Материал: Эволюция Вселенной

Структурная самоорганизация Вселенной

Предполагается, что в расширяющейся Вселенной возникают и развиваются случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри уплотнения проявляют себя заметнее, чем вне него. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, и его плотность постепенно нарастает. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных структур во Вселенной. Согласно расчетам, из этих сгущений должны были возникать плоские образования, напоминающие блины. Сжатие водородно-гелиевой плазмы в «блины» неизбежно приводило к значительному повышению их температуры. В конечном счете, сжатие «блина» порождало его неустойчивость, и он распадался на более мелкие подсистемы, которые, возможно, стали зародышами галактик. Подсистемы, в свою очередь, достигали состояния неустойчивости и распадались на более мелкие уплотнения, ставшие зародышами звезд первого поколения. Образование разномасштабных структур во Вселенной открыло возможность для новых усложнений вещества. Важнейшим узловым моментом стало образование всей совокупности элементов таблицы Менделеева. Они появились в звездах в ходе процессов звездного нуклеосинтеза. Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвездной среде тяжелые элементы изготовлены в звездах типа красных гигантов. Желтые карлики типа нашего Солнца поддерживают свое состояние главным образом в результате термоядерной реакции, превращающей водород в гелий. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает нескольких сотен миллионов градусов, что оказывается достаточным для протекания реакций углеродного цикла - слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода, в свою очередь, может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3 - 10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа.[35]Ядро железа - самое устойчивое во всей последовательности химических элементов. Здесь проходит граница, выше которой нуклеосинтез перестает быть источником выделяющейся энергии (как это было в предыдущих реакциях) и протекание реакций с образованием еще более тяжелых ядер требует энергетических затрат. Разработана теория образования в недрах красных гигантов элементов от железа до висмута - в процессах медленного захвата нейтронов. Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно происходило в оболочках взрывающихся звезд или при прохождении сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой звезды, через гелиевую оболочку этой звезды с массой около 25 солнечных масс. Красные гиганты быстро расходуют запас гелия, у них короткий жизненный цикл порядка десятка миллионов лет. За время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10-4 -10-5 масс Солнца, а в конце существования он с взрывом сбрасывает внешнюю оболочку вместе с накопившимися в ней «шлаками» - химическими элементами, результатами деятельности циклов нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.[10]Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Так, в местах нахождения разнообразных химических элементов протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процессов - химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы - электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества ничтожно мала, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылинки, в их основе - кристаллики льда или углерода с примесью гидратов разных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака. Скопление газов вместе с пылинками формирует газопылевые облака.[10] Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, - это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, - распространенное и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью назвать конкретные пути протекания такого синтеза. В связи с этим невольно возникает вопрос, способно ли усложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря, возможна ли там жизнь? Эта тема неоднократно обыгрывалась в научно-фантастических произведениях, но современная наука не позволяет дать ни положительного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Пока мы знаем только один вариант жизни в Космосе - на Земле.

Наличие тяжелых химических элементов, а также молекул и их соединений обеспечивает также возможность образования около некоторых звезд второго поколения планетных систем типа Солнечной. В таких системах становится возможным протекание геологической и химической эволюции.[10]

Возникновение и эволюция звезд

Инфляционная и богословная теории наиболее распространены на Земле, и всегда будут сторонники той или иной теории. Я бы хотел ближе рассмотреть тему происхождения и эволюции звезд и планет. Обсудим подробнее, что представляют собой звезды - эти светящиеся точки на небосклоне - в свете современной концепции.[6]

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются между собой за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический "ком" начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса "кома" велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой - несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино - элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.[10]

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд.[10] (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.

Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. В зависимости от массы и химического состава исходного облака образовавшаяся звезда попадает на тот или иной участок, так называемой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Последняя представляет собой координатную плоскость, на вертикальной оси которой откладывается светимость звезды (т.е. количество энергии, излучаемой ей в единицу времени), а на горизонтальной - ее спектральный класс (характеризующий цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности). При этом "синие" звезды более горячие, чем "красные", а наше "желтое" Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов). Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M, при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2. На диаграмме видно, что большинство звезд располагается вдоль плавной кривой, идущей из левого верхнего угла в правый нижний. Это и есть главная последовательность. Наше Солнце также находится на ней. По мере "выгорания" водорода в центре звезды ее масса немного меняется и звезда немного смещается вправо вдоль главной последовательности. Звезды с массами порядка солнечной находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет (наше Солнце находится на ней уже около 4,5 млрд. лет). Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает "разбухать", а ее светимость увеличиваться. Звезда сходит с главной последовательности и перебирается в правый верхний угол диаграммы Герцшпрунга-Рессела, превращаясь в так называемый "красный гигант". После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза - превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки - существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются "снаружи", и их излучение "раздувает" отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она переходит в левый нижний угол диаграммы и превращается в "белый карлик". Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.[10]

Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых - катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен нам теперь как Крабовидная туманность, "медленное" распространение которой по небу мы наблюдаем в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне - эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.[10]

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки "красным гигантом" превосходит солнечную в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый "белый карлик" образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется - нейтронная звезда. Согласно этой теоретической модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью - несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары - точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности - обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.[10]

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат - "черной дырой". Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет - электромагнитный сигнал - не может ни отразиться, ни выйти "наружу". Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого "нормального" объекта, как Солнце.[10]