Происхождение и развитие галактики и звезд

ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ
1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ВСЕЛЕННОЙ
1.1. Возраст и состав Вселенной
1.2. Происхождение Солнечной системы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Происхождение и развитие галактики и звезд

Вселенная, расширяясь, эволюционирует, поэтому вполне возможна интерпретация этого процесса в далекое прошлое. Раз галактики удаляются друг от друга, то в прошлом они должны были практически соприкасаться, а еще раньше был лишь породивший их сгусток материи колоссальной плотности. Протекавшие тогда во Вселенной процессы были совсем не похожи на те, что мы наблюдаем теперь.
Мгновенное расширение Вселенной началось при чрезвычайно высоких температурах. Если бы это было не так и начало эволюции Вселенной было холодным (Потапов,1999), то, как показывают теоретические расчеты, «... все вещество превратилось бы в гелий. Этот вывод резко противоречит наблюдениям. Известно, что молодые звезды и межзвездный газ состоят в основном из водорода, а не из гелия. Таким образом, распространенность химических элементов в Космосе отвергает гипотезу о холодном начале расширения Вселенной». По Л.П. Грищуку и Я.Б. Зельдовичу (1986), «вещество в этом состоянии характеризуется бесконечной плотностью. Свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и гравитационного поля применимы к веществу, плотность которого меньше 1093 г/см3, а температура ниже 1032 К. Эти значения плотности и температуры носят названия «планковских» и характерны для Вселенной, имеющей возраст 10-43 с». Другим доказательством «горячего» начала Вселенной является регистрируемое в настоящее время электромагнитное «реликтовое излучение».
Сингулярне состояние охарактеризовано в работе И.Д. Новикова (1985): «Невообразимо огромны были тогда энергии частиц, силы их взаимодействия. В таких условиях проявлялись совершенно новые законы природы, кардинально менялись свойства даже пространства и времени... С другой стороны, внутри черной дыры также неизбежно возникает сингулярное состояние. Поэтому иногда черную дыру называют лабораторией, в которой в миниатюре моделируется прошлое нашей Вселенной. Внутри черной дыры удивительным образом изменяются свойства пространства и времени, закручивающихся в своеобразную воронку, а в глубине находится граница, за которой время и пространство распадаются на кванты... Внутри черной дыры, за краем этой своеобразной гравитацинной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.
Черные дыры являются самым грандиозным источником энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Они возникают также после смерти больших звезд».
Таким образом, сингулярность и черные дыры – это максимально возможные проявления гравитации и уплотнения материи; понятия, близкие по направленности развития и по изменениям состояния вещества; понятия, которые различаются только масштабом.
Многие пытливые исследователи могут задать вопрос. А что было до Большого взрыва? По В.Н. Барашенкову (1985), «новые законы, открытые в физике элементарных частиц, заставляют предполагать, что картина равномерно расширяющейся Вселенной – это только одна из многих фаз «мировой истории», причем весьма далеко отстоящая от «начала Мира», «лишь ничтожно малая остывшая частичка» этого Мира, «... привычные нам трехмерное пространство и одномерное время – только часть «сторон» Мира». «... Мир, по-видимому, обладает большим числом измерений», «... Вселенная необычайно сложна по своей структуре: многоэтажная, возможно, с переменной размерностью, взрывающаяся и плавно эволюционирующая из одной своей формы в другие...».
По современным представлениям родившаяся после невероятно больших уплотнений и разогревания «расширяющаяся горячая» Вселенная состояла из разреженного водородного газа, содержащего около 25% гелия. В результате гравитационной неустойчивости в газе образовывались локальные сгущения – газовые облака, а из них протогалактики. Среди последних около 50% имели центральные уплотнения и начинали вращаться. Такие облака дали начало наиболее распространенным спиральным галактикам, к которым принадлежит и наша Галактика. Из облаков, имевших невращающиеся уплотнения, возникали эллиптические галактики, которые сейчас составляют около 25% всего их количества. Из остальных сгущений образовывались неправильные галактики1.
Вопрос об образовании и строении галактик – следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной – едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) – область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).
Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.
Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. цветовых лет от центра галактики расположено Солнце.
Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) – «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.
А в 1963 году были открыты квазары (квазизведные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предложено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне2.
Однородные, изотропно расширяющиеся протогалактики распадались на отдельные сжимающиеся туманности, располагавшиеся в общем хаотично. Из них возникали звезды первого поколения и шаровые звездные скопления, представленные, в частности, ядром Галактики. Распад протогалактик происходил в основном в результате гравитационной неустойчивости, вызывавшейся внутренними и внешними воздействиями.
«В известной нам части Вселенной около 98-99% массы наблюдаемого вещества содержится в звездах или прошло стадию звезд» (Физика космоса, 1986). Поэтому при рассмотрении космического прошлого Вселенной, нашей галактики, Солнечной системы и планеты Земли необходим мо хотя бы кратко охарактеризовать процесс звездообразования. Наиболее вероятная схема: гравитационная конденсация (сжатия), приводящая к появлению протозвезд (глобул, планетарных туманностей, «звезд коконов» и др.) → термоядерные реакции, обусловливающие существование большинства наблюдаемых звезд → гравитационный коллапс, следствием которого являются нейтронные звезды, черные дыры → Сверхновые звезды. Намеченная схема дополняется действием вращения самой звезды и окружающего магнитного поля, влиянием близких массивных звезд-спутников, а также нейтринных и других процессов.
Звезда в обычном астрофизическом понимании представляет собою уравновешенный газовый шар, в котором гравитационное сжатие уравновешивается сопротивлением внутреннего давления, а огромный длительно генерируемый приток внутренней ядерной энергии компенсируется колоссальным ее выделением, в виде света, тепла, радиоактивного, рентгеновского и других видов излучений. Очень длительные фактически наблюдаемые эволюции звезд связаны с течением ядерных реакций, которые в основном только и контролируют возникающие со временем изменения внутреннего строения и состава звезд. Гравитационное сжатие, хотя и является составной частью звездообразования, но само по себе не может активно поддерживать звездный процесс с характерными для него очень длительными световыми и другими видами излучений.
В эволюции Вселенной многократно чередовались противоположные движения материи: аккумуляция и рассеивание материи, синтез и распад атомных ядер (Потапов, 1999).
Звезды первого поколения (возраста 18-15 млрд. лет) состояли примерно на 75% из водорода (по массе) и на 25% из гелия с ничтожной примесью дейтерия и лития. В ходе эволюции этих звезд медленно возникали и тяжелые элементы (следующие за гелием в таблице Менделеева). Медленный нуклеосинтез происходил в течение многих десятков и сотен миллионов и даже миллиардов лет, т.е. очень длительно (S-процесс).
Ядерное горение могло продолжаться до образования элементов группы железа. Постепенное исчерпание ядерного горючего и потеря внешних оболочек приводили к обнажению раскаленных (до 2 • 105 К) и чрезвычайно плотных (около 106 г/см3) ядер звезд, излучающих за счет ранее запасенной энергии. Так рождались «белые карлики» с массами, близкими к солнечной, но с радиусами примерно в 100 раз меньшими. Помимо довольно многочисленных белых открыты желтые, красные и даже черные карлики. На всех стадиях эволюции звезды вращались и теряли часть своей массы в результате истечения вещества преимущественно из экваториальной части. У относительно старого (около 5 млрд. лет), медленно вращающегося сейчас Солнца (скорость на экваторе около 2 км/с), истечение вещества («солнечный ветер») сейчас весьма мало3.
1.2. Происхождение Солнечной системы
По многочисленным объективным данным, время конденсации, консолидации, сгущения и агломерации вещества протосолнечной туманности, охватывающее образование Солнца, планет и метеоритов, оценивается интервалом 4,7-4,5 млрд. лет назад (Соботович, Семененко, 1985, Балашов, 1985, Потапов, 1999). В пределах этих 200 млн. лет можно наметить и датировать следующие основные наиболее вероятные события:
4,7-4,68 млрд. лет назад. В одной из спиральных ветвей Галактики в межзвездном облаке в результате фрагментации, сжатия и последнего энергичного нуклеосинтеза, вызванного действием взрыва близкой Сверхновой звезды, родилась протосолнечная гелиево-водородная туманность, содержащая небольшое количество твердых частиц (пылинок), тяжелых и радиоактивных элементов.
4,68-4,60 млрд. лет назад. В туманности, выведенной из равновесия, начались процессы упорядочивания движения частиц, которое постепенно становилось круговым. Туманность стала сжиматься, вращаться и принимать форму диска с наметившимися сгущениями в центре и на местах будущих наиболее крупных планет. Процессы сгущения (аккреции) сопровождались уходом основной части водорода на Протосолнце. Началась конденсация (сжижение) газов и их отвердевание (Сатурн и еще более далекие планеты, скорее всего, формировались одновременно с Протосолнцем и Юпитером). Внешние планеты возникали из относительно холодного вещества уплощенного диска протосолнечной туманности по схеме, высказанной еще Кантом в 1775 г. Они своим нынешним составом отражают первоначальное строение этой туманности. Это был первый («холодный») этап образования Солнечной системы.
4,60-4,52 млрд. лет назад. В недрах сжимающегося Протосолнца происходило весьма значительное гравитационное уплотнение и разогревание вещества, рождались тяжелые и сверхтяжелые, в т.ч. радиоактивные элементы. Быстрое вращение приводило к резкому увеличению центробежной силы в экваториальной части и вызывало интенсивное истечение утяжеленного радиоактивного вещества. Основная часть сброшенной «лишней массы» рассеялась в пространстве, но какая-то ее доля задержалась в гравитационном поле, обусловленном Протосолнцем и уже имевшимся Юпитером, образовала внутренний диск и пошла на построение планет земной группы и их спутников, астероидов и метеоритов. При формировании планет и их спутников путем гравитационного «вычерпывания» пылегазового вещества внутреннего диска в первую очередь сгущались (слипались) металлические частицы, нередки были захваты массивными планетами более мелких и их разрушения приливными воздействиями. Это был второй («горячий») этап формирования Солнечной системы из вещества, прошедшего через колоссальные температуры и давления предшествующих ядерных превращений.
В этих условиях происходила эволюция Протоземли и Протолуны, составившая 4,6 млрд. лет назад двойную планету, что было обосновано и описано О.Г. Сорохтиным и С.А. Ушаковым (1991) следующим образом. Протолуна вначале обращалась по сильно вытянутой эллиптической орбите, но приблизившись к Протоземле на 12 земных радиусов (76 440 км), попала в земной гравитационный «плен» и стала вращаться вокруг Протоземли уже по круговым орбитам, постепенно приближаясь к ней. Это вызвало разогрев Протолуны на 1700-3700 °С, ее расплавление и гравитационную дифференциацию вещества, что обусловило дополнительный разогрев на 250 °С. Дифференциация привела к выплавлению анортозитовой оболочки и образованию жидкого металлического ядра Протолуны. Ее сближение с Протоземлей продолжалось и заняло около 15 тыс. лет. Дойдя до предела Роша (2,7 земного радиуса или 17 200 км), Протолуна каждый оборот, длившийся около 6 час, входила в эту сферу приблизительно на 24-35 м, а ее форма постепенно приобретала вид эллипсоида, постоянно вытянутого в сторону Протоземли. И, наконец, приблизившись к ней на расстояние, близкое к земному радиусу, Протолуна стала быстро разрушаться, на что ушло 80-100 лет. Металл ее жидкого ядра вместе с веществом внутреннего приливного горба устремились к Протоземле, образуя перед воссоединением с ней дискообразный рой обломков и сгустков протолунного вещества. Внешний же горб и остальная часть протолунного эллипсоида, испытав инерционную отдачу, стали удаляться и постепенно приобрели шаровидную форму. Необычным тогда было наличие у Протоземли и нескольких более мелких спутников «микролун», удаленных на большие расстояния, чем «главная» Луна. Довольно мощными были лунные приливы, которые вначале имели высоту более 1,5 км и буквально потрясали первозданный ландшафт Земли. Через 1 млн. лет их амплитуда в связи с отталкиванием Луны снизилась до 130 м, через 10 млн. лет – до 45 м, через 100 млн. лет – до 15 м; 4 • 109 лет назад их высота не превышает 7 м (Потапов, 1999).