Материал: Эволюция Вселенной

Период диссипации (рассеяния) газа из зоны земных планет продолжался не более 10 млн лет. В основном газ выдувался солнечным ветром, т. е. потоками заряженных частиц (протонов и электронов), выбрасываемых с поверхности Солнца со скоростями сотни километров в секунду.

Солнечный ветер очистил от газа не только область планет земной группы, но и более отдалённые пространства планетной системы. Однако планеты-гиганты Юпитер и Сатурн уже успели вобрать в себя огромное количество вещества, подавляющую часть массы всей планетной системы.

Как же формировались планеты-гиганты? Их зародыши могли возникать двумя путями: через гравитационную неустойчивость газовых масс допланетного диска или путём нарастающего захвата газовой атмосферы на массивном ядре из планетезималей.

В первом случае масса допланетного облака должна была составлять значительную долю массы Солнца, а состав планет-гигантов должен совпадать с солнечным. Ни то ни другое не соответствует фактам. Исследования последних лет показали, что в ядрах Юпитера и Сатурна, по-видимому, присутствуют элементы тяжелее водорода и гелия, составляющие по меньшей мере 5-6% массы планеты. Это существенно больше, чем можно было бы ожидать при солнечном содержании химических элементов. Значит, более вероятен второй путь: сначала, как и у планет земной группы, образуется массивное ядро-зародыш из каменистых и ледяных планетезималей, а затем оно наращивает водородно-гелиевую оболочку.

Процесс присоединения вещества называют аккрецией. Начиная с одной-двух масс Земли, тело может не только удерживать газовую атмосферу на поверхности, но и в ускоряющемся темпе захватывать новые порции газа, если на пути его движения имеется газовая среда. Аккреция прекращается лишь тогда, когда газ полностью исчерпан. Продолжительность этого процесса намного короче, чем стадия образования ядра-зародыша. По расчётам учёных, рост ядра Юпитера длился десятки, а ядра Сатурна - сотни миллионов лет.

Пока ядро, погружённое в газ, невелико, оно присоединяет лишь небольшую атмосферу, находящуюся в равновесии. Но при некоторой критической массе (2-3 массы Земли) газ начинает в возрастающем темпе выпадать на тело, сильно увеличивая его массу. На стадии быстрой аккреции всего за несколько сот лет Юпитер вырос до массы, превышающей 50 масс Земли, поглотив газ из сферы своего гравитационного влияния. Затем скорость аккреции упала, так как газ мог поступать к планете лишь путём медленной диффузии из более широкой зоны диска. Одновременно Юпитер продолжал расти за счёт твёрдых планетезималей, а те, что не были им поглощены, могли быть отброшены его тяготением либо внутрь, в зону астероидов и зону Марса, либо прочь из Солнечной системы. Юпитер сообщал твёрдым телам скорости больше скорости освобождения: для того чтобы покинуть Солнечную систему с орбиты Юпитера, достаточно скорости всего 18 км/с, а тело, пролетающее от Юпитера на расстоянии нескольких его радиусов, разгоняется до десятков километров в секунду. Сатурн формировался аналогичным образом. Но его ядро росло не так быстро и достигло критической массы позднее. К этому времени из-за действия солнечного ветра газа осталось меньше, чем в зоне Юпитера к началу его аккреции. Вот почему по сравнению с Юпитером Сатурн содержит в несколько раз больше конденсируемого вещества и ещё сильнее отличается по составу от Солнца.

Уран и Нептун росли ещё медленнее, а газ из внешней зоны диссипировал быстрее. Когда эти планеты достигли критической массы, газа в их зонах почти не осталось. Поэтому на долю водорода и гелия приходится лишь около 10% массы Урана, Нептун же содержит их ещё меньше. Главными составляющими этих тел являются вода, метан и аммиак, а также окислы тяжёлых элементов; газы входят в планетные атмосферы.

Двухступенчатая схема образования планет-гигантов (формирование ядер из конденсированных веществ и газовая аккреция на эти ядра) подтверждается фактами. Во-первых, выяснилось, что современные массы ядер Юпитера и Сатурна, а также массы Урана и Нептуна без их атмосфер имеют близкие значения: 14-20 масс Земли, тогда как доля газов - водорода и гелия - в них закономерно уменьшается по мере удаления от Солнца. Во-вторых, существуют такие "вещественные доказательства" ранней истории планет-гигантов, как их спутники и кольца. Аккреция газа на планеты сопровождается образованием вокруг них газопылевых дисков, в которых формируются спутники.[27]

На стадии быстрой аккреции освобождалось огромное количество энергии, и верхние слои планет сильно нагревались. Максимальная температура поверхности Юпитера и Сатурна, по-видимому, составляла несколько тысяч градусов - почти как у звёзд. В диске Юпитера, где формировались его спутники, на близких расстояниях от планеты температура была выше точки конденсации водяного пара, а на более далёких - ниже. И действительно, ближние спутники Юпитера, включая Ио и Европу, состоят из каменистых веществ, а более отдалённые - Ганимед и Каллисто - наполовину из водяного льда. У Сатурна в диске температура была ниже, поэтому лёд там конденсировался на всех расстояниях (частицы колец Сатурна и все его близкие спутники - ледяные).[23]

Теория Большого взрыва

Основы теории Большого взрыва относительно просты. Если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время -- около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем.[20]

Стоит отметить, что теория Большого Взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения Вселенной (например, есть еще теория стационарной Вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены.

Хронология событий в теории Большого Взрыва

Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться.

После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики.

Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас.

Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной -- продлившиеся от 10^-43 до 10^-11 секунды после Большого взрыва, -- по прежнему являются предметом споров и обсуждений. Если учесть, что те законы физики, которые нам сейчас известны, не могли существовать в это время, то очень сложно понять, каким же образом регулировались процессы в этой ранней Вселенной. Кроме того, экспериментов с использованием тех возможных видов энергий, которые могли присутствовать в то время, до сих пор не проводилось. Как бы там ни было, многие теории о возникновении Вселенной в конечном итоге согласны с тем, что в какой-то период времени имелась отправная точка, с которой все началось.[5]

Эпоха сингулярности

Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации.

Планковская эра предположительно длилась от 0 до 10^-43 секунды и названа она так потому, что измерить ее продолжительность можно только планковским временем. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.

Приблизительно в период с 10^-43 до 10^-36 секунды во Вселенной происходил процесс столкновения состояний переходных температур. Считается, что именно в этот момент фундаментальные силы, которые управляют нынешней Вселенной, начали отделяться друг от друга. Первым шагом этого отделения явилось появление гравитационных сил, сильных и слабых ядерных взаимодействий и электромагнетизма.

В период примерно с 10^-36 до 10^-32 секунды после Большого взрыва температура Вселенной стала достаточно низкой (1028 К), что привело к разделению электромагнитных сил (сильное взаимодействие) и слабого ядерного взаимодействия (слабого взаимодействия).[5]

Эпоха инфляции

С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10^-32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.

Это началось на 10^-37 секунде, когда за фазой перехода, вызвавшей отделение сил, последовало расширение Вселенной в геометрической прогрессии. В этот же период времени Вселенная находилась в состоянии бариогенезиса, когда температура была настолько высокой, что беспорядочное движение частиц в пространстве происходило с околосветовой скоростью.[5]

В это время образуются и сразу же сталкиваясь разрушаются пары из частиц -- античастиц, что, как считается, привело к доминированию материи над антиматерией в современной Вселенной. После прекращения инфляции Вселенная состояла из кварк-глюоновой плазмы и других элементарных частиц. С этого момента Вселенная стала остывать, начала образовываться и соединяться материя.