Лекция 5. Эволюция Вселенной

1.Мегамир, его состав и строение.

2.Космологические модели Вселенной.

3.Антропный принцип в космологии и философии.

1. Мегамир, его состав и строение

Разнообразие и сложность материальных систем, из которых состоит наблюдаемая Вселенная, столь поразительны, что задача открытия простых законов, способных единообразно описать их, кажется безнадёжной.

В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свы­ше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Расстояние от Солнца до наиболее удаленной планеты Плутона 6 млрд. км. Различают планеты земной группы и планеты-ги­ганты. Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля, Марс — сравнительно невелики и состоят из плотного веще­ства. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмос­фер планет земной группы, четко отделенных от твердой по­верхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно пере­ходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный асте­роид — планета Церера — имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно — самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд. км — на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд. км = 10¹³ км). Счита­ется, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Сол­нечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

Основное «население» Галактики - звезды. Несмотря на то, что Млечный Путь представляется нам весьма «густой» звезд­ной системой, в действительности звезды в Галактике расположены довольно редко. Так, в окрестностях Солнца среднее расстояние между двумя ближайшими звездами приблизительно в 10 миллионов раз превосходит их собственные поперечники. Мир этих небесных тел необыкновен­но разнообразен. И хотя все звезды - раскаленные шары, подобные Солнцу, их физи­ческие характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды гиганты и сверхгиганты.

Кроме звезд-гигантов, существуют и звезды карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны карлики, которые меньше Земли и даже Луны. Вещество таких звезд отличается весьма высокой плотностью. Так, если из материала одного из наиболее плотных белых карликов можно было бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой железной гире, то на Земле подобная гиря весила бы 4 тысячи тонн.

Еще большей плотностью обладают так называемые нейтронные звезды. Попе­речник такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц — нейтронов, составляет всего около 20—30 километров, а средняя плотность вещества достигает 100 миллионов тонн в одном кубическом сантиметре. По существу, нейтронная звезда — это громадное атомное ядро.

Существование нейтронных звезд было теоретически предсказано еще в 30-х годах. Однако обнаружить их удалось только в 1967 году по необычному импульс­ному радиоизлучению. Дело в том, что нейтронные звезды очень быстро вращаются. И если такая звезда излучает радиоволны, то ее ,,радиолуч" описывает раз за разом окружности в пространстве. Каждое прохождение подобного радиолуча регистрирует­ся радиотелескопом как импульс радиоизлучения. В связи с этим нейтронные звезды подобного типа получили название пульсаров.

Звезды обладают различными поверхностными температурами — от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Срав­нительно «холодные" звезды — с температурой около 3—4 тысяч градусов — красно­ватого цвета. Наше Солнце, поверхность которого „нагрета" до 6 тысяч градусов, обладает желто-зеленым цветом. Самые горячие звезды—с температурой, превосходя­щей 10—12 тысяч градусов, — белые и голубоватые.

Один из самых грандиозных физических процессов во Вселенной — вспышки так называемых новых и сверхновых звезд. Название это не совсем удачно. В дей­ствительности звезда существует и до вспышки. Но в какой-то момент под действием бурных физических процессов такая звезда неожиданно увеличивается в объеме, „раздувается", сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет чудовищную энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав свои ресурсы, эта звезда постепенно тускнеет, а на месте вспышки остается газовая ту­манность.

Одна из таких туманностей, получившая за свою характерную форму название Крабовидной, образовалась на месте вспышки знаменитой сверхновой звезды, замеченной астрономами в 1054 году. Крабовидная туманность — мощный источник космического радиоизлучения. А это значит, что внутри нее происходят интенсивные физические процессы.

Наше Солнце — „одинокая" звезда. Она лишена подобных себе горячих спутни­ков. Но во Вселенной есть двойные, тройные и более сложные звездные системы, члены которых связаны друг с другом силами взаимного притяжения и обращаются вокруг общего центра масс. Некоторые скопления содержат десятки, сотни и тысячи звезд. А число звезд в больших шаровых скоплениях достигает даже сотен тысяч.

Межзвездное пространство тоже не пусто. Оно заполнено газовыми и пылевыми частицами, которые в некоторых местах образуют гигантские облака — туманности, светлые и темные.

Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью — около 250 километров в секунду — несется в ми­ровом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная систе­ма совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 миллионов лет.

Как же возникают и развиваются различные космические объекты? В современ­ной астрофизике существуют по этому вопросу две основные концепции. Одна из них, наиболее распространенная, — ее часто называют „классической" - исходит из того, что космические объекты образуются в результате сгущения конденсации рассеянного диффузного вещества - газа и пыли. Согласно другой концепции, разви­ваемой известным советским ученым академиком В. А. Амбарцумяном, космичес­кие объекты возникают в результате распада на части, фрагментации плотных или сверхплотных „прототел", сгустков „дозвездного" вещества. Какая из этих гипотез более справедлива — покажут будущие исследования.

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиар­дов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как дво­яковыпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. свето­вых лет, а диаметр — 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд. солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, — Магеллано­вы облака и Туманность Андромеды.

Научные исследования последних лет, в частности радиоастрономические, пока­зали, что Магеллановы облака — это своеобразные спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра. А поскольку в этой „тройной систе­ме" наша Галактика по своей массе наибольшая, то Магеллановы облака можно считать ее спутниками.

На расстоянии около 2 миллионов световых лет от нас находится хорошо извест­ная теперь многим туманность Андромеды. По своему строению она напоминает нашу Галактику, но значительно превосходит ее своими размерами. По-видимому, это одна из самых больших галактик в нашей области Вселенной. Туманность Андро­меды можно наблюдать даже в обычный бинокль, а при благоприятных условиях — и невооруженным глазом. Но то, что мы видим, лишь центральная часть туманности; действительные размеры Андромеды гораздо больше видимой части. Подобно нашей Галактике, галактика Андромеды имеет спутников — две эллиптические туманности, состоящие из огромного количества звезд.

Галактика Андромеды вместе с нашей Галактикой и другими соседними звезд­ными системами образуют так называемую Местную систему галактик. В ее состав входит 16 галактик, а поперечник ее равен 2 миллионам световых лет. Исследования показывают, что звездные острова, галактики — типичные объекты Вселенной. Астро­номам теперь известно великое множество галактик во всех участках небесной сферы.

Галактики имеют разнообразную форму и строение. Есть галактики шаровые и эллиптические, галактики в форме диска, спиралевидные, подобно нашей, наконец, галактики неправильной формы. В «наблюдаемой Вселенной», то есть в области, доступной современным средствам астрономических исследований, насчитываются миллиарды галактик. Их совокупность ученые назвали Метагалактикой.

Несколько лет назад в результате радиоастрономических наблюдений было об­наружено, что из ядра нашей Галактики происходит непрерывное истечение водорода. За год выбрасывается масса водорода, примерно в полтора раза превосходящая массу Солнца. Но наша Галактика существует около 15-17 миллиардов лет. Значит, за это время из ее ядра было выброшено 25 миллиардов солнечных масс. И есть основания предполагать, что в ту эпоху, когда наша Галактика была молода и богата энергией, этот процесс шел гораздо более бурно.

На подобную мысль наводят явления, наблюдаемые в ядрах некоторых других галактик. Так, в 1963 году американский астрофизик А. Сэндедж завершил работу по изучению движения газа в сравнительно близкой к нам галактике М-82. Ученый пришел к выводу: характер этого движения указывает на то, что приблизительно полтора миллиона лет назад из ядра галактики М-82 произошел выброс газовых масс, в миллион с лишним раз превосходящих массу Солнца. Согласно подсчетам, этот взрыв был эквивалентен взрыву термоядерного заряда с массой, равной массе 15 тысяч солнц.

Многочисленные факты такого рода не оставляют сомнений в том, что ядра га­лактик играют чрезвычайно важную роль в развитии звездных систем и их составных частей. Не исключена возможность, что они являются своеобразными центрами фор­мирования космических тел. Вероятно, здесь происходит переход материи из одной формы в другую. Но такие переходы должны сопровождаться преобразованиями ог­ромных количеств энергии. Поэтому можно предположить, что галактические ядра — могучие аккумуляторы энергии, способные выделять ее при определенных условиях. Весьма вероятно, что в этом случае мы столкнулись с еще неизвестным науке видом энергии, изучение которого в дальнейшем сможет пролить свет на скрытые пружины многих космических процессов.

В частности, активные процессы, происходящие в ядрах некоторых галактик, видимо, являются основными поставщиками энергии, обеспечивающей интенсивное радиоизлучение многих звездных островов.

Нельзя не сказать и еще об одном знаменательном открытии в космосе. В 1963 году на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границах наблюдаемой Все­ленной, были обнаружены удивительные объекты, получившие впоследствии назва­ние квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечники их составляют около нескольких световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Относительно природы квазаров было высказано немало предположений. Часть из них впоследствии отпала, часть продолжает обсуждаться. Но какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозных количеств энергии, все еще остается неясным.

В то же время значительные успехи достигнуты в решении другого вопроса: ка­кое место занимают квазары в ряду различных космических объектов? Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и ядрами некоторых галактик, проявляющими особенно высокую активность. Как уже было сказано выше, квазары - весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюда­ем. Это связано с конечной скоростью распространения света. Хотя она и составляет 300 тысяч километров в секунду, даже при такой огромной скорости для преодоле­ния космических расстояний необходимы долгие годы, десятки, сотни, миллионы и миллиарды лет. Так что, глядя на небо, мы видим космические объекты — Солнце, планеты, звезды, галактики — в прошлом. Причем различные объекты — в разном прошлом. Например, Полярную звезду — такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 миллио­на лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики же, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем расположены ближе. Следовательно, это объекты более позднего поколения, они должны были образоваться вслед за квазарами. Возникло предположение: не являются ли квазары протоядрами будущих галактик? Теми «зародышами», вокруг которых впоследствии возникают десятки и сотни миллиардов звезд, образующих звездные острова Вселенной? В пользу подобного предположения говорит весьма высокая активность ядер некоторых галактик, сходная с активностью квазаров, хотя и несколько более сла­бая по своим масштабам. Особенно бурные процессы протекают в ядрах так называ­емых сейфертовских галактик. Эти ядра имеют очень малые размеры, сравнимые с размерами квазаров, и подобно им обладают чрезвычайно мощным электромаг­нитным излучением. В них происходят движения газа со скоростями, достигающими нескольких тысяч километров в секунду. У многих сейфертовских галактик наблюдаются выбросы компактных газовых облаков с массами в десятки и сотни солнеч­ных масс. При этом выделяется колоссальная энергия.

Еще один класс галактик с активными ядрами, обладающими аномально силь­ным ультрафиолетовым излучением, был обнаружен советским астрономом Б. Е. Маркаряном. Изучение этих галактик привело к весьма интересным результатам. В част­ности, оказалось, что к их числу принадлежат звездные системы самых разных типов и размеров, более или менее равномерно распределенные по всей наблюдаемой облас­ти Вселенной. Это свидетельствует о том, что и подобные галактики, видимо, явля­ются закономерной стадией в эволюции звездных систем. Особенно важное значение имеет то обстоятельство, что значительная часть галак­тик Маркаряна проявляет явные признаки активности, и эта активность связана с их ядрами. В ряде случаев она носит ярко выраженный взрывной характер.

Все это говорит о том, что излучение квазаров и активность ядер галактик связа­ны со сходными физическими процессами. Однако вопрос о природе этих процессов все еще остается открытым. Тем не менее, одна из гипотез представляет значительный интерес. Она связана с идеей так называемых черных дыр.

Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое ве­щество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа — гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация мас­сы. И, наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость, превосходя­щую скорость света. Но так как подобных скоростей распространения физических взаимодействий в природе не существует, то черная дыра ничего не выпускает нару­жу. Из этого замкнутого образования не могут вырваться ни лучи света, ни частицы. В то же время черная дыра может втягивать в себя окружающее вещество, увеличи­вая при этом свои размеры.

Из теории следует, что образование черных дыр во Вселенной может происходить различными путями. Так, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их «жизни» или вследствие концентрации вещества в цент­ральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, высказывается предположение о том, что в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмас­сивные черные дыры, которые и являются источниками энергии, обеспечивающей активность этих космических объектов. Они способны втягивать окружающее ве­щество, при этом энергия его падения в поле черной дыры может перерабатываются в другие виды энергии.

Не так давно было сделано интересное открытие, связанное с галактикой М-87, давно привлекающей к себе внимание. На фотографии этой галактики отчетливо видна яркая струя протяженностью около 6 тысяч световых лет, выброшенная, по-видимому, из ядра и состоящая из нескольких отдельных газовых сгустков с об­щей массой около 10 миллионов солнечных масс. Данные, полученные в результате наблюдений этой галактики, позволяют пред­положить, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована колос­сальная слабосветящаяся масса, превосходящая 5 миллиардов солнечных масс. Не исключено, что это гигантская черная дыра, а может быть, какое-то иное сверхплот­ное образование еще неизвестной нам природы. Раньше «черные дыры» считались ненаблюдаемыми. Теперь же наука располагает фактами, которые достаточно убедитель­но свидетельствуют об их существовании. Они отождествляют­ся с источниками сильного рентгеновского излучения. Выска­заны предположения о существовании первичных, реликтовых «мини-черных дыр», образовавшихся на раннем этапе разви­тия Вселенной. Реликтовые черные дыры вызывают исключи­тельный интерес, поскольку в них органически объединяются микро- и макромасштабы Теоретические расчеты показыва­ют, что обладая гигантской массой 10¹⁵ г, они должны иметь микроскопический размер до 10~¹³ см.

Нет оснований абсолютизировать и понятие «черная дыра», толкование которого тоже изменяется и уточняется. Черные дыры не являются полностью замкнутыми мирами, через так называемые горловины, обладающие сильным электромагнит­ным полем, они связаны с внешним миром. Для внешнего наблюдателя они проявляются как объекты с определенными геометрическими размерами, массой, электрическим зарядом и угловым моментом. В представлениях о черных дырах много гипотетического, недостаточно проверенного. Если существо­вание астрономических, макроскопических черных дыр надеж­но установлено наблюдательными средствами, то микроскопи­ческие черные дыры остаются лишь предсказанными теорети­чески.

Долго считалось, что «черные дыры» — абсолютно погло­щающие объекты, гравитация которых удерживает даже световое излучение. Но в начале 70-х годов XX в., когда были приня­ты во внимание квантовые эффекты, выяснилось, что «чер­ные дыры» вопреки их названию должны излучать в окружаю­щее пространство потоки вещества и антивещества, электро­магнитные волны, испущенные виртуальными частицами, ко­торые сами при этом «погибают» в черной дыре. Вокруг них происходит как бы «вскипание» вакуума (особое состояние поля), а внешне это выглядит как постепенное испарение и стягивание «черной дыры».