25

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Содержание

Введение

Глава I. Измерение и изучение Вселенной

Глава II. Современные космологические модели Вселенной

Глава III. Этапы эволюции Вселенной

3.1 Расширение Вселенной

3.2 Формирование космических тел

3.3 Рождение звезды

3.4 Острова Вселенной: галактики

Заключение

Список литературы

Введение

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии, имеющей древнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое время находилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи не столько предметом познания, сколько делом веры. Даже И. Кант, пробивший серьезную брешь в религиозном толковании предмета космологии, полностью не освободился от представления об активности сверхъестественного фактора - Творца материи. В XX в. ситуация изменилась кардинально: был достигнут существенный прогресс в научном понимании природы и эволюции Вселенной как целого.

В наши дни космологические проблемы - не дело веры, а предмет научного познания. Они решаются с помощью научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура Вселенной и как она сформировалась. Конечно, понимание этих проблем пока еще далеко от своего завершения, и, несомненно, будущее приведет к новым великим переворотам в принятых сейчас взглядах на картину мироздания. Тем не менее, важно отметить, что здесь мы имеем дело именно с наукой, с рациональным знанием, а не с верованиями и религиозными убеждениями.

Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественнонаучных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Теоретико-методологический фундамент космологии составляют современные физические теории, а также философские принципы и представления. Глубинная связь космологии и физики базируется на том, что космологи в современной Вселенной ищут «следы» тех процессов, которые происходили в момент рождения Вселенной. А такими «следами» прежде всего выступают фундаментальные свойства физического мира - три пространственных измерения и одно временное; четыре фундаментальных взаимодействия; преобладание частиц над античастицами и др. Эмпирические данные, представленные главным образом внегалактической астрономией, свидетельствуют о том, что мы живем в эволюционирующей, расширяющейся, нестационарной Вселенной.

Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предположения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, предполагается, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.

Итак, цель данной работы - рассмотреть, какие модели Вселенной разработаны в современной космологии; охарактеризовать основные этапы эволюции Вселенной с точки зрения современной науки, дать общее представление о галактиках.

Глава I. Измерение и изучение Вселенной

В отличие от философских рассуждений науке требуются факты, т.е. количественные измерения. Поэтому научные знания о Вселенной определяются используемыми инструментами и единицами измерения.

Поскольку единственной постоянной величиной во вселенной согласно теории относительности является скорость света, для измерения Вселенной используют две основные единицы:

· световой год - расстояние, которое проходит свет в течение земного года (при скорости света 300000 км в секунду это расстояние составит 9460 млрд. км);

· парсек - (параллакс в секунду) равен 3026 светового года, или 3,09 ·10¹³ км.

Ближайшие звезды - Проксима Центавра, альфа - Центавра А и В, Бернарда - расположены на удалении от 1032 до 1,81 парсек от Земли, поэтому полет к ним со скоростью света занял бы 4-5 лет, а при существующих скоростях ракет ( 8 км в секунду) такой полет занял бы 150000 лет. Поэтому при существующих технологиях перемещения в космическом пространстве ни они к нам, ни мы к ним скоро добраться не сможем.

Огромные расстояния обусловливают единственный возможный способ изучения Вселенной, состоящий в регистрации излучений, хотя в этом случае ясно, что регистрируемый в данный момент времени на Земле сигнал является характеристикой процесса, который шел на источнике излучений несколько лет или десятков и даже сотен лет назад.

В настоящее время ученые научились фиксировать следующие типы излучений:

1) Свет (излучения в оптическом диапазоне, воспринимаемые глазом человека), длина волны около 10^-10 м;

2) Длинноволновое:

· инфракрасное излучение с длиной волны от 10^-6 м до 1м сантиметра;

· микроволновое излучение (от 1 сантиметра до 1 метра);

· радиоволны (от 1 метра и более).

3) Коротковолновое:

· ультрафиолетовое излучение;

· рентгеновское излучение;

· гамма-излучение;

· космические лучи.

Фиксация излучений осуществляется с помощью различных типов телескопов, наиболее распространенными из которых являются оптические телескопы. Поэтому вселенная до 30-х годов XX в. была исследована лишь в оптическом диапазоне излучений.

В 1932 г. молодой радиоинженер Карл Янский, работавший в компании «Белл телефон» и занимавшийся конструированием межконтинентальных радиотелефонных систем, обнаружил постоянный внеземной источник радиопомех. Оказалось, что он совпадает с наиболее яркими областями полосы Млечного пути. Позже Грот Рибер построил первый радиотелескоп и составил радиокарту неба. Так началась радиоастрономия.

Еще позже были изобретены инфракрасные телескопы, регистрировавшие инфракрасное излучение. Благодаря установке особой аппаратуры на ракеты и спутники Земли оказалось возможным зафиксировать ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения космоса.

Последний вид излучения (космические лучи) представляет собой элементарные частицы (электроны, протоны, ядра углерода, железа), которые движутся так быстро, что проникают через любые тела, включая Землю в целом. Зафиксировать их можно по следам, оставляемым в специальных ловушках (например, пластинках с ядерной эмульсией).

Изучение излучений привело к открытию таких экзотических космических объектов, как квазары, пульсары, мазары и т.д. Оказалось возможным изучать химический состав космических объектов, скорость и направления их перемещения.

Одним из наиболее интересных открытий стало открытие красного смещения, т.е. смещения спектральных линий объекта в красную часть спектра (где длина волн больше, чем в синей части). Это свидетельствует о том, что наблюдаемый объект удаляется от наблюдателя. Поскольку все наблюдаемые объекты имеют красное смещение, астрономы делают вывод об их удалении от Земли и приходят к теории большого взрыва («разбегающейся») Вселенной как единственному способу разумного объяснения феномена красного смещения.

Глава II. Современные космологические модели Вселенной

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты Мостепаненко А. М. Методологические и философские проблемы современной физики. - Л., 1997.:

· Вселенная - это всесуществующая, «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

· Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

· Пространство и время метрически бесконечны.

· Пространство и время однородны и изотропны.

· Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.

Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникла некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Сеттеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. российский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имею большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Сеттер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.

В 1929 году американский астроном Э. Хаббл опубликовал статью "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей", в которой пришел к выводу: "Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость" (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла). Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного физического эффекта - красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Допплера, в спектрах галактик.

Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной. В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается. Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации.

Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии - модели "горячей Вселенной". В этой модели основное внимание переносится на состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным. С построением моделей "горячей Вселенной" в космологии наряду с законами тяготения активно применяются законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика. Модель горячей Вселенной получила эмпирическое подтверждение в 1965 году в открытии реликтового излучения американскими учеными Пензиасом и Уилсоном. Реликтовое излучение - одна из составляющих общего фона космического электромагнитного излучения. Реликтовое излучение равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно черного тела при температуре около 3К. Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось - кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К.

Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим взрывом.

Глава III. Этапы эволюции Вселенной

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюции от первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд. лет.

3.1 Расширение Вселенной

Современная космология рисует картину Вселенной вблизи сингулярности. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц. Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение ее физических параметров в процессе расширения. Из этих уравнений следует, что начальные высокие плотность и температура быстро падали. Общие законы физики надежно проверены при ядерных плотностях, а такую плотность Вселенная имеет спустя 10^-4с от начала расширения. Следовательно, с этого времени от состояния сингулярности физические свойства эволюционирующей Вселенной вполне поддаются изучению (в ряде случаев эту границу отодвигают непосредственно к сингулярности). В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая завершилась уже к моменту t около 10^-36 с. Эту стадию расширения Вселенной назвали инфляционной. На этой стадии, когда температура была невероятно высока (больше 10²⁸ К), Вселенная расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной. До момента рекомбинации, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в эпоху, предшествующую рекомбинации. На сегодняшний день это можно сделать с помощью теоретических моделей. Вначале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии фотонов хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц. При температуре 10¹³ К во Вселенной рождались и гибли (аннигилировали) пары различных частиц и их античастиц.

При понижении температуры до 5х10¹² К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те из них, для которых "не хватило" античастиц. Фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы. Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих "избыточных" протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной. При температуре 2х10¹⁰ К с веществом перестали взаимодействовать нейтрино - от этого момента должен был остаться "реликтовый фон нейтрино", обнаружить который, возможно, удастся в будущем. Спустя несколько секунд после начала расширения Вселенной началась эпоха, когда образовались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия - эпоха первичного нуклеосинтеза.

Продолжалась эта эпоха приблизительно 3 минуты. Ее результатом в основном стало образование ядер гелия. Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества. Определение химического состава (особенно содержание гелия, дейтерия и лития) самых старых звезд и межзвездной среды молодых галактик является одним из способов проверки выводов теории горячей Вселенной. После эпохи нуклеосинтеза (t около 3 мин.) и до эпохи рекомбинации (t около 10⁶ лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной.

3.2 Формирование космических тел

Сразу после рекомбинации еще не было никаких массивных тел, космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т.д.) кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные "облака", из которых сформировались галактики. От рекомбинации до появления первых галактик и звезд прошли сотни миллионов лет. Нарастание возмущений (малых отклонений от среднего значения) плотности и скорости вещества в первоначально однородной среде под действием гравитационных сил называется гравитационной неустойчивостью. Она рассматривается обычно как причина образования галактик и их скоплений. Процесс формирования космических тел из разряженной газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил называется гравитационной конденсацией. Она лежит в основе процесса формирования галактик, звезд.

Космогония - раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие планет и Солнечной системы в целом, звезд, галактик и т.д. Наиболее развиты планетная космогония и звездная космогония. Все межзвездное пространство заполнено веществом (оно было открыто сразу после изобретения телескопа). По современным представлениям, основным компонентом межзвездной среды является газ, состоящий из атомов и молекул. Он перемешан с пылью, на долю которой приходится около 1% массы межзвездного вещества. Это вещество пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц - космическими лучами - и электромагнитным излучением. Межзвездная среда оказалась немного намагниченной. Оптические телескопы не дают полного представления о межзвездной среде: с их помощью видны лишь горячие облака, нагретые массивными звездами, или маленькие темные глобулы. На самом деле и те, и другие - довольно редкие образования. Только созданные в 50-е годы радиотелескопы позволили обнаружить атомарный водород, заполняющий почти все пространство между звездами. Межзвездный газ более чем на 67% (по массе) состоит из водорода, на 28% из гелия и менее 5% приходится на все остальные элементы, самые обильные среди которых - кислород, углерод и азот. Начавшиеся в 1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с ракет и спутников позволили открыть главную молекулу межзвездной среды - водород. А при наблюдении межзвездного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены десятки других молекул, содержащих до 13 атомов. В их числе молекулы воды, аммиака, формальдегида, этилового спирта и даже аминокислоты глицина. Около половины межзвездного газа содержится в молекулярных облаках. Их плотность в сотни раз больше, чем у облаков атомарного водорода, а температура всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Именно при таких условиях возникают неустойчивые к гравитационному сжатию отдельные уплотнения в молекулярном облаке массой порядка массы Солнца и становится возможным формирование звезд.

3.3 Рождение звезды

Когда плотность молекулярного облака (или отдельной его части) становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо коллапсировать. Коллапс плотной части облака в звезду, а чаще в группу звезд, продолжается несколько миллионов лет (сравнительно быстро по космическим масштабам). Плотный фрагмент молекулярного облака, в котором еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций, т.е. превращения облака в звезду, называется в звездной космогонии протозвездой. Протозвезда (от греч. "протос" - первый) - это космический объект, который уже не облако, но еще и не звезда. Когда температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции, сжатие прекращается, и протозвезда становится звездой.

В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около 5 масс Солнца. Молекулярные облака - это "фабрики по производству звезд". Диапазон масс только что произведенных звезд простирается от сотых долей до сотни масс Солнца, причем маленькие звезды образуются значительно чаще, чем крупные. Примерно половина звезд образуются одиночными; остальные образуют двойные, тройные и более сложные системы (чем больше компонентов, тем реже встречаются такие системы). Известны звезды, содержащие до 7 компонентов, более сложные пока не обнаружены. Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах темных облаков, поэтому данных процесс практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики исследуют рождение звезды теоретически, применяя методы компьютерного моделирования. Астрономы не могут наблюдать жизнь одной звезды от начала до конца, потому что даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет - дольше жизни всего человечества. Изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд, т.е. звездную эволюцию, астрономы изучают на основе сопоставления характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции.

Физические закономерности, связывающие наблюдаемые характеристики звезд, отражаются на диаграмме цвет-светимость - диаграмме Герцшпрунга - Ресселла, на которой звезды образуют отдельные группировки - последовательности: главную последовательность звезд, последовательности сверхгигантов, ярких и слабых гигантов, субгигантов, субкарликов и белых карликов. Большую часть своей жизни любая звезда находится на так называемой главной последовательности диаграммы цвет-светимость. Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Главная последовательность включает в себя около 90% всех наблюдаемых звезд. Срок жизни звезды и то, во что она превращается в конце жизненного пути, полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд - всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни - около 15 млрд. лет. После того как звезда исчерпает свои источники энергии она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд. Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний:

ь белые карлики,

ь нейтронные звезды,

ь черные дыры.

Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Если масса превышает критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается - образуется нейтронная звезда. Если же масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет черная дыра. Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чандрасекара, равны примерно 1,4 массы Солнца. Солнце в будущем - это белый карлик. Грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, которое запечатлено во многих исторических летописях разных народов - это вспышка сверхновой звезды, которую иногда было видно даже днем. Установлено, что в среднем в каждой галактике вспышка сверхновой происходит раз в несколько десятилетий. В максимуме своего блеска она может быть столь же яркой, как остальные сотни миллиардов звезд галактики вместе взятые. Как впервые предположили в 30-е годы XX века Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная нейтронная звезда. Эта гипотеза подтвердилась после открытия в 60-х годах пульсара - быстровращающейся нейтронной звезды в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца; он возник на месте вспышки сверхновой 1054 года.

Нейтронная звезда - это конечное состояние эволюции звезд массой более десяти солнечных. Она представляет собой очень экзотический космический объект. Ее радиус - всего 10-20 км, а масса в 1,5-2 раза больше солнечной. Максимально возможная масса нейтронной звезды носит название предела Оппенгеймера-Волкова, который в любом случае не больше трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это предельное значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра. Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров. Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела. Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

3.4 Острова Вселенной: галактики

Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, так и названные туманностями, видимые в разных созвездиях неизменно в одних и тех же местах. С помощью сильных телескопов В. Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого века было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Но долго оставалось загадкой, что представляют собой эти туманности. Только в 20-е гг. XX в. с помощью крупнейших в то время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что туманности - это не облака пыли, светящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы, в которых звезд несравненно больше, чем в близких к Солнцу шаровых скоплениях. Галактики - это гигантские звездные системы (примерно до 10¹³ звезд).

Наша Галактика - звездная система, в которую погружена Солнечная система, называется Млечный Путь. Млечный Путь - грандиозное скопление звезд, видимое на небе как светлая туманная полоса. На древнегреческом языке слово "глактикос" означает "молочный", "млечный", поэтому Млечный Путь и похожие на него звездные системы называют галактиками. В нашей Галактике - Млечном Пути - более 200 млрд. звезд самой разной светимости и цвета. Окрестности Солнца - это объем Галактики, в котором доступными современной астрономии средствами можно наблюдать и изучать звезды разных типов. Как показывает практика, это "шар", который содержит около 1,5 тысяч звезд. Радиус этого шара - 20 парсек. В настоящее время в окрестностях Солнца исследованы все или почти все звезды за исключением совсем карликовых, излучающих очень мало света.

В непосредственных окрестностях Солнца - шаре радиусом около 5 парсек - исследованы абсолютно все звезды - их около 100.

Большинство среди них (почти две трети) - это очень слабые красные карлики с массой в 3-10 раз меньше, чем у Солнца. Звезды, похожие на Солнце, очень редки, их всего 6 %. Белых и желтоватых звезд массами от 1,5 до 2 солнечных вообще единицы. Более массивных звезд (астрономам известны звезды с массами примерно до 100 солнечных) в непосредственных окрестностях Солнца не найдено, что указывает на их большую редкость. Кроме живых звезд ученые обнаружили в этом объеме еще 7 белых карликов.

Слабый красный карлик Проксима (от лат. "ближайшая") - компонент тройной системы alpha-Центавра - сейчас считается ближайшей от Солнца звездой.

Расстояние до Проксимы - 1,31 пк, свет от нее до нас идет 4, 2 года. Будущие исследования покажут, насколько Проксима достойна своего имени и нет ли звезд, конечно более слабых, которые еще ближе к Солнцу.

Наши предки объединили все звезды в группы - созвездия.

Созвездия не являются физическими группировками звезд, связанных между собой общими свойствами. Созвездия - это участки звездного неба. Звезды в созвездиях объединены нашими предками для того, чтобы было легче ориентироваться в звездном небе, т.е. на основании случайного совпадения их положений на небе.

Все небо разделено на 88 созвездий, которые носят имена мифических героев (например, Геркулес, Персей), животных (например, Лев, Жираф), предметов (например, Весы, Лира) и др.

Скопления звезд - это их группы с общими физическими свойствами. Этим скопления отличаются от созвездий, которые являются результатом случайного совпадения положений звезд на небе.

Наблюдения в XIX веке позволили установить, что звездные скопления разделяются на шаровые скопления и рассеянные скопления. Во второй половине XX века к этим классам звездных группировок добавился еще один - ассоциации звезд. Часть из звездных группировок принадлежит нашей Галактике. Шаровые скопления звезд - старейшие объекты нашей Галактики: они образовались одновременно с ней. Расстояния до этих скоплений очень велики - тысячи парсек. Сейчас известно свыше 150 шаровых скоплений, всего же их в Галактике может быть несколько сот. Рассеянное скопление состоит из нескольких сот или тысяч звезд. Масса рассеянных скоплений невелика и их гравитационное поле не в состоянии долго противостоять разрушению скоплений. Просуществовав около миллиарда лет, они растворяются в океане Галактики. Ассоциация - это группировка молодых звезд, объединенных общим образованием. Они более разреженные, чем скопления. Многие детали строения Млечного Пути скрыты от взгляда земного наблюдателя. Однако их изучают на примере других галактик, сходных с нашей, например, туманности Андромеды (как это сделал в 40-е годы XX века немецкий астроном Вальтер Бааде). В итоге в структуре Галактики выделяют плоский линзообразный диск, погруженный в более разреженный звездное облако сферической формы - гало. В итоге Галактика имеет форму двояковыпуклой линзы, похожа на чечевичное зерно. Звезды галактического диска называются населением I типа, звезды гало - населением II типа. Одной из самых интересных областей Галактики считается ее центр, или ядро, расположенное в направлении созвездия Стрельца. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи. В самом центре Галактики предполагается существование массивного компактного объекта - черной дыры массой около миллиона масс Солнца. Одним из наиболее заметных образований в дисках галактик, подобных нашей, являются спиральные ветви (или рукава).

Метагалактика - часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований - содержит несколько миллиардов галактик - звездных систем, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звезд. Наша Галактика - Млечный Путь - также достаточно велика (в ней более 200 млрд. звезд). Самые маленькие галактики содержат звезд в миллион раз меньше. Помимо обычных звезд галактики включают в себя межзвездный газ, пыль, а также различные экзотические объекты: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Ближайшими к нам и самыми яркими на небе галактиками являются Магеллановы облака. Они относятся к самым крупным видимым на небе астрономическим объектам. Внешний вид и структура звездных систем весьма различны и в соответствии с этим галактики делятся на морфологические типы:

1) Нерегулярные галактики (молодые). Вещество находится в основном в форме газа, космической пыли. Количество звезд измеряется десятками и сотнями.

2) Спиральные (среднего возраста) - количество звезд измеряется миллионами и миллиардами, по форме напоминают шар, из которого выброшены два или четыре огромных закрученных рукава.

3) Эллиптические галактики (старые) - количество звезд измеряется триллионами, галактики напоминают по форме шар или эллипс.

Наша Галактика принадлежит к типу спиральных.

Спиральная структура в нашей Галактике очень хорошо развита.
    Галактики редко наблюдаются одиночными. Более 90% ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов, либо в скопления галактик, в которых их насчитывается многие тысячи.

В окрестностях нашей Галактики, в пределах полутора мегапарсек от нее, расположены еще около 40 галактик, которые образуют местную группу.

Скопления галактик - это самые крупные устойчивые системы во Вселенной. Существуют и более протяженные образования: цепочки из скоплений или гигантские плоские поля, усеянные галактиками и скоплениями ("стенки"), но гравитация не удерживает эти системы, и они вместе со всей Вселенной расширяются.

Заключение

Таким образом:

1. В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX. в. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

2. Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной - в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. Согласно современным представлениям такой взрыв произошел 15-17 млрд. лет назад. С тех пор вещество Вселенной, первоначально сжатое в точечном объеме с колоссальной плотностью и имевшее температуру свыше 10 млрд. градусов, разлетается подобно надувающемуся резиновому шарику, охлаждается и преобразуется в твердые частицы.

3. Через 2 млрд. лет после большого взрыва возникли квазары, которые в объеме звезды концентрировали массу галактик. Еще через 1 млрд. лет началось формирование галактик (скоплений звезд).

4. Через 5 млрд. лет после большого взрыва сформировалась галактика Млечного Пути, одной их звезд которой является Солнце. Солнце сформировалось через 8 млрд. лет после большого взрыва и существует уже 7-9 млрд. лет Земля существует уже 5 млрд. лет, первые формы жизни на Земле появились 3 млрд. лет назад.

5. Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения - микроволнового фонового излучения с температурой около 2 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22 % по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.

6. Современная астрономия теоретически и эмпирически обосновывает идею нестационарности Вселенной: мир астрономических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения, развития. Идея развития пронизывает всю современную астрономию. Эта идея носит не умозрительный характер, а воплощается в разного рода астрофизических и космологических моделях.

7. Вопрос о единственности Вселенной как объекта космологии в современной астрономии решается отнюдь не однозначно. Наряду с точкой зрения, что Вселенная как объект космологии - это наша Метагалактика в ее самых общих свойствах (причем данная точка зрения пока доминирует), существует мнение, что отождествлять Вселенную с Метагалактикой нельзя, поскольку Вселенная может состоять из множества метагалактик, множества вселенных, порождаемых виртуальной «пеной» физического вакуума, могут сосуществовать друг с другом, а тезис об уникальности Вселенной должен рассматриваться как исторически относительный, определяемый уровнем практики.

Список литературы

1. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. - М., 1981.

2. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под. ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. - М., 2007.

3. Мостепаненко А.М. Методологические и философские проблемы современной физики. - Л., 1997.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М., 2002.

5. Розенталь И.Л. Проблемы начала и конца Метагалактики. - М., 1985.

6. Скопин А.Ю. Концепции современного естествознания: Учебник. - М., 2003.