воды в лед. И как при замерзании воды ее беспорядочно движущиеся молекулы вдруг «схватываются» и образуют строгую кристаллическую структуру, так под влиянием выделения отдельных взаимодействий произошла мгновенная перестройка, своеобразная «кристаллизация» вещества во Вселенной.

Таблица 6.1

Краткая история развития Вселенной

Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, даже в пустом пространстве, из-за квантово-механического принципа неопределенности, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики — это результат усиления квантовых флуктуаций, т. е. усиленный и замерзший квантовый шум.

Инфляционная теория дает нам единственное известное сейчас объяснение однородности наблюдаемой части Вселенной. Парадоксальным образом эта же теория предсказывает, что в предельно больших масштабах наша Вселенная абсолютно неоднородна.

6.3. Темная материя и темная энергия

Количество светящейся материи во Вселенной определяется по наблюдениям в видимом свете. Полное же количество материи, влияющей на движении звезд в галактиках и в галактических скоплениях оказывается намного больше видимой материи. Вне всяких сомнений во Вселенной имеется некая

132

несветящаяся материя, проявляющая себя в гравитационном взаимодействии. Эта темная материя распределена неравномерно, но присутствует везде: и в галактиках, и в межгалактическом пространстве. По современным данным темная материя составляет около 23% массы Вселенной и практически не излучает фотоны ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, за что и называется «темной». Природа «скрытой массы» пока неизвестна. Вероятно, темная материя состоит из неизвестных современной науке элементарных частиц.

В настоящее время астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Для объяснения этого факта признается существование «темной энергии». Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию (отрицательным давлением). Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

По современным данным доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет всего 5%. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино — около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3%. Оставшиеся 90–95% полной энергии во Вселенной — «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии, как изображено на рисунке (рис. 6.1).

133

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и обычной (барионной) материи.

Рис. 6.1. Состав суммарной энергии Вселенной

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти.

Если расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной, то тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к Большому Хлопку. Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя все эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной должны сыграть точные измерения темпа ускорения, изучение темной материи и темной энергии.

134

6.4. Звезды

По современным представлениям родившаяся после невероятно больших уплотнений и разогревания «расширяющаяся горячая» Вселенная состояла из разреженного водородного газа 70% и гелия 30%. В результате гравитационной неустойчивости в газе образовывались локальные сгущения — газовые облака, а из них протогалактики. Протогалактическое облако в процессе гравитационного сжатия также распадалось на фрагменты, давшие начало звез-

дам первого поколения.

Наиболее вероятная схема звездообразования следующая: гравитационная конденсация (сжатие), приводящая к появлению протозвезд (глобул, планетарных туманностей, «звезд коконов» и др.) – термоядерные реакции, обусловливающие существование большинства наблюдаемых звезд – гравитационный коллапс, следствием которого являются нейтронные звезды, черные дыры – Сверхновые звезды. Намеченная схема дополняется действием вращения самой звезды и окружающего магнитного поля, влиянием близких массивных звезд-спутников, а также нейтринных и других процессов.

Рассмотри этот процесс немного подробнее. Частицы газопылевого облака медленно притягиваются между собой за счет гравитационных сил. Плотность облака растет, возникшая непрозрачная сфера начинает вращаться, захватывая все больше частиц из окружающего пространства. Внешние слои давят на внутренние, давление и температура в глубине растут, согласно законам термодинамики, постепенно достигая нескольких миллионов градусов. Тогда в ядре протозвезды создаются условия для протекания реакции термоядерного синтеза гелия из водорода. Об этом «оповещают мир» потоки нейтрино, выделяющихся при такой реакции. В ее результате мощный поток электромагнитного излучения давит на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Когда силы излучения и гравитации уравновешиваются, протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно от нескольких миллионов лет (при массе больше солнечной) до нескольких сот миллионов лет (при массе меньше солнечной). Недавние наблюдения с использованием космического телескопа "Хаббл" доказывают, что первые звезды сформировались спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва

Химический состав звезд по данным спектрального анализа в среднем такой: они состоят на 2/3 из водорода и на 1/3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%.

135

По мере расходования водорода, масса ее меняется. Постепенно энергия в центре звезды иссякает, давление падает. Поскольку гравитации оно не противостоит, ядро сжимается, и температура там опять возрастает, но реакции протекают теперь только на границе ядра внутри звезды. Звезда разбухает, растет и ее светимость. Она превращается в красный гигант с радиусом больше радиуса орбиты Марса. Когда температура сжимающегося гелиевого ядра (водород «выгорел») красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается синтез углерода и других элементов из гелия. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс внешних слоев. Горячие внутренние слои звезды оказываются на поверхности, раздувая отделившуюся оболочку излучением в планетарную туманность. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда.

Сжатие может остановиться на определённом этапе, а может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от массы звезды и вращательного момента возможны следующие конечные состояния:

-погасшая очень плотная звезда, состоящая в основном, в зависимости от массы, из гелия, углерода, кислорода, неона, магния, кремния или железа (основные элементы перечислены в порядке возрастания массы остатка звезды);

-белый карлик;

-нейтронная звезда, (она состоит из плотно упакованных нейтронов, нейтронные звезды имеют колоссальное магнитное поле: 109–1016 эрстед);

-чёрная дыра, в которой напряженность поля тяготения над ее поверхностью становится столь чудовищным, что пространство-время свертывается

извезда исчезает из Вселенной, оставив лишь искривленный участок про- странства-времени. Вероятно существуют черные дыры двух типов: с массами менее ста солнечных; гигантские – в галактиках и квазарах с массой более миллиона солнечных. Черная дыра сама по себе не излучает, но может быть видна за счет излучения из области, где находится падающее на нее вещество (аккреционный диск) и проявляет себя мощным гравитационным полем.

Некоторые звезды время от времени вспыхивают, сбрасывая часть оболочки и превращаясь в Новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Реже случаются катастрофы, уничтожающие звезду – вспышки сверхновых, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от целой галактики. При взрыве звезда сбрасывает внешнюю газовую оболочку (так возникла при взрыве сверхновой в 1054 г. Крабовидная туманность). Последняя сверхновая вспыхнула рядом в

136

1987 г., в Большом Магеллановом Облаке, в 60 килопарсеках от нас. От этой сверхновой впервые зарегистрировано нейтринное излучение.

Из газово-пылевых облаков впоследствии формируются звезды второго поколения типа нашего Солнца с планетными системами. Так вкратце выглядит одна из версий современной космогонической модели.

6.5. ПроисхождениеСолнечнойсистемыиЗемли

Строение Солнечной системы обладает рядом закономерностей, указывающих на совместное образование всех планет и Солнца в едином процессе. Такими закономерностями являются:

-движение всех планет в одном направлении по эллиптическим орбитам, лежащим почти в одной плоскости;

-вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру относительно центральной плоскости планетной системы;

-вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, которая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, который вращается как бы лежа на боку);

-обращение в том же направлении большинства спутников планет;

-закономерное возрастание расстояний планет от Солнца;

-деление планет на родственные группы, отличающиеся по массе, химическому составу и количеству спутников (группа близких к Солнцу планет земного типа и далекие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на две группы);

-наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера. Особой проблемой, служившей пробным камнем для многих космогони-

чических гипотез, оставалась проблема распределения момента количества движения в Солнечной системе: хотя масса планет составляет менее 1% массы Солнца, в их орбитальном движении заключено более 98% общего момента количества движения всей Солнечной системы.

Разные гипотезы о механизмах возникновения Солнечной системы начали появляться ещё в 18 веке. Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака – небулярная гипотеза – первоначально была предложена в 18-ом веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и ПьеромСимоном Лапласом. Эти представления постепенно эволюционировали, и, с точки зрения современной астрономии, картина возникновения Солнечной системы выглядит примерно так.

137

Солнце – звезда второго поколения. Солнечная система возникла из одного большого газопылевого облака, образовавшегося в результате взрыва сверхновой звезды. Это облако начало сжиматься под действием гравитации, в результате основная часть содержащегося в нём вещества собралась в центральный сгусток, из которого впоследствии возникло Солнце. Однако, так как это облако изначально не было неподвижным, а немного вращалось, то не вся масса облака оказалась сосредоточенной в центральном сгустке. Под действием сил гравитации и центробежных сил облако приобрело форму сильно сплюснутого диска (протопланетный диск), который располагался в плоскости, перпендикулярной оси вращения облака (и сейчас, вследствие этого, все орбиты планет лежат примерно в одной плоскости). При этом в этом диске, вращающемся вокруг центра облака, в котором находился центральный сгусток, стали формироваться меньшие сгустки. Эти сгустки сталкивались, объединяясь между собой, а также захватывали частицы пыли и газа из диска. Увеличивающаяся масса этих сгустков также приводила к их сжатию под действием силы гравитации. Из этих меньших сгустков (планетезимали) впоследствии сформировались планеты.

В результате сжатия центральный сгусток начал разогреваться, температура в его центре повышалась, и, наконец, она оказалась настолько высокой, что произошёл запуск термоядерной реакции. Так на месте холодного центрального газового сгустка вспыхнула новая звезда – Солнце. Как только это произошло, под давлением яркого солнечного излучения и солнечного ветра лёгкие газы, такие, как водород и гелий, были очень быстро выдуты из ближней к Солнцу области газопылевого диска, в то же время тяжёлые частицы, наоборот, под действием гравитации стремились к центру. Вследствие этого, вблизи Солнца сформировались планеты, состоящие из твёрдых, тяжёлых пород, а водород и гелий, оттеснённые в дальние области Солнечной системы солнечным излучением, стали строительным материалом для планетгигантов вроде Юпитера.

Описанная схема образования звездных систем частично подтверждается обнаружением протопланетных дисков у некоторых звезд, наличие планет у других звезд (к концу января 2008 года открыты 66 планеты у 52 звезд.), открытие трансплутоновых комет, являющихся остатками того вещества, которое не смогло сконденсироваться в планеты.

Согласно современным представлениям, возраст Солнечной системы оценивается примерно в 4,6 млрд лет. Планетная система формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки. Земля

138