Лекция 51 Современные космологические представления

Строение Вселенной: звезды, планеты, галактики. Вещество в экстремальных состояниях: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, квазары. Темная материя и темная энергия. Физический вакуум. Современные космологические модели Вселенной. Происхождение и эволюция Вселенной: «Большой Взрыв», горячая модель. Антропный принцип.

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в виде планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем – галактик; системы галактик – Метагалактики.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа – газопылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Лишь 5% массы Вселенной приходится на понятное нам «обычное» вещество. Остальные 95% – это некие субстанции: темная материя (25%) и темная энергия (65 – 70%). Помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества – темная материя.

Темная материя сродни обычному веществу. Она способна собираться в сгустки (размером с галактику) и участвует в гравитационных взаимодействиях. Скорее всего, темная материя состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Темная энергия – гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Она не собирается в сгустки, а равномерно распределена во Вселенной. Темная энергия носит явно выраженный невещественный характер, но именно она доминирует во Вселенной.

1. Звездная форма бытия космической материи

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится в звездном состоянии. 97% вещества в нашей галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с различной характеристикой движения. У многих других галактик звездная материя составляет более чем 99,9% их массы.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород при участии углерода превращается в гелий. Эти превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимого излучением звезд.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы состоят из двух, трех, четырех, пяти и более звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести (кратные системы). Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузионной материи, источником которой являются сами звезды, выбрасывающие ее в космическое пространство в виде мощных потоков газа.

Звезды объединяются также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные скопления насчитывают несколько сотен отдельных звезд, а шаровые – многие сотни тысяч.

Перечисленные звездные системы являются частями более общей системы – галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. По своей форме галактики разделяются на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные. В неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения газов тенденции к вращению, ведущие к образованию спиральных ветвей. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 млрд. галактик.

Галактика, внутри которой расположена Солнечная система – Млечный Путь, является спиральной системой, состоящей из 400 млрд. звезд. Она имеет форму утолщенного диска, от которого отходят спиральные рукава. Наибольший диаметр равен 120 тыс. световых лет. Толщина в 10–15 раз меньше. Масса нашей Галактики равна 200 млрд. масс Солнца. Возраст нашей Галактики около 15 млрд. лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью 220 км/с. Солнце делает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет.

Наша Галактика состоит из звезд и диффузионной материи. В ней насчитывается около 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд. По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что наша Галактика имеет четыре спиральные ветви.

В центре Млечного Пути находится очень яркое ядро, окружающее гигантскую черную дыру. В спиральных рукавах рассеяны скопления молодых голубых звезд. Спиральные рукава находятся в диске, основную часть массы которого составляют относительно слабые звезды и разреженный газ – большей частью водород.

Ближайшей к нам галактической системой является туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,7 млн. световых лет. Туманность Андромеды более чем в два раза превышает размеры нашей Галактики. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик.

Галактики встречаются в виде так называемых «облаков» или скоплений галактик. Эти «облака» содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование определенной упорядоченной системы Метагалактики. Метагалактика включает в себя все известные космические объекты.

Хотя в мощные телескопы удается увидеть только галактики, в темных пространствах между ними, несомненно, присутствует вещество. Кроме межзвездного вещества, Вселенная насыщена излучением и быстрыми частицами различных типов. Сюда входят электромагнитное гравитационное излучения, потоки нейтрино и космические лучи, состоящие из различных субатомных частиц.

Межзвездное пространство заполнено газом и пылью. Основной компонент межзвездного газа – водород. На втором месте – гелий, значительно меньше в ней углерода, азота, кислорода и других химических элементов. Тяжелые элементы попадают в космос как остатки взрывов сверхновых звезд.

Метагалактика – совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды, доступная наблюдениям часть Вселенной. Одно из важнейших свойств Метагалактики – ее постоянное расширение, разлет скоплений галактик. Об этом свойстве свидетельствует «красное» смещение в спектрах галактик и реликтовое излучение (фоновое, внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре 3 К).

Другое свойство – равномерное распределение в ней вещества. В современном состоянии Метагалактика – однородна и изотропна, т. е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Маловероятно, что она была такой и в прошлом. В самом начале расширения могли существовать неоднородность и анизотропия.

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство? Многие ученые считают нашу расширяющуюся Метагалактику единственной. Другие высказывают мысли о множественности Метагалактик, множественности Вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свой тип нестационарности, организации и др.

Совокупность всех наблюдаемых на небе объектов называют Метагалактикой, однако, чаще к этой совокупности применяют термин «Вселенная». В течение многих лет существовало убеждение, что размеры Метагалактики (приблизительно 10²⁸ см) – границы мира, поэтому ее следует отождествлять с Вселенной, а под Вселенной понимали все сущее.

Однако в последнее время в космологии утвердилась точка зрения, что Метагалактика – лишь небольшая часть нашего мира и поэтому отождествление Метагалактики с Вселенной неправомерно. Метагалактикой называют совокупность объектов, расположенных в пространственном объеме радиусом примерно 10²⁸ см. Метагалактикой иногда называют ограниченный горизонтом видимости наблюдаемый мир радиусом около 15 млрд. световых лет. Вселенная – это совокупность объектов, познаваемых в данный момент времени. Это понятие отражает уровень наших знаний о мире. С другой точки зрения, Вселенная – это весь не ограниченный горизонтом видимости материальный мир. Вне Вселенной никакие другие формы материи не могут существовать. Вселенная охватывает все.

Масса Метагалактики оценивается величиной 6х10⁹ М_с, где

М_с – масса Солнца, М_с = 10³³ г.