Тема №5: Происхождение и эволюция Вселенной
Вопросы:
1. Суть гипотезы Г. Гамова о происхождении Вселенной: теория Большого взрыва.
2. Как происходит эволюция галактик.
3. Эволюция звезд. Что обозначает понятие «главная последовательность».
4. Особенности строения Солнечной системы. Основные типы планет.
5. Происхождение планет Солнечной системы.
Представление о развитии Вселенной закономерно привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существуют несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процессов рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты теории Большого взрыва сохранились, но они были дополнены теорией инфляции, или раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стэйнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.
В 1848 году американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что современная физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, произошедшего 15 млрд. л. тому назад. Тогда же вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то ее радиус и вовсе был равен нулю, а ее плотность была равна бесконечности. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказано о причинах появления такого состояния.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что в начальном состоянии Вселенная имела определенную плотность и размеры. Если все вещество, наблюдаемое во Вселенной, которое оценивается примерно как 1061г. сжать до плотности 1094/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскоп ее разглядеть было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и расширению Вселенной. Сегодня это объясняется гипотезой инфляционной модели
Сразу же после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10 27 К0 , которые свободно превращались друг в друга. В этом сгустке существовали только гравитационное и большое (Великое) взаимодействие. Потом Вселенная стала расширяться, ее плотность и температура стала уменьшаться.
Этапы эволюции Вселенной различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами.
Адронная эра продолжалась 10-7с. На этом этапе температура понижается до 10 13К0 . При этом появляются все четыре фундаментальных взаимодействия, прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны, важнейшими среди которых являются протоны и нейтроны. Наиболее значимым событием стало глобальное нарушение симметрии, которое произошло в первые мгновения существования нашей Вселенной. Число частиц оказалось чуть больше чем число античастиц, что сделало невозможной их аннигиляцию и привело к появлению вещественной Вселенной с галактиками, звездами и планетами.
Лептонная эра продолжалась до 1с. после начала. Температура понизилась до 10 10К0. Главными ее элементами были лептоны, которые участвовали во взаимном превращении протонов и нейтронов. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино, они перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.
Эра излучения (фотонная эра) продолжалась 1млн. лет за это время температура снизилась с 10млрд. К0 до 3000 К0. В этот период происходили очень важные процессы: первичный нуклеиносинтез – соединение протонов и нейтронов в атомные ядра. К концу этого периода вещество во Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента составляли дейтерий, литий и другие легкие элементы, после чего Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что сейчас принято называть реликтовым излучением.
Затем почти 500 тыс. лет не происходило никаких качественных изменений, шло медленное расширение и остывание Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3000К0, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться в нейтральные атомы водорода и гелия. В результате образовалась однообразная Вселенная, состоящая из трех типов почти не взаимодействующих субстанций: барионного вещества (водород, гелий и их изотопы), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотоны). Казалось, Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, что-то наподобие тепловой смерти, но этого не произошло, а произошел в ее эволюции качественный скачек.
Эволюция галактик
Спустя 1млрд. лет после Большого взрыва стали появляться галактики и звезды. К этому времени вещество уже успело охладиться, и в нем стали возникать стабильные флуктуации плотности, равномерно заполнявшие космос. В сформировавшейся материальной среде появилось и получило развитие случайное уплотнение вещества. Силы тяготения внутри таких уплотнений проявляют себя заметнее, чем за их границами. Поэтому вещество в уплотнениях начинает притормаживаться, а его плотность постепенно начинает возрастать. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращается в современные галактики, а затем и в отдельные звезды.
Первым условием появления галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной. Впервые такая мысль была высказана И. Ньютоном.
Второе условие появления галактик – наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. В средине ХХ было доказано, что в расширяющейся Вселенной участки с большей плотностью расширяются медленнее, чем Вселенная в целом.
Существует предположение, почему чаще встречаются спиральные галактики (их около 80%), чем галактики других типов (эллиптические и неправильные). Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, но в процессе эволюции за сотни миллионов лет неровности сглаживаются, и образуется эллиптическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, которая со временем будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением этому является существование галактик переходного типа.
Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактик было значительно больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их далеко разогнать друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.
Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются крайне редко.
Наша Галактика – Млечный путь – имеет форму диска с выпуклостью в центре – ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Ее толщина –
1,5 тыс. световых лет, а диаметр 100 тыс. световых лет. Возраст нашей Галактики около 15 млрд. лет.