Структура Вселенной
Для Вселенной на самых разных уровнях, от микрочастиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд — звезды, из протопланетного облака — планеты.
Метагалактика представляет собой совокупность звездных систем — галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.
Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдений, показавших, что галактики сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Найдены огромные объемы пространства (порядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Пространственной моделью такой структуры может служить кусок пемзы, которая неоднородна в небольших выделенных объемах, но однородна в больших объемах. Если брать крупномасштабную структуру Галактики в целом, то в ней вещество также распределено сравнительно равномерно.
Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование ее структуры приходится на период, следующий за разъединением вещества и излучения, и оценивается в 15 млрд. лет.
Галактика — гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию. По форме галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.
Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра. Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика — Млечный путь. Неправильные галактики не обладают выраженной формой. В них отсутствует центральное ядро. Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.
В строении «правильных» галактик выделяют центральное ядро и сферическую периферию, представленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака.
Ядра галактик проявляют свою активность в разных формах: в непрерывном истечении потоков вещества; в выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс; в нетепловом радиоизлучении из околоядерной области. В ядре галактики сосредоточены самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.
Звезды. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.
В достаточно большом диапазоне значений меняется возраст звезд: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Наблюдаются также космические тела в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.
Радиусы звезд меняются в очень широких пределах: есть звезды, по своим размерам не превышающие Землю («белые карлики»); нейтронные звезды имеют радиусы в несколько десятков километров. Существуют огромные «пузыри» — сверхгиганты, внутри которых может поместиться орбита Марса (тысячи радиусов Солнца).
Массы звезд изменяются в сравнительно узких пределах. Типичные значения масс звезд лежат в диапазоне 0,03 - 60 масс Солнца. Плотность Солнца 1,4 г/см3, плотность «пузырей» — в миллионы раз меньше. Плотность «белых карликов» и нейтронных звезд — до 1012 г/см3.
Возможна классификация звезд по особенностям их спектров излучения. Спектральная классификация содержит семь классов, обозначаемых буквами О, В, A, F, G, К, М — от самых горячих звезд к самым холодным. (Мнемонические правила: Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь; О, Be A Fine Girl, Kiss Me.) Каждый класс разбивается на 10 подклассов — ВО, В1, В2 ... В9. Солнце — звезда класса G2 (см. табл.).
Таблица 3
Звездные спектры и температура звезды
Класс |
Температура, К |
Класс |
Температура, К |
О |
50000 |
G2 (Солнце) |
5800 |
ВО |
25000 |
КО |
5100 |
АО |
11000 |
МО |
3600 |
FO |
7600 |
R и N (очень холодные) |
2000 |
GO |
6000 |
Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы (так называемые кратные системы) состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи.
Звезды объединены также в еще большие группы — звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления насчитывают несколько сотен звезд, шаровые скопления — многие сотни тысяч. Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.
Как мы показали, эволюция Вселенной охватывает две стадии: микро- и макроэволюцию. Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул, а тем самым обеспечила условия для развертывания макроэволюции, поскольку именно воздействие гравитационных сил привело к образованию звезд, галактик и других космических объектов и систем. В свою очередь гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд, ядер галактик и их скоплений. Следовательно, микро- и макроэволюция взаимно обуславливали и дополняли друг друга. Тем самым наглядно проявляется единство микро-, макро- и мегамира.
Вероятная картина эволюции звезды. Вследствие случайного возрастания плотности из рассеянного во Вселенной диффузного вещества формируется богатое водородом газопылевое облако. Под влиянием сил гравитационного взаимодействия оно уплотняется, образуя газовый шар. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам — плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд.
Когда за счет гравитационных сил газовый шар сжимается, плотность возрастает. Вещество теряет прозрачность, но остается газом. Но растет и давление внутри шара, противодействующее силам гравитации. В дальнейшем протозвезда под действием гравитационных сил продолжает сжиматься. Ее размеры уменьшаются, поверхностная температура растет. В этот период температура и плотность недр звезды становятся достаточными для начала термоядерной реакции. Давление и температура внутри звезды возрастают, гравитационные силы и силы внутреннего давления становятся равными, газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой. Если масса протозвезды больше массы Солнца, для этого нужно несколько миллионов лет, если меньше — несколько сотен миллионов лет.
Перестав сжиматься, звезда в течение значительного времени излучает энергию. Ее излучение поддерживают термоядерные реакции в центральных областях, а размер — взаимное противодействие гравитационных сил и сил внутреннего давления.
«Выгорание», водорода в гелий при термоядерной реакции происходит в центральных областях звезды, в условиях высоких температур и давлений, в соответствии с уравнением
4 1Н → 4Не + 2 ν + 2 е+ + 26 МэВ
При такой термоядерной реакции из 4 ядер водорода образуется одно ядро гелия, два нейтрино ν и два позитрона е+. И, что самое важное для нас, выделяется энергия 26 МэВ (миллионов электрон-вольт).
Так как количество водорода в центральных областях звезды ограничено, рано или поздно (в зависимости от массы звезды) он практически весь «выгорит». При этом процессе масса и радиус центральной области звезды уменьшаются, и звезда изменяет спектр и светимость.
Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее центральных областях «выгорит»? Температура в центральных областях уменьшается. Уменьшается и давление ионизированного газа, противодействующее силам гравитационного сжатия. Звезда сжимается, давление в ее центре растет, температура центральных областей увеличивается. При этом в центральной области звезды будет уже не только водород, но и гелий (в который превратился водород при термоядерной реакции). Термоядерная реакция будет протекать на периферии ядра, в области, достаточно насыщенной водородом. При этом размеры звезды и ее светимость начнут расти. Звезда переходит в область «красных гигантов»: при сжатии ядра ее оболочка раздувается, и, несмотря на рост температуры, светимость звезды падает. Таким образом, звезда является саморегулируемой системой. Солнце перейдет в разряд «красных гигантов» примерно через 8 миллиардов лет.
После того, как вследствие термоядерной реакции температура ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. К, а его плотность будет достаточно велика, в ядре начнется новая термоядерная реакция:
3 4Не → 12С + 2 γ + 7,3 МэВ (γ – фотон)
Далее возможны реакции
12С + 4Не → 16О + γ,
16О + 4Не → 20Ne + γ.
Что произойдет, когда выгорит весь гелий?
Звезды с массами до 1,4 масс Солнца «сбрасывают» наружную разреженную оболочку (см. рис.), оболочка рассеивается и остается небольшая, очень горячая и плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в «белого карлика» (белый – очень горячий). «Белые карлики» как бы «вызревают» в недрах «красных гигантов». Они излучают все меньше и меньше энергии, светимость падает, гравитационные силы сжимают вещество. «Белые карлики» постепенно переходят в разряд «черных» карликов – холодных звезд огромной плотности и небольшого размера (порядка земного при массе порядка солнечной). Этот процесс длится сотни миллионов лет.
Рис. Иллюстрация эволюции звезды в зависимости от ее начальной массы
Финал жизни звезд, массы которых превышают солнечную, может быть иным. Некоторые звезды на определенном этапе своей эволюции взрываются. В этих случаях говорят о вспышке «сверхновой». Существует несколько гипотез о причине взрывов звезд, наблюдаемых как «сверхновые». Возможный вариант — катастрофически быстрое выделение потенциальной энергии гравитационных сил при резком сокращении размеров ядра.
Звезды, у которых масса составляет от 1,4 до 2,5 масс Солнца, не могут перейти в устойчивое состояние «белого карлика». После сброса оболочки они катастрофически быстро сжимаются до размеров порядка 10 км. Теоретические расчеты показывают, что такие звезды состоят из вещества плотностью до 1015 г/см3. Это уже «плотно упакованные» нейтроны, образующие нейтронные звезды. Считается, что обнаруженные в 1967 г. пульсары – не что иное, как нейтронные звезды.
Если масса звезды превышает некоторый предел (по разным оценкам от 2,5 до 10 масс Солнца), то при «выгорании» всего водорода давление газа в ядре не может уравновесить гравитационные силы. Звезда начнет сжиматься с огромной скоростью и может превратиться в сверхплотную точку, будет раздавлена своей собственной массой. Произойдет гравитационный коллапс. Почему?
Вторая космическая скорость – это скорость, которую должно иметь тело, чтобы покинуть поверхность планеты или звезды и выйти на параболическую траекторию. Для Земли вторая космическая скорость — 11,18 км/с. Для Солнца — 700 км/с. Если наше Солнце сожмется до радиуса 3 км, то вторая космическая скорость станет равной скорости света — 300 000 км/с. Тут вступают в действие законы общей теории относительности. Замедляется течение времени, из такого объекта не может выйти никаких излучений и частиц. Этот объект для внешнего мира будет заметен только по очень сильному гравитационному полю. Такой объект называют черной дырой.
Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К концу ХХ в. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца.
Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.
О механизме образования планет в Солнечной системе нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце — звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово-пылевых облаках.
Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно гипотезе Канта – Лапласа система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.
Английский физик и астрофизик Дж. X. Джинс предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.
Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. В соответствии с этой идеей, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях — как раз там, где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты.
Во всех существующих теориях происхождения планет имеются противоречия и неясные места.
Более подробная характеристика Земли как планеты Солнечной системы будет дана в последующих лекциях.