектонические и вулканические явления. Расплавленная магма под давлением устремляется вверх, прорывает земную кору и через кратер извергается на поверхность. Рельеф поверхности планет обусловлен воздействием как эндогенных (вулканических, тектонических) процессов, так и экзогенных (метеориты, ветровые эрозии, ледники и др.).

Происхождение Солнечной системы.

Научные гипотезы об образовании Солнечной системы появились в ХVII-ХVIII вв. (Р. Декарт, Ж. Бюффон). Наиболее удачной гипотезой этого периода является небулярная теория Канта-Лапласа: вращающееся облако межзвездного газа конденсировалось, Солнце и вся Солнечная система образовались из сжимающейся газовой туманности. Часть газового вещества отделилась от центрального сгустка (Солнца) под действием центробежных сил (в результате ускорения вращения в ходе сжатия) и послужила материалом для формирования планет.

Наиболее распространенной является электромагнитная гипотеза о происхождении Солнечной системы, предложенная Х. Алофвеном и доработанная Ф. Хойлом, в соответствии с которой электромагнитные силы оказали решающее влияние на образование Солнечной системы. Ныне считается, что первоначальное газовое облако - материальная основа Солнца и планет - представляло собой ионизированный газ, испытывавший воздействие электромагнитных сил. Из огромного газового облака в результате концентрации возникло Солнце. На очень большом расстоянии от него остались части этого облака, гравитационные силы стали притягивать эти остатки газа к Солнцу, но его магнитное поле оставило падающий газ на различных расстояниях, что и определило местонахождение планет, образовавшихся из этих остатков газа. Воздействие гравитационных и электромагнитных сил способствовало концентрации, сгущению частей падающего газа и превращению их в планеты.

Солнце - плазменный шар с плотностью 1, 4 г/см³ и температурой на поверхности 6000 К. В короне (атмосфере) Солнца происходят вспышки - протуберанцы. Солнечная активность имеет цикл 11 лет. Термоядерные реакции превращения водорода в гелий являются источником солнечной энергии. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики - 250 км/с. Возраст Солнца и системы - 5 млрд лет.

Звезды.

На современном этапе эволюции Вселенной основная часть вещества в ней содержится в звездах. Звездная форма бытия космической материи составляет 97% вещества нашей Галактики. Звезды - это гигантские плазменные образования, имеющие различные характеристики величины, температуры, движения. В звездах сосредоточено 98-99% видимого вещества известной нам части Вселенной. Звезды - мощные источники энергии. Вещество в них находится в состоянии плазмы, представляющей собой ионизированный газ, в котором концентрации положительных (ионы) и отрицательных (электроны) зарядов равны (квазинейтральность).

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной (звезды, галактические туманности и межзвездная среда). В космическом пространстве звезды образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т.д.), обращающиеся вокруг общего центра тяжести, некоторые из кратных звезд окружены общей оболочкой диффузной материи, имеются звездные скопления рассеянной или шаровой структуры. Шаровые звездные скопления включают в себя сотни тысяч звезд, рассеянные - состоят из нескольких сотен отдельных звезд.

Высокая светимость звезд в течение длительного времени свидетельствует об огромном количестве энергии, выделяемой в них. Возможные источники этой энергии: гравитационное сжатие, вызывающее выделение гравитационной энергии, и термоядерные реакции, при которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Эволюция звезд зависит от их массы, исходного химического состава. Звезды первого поколения содержат 70% водорода, 30% гелия и весьма небольшую примесь дейтерия и лития. В процессе эволюции звезд первого поколения возникли тяжелые элементы, которые были выброшены в межзвездное пространство при взрывах звезд и в результате истечения вещества. Последующие поколения звезд содержат 3-4% тяжелых элементов.

Рождение звезд есть образование гидростатического равновесного объекта, излучение его поддерживается за счет собственных источников энергии. Звездообразование - непрерывный процесс. Продолжается он и сейчас в результате конденсации вещества межзвездной среды. Первый этап эволюции звезд - гравитационное сжатие, которое приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры 8-10 млн К, при которой ядра водорода, то есть протоны, образуют ядра гелия. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии.

Звезда представляет собой саморегулирующуюся, тонко сбалансированную систему. Источник энергии - водородные термоядерные реакции в центральной зоне. Запасы водорода в звездах обеспечивают ядерные реакции на миллиарды лет. После того, как выгорит водород в центральной зоне звезды, образуется гелиевое ядро. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро сжимается, а внешняя оболочка расширяется, разбухает до огромных размеров. Внешняя температура снижается, звезда переходит в стадию красного гиганта, и существование звезды приближается к концу.

Таким образом, внешняя температура красного гиганта снижается, но внутренняя температура повышается настолько, что в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. В ходе термоядерной реакции при t > 150 млн К происходит синтез химических элементов. Благодаря повышению давления, пульсациям и другим процессам красный гигант теряет вещество, выбрасывая его в межзвездное пространство. После полного истощения внутренних термоядерных источников энергии при массе 1, 4 массы Солнца красный гигант превращается в белого карлика с огромной плотностью (сотни тонн на 1 см³). Белый карлик, когда его энергия исчерпывается, изменяет свой цвет: от белого к желтому, затем к красному и, наконец, превращается в черного карлика, не светящегося, с огромной плотностью. Таким образом завершается существование большинства звезд.

Если масса больше 1, 4 массы Солнца, давление в звезде не может уравнять силу тяготения, эволюция таких звезд может завершаться гравитационным коллапсом, то есть неограниченным падением вещества к центру. Если же силы отталкивания частиц и другие причины останавливают коллапс, то происходит вспышка сверхновой звезды - мощный взрыв с выбросом вещества и с образованием газовых туманностей. В 1885 г. наблюдалась сверхновая звезда в туманности Андромеды, ее блеск был в 4 миллиарда раз интенсивнее, чем блеск Солнца. Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может превратиться в нейтронную звезду, обладающую сверхплотностью. Нейтронные звезды называют пульсарами, т.к. для них характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов.

В случае, когда конечная масса белого карлика в 2-3 раза больше массы Солнца, то гравитационное сжатие приводит к образованию черной дыры, поле тяготения которой настолько мощно, что из черной дыры ничто - ни излучение, ни частицы - не может вылететь. Границу пространства, за которую не может вырваться свет, называют горизонтом черной дыры. Черная дыра имеет возможность гравитационного захвата других космических тел.

Итак, основная часть излучающего свет вещества находится в звездах, которые вместе с космической пылью, газом и другими объектами образуют огромные скопления - галактики.

Галактики - гигантские (до сотен миллиардов звезд) звездные системы. Галактики подразделяются на эллиптические, спиральные и неправильной формы. Выделяют еще компактные галактики разных видов. Ближайшая к Солнечной системе галактика - Магеллановы облака и туманность Андромеды. Галактики распределены неравномерно, они образуют скопления с плотностью до 810 тысяч галактик в одном Мпк³. Расстояния между скоплениями Галактик увеличиваются в связи с расширением Метагалактики. Метагалактика - часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследования. Она содержит несколько миллиардов галактик.

Наша галактика (система Млечного Пути) - спиральная галактика: звездная система, к которой принадлежит Солнце, содержит не менее 100 миллиардов звезд (общей массой» 10¹¹ масс Солнца). В нее входят: межзвездное вещество (газ, пыль), космические лучи, магнитные поля, излучения (фотоны). Большинство звезд занимает объем линзообразной формы, поперечником около 30 тыс. пк, концентрируясь к плоскости симметрии этого объема (галактической плоскости) и к центру.

Меньшая часть звезд занимает почти сферический объем радиусом около 15 тыс. пк, концентрируясь к центру (ядро) галактики, который находится от Земли в направлении созвездия Стрельца. Солнце расположено вблизи галактической плоскости на расстоянии около 10 тыс. пк от центра галактики.

Квазары (квазизвездный источник радиоизлучения) - космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие значительное красное смещение линий в спектре, что указывает на их огромную удаленность от Солнечной системы, достигающую несколько тысяч Мпк. Квазары излучают в десятки раз больше энергии, чем самая мощная галактика. Источник их энергии точно не известен.

Эволюция Вселенной. Современные космологические модели.

В классической науке господствовала теория стационарной Вселенной: она всегда была почти такой же, как сейчас. Современные космологические модели Вселенной базируются на общей теории относительности Эйнштейна, в соответствии с которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной, свойства которой обусловлены, прежде всего, средней плотностью материи.

Современная космология строит модели Вселенной, исходя из уравнения тяготения из общей теории относительности Эйнштейна. Оно имеет много решений. Первую модель разработал сам Эйнштейн в 1917 г. Эта модель имеет стационарный характер: Вселенная стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. В 1922 г. российский математик и геофизик А.А. Фридман дал свое решение уравнения общей теории относительности Эйнштейна, имеющее три варианта. В случае, когда средняя плотность вещества и излучения равна критической величине, то мировое пространство является евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если же средняя плотность меньше критической, то пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, в-третьих, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение Вселенной на определенном этапе сменяется сжатием и продолжается вплоть до точечного, сингулярного состояния.

Как показывают объективные данные, плотность Вселенной меньше критической, то есть более вероятна модель второго типа с временем Лобачевского и бесконечным расширением. Расширение Вселенной считается установленным фактом в результате обнаружения эффекта Доплера, красного смещения - смещения линий в спектре источника излучения в сторону красной части спектра по сравнению с линиями эталонных спектров. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником увеличивается (эффект Доплера).

В 1929 г. Э.П. Хаббл обнаружил, что все галактики движутся от нас со скоростью, возрастающей пропорционально расстоянию, что также убедительно свидетельствует о расширении Вселенной.

Модель " горячей" Вселенной или " Большого Взрыва"

В соответствии с этой моделью Вселенная возникла спонтанно, в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояния сингулярности). По мере расширения температура Вселенной снижалась от очень большой до низкой, при которой возникли условия для образования звезд и галактик. В течение 1 млн. лет температура была больше нескольких тысяч градусов, при которых не могут образоваться атомы. И космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированного водорода и гелия. И только когда температура Вселенной снизилась до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Эта модель горячей Вселенной экспериментально подтвердилась в результате открытия в 1965 г. реликтового излучения - микроволнового фонового излучения с температурой 3 К.

Большой Взрыв: инфляционная модель

На вопрос о причинах Большого Взрыва предлагает ответ гипотеза инфляционной Вселенной, в основе которой, представление о наличии сил космического отталкивания гигантской величины, способных не только компенсировать гравитационное притяжение, но и разорвать начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся и по настоящее время.

В соответствии с этой моделью начальное состояние Вселенной было вакуумным. Физический вакуум - это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения. Вместе с тем вакуум отличается активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют " ложным вакуумом", который может создавать огромную силу космического отталкивания. Именно эта сила вызвала стремительное раздувание " пузырей пространства" (зародышей одной или нескольких Вселенных), в которых концентрировались огромные запасы энергии. Этот тип раздувания Вселенной назвали инфляцией (от латинского inflatio - вздутие, раздувание). Быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. По существу, это и есть Большой Взрыв.

Фаза инфляции ограничена во времени. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. При завершении распада отталкивание исчезает, прекращается инфляция, и Вселенная попадает во власть обычного гравитационного притяжения. Это происходит в 10^-34 с. Но под воздействием первоначального импульса, полученного в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, хотя и постепенно замедляется. В начале фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но в конце фазы огромные запасы энергии в исходном физическом вакууме высвободились в виде излучения, которое моментально нагрело Вселенную до температуры 10²⁷ К и энергии 10¹⁴ ГэВ. Отсюда начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникло вещество и антивещество, затем в процессе остывания Вселенной имели место фазовые периоды, при которых постепенно возникают все ее наблюдаемые элементы.

Инфляционная модель разработана пока только частично, но она дает удовлетворительное объяснение фундаментальных космологических закономерностей.

Этапы космической эволюции:

Антропный принцип в космологии

Суть антропного принципа - единство человека и космоса. Этот принцип, включает два факта: во-первых, сама возможность существования человека обеспечивается характером объективных законов универсума и зависит от значений фундаментальных физических постоянных (гравитационная постоянная, постоянная Планка, электрическая, магнитные постоянные, постоянная Больцмана и др.).

Во-вторых, человек как существо, способное к пониманию, занимает особое место во Вселенной наряду с другими разумными существами, если таковые имеются. Таким образом, человек - существо космическое, человек познает мир доступным ему способом, человек как познающее существо на данный момент не имеет альтернативы в космосе, хотя возможность такой альтернативы не исключена.

Выделяют слабый и сильный антропный принцип. Слабый антропный принцип: то, что человек может наблюдать ограничено условиями его существования. Сильный: Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на определенном этапе развития было возможным существование наблюдателя - разумного существа - человека.

Для космологии присущ критерий подтверждаемости, а не долженствования; космология отражает то, что есть существует. Поэтому не Вселенная должна подстраиваться, чтобы создать условия для бытия человека, а человек, сама жизнь становятся возможными лишь в соответствии с объективно возникшими в процессе эволюции Вселенной условиями.

Как познающий субъект человек, его познавательные возможности ограничены условиями его бытия. Однако экспериментальные данные, будучи подвергнутыми логическому, теоретическому осмыслению, дают возможность познать и то, что недоступно чувственному восприятию. И можно сделать вывод, что во Вселенной нет принципиально непознаваемых явлений, процессов, не доступных прогрессирующему научному познанию, в космологическом знании нет альтернативы науке.

Литература.

1. Вайнберг С. Первые три минуты. М., 1981.

2. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемая бесконечность. М., 1984.

3. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М., 1988.

4. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990.

5. Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. М., 1968.

6. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.

7. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 1975.

8. Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М., 1975.