3. Образование галактик

Однородная прозрачная Вселенная просуществовала недолго. Уже через небольшой промежуток времени стали возникать флуктуации плотности материи и области, где образовались уплотнения или протогалактики. Под действием сил гравитационного притяжения уплотнения увеличивались и начинали отставать от общего темпа расширения Вселенной. Некоторые уплотнения стали вращаться и с течением времени образовали дискообразные и спиральные галактики. Другие стали эллиптическими или вообще бесформенными (туманность Конская голова в созвездии Ориона, Большое и Малое Магеллановы облака и др. ).

Протогалактики также были неоднородны, в них существовали (и существуют) уплотнения — сгущения пылевых облаков, диффузные туманности, в которых концентрация материи более высока, чем в соседних областях. По мнению большинства астрономов в результате сгущения облаков и туманностей под действием сил гравитации, в них возникают уплотнения — зарождаются протозвезды Со временем материя протозвезд еще более уплотняется и разогревается так сильно, что начинаются реакции термоядерного синтеза с выделением большого количества тепла. С ростом температуры внутри уплотнений возрастает давление и начинает уравновешивать давление сил гравитации. Протозвезды превращаются в шаровые стационарные образования — звезды.

4. Химическая эволюция

Одной из важнейших космологических проблем является проблема происхождения и относительного распределения химических элементов во Вселенной. Как сложился универсальный химический состав космического вещества (70% Н, 25% Не, а остальное более тяжелые элементы), как возникло стандартное соотношение между водородом и гелием, двумя первыми элементами менделеевской таблицы, — вот проблема в поисках решения которой физики обратились к звездным недрам, где интенсивно протекают реакции превращения атомных ядер. Теоретические расчеты показывают, что при условиях, которые осуществляются в центральных областях звезд, подобных Солнцу, никакие элементы тяжелее гелия не могут образовываться в сколько-нибудь существенных количествах.

А что если элементы образовались не в звездах, а сразу во всей Вселенной на первых этапах космологического расширения? Универсальность химического состава при этом автоматически обеспечивается. Внешние условия — высокая плотность и температура, необходимые для реакций такого рода, были. Теория происхождения химических элементов потребовала трудоемких расчетов. В итоге стало очевидным, что космическая распространенность водорода и гелия действительно может быть объяснена ядерными реакциями в горячем веществе ранней Вселенной. Более тяжелые элементы по-видимому должны синтезироваться другим путем, например, при вспышках сверхновых звезд.

5. Будущее Вселенной

Модель «горячей Вселенной» на сегодняшний день не является единственной моделью эволюции Вселенной. В 1948 г. астрофизики Х. Бонди, Т. Гоулд, Ф. Хойл высказали идею: несмотря на разбегание галактик, плотность материи в данной конкретной области не меняется. Рождается новое вещество, из которого образуются новые галактики, и Вселенная выглядит неизменной, т. е. число галактик в любом заданном достаточно большом объеме остается постоянным.

Что будет со Вселенной в будущем? Теория Эйнштейна — Фридмана допускает различные варианты в зависимости от средней плотности материи (рис. 14) . Если она меньше, чем критическая (10^-29 г/см³), то мы живем в открытой бесконечной Вселенной, в которой галактики всегда будут удаляться друг от друга. Средняя плотность материи при этом будет уменьшаться, а отдельные компоненты ее — видоизменяться. Звезды будут остывать и все меньше будет вспыхивать новых и образовываться молодых звезд. Наконец, через 10¹⁴ лет остынут все карликовые звезды, исчерпав ядерное горючее.

R

Начало Сегодня

Открытая Вселенная Закрытая Вселенная t

Рис. 14 Модели развития Вселенной

Если средняя плотность вещества больше критической, то мы живем в закрытой, пульсирующей Вселенной. В этой модели расширение будет длиться около 10¹¹ лет. Достигнув при этом очень большого разрежения, Вселенная начнет сжиматься, ее объем сократится до сверхплотной сингулярности. После этого возможно повторение цикла. Если средняя плотность вещества Вселенной сохраняется, мы живем в стационарной Вселенной. Однако этой модели противоречат экспериментальные наблюдения за разбеганием галактик.

По современным оценкам масс, входящих в галактики, наиболее вероятная средняя плотность материи во Вселенной 10^-31 г/см³. То есть по крайней мере на порядок не обеспечивается «закрытие» Вселенной. Но пока нет надежных данных о межгалактическом веществе. И все же большинство космологов склоняются к заключению, что Вселенная открыта.

Но и в случае «закрытого» мира Вселенная не имеет никаких границ — она конечна, но и безгранична. Такой парадокс связан с тем, что гигантские массы вещества искривляют пространство, оно становится римановым. В нем отсутствует представление о прямолинейности, к которому мы привыкли, проживая в трехмерном пространстве. Световые лучи в римановом пространстве уже не распространяются прямолинейно, а прямая линия уже не будет кратчайшим расстоянием между двумя точками. Простейшим примером такого криволинейного двумерного пространства является поверхность сферы.

Новые понятия и термины: парсек, модель «расширяющейся Вселенной», гипотеза «Большого взрыва», сингулярность.

Ведущие идеи:

-Вселенная как самоорганизующаяся система;

-глобальность процессов, протекающих во Вселенной;

-гипотезы о происхождении Вселенной и их обоснование.