Тема 9. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции.

1. Научные предпосылки формирования современной картины Вселенной.

2. Современные космологические модели Вселенной. Космологические принципы.

3. Синергетическая модель возникновения материи. Этапы развития Вселенной.

4. Строение и эволюция галактик.

5. Звездная форма бытия космической материи: концепции образования, состав, строение и эволюция.

6. Планеты: концепции образования, развитие и строение.

1. Первые глобальные научные открытия были сделаны учеными не в земной области, а в области Вселенской, космической. Именно из этих астрономических знаний родилась новая картина строения Вселенной, разрушая все старые привычные представления об окружающем людей мире.

А) Картины мира античности: геоцентрическая (Аристотеля), прироцентрическая (Филолая), гео-гелиоцентрическая (Понтийского), геоцентрическая (Птолемея).

Геоцентрическая картина мира (Аристотеля): (см. тему 5).

Пироцентрическая картина мира (Филолая). Сущность: в центре мира – огонь, центр тяжести, опорная точка всего сущего. Земля не вращается вокруг своей оси. Первой от центрального огня расположена противоземля, которая придумана для того, чтобы объяснить смену дня и ночи. Люди не видят ни огня, ни противоземли, т.к. населяют противоположную часть Земли. Когда Солнце и населенная часть Земли находятся на одной и той же стороне от центрального огня, наступает день, когда на противоположной – ночь. Прогрессивные черты этой картины мира: Земля не покоится в центре мира, а занимает второстепенное положение среди небесных объектов.

Гео-гелиоцентрическая картина мира (Г. Понтийского). Сущность: два центра мира: Земля и Солнце, а все планеты расположены на своих сферах дальше. Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, вызывая, тем самым, видимое движение неба и смену дня и ночи. Мир конечен. Последняя сфера в этой картине – это сфера неподвижных звезд. Прогрессивные черты этой картины мира: Солнце помещается в центр мира; вращение Земли вокруг своей оси.

Геоцентрическая картина мира (Птолемея). Сущность: теория вторичных кругов. Основана на картине мира Аристотеля. Все планеты равномерно движутся по особым кругам – эпициклам. А центр каждого эпицикла равномерно скользит по окружности большого круга – деферента. Круговую орбиту описывает не сама планета, а ее центр, нематериальный и пустой. Центр эпицикла – это воображаемая точка. Планеты движутся вокруг пустоты благодаря божественной силе.

Б) Гелиоцентрическая картина мира Коперника + вклад Дж. Бруно, Г. Галилея, Н. Кеплера и И. Ньютона. (см. тему 5).

В) Первая космологическая модель Вселенной А. Эйнштейна (1917 г.): Вселенная стационарная, бесконечна во времени и безгранична в пространстве, без центра. Пространство безгранично, но конечно.

2. В 1922 г. рос. физик А.А. Фридман нашел ряд решений для расширяющихся Вселенных, заполненных веществом. Три модели Вселенной Фридмана и поныне служат основой для самых современных космических построений. Фридман сделал два очень простых предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют суть космологического принципа.

Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполним космологический принцип. В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинает сжиматься. Соответственно, в этом случае пространство сферическое, размеры ее конечны. Такая модель получила название «пульсирующей». Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной больше некоторой критической величины.

Во второй модели Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено как поверхность седла и бесконечное. Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной меньше некоторой критической величины и мировое пространство обладает геометрией Лобачевского.

В третьей модели Вселенная так же расширяется бесконечно, но пространство плоское и тоже бесконечное. Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине и мировое пространство оказывается евклидовым.

Общее в этих моделях: отсутствие центра, динамичность, в какой-то момент времени в прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю.

С другой стороны, амер. астроном Хабл в 1929 г., сопоставляя наблюдаемое систематическое доплеровское «покраснение» далеких галактик по мере их удаления от нас, установил, что эти галактики равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, т.е. вся наша Метагалактика (обозримая астрономическим наблюдением часть Вселенной) систематически равномерно расширяется. Напомним, что эффект Доплера – это увеличение длины волны света при движении источника этого света и наблюдателя друг относительно друга.

Получается, что у Вселенной было начало во времени?

Ответ на этот вопрос был получен в 1965 г. англ. математиком и физиком Р. Пенроузом. Он показал, что при сжатии звезды под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля, тоже самое происходит с ее объемом. Возникает сингулярность (точка, в которой теория относительности неприменима, т.к. бесконечная плотность материи и бесконечная кривизна пространства-времени) в области пространства-времени, которую образно называют «черной дырой».

И в том же 1965 г. американские ученые Пензиас и Вильсон наблюдали реликтовое излучение – поток фотонов, возникших в эпоху начала расширения Вселенной, что так же доказывало начало «жизни» Вселенной.

Для того, чтобы знать, какая из моделей Фридмана подходит для нашей Вселенной, необходимо знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Пока этими показателями наука не владеет.

3. Итак, современная синергетика допускает, что материя могла возникнуть из «ничего», т.е. из возбужденного вакуума, самопроизвольно, вследствие случайной (спонтанной) флуктуации (отклонение параметров от первоначальных) в точке сингулярности, т.е. появление виртуальных частиц и приобретение вакуумом особых свойств. Дальнейшее развитие либо возвращает систему в исходное состояние (состояние равновесия), либо удаляет от него, и система достигает точки бифуркации. Это переломная точка в развитии системы, когда возврат к начальным условиям необязателен и возможен необратимый переход в новое состояние: от виртуальных частиц к реальным. Это и есть Большой взрыв, который произошел 18-20 млр. лет назад одновременно и везде, заполнив с самого начала все пространство. Причем, каждая частица материи, возникнув, устремилась прочь от любой другой. С этого момента Вселенная начала существовать и расширяться. Но центра расширения нет, расширяется само пространство, т.е. происходит увеличение расстояния между галактиками.

Этапы развития Вселенной.

I период – эра элементарных частиц (очень ранняя, плотная и горячая). Включает три эпохи.

Эпоха андронов: время от начала Большого взрыва – 10^-23 – 10^-20 сек.; Т = 10¹⁰ – 10¹¹ К. при такой температуре вся материя существовала в виде частиц и античастиц.

Эпоха лептонов: время от начала Большого взрыва – 10^-20 – 1 сек. Из неустойчивых тяжелых частиц образовались легкие. Первые мгновения число частиц и античастиц было одинаково. С равной вероятностью шли процессы образования пары е⁺ + е^- и их аннигиляции (уничтожения) ли распад на поток фотонов. К концу первой секунды из-за остывания процессы аннигиляции начинают преобладать. Если бы число частиц и античастиц было одинаковым, то осталось бы только излучение и вещества не образовалось бы. Вероятно на 100000000 частиц было 99999999 античастиц, т.е. на одну меньше. Поэтому строительный материал остался и вещество в дальнейшем образовалось.

Эпоха радиации: время от начала Большого взрыва – 1-100 сек. В этот период фотоны по численности преобладают и вещество отступило на второй план перед эл/м излучением.

II период – эра плазмы. Время от Большого взрыва – первый млн. лет; Т = 10⁴ – 10⁶ К. В этот период идет образование ядер водорода и гелия. В таких условиях атомы ионизированы. К концу периода по мере снижения температуры материя все более преобладает над излучением. Через млн. лет температура снизилась до 3 тыс. К и возникли условия для образования атомов.

III период – эра вещества. Все остальное время. Включает три эпохи.

Атомная эпоха. В этот период происходит разделение вещества и излучения. Температура понизилась, энергия квантов уменьшилась. Образуются атомы. Вместо плазмы Вселенная заполнена водородо-гелевым облаком.

Галактическая эпоха. Ее продолжительность 10 млр. лет. В ее начале Т = 3 тыс. К.

Звездная эпоха, в которой мы живем и сейчас.

4. Галактика представляет собой гиганское скопление звезд и их систем.

Состав галактики: 1) звезды и звездные скопления (одиночные звезды с планетными системами, двойные звезды, кратные звезды, звездные скопления); 2) туманности (диффузные и планетарные); 3) космические лучи и магнитные поля, разряженный межзвездный газ и межзвездная пыль.

Многообразие галактик. Галактики отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. По внешнему виду различают: 1) эллиптические (самые изученные – пр.: гигантские, карликовые); 2) спиральные (самые многочисленные – пр.: наша Галактика, туманность Андромеды); 3) неправильные – не имеют четко выраженного центрального ядра (пр.: Большое и Малое Магеллановы облака). Из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Водород – это самый простой «кирпичик», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. И масса звезд зависит от этого: чем массивнее звезда, тем более сложные атомы в ней синтезируются.

Наша Галактика по форме спиральная и называется Млечный путь. Она состоит где-то из 120 млрд. звезд. В центре сосредоточено незначительное количество самых ярких звезд – это ядро. В ядре не только звездные скопления, но и компактные массивные уникальные объекты, газовые диски и кольца из водорода – области звездообразования. Этот центр – мощный источник энерговыделения (радио, инфракрасного, рентгеновского и гамма излучения) От ядра отходят четыре спиральные ветви. Диаметр нашей Галактики приблизительно 100 световых лет. На расстоянии где-то 30 световых лет от центра нашей Галактики расположена наша Солнечная система. Ближайшей галактической системой является галактика – туманность Андромеды. Солнечная система движется вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/сек., совершая полный оборот за 200 млн. лет. Мы вместе со всей Галактикой летим по направлению к туманности Андромеды со скоростью 40 км/сек.

Галактики наблюдаются группами. Наша Галактика, ее спутники (Магеллановы облака), несколько карликовых галактик и туманность Андромеды – всего приблизительно 20, входят в местную группу (систему или скопление) галактик. Вся местная группа галактик движется со скоростью 600 км/сек. Это скопление входит в состав еще большей системы – блинообразное местное сверхскопление, насчитывающее приблизительно 10 тыс. галактик. А всего насчитывается миллиарды галактик, которые объединяются в Метагалактику – обозримую астрономическим наблюдением часть Вселенной.

Отсюда следует, что Вселенной на всех ее уровнях присуща структурность. Гигантские сверхскопления Галактик распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ образных ячеек, которые разделены пустотами гигантского масштаба (в десятки миллионов световых лет). По своей структуре Вселенная напоминает пчелиные соты, где стенки сот – это гигантские сверхскопления галактик.

В 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары – это ядра новых галактик и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Происхождение галактик. В настоящее время известно две группы гипотез образования галактик: бюраканское и классическое направления.

Бюраканское направление (автор В.А. Амбарцумян) допускает, что эволюция космических тел идет от сверхплотного к разряженному. Звезды и галактики образуются из дозвездной, сверхплотной материи.

Классическое направление (автор Я.Б. Зельдович) допускает, что эволюция космических тел идет от разряженного к плотному состоянию.

5. На современном тапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97 % вещества в нашей Галактики сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры и с разной характеристикой движения.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд. Чем массивнее звезда, тем более сложные атомы в ней синтезируются. Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода. Очень массивные звезды производят углерод – главный «кирпичик» живого вещества.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд. Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру.

Существуют очень крупные звезды – красные гиганты, сверхгиганты, нейтронные (их масса равна массе Солнца, но радиус 10-20 км. и состоят из огромного сгустка нейтронов), переменные (меняющие свой блеск и спектр), нестационарные (молодые), звездные ассоциации пр.

Солнце – ближайшая к нам звезда – раскаленный плазменный водородо-гелиевый шар, самосветящийся; звезда 2-го поколения, желтый карлик. Радиус Солнца больше радиуса Земли в 109 раз, а масса – в 330 тыс. раз. На Солнце протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, выделяющаяся при этом энергия служит источником жизни на Земле. Возраст Солнца приблизительно 5 млр. лет.

Его структура: в центре – раскаленное ядро (Т = 15 * 10⁶ К), в котором протекают ядерные реакции; далее идет зона лучистого переноса, которая доходит до конвективной зоны или зоны переноса энергии излучением, образующей в верхних слоях фотосферу (Т = 5900 К); самая последняя – это хромосфера, на ее поверхности Т = 10⁶ К; края Солнца обрамляет ее корона. По своему составу оно на 70 % состоит из водорода, на 28 % из гелия и 2 % других элементов. Запаса водорода хватит еще не 5 млр. лет. Затем Солнце начнет расширяться до размеров красного гиганта и займет большую часть Солнечной системы, поглотив при этом Меркурий, Венеру и, вероятно, Землю. Если «захвата» Земли не произойдет, то тогда от мощного солнечного излучения засохнут моря и океаны, а температура будет доходить до 2000⁰ К. на следующей стадии произойдет сгорание гелия, что обеспечит запас энергии еще на 100 млн. лет. Затем Солнце перейдет в фазу белого карлика с относительно высокой температурой на поверхности и низкой светимостью и, окончательно погаснув, превратится в черного карлика или звездный «труп».

Процесс эволюции звезд:

обычные звезды белые карлики

зв. ассоциации переменные зв. нестационарные зв. нейтронные зв. нов. и сверхнов. зв. газ. туман.

красные гиганты «черные дыры» белые дыры

6. Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел является величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс.

Гипотезы происхождения планет. Первая гипотеза, предложенная фран. ученым Ж. Бюффоном в 1748 г. положила начало системе гипотез катастрофизма: планетная система родилась в результате катастрофического столкновения кометы с Солнцем (или со звездой – Дж.Х. Джинс).

Затем в 18 в. (1755 г. – Кант и 1796 г. – Лаплас) преложили научному миру свою космогоническую гипотезу Канта – Лапласа (см. тему 5).

В 1894 г. От. Ю. Шмидт предложил свою гипотезу, согласно которой планеты образовались и холодного газопылевого облака, вращающегося вокруг Солнца. Частицы пыли и холодных газов слипались, образуя зародыши будущих планет.

Другой вариант гипотезы предложили англ. астроном Ф. Хойл и швед. физик Х. Альфвен в 1958 г., согласно которой Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск тоже начинал разгоняться, а Солнце тормозило свое движение, передавая момент количества движения диску. Затем в диске путем фрагментации и сжатия образовались планеты.

Развитие планеты. Стадии развития Земли состоят из двух этапов: ранняя история и геологическая история.

Ранняя история (протоархейская) характеризуется медленным темпом эволюции и состоит из трех фаз: фаза аккреции (возрождения), фаза расплавления внешней сферы Земли, лунная фаза.

Фаза аккреции. В эту фазу происходит непрерывное выпадение на растущую Землю тел разных размеров, в т.ч. и крупных. Земля приобрела приблизительно 95 % своей массы, оставаясь холодной. В конце фазы произошло разогревание Земли вследствие интенсивной метеоритной бомбардировки. И внешняя зона планеты расплавилась.

Фаза расплавления внешней сферы Земли. В этот период образуется ядро, мантия и земная кора. С образованием ядра (около 3,7 млр. лет назад) начались внутренние процессы тектонического и вулканического характера. Поверхность Земли представляет собой океан теплового раскаленного расплава с прорывающимися из него газами.

Лунная фаза (4,2 – 3,8 млр. лет назад). В эту фазу происходит остывание раскаленного вещества в следствие излучения тепла в Космос. Образуется тонкий слой первичной коры из базальтов и гранитов. Земная поверхность охлаждается до 100⁰ С.

Геологическая история (от архея до современности) характеризуется быстрым темпом эволюции. После охлаждения земной поверхности до 100⁰ С парообразная вода превратилась в жидкость. Образовались водоемы и возник круговорот воды в природе. Водная атмосфера превратилась в углекислую. В атмосфере преобладают газы – восстановители: водород, аммиак, сероводород, метан, угарный газ. Появление растений привело к формированию атмосферы современного типа.

Гипотезы развития Земли образуют две группы:

• гипотезы катастроф, согласно которым развитие Земли происходит скачкообразно вследствие ряда произошедших геологических катастроф. После каждой создавался новый мир;

• гипотезы эволюции, согласно которым на Земле происходят постоянные непрерывные изменения в одном направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводят к определенным результатам.

Строение планет (для самостоятельного изучения на примере Земли из школьного курса).