Раздел 3. Структурные уровни организации материи: микро-, макро- и мегАмир

Мир в котором мы живем сегодня, спустя почти 13,7 млрд. лет после рождения Вселенной, велик и многообразен. Его пространственные и временные масштабы трудно даже вообразить. На сегодняшний день наука, конечно, с помощью приборов, уже смогла «рассмотреть» объекты, размеры которых находятся в интервале от (ядро атома водорода) до (наблюдаемая часть Вселенной), а также оперирует временными интервалами от (длительность обменного взаимодействия протонов и нейтронов внутри ядра) до (возраст Вселенной).

Все это многообразие материальных объектов и их взаимодействий подчиняется фундаментальным законам природы и происходит в рамках четырех фундаментальных взаимодействий.

Однако, в разных пространственно-временных масштабах проявляются свои специфические свойства и законы. В связи с этим вся иерархия структур материального мира разделена по трем уровням: микро-, макро- и мегамир.

3.1. Концепции мегамира

К мегамиру относят планеты, звезды, звездные скопления, галактики, метагалактику (наблюдаемую часть Вселенной) и Вселенную в целом.

Вселенная сегодня это миллиарды галактик, каждая из которых содержит многие миллиарды звезд. Галактики разделены друг от друга миллионами световых лет космического пространства (1световой год , 1 парсек ).

Галактики – это четко ограниченные гравитационные звездные системы, включающие также межзвездный газ и пыль, галактическое магнитное поле и космические лучи. Галактики различаются как количеством звезд их составляющих (от 10⁶ до 10¹²), так и размерами (от 1 до 40 Мпк), и массой от 10⁶ до 10¹³ масс Солнца. Все звезды галактик вращаются вокруг своего общего центра массы, которым во многих галактиках являются черные дыры, с периодом в сотни миллионов лет и скоростями .

Галактика, в которую входит наша Солнечная система, называется Млечный путь. Это обширная звездная система, содержащая примерно 10¹¹ звезд. По своей структуре Наша Галактика принадлежит к спиральным Галактикам. Большая часть ее видимых звезд занимает в пространстве объем, имеющий форму диска, размеры которого составляют примерно: диаметр , толщина . К диску примыкают два спиральных рукава, в которых сосредоточены горячие звезды высокой светимости и часть газо-пылевой межзвездной материи. Наша Солнечная система расположена на расстоянии около 10 кпк от галактического центра на внутреннем краю рукава, носящего название рукава Ориона. Все звездные скопления нашей Галактики, в том числе спиральные рукава и наша Солнечная система вращаются относительно центра массы Галактики. В настоящее время наша Солнечная система движется в относительно свободном пространстве: до ближайших звезд расстояние составляет тысячи световых лет. Но скорость вращения нашей Солнечной системы больше скорости вращения спиральных рукавов, поэтому примерно через 300 млн. лет она должна пересекать один из рукавов, звездная плотность в котором достаточно высокая.

Ближайшими к нам галактиками являются: Магеллановы облака, Малая Медведица, Дракон, Скульптор, туманность Андромеды и многие другие.

В целом, по данным астрономических наблюдений, распределение Галактик во Вселенной по разным направлениям равномерно. Большинство из них удаляется от нас, и чем дальше Галактика расположена, тем с большей скоростью она движется, что в свое время явилось подтверждением модели «Расширяющейся Вселенной». Нестационарны и сами Галактики, в них продолжается образование новых звезд и эволюция старых.

Эволюция звезды начинается с образования плотного газового шара из межзвездной газопылевой материи. Под действием гравитационного сжатия ее размеры уменьшаются, температура возрастает, начинаются термоядерные реакции, что сопровождается выделением энергии (излучения) и синтезом ядер гелия. Внутреннее давление при этом растет и постепенно уравновешивает гравитационное сжатие. В таком состоянии термодинамического равновесия звезда находится до тех пор, пока «не выгорит» ее горючее – водород (именно он в основном участвует в первичном термоядерном синтезе). В зависимости от массы и состава длительность равновесного свечения звезд существенно различна и составляет от 3 до 12 млрд. лет. Причем, чем больше масса звезды, тем меньше время ее равновесного свечения. Для звезды такого типа как наше Солнце этот период составляет около лет. С учетом возраста нашей Солнечной системы 5 млрд. лет, Солнце еще не достигло своего среднего возраста и по оценкам ученых пробудет в равновесном свечении еще 5–7 млрд. лет.

В процессе выгорания водорода в центральной зоне, у звезды образуется гелиевое ядро, которое под действием гравитационных сил сжимается и еще более разогревается. При достижении температур порядка начинается синтез углерода из гелия, затем кислорода и так до железа. Железо является конечным элементом термоядерного синтеза внутри звезды, поскольку эта реакция идет с поглощением энергии. Водородные термоядерные реакции при этом перемещаются в поверхностные слои ядра с сохранившимся там водородом. Это приводит к расширению оболочки звезды. В результате выгоревшее ядро продолжает сжиматься и нагреваться, а оболочка стремительно расширяется и охлаждается. Звезды такого типа как наше Солнце на этом этапе переходят в стадию красных гигантов, которые затем сбрасывают наружные оболочки и переходят в стадию белых карликов, затем в черных карликов и гаснут совсем.

При массах звезд значительно превышающих массу Солнца или близком расположении других звезд (двойные звезды) их эволюция на конечной стадии идет по другому механизму: звезды могут взорваться, как сверхновые звезды, могут перейти в стадию черных дыр, могут стать нейтронными звездами и т.д. Единой общепризнанной теории, которая смогла бы описать все многообразие процессов, происходящих в звездах и галактиках, пока нет. Основными теориями, на которых строятся все расчеты, являются общая теория относительности и квантовая теория гравитации, так как именно гравитация объединяет звездные скопления в Галактики и является одним из основополагающих факторов, определяющих эволюцию звезд.