Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Найважливіші відомості про будову і розвиток Всесвіту

Всесвіт— це найглобальніший об'єкт мегасвіту, безмежний в часі і просторі. Згідно сучасних уявлень він є величезною неосяжною сферою. Існують наукові гіпотези про «відкритий», тобто такий, що «безперервно розширюється», і про «закритий», тобто «пульсуючий», Всесвіт. Обидві гіпотези існують в декількох варіантах. Проте необхідні дуже ґрунтовні дослідження, поки та або інша з них не перетвориться на більш-менш обґрунтовану наукову теорію.

Як вважають учені, все залежить від величини середньої щільності матерії у Всесвіті, а величину цю поки що не вдалося визначити з достатньою точністю. Зате точно розрахована деяка критична величина, вище і нижче за яку Всесвіт повинен поводитися по-різному.

Якщо середня щільність матерії дорівнює цій величині або нижча за неї, то Всесвіт розширюватиметься нескінченно, причому ця середня щільність матерії у Всесвіті буде нескінченно прагнути до нуля — приблизно так само, неначебто хмарка диму стала «розпливатися» в повітрі. Якщо ж щільність матерії виявиться вищою вказаної величини, то в майбутньому розширення Всесвіту припиниться і зміниться стисненням.

Не виключено, що періоди розширення і стиснення чергуються нескінченно. В цьому випадку ми маємо «пульсуючий» Всесвіт. Не виключено також, що цикли «розширення — стиснення» відрізняються один від одного, змінюючись згідно якоїсь закономірності. В цьому випадку ми маємо «осцилюючий» Всесвіт.

Метагалактика— це частина Всесвіту, доступна вивченню астрономічними засобами. Вона складається з сотні мільярдів галактик, кожна з яких обертається навколо своєї осі і одночасно розбігаються один від одного з швидкостями від 200 до 150 000 км/с.

Галактика— це скупчення зірок в об'ємі, що має форму лінзи. Велика частина зірок концентрується в площині симетрії цього об'єму (галактичної площини), менша частина, концентрується в сферичному об'ємі (ядрі галактики). Окрім зірок до складу галактик входять міжзоряна речовина (гази, пил, астероїди, комети), електромагнітні, гравітаційні поля, космічні випромінювання. Сонячна система розташована поблизу галактичної площини нашої галактики. Для земного спостерігача зірки, що концентруються в галактичній площині, зливаються у видиму картину Чумацького шляху.

Квазари— це віддалені від нашої галактики впродовж декількох мільярдів світлових років космічні об'єкти, кожний з яких, не дивлячись на відносно невеликі розміри, по потужності випромінювання перевершує звичайну галактику. Беручи до уваги їх компактність, їх назвали «начебто зірки» (квазі-зіркові об'єкти, квазари). Поки що ученим незрозуміло, що таке квазари. Згідно з одними гіпотезами, це надгалактики, з іншими — галактики, що вибухнули, згідно з третіми, зародки майбутніх галактик. Відповіді на ці питання покликані дати подальші дослідження.

Міжзоряне середовище. Те, що між зірками існує якесь середовище, що послаблює їх світло, припустив ще в 1847 році видатний російський учений В.Я. Струве. На початку XX століття на фоні зірок був виявлений міжзоряний газ. У 30-х роках минулого століття було доведено існування міжзоряного середовища. Вивчаючи блиск зірок так званих розсіяних скупчень, учені виявили, що чим скупчення далі від Землі, тим воно здається більшим (хоча всі вони по величині повинні бути приблизно рівні). Астрономи визнали, що ефект цей створює середовище, яке поглинає світло.

Поступово з'ясувалося, що міжзоряні простори пронизуються видимими і невидимими променями, що тут існують магнітні поля, пил, газ з атомів, іонів і молекул. Хоча ця матерія міжзоряного середовища дуже розріджена, маса її величезна.

Пил і газ проявляють себе в телескопах, лише якщо їх освітлює своїм світлом зірка. Але сама зірка за пиловою завісою блідніє і червоніє, світло її послаблюється, як у Сонця, що наближається до горизонту.

Дослідження показують, що в міжзоряних просторах переважає водень. За кількістю атомів, поширених в Космосі, він у багато разів перевершує частинки всіх інших елементів, разом узятих. Проте і цей газ розріджений надзвичайно: у просторі між зірками навіть поблизу площини Галактики один атом водню припадає на два-три кубічних сантиметри простору.

Міжзоряний газ розподілений нерівномірно: місцями він збирається в порівняно щільні хмари. У нашій Галактиці основна маса газу з найбільшою концентрацією зібрана в площині її спіральних рукавів. Одна з останніх моделей розподілу міжзоряного газу зображує картину, згідно з якою сферичні хмари діаметром в декілька парсек кожна розташовані на відстані приблизно 25 парсек одна від одної (парсек — одиниця вимірювання відстаней в астрономії, яка дорівнює 3,26 світлового року). Газ при цьому знаходиться в русі.

Зовсім недавно були відкриті «невидимі» зірки. Як і всім світилам, їм властиві процеси випромінювання, але в невидимому інфрачервоному діапазоні. Детальні дослідження показали, що ці зірки оточені «коконами» — щільними газово-пиловими оболонками. Учені вважають, що самі зірки утворилися в результаті згущування розрідженої матерії, а газово-пилова оболонка — це те, що не пішло на утворення зірки.

У такій щільній і відносно холодній оболонці, що нагадує протопланетну туманність молодої Сонячної системи цілком можуть синтезуватися досить складні молекули і пилинки. На певній стадії еволюції молода зірка починає випускати інтенсивний «зоряний вітер» — потоки електрично-заряджених частинок-корпускул — який і «видуває» утворені молекули і пилинки в міжзоряний простір.

Проте найбільшими «розпилювачами» такого роду молекул і пилинок є, очевидно, не молоді, а відносно старі і «холодні» (температура їх поверхні від 2500 до 4500°С). Фахівці, які вивчають ці незвичайні небесні об'єкти, довели, що в їх атмосферах, де мало водню і багато вуглецю, утворюється графітний пил, який під тиском «зоряного вітру» потрапляє в космічний простір і розсівається в ньому. Приблизно таким же шляхом в атмосферах зірок, де кисень переважає над вуглецем, конденсуються силікатні пилинки, що також «вимітаються» в міжзоряний простір під тиском випромінювання зірки.

Вивчаючи поглинання і поляризацію світла далеких зірок міжзоряними пилинками, учені дійшли висновку, що графітні або силікатні ядра пилинок в умовах міжзоряної хмари покриваються «мантією» із замерзлих газів, перш за все — звичайного льоду.

Деякі зірки поставляють в космічний простір частинки пилу. Поверхня цих частинок здатна захоплювати атоми міжзоряного водню. Стикаючись між собою на поверхні пилинки, атоми зливаються в молекули водню, які тут же відриваються від пилинок і потрапляють в «газову фазу». Іонізація цих молекул космічними променями приводить до ланцюга іон-молекулярних реакцій, в результаті яких синтезуються все більш складні сполуки. Особливість іон-молекулярних реакцій полягає в тому, що вони енергійно протікають при наскільки завгодно низьких температурах. Так відбувається «збірка» складних молекул в умовах міжзоряної газово-пилової хмари.

Серед ста з лишком мільярдів зірок нашої Галактики є зірки, що знаходяться на самих різних стадіях еволюції. Порівнюючи їх між собою можна як би прослідкувати історію зірки від її виникнення і молодості до старості і згасання.

Згідно з найбільш поширеною в даний час серед астрономів теорією, зірки утворюються в результаті взаємного тяжіння (гравітаційного стиснення газопилових хмар). Під час стиснення відбувається перетворення гравітаційної енергії у внутрішню енергію речовини, яка поступово розігрівається. Температура в центральній зоні зірки, яка знаходиться на стадії формування, зростає. Коли вона досягає 10–15 млн. градусів, починаються термоядерні реакції перетворення водню в гелій. Ці реакції забезпечують рівноважний, стійкий стан зірки впродовж багатьох мільйонів і навіть мільярдів років — тут все залежить від маси зірки.

Чим менше маса — тим довше живе зірка. Якщо маса протозірки (тобто зірки, яка формується) дуже мала, тобто менше восьми відсотків сонячної, то у неї в процесі гравітаційного стиснення так ніколи і не досягається температура центральної зони, достатня для початку термоядерних реакції. Така протозірка ніколи не спалахне зіркою.

Якщо масу протозірки можна більш-менш порівняти з сонячною, тобто вона складає не менше восьми сотих маси Сонця, то зірка «спалахує» і може стійко світити мільйони або мільярди років. Так, зірки з масою, яка дорівнює сонячній, живуть близько десятка мільярдів років, дрібніші — десятки мільярдів років. Для порівняння: зірка, яка втричі перевершує масою Сонце, живе близько мільярда років, удесятеро — «всього лише» сотню мільйонів років.

Коли вичерпується ядерне паливо, зірка, продовжуючи втрачати енергію на випромінювання, поступово стискається. І якщо її маса не перевищує масу Сонця більш ніж в 1,2 рази, то стиснення закінчиться, коли радіус зірки складе декілька тисяч кілометрів. Іншими словами, коли наше Сонце зменшиться до розмірів однієї з своїх планет, — скажімо, до розмірів Землі. Щільність речовини при цьому може досягти величезної величини —10⁹ г/см³. Такі зірки, давно відомі астрономам, одержали назву білих карликів.

Після перетворення в білого карлика зірка остигає, майже не зменшуючи своїх розмірів. Виникає ще один відносно стійкий, рівноважний стан, так що білий карлик впродовж мільярдів років може повністю остигнути і перетворитися на чорного карлика того ж розміру, життя якого настільки ж або навіть ще більш тривале.

Якщо ж маса зірки перевищує сонячну більш ніж в 1,2 рази, то, за розрахунками, в ході стиснення щільність її речовини перевищить вказану вище критичну величину (10⁹ г/см³) і виникнуть ядерні реакції, які поглинають багато енергії. Рівність сил тяжіння і тиску порушиться, і зірка почне стрімко стискатися. В процесі цього стиснення може відбутися ядерний вибух, який дійсно неодноразово спостерігався і одержав назву спалаху «звернової» зірки. Зірка, яка при цьому вибухнула, скидає оболонку, що розсівається в навколишньому космічному просторі.

Сама ж зірка перетворюється на так звану нейтронну зірку: сили тяжіння стискають її настільки, що в центрі зірки щільність опиняється порівняною з ядерною (10¹⁴–10¹⁵ г/см³).

Астрофізики називають нейтронну зірку своєрідним атомним ядром з поперечником в десяток кілометрів. У такій зірці ядерні частинки — нуклони дуже тісно притиснуті один до одного. Якщо маса нейтронної зірки не перевершує двох сонячних, то знов наступає стан стійкої рівноваги. Він і є кінцевим станом цієї зірки, яка остигнула. Нейтронну зірку іменують «холодною», хоча в її центрі температура може досягати сотні мільйонів градусів, і навіть на поверхні — близько мільйона.

Нейтронні зірки відкрили в 1967 році, через 33 роки після теоретичного прогнозу їх існування, причому абсолютно випадково. З'ясувалося, що на поверхні нейтронних зірок, з їх сильним магнітним полем, особливо активні області, які випромінюють могутні потоки радіохвиль. Зірка обертається, і ці потоки — теж. Виходить щось ніби ліхтарика, який обертається. Спалахи слідують один за одним з дуже коротким періодом — менше секунди. Так швидко обертатися може тільки «маленька» зірка з поперечником не більше декількох десятків кілометрів. Будь-яка зірка з більшими розмірами при такій швидкості обертання буде просто розірвана на шматки відцентровими силами. Тільки у маленької нейтронної зірки таке швидке обертання не перевищує межі міцності.

Нові космічні об'єкти за їх «пульсуюче» радіовипромінювання назвали пульсари. І ось спостереження підтвердили теорію. Було доведено, що пульсари — це і є нейтронні зірки. Така «старість» не дуже крупної зірки, менше приблизно двох мас Сонця.

Масивні зірки в кінці своєї еволюції, як показують розрахунки, після вичерпання ядерного пального, стиснення і можливих процесів скидання зовнішніх оболонок, зберігають масу, що все ще перевищує критичну межу, рівну приблизно двом сонячним масам. Дія величезних сил тиску надщільної ядерної речовини не може зупинити наростаючий процес стиснення. Починається так званий гравітаційний колапс: речовина зірки нестримно прагне до центру, причому, згідно теорії відносності, за долі секунди (для спостерігача на самій зірці) або за мільярди (для «стороннього» спостерігача). При цьому сама речовина зазнає якісних змін. Кінець кінцем досягається межа, за якою і час і простір розпадаються на свої елементарні частинки — кванти. Такий принципово, якісно новий стан речовини у Всесвіті астрофізики назвали «чорною діркою».

Припускають, що масивні «чорні дірки» утворюються після «смерті» масивних зірок. Існування такої «дірки» підозрюють в центрі нашої Галактики, а також в далеких квазарах, у вибухаючих ядрах галактик.

Деякі учені висловлюють навіть припущення, що значна частина речовини нашого Всесвіту якраз і міститься в «чорних дірках». Поки що «чорні дірки» виявлені лише за непрямими ознаками. У деяких так званих подвійних зірках, тобто в «зв'язаних» одна з одною парах зірок, одним з двох компонентів, яких і є «чорна дірка». Річ у тому, що речовина одного з компонентів як би «закручується» навколо іншого і падає на поверхню останнього, утворюючи так званий «аккреційний» диск (область захоплення речовини під дією могутніх гравітаційних сил). При цьому виділяється так багато енергії, що випромінювання з диска виходить в основному у вигляді дуже енергійних рентгенівських фотонів. Ось по цьому рентгенівському випромінюванню від тісних подвійних зоряних систем учені і судять про можливість наявності в них «чорної дірки». Плануються експерименти по реєстрації гравітаційних хвиль, що йдуть від таких об'єктів.

Більшість астрономів вважають, що зірки, а також планети і малі небесні тіла утворюються в результаті взаємного тяжіння частинок газово-пилових хмар, широко розсіяних по всьому Всесвіту. З розсіяної між зірками величезної кількості газу і пилу, часто своєрідні «міжзоряні хмари», і дотепер продовжують народжуватися зірки. Учені доводять, що і зараз можна спостерігати інфрачервоне випромінювання протозірок у стадії їх остаточного формування з міжзоряних пилу і газу.

За сучасними уявленнями, зірки і планети не тільки самі народжуються з газово-пилових хмар, але і, у свою чергу, частково як би «повертаються» в газопиловий стан. Астрономи вважають, що деяка кількість пилових частинок у Всесвіті утворюється в атмосферах «холодних» зірок, звідки вони виносяться в міжзоряний простір. Дуже важливо, що зірки повертають в міжзоряне середовище не первинну речовину, а речовину, збагачену важкими елементами, які утворилися в зоряних надрах в результаті реакцій термоядерного синтезу.

На початку XIX століття на тому місці, де більше семи з половиною століть назад спалахнула яскрава зірка, що спантеличила старокитайських астрономів, їх французькі колеги виявили дивну туманність, що мала вигляд сітки газових волокон, які світяться і оточують аморфну масу, що теж світиться. Туманність назвали Крабовидною. Вона розповзалася з величезною швидкістю — тисяча кілометрів в секунду! Це дало підставу ученим дійти висновку, що близько тисячі років тому вона займала значно менший простір і була тією самою зіркою, яку виявили китайці в XI столітті в сузір'ї Тельця. Всі ці факти дозволяють говорити про те, що на небозводі декілька тисячоліть тому саме в цій точці космічного простору спалахнула зірка, і світло від неї йшло до Землі тисячоліття, поки не було побачене землянами.

Так проявляють себе вибухи зверхнових зірок, під час яких синтезуються ще важчі елементи (важчі за залізо), ніж в надрах зірок.

Сучасне природознавство пояснює виникнення Всесвіту за допомогою теорії Великого вибуху. Відповідно до цієї теорії, приблизно 15 млрд. років тому наш Всесвіт був стиснутий в грудку, в мільярди разів меншу шпилькової головки. За математичними розрахунками, її радіус практично був рівний нулю, а щільність близька до нескінченності. Такий стан отримав назву сингулярного — нескінченна щільність в точковому об'ємі. В стані сингулярності кривизна простору і часу стає нескінченною, а самі ці поняття втрачають сенс. Цей стан фізики називають «помилковим» вакуумом. Він характеризується енергією гранично високої щільності, якій відповідає гранично висока щільність речовини. У цьому стані речовини в ній можуть виникати сильні напруги і негативний тиск, рівносильний гравітаційному відштовхуванню величезної величини. Нестійкий початковий стан хаосу привів до вибуху, що породив стрибкоподібний перехід до Всесвіту, що розширюється.

Розвиток Всесвіту.Найраніший етап розвитку Всесвіту називається інфляційним. Він займає дуже малий проміжок часу — до 10^-33с після вибуху. З початком стрімкого розширення у Всесвіті виникає простір і час. Всесвіт роздувається до гігантського міхура, що перевищує на декілька порядків радіус сучасного Всесвіту. Частинки речовини в цей період повністю відсутні. До кінця фази інфляції Всесвіт був порожнім і холодним.

Після інфляції почався гарячий етап в розвитку Всесвіту. Сплеск тепла був обумовлений величезними запасами енергії, які містилися в «помилковому» вакуумі. Після розпаду вакууму його енергія виділилася у вигляді випромінювання, що розігріла Всесвіт до 10²⁷ К. При цій температурі лептони і кварки були невиразні, вільно перетворюючись один на одного. Існував єдиний тип взаємодії, в якій роль частинки-посередника виконував Х-бозон — важка частинка, що перевищує масу протона в 10¹⁴ разів.

Відділення сильної взаємодії від електрослабкоївідбулося через 10^-33 с після «початку». Х-бозон розпався на глюони і безмасовийбозон — переносник електрослабкої взаємодії. Після припинення переходів кварків в лептони, число частинок дещо перевищило число античастинок, порушивши симетрію світу. Це надалі визначило розвиток речовини Всесвіту — галактик, зірок, планет і т.д.

Розділення електрослабкої взаємодії на слабку і електромагнітну відбулося на 10^-10 с, коли температура знизилася до 10¹⁵К. Електрослабкий бозон розділився на фотон і три важкі векторні бозони. З цієї миті у Всесвіті сталі існувати всі чотири типу фундаментальних фізичних взаємодій — гравітаційна, електромагнітна, слабка і сильна.

Злиття кварків в адрони відбувається при зниженні температури до 10¹⁵К.

Ранній період розвитку Всесвіту завершується лептонно-фотонною ерою. Частинки і античастинки анігілюють, породжуючи фотони і енергію. Такий стан був через 0,01 с після початку розвитку.

Відділення нейтрино і антинейтрино від газової суміші відбулося протягом першої секунди, коли температура знизилася до 10 млрд. градусів.

З'єднання і анігіляція електронів і позитронів виникли на 14 секунді розвитку, при зниженні температури до 3 млн. градусів. Надлишок електронів компенсував позитивний заряд протонів. Частина протонів перетворилася на вільні нейтрони, визначивши їх співвідношення 8:1. Стала пропорція збереглася до теперішнього часу. Таке ж співвідношення у Всесвіті водню і гелію. Формування раннього Всесвіту завершилося через 3 хвилини 2 секунди від початку розвитку.

Нуклеосинтез, тобто з'єднання протонів і нейтронів в ядра, почався при падінні температури до мільярда градусів. Через півгодини після «початку» баріонна речовина (ядра атомів) складалася з 28 % гелію, решта — ядра водню (протони). Речовина складала лише нікчемну частину Всесвіту. Основними ж її компонентами були фотони і нейтрино.

Етап повільного охолодження продовжувався майже 500 тисяч років. Всесвіт, залишаючись однорідним, ставав все більш розрідженим. Коли температура зменшилася до 3 тисяч градусів, ядра водню (протони) і ядра атомів гелію вже могли захоплювати вільні електрони, і перетворюватися на нейтральні атоми водню і гелію. Випромінювання відокремилося від атомарної речовини і утворило реліктове випромінювання. В даний час воно збереглося у вигляді радіохвиль сантиметрового діапазону, які рівномірно поступають зі всіх точок небосхилу і не пов'язані з яким-небудь радіоджерелом.

В результаті виник однорідний Всесвіт, що є сумішшю трьох субстанцій:

- лептонів (нейтрино і антинейтрино);

- реліктового випромінювання;

- речовини (атомів водню, гелію і їх ізотопів).

За сучасними оцінками, перехід від однорідного Всесвіту до структурного зайняв від 1 до 3 млрд. років. Передбачається, що у Всесвіті, який розширюється, випадково виникають ущільнені ділянки, в яких щільність поступово зростає. Поява таких ущільнень стала початком народження у Всесвіті великомасштабних структур. Згідно розрахунків, з цих згустків повинні були виникати плоскі утворення у формі дисків, які розпадалися на дрібніші утворення, що стали зародками галактик. Зародки галактик розпадалися на дрібніші ущільнення, які утворили зародки зірок першого покоління.

Найважливішим вузловим етапом еволюції Всесвіту стало утворення всієї сукупності хімічних елементів. Вони з'явилися в зірках в ході зоряного нуклеосинтезу.

Важкі елементи утворилися в зірках типу червоних гігантів, які володіють масою, що у декілька разів перевищує сонячну. Водень в них вигоряє дуже швидко. У центрі, де зосереджений гелій, їх температура складає декількох сотень мільйонів градусів, що достатньо для протікання реакцій вуглецевого циклу — злиття ядер гелію у вуглець. Ядро вуглецю може приєднати ще одне ядро гелію і утворити ядро кисню, неону, кремнію і т.д. Вигоряюче ядро зірки стискається і температура в ньому піднімається до 3–10 млрд. градусів. У таких умовах реакції об'єднання тривають до утворення атомів заліза. Ядро заліза — найстійкіше зі всіх хімічних елементів. Протікання реакцій з утворенням важчих ядер вимагає великих енергетичних витрат. Утворення в надрах червоних гігантів елементів від заліза до вісмуту відбувається в процесі повільного захоплення нейтронів, а важчі ядра імовірно виникають при зоряних вибухах.

Червоні гіганти мають відносно короткий життєвий цикл, близько десятка мільйонів років, тому міжзоряне середовище порівняно швидко насичується хімічними елементами важчими за гелій.

Наступним найважливішим етапом у формуванні структур Всесвіту є об'єднання атомів хімічних елементів в молекули. У основі цих процесів знаходиться електромагнітна взаємодія. Процеси з'єднання атомів в молекули широко поширені у Всесвіті. У міжзоряному середовищі зустрічаються молекули водню, найдрібніші пилинки, в основі яких знаходяться кристали льоду або вуглець з домішкою різних сполук. Молекулярний водень разом з гелієм утворює газові міжзоряні хмари, а скупчення газів разом з пилинками — газово-пилові хмари.

Несподіваним відкриттям стало виявлення в космосі різноманітних органічних молекул, аж до амінокислот. В даний час в міжзоряних хмарах їх налічують більше 50 видів. Ще дивніше те, що органічні молекули знаходять в зовнішніх оболонках деяких не дуже гарячих зірок і в утвореннях, температура яких трохи відрізняється від абсолютного нуля. Таким чином, синтез молекул, зокрема органічних, достатньо поширене явище в космосі.

Після розширення Всесвіту йде фаза стиску, тобто Всесвіт – пульсуючий.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Гомеостаз вуглеводневого обміну	\|	В.І. Вернадський і вчення про ноосферу

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.