Строение и состав Вселенной

В Солнечной системе наиболее изучены планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Строение планет имеет слоистый характер, т.е. они состоят из нескольких 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 её 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.).

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).

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 - гравитационное сжатие, которое приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры 8-10 млн К, при которой ядра водорода, т.е. 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 более 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. Белый карлик, когда его энергия исчерпывается, изменяет свой цвет: от белого к желтому, затем к красному - и наконец превращается в черного карлика, несветящегося, 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, т.е. 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, её блеск был в 4 млрд. 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, гравитационное сжатие приводит к образованию черной дыры, поле тяготения которой настолько мощно, что из черной дыры ничего - 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 звездные системы. Галактики подразделяются на эллиптические, спиральные и галактики неправильной формы. Ближайшая к Солнечной системе галактика - Магеллановы облака и туманность Андромеды. Галактики распределены неравномерно, они образуют скопления с плотностью до 810 тыс галактик в одном Мпк в 3 степени. Расстояние между скоплениями галактик увеличиваются в связи с расширением Метагалактики, которая содержит несколько миллиардов галактик.

Наша галактика (система Млечного пути) - спиральная галактика: звездная система, к которой принадлежит Солнце, содержит не менее 100 млрд. звезд