Лекция № 6. Современные концепции эволюции Вселенной.

1. Современные представления о структуре Вселенной.

Вселенная представляет собой самую крупную вещественную систему, т.е. систему объектов, состоящих из вещества. Современная наука рассматривает мегамир, или космос, как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — вокруг галактик; системы галактик - вокруг 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 — газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

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

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

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.

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

Перечисленные звездные системы являются частями более общей системы — Галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю.

2. Классификация галактик

Изучением особенностей строения, классификацией видов и исследованием процессов эволюции галактик, ко­торыми называются любые расположенные за пределами Млечного Пути звездные системы, занимается так называе­мая внегалактическая астрономия, стыкующаяся в данном вопросе с космологией — наукой о развитии Вселенной в це­лом. С конца XVIIIв., когда французским астрономом Ш. Мессье был создан первый каталог звездных скопле­ний, впоследствии модифицированный и дополненный в 1887г. датским исследователем И. Дрейером, попытки классификации галактик привели к выделению четырех ос­новных видов из большого числа их разновидностей:

• эллипсоидные;

• спиральные;

• линзообразные;

• пекулярные ( неправильные).

К первому основному виду относятся так называемые эллипсоидные галактики, обозначаемые индексами от Е0 до Е7 в зависимости от степени их вытянутости и отли­чия от шарообразной формы. В количественном отно­шении они составляют около 25% от общего числа га­лактических объектов.

Второй и наиболее распространенный вид составляют так называемые спиральные галактики, обозначаемые индек­сом S, к числу которых относится и наш Млечный Путь. Основной их особенностью является ярко выраженная вих-реобразная структура с двумя или более симметричными спи­ральными рукавами. В зависимости от того, начинаются ли эти рукава непосредственно от ядра галактики или от пере­секающей это ядро светящейся «перемычки», различают со­ответственно нормальные и пересеченные спиральные галактики. Учитывая степень раскрученности структурной спирали, эти галактики получают соответственно обозначения от Sa до Sc и от SВа до SВс. Общее их число достигает примерно 50% от состава галактического сообщества.

Третий основной вид представляют линзообразные га­лактики. Этот вид имеет индекс S0 и занимает промежу­точное в плане эволюции положение между эллипсоид­ными и спиральными галактиками, неся в себе зачатки зарождающейся спиральной структуры. В окружающей Вселенной данный вид галактик составляет около 20%.

Наконец, четвертый основной вид, относящийся к разряду неправильных или пекулярных галактик и имею­щий индекс Ir, образован всеми остальными галактика­ми, не относящимися ни к одной из вышеперечислен­ных видовых групп. Общий их количественный состав не превышает 5% от всех галактических образований.

Расположение всех перечисленных видов галактик в по­степенно развертывающейся структурной последовательно­сти образует так называемый камертон Хаббла и свидетель­ствует о наличии отчетливо выраженных эволюционных про­цессов в развитии галактик — от шарообразной E0, через линзообразную S0 к плоской спиралевидной Sc или SВc, за­канчиваясь зачастую полным структурным распадом в виде пекулярной аморфной галактики Jr (рис. 2).

Рис. 3. Структурная эволюция галактик («камертон Хаббла»).

Основной вывод, который можно сделать из указан­ной классификации, заключается в том, что подавляю­щее большинство галактических образований (более 95%) представляют собой формы, полученные в результате про­цессов вращения образующего их первичного вещества.

Действующие при таком вращении центростремитель­ные силы приводят к постепенному уплотнению цен­тральной части газопылевого облака первичного вещест­ва и созданию условий для формирования множества от­дельных звезд, пространственно объединяемых понятием галактической системы.

Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является спиральной системой, состоящей приблизитель­но из 120 млрд звезд. Она имеет форму утолщенного диска. Наи­больший диаметр равен 100 тыс. световых лет.

Наша Галактика, которую можно наблюдать в виде Млечного Пути, имея примерный воз­раст 10 млрд лет, насчитывает в своем составе по усред­ненным оценкам около 200 млрд звезд и состоит из звезд и диффузной материи. Ее звезды разделяются различными способами на подсистемы. В ней насчитывается приблизительно 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд.

В свою очередь, наша спиральная Галактика входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического обра­зования — Сверхскопления галактик, образованного при­мерно из 10000 галактических объектов, имеющего диа­метр около 40 Мегапарсек и медленно вращающегося вокруг мощного центрального сгущения галактик в со­звездии Девы. Ближайшие к нашему Сверхскоплению соседние сверхскопления галактик располагаются в со­звездиях Льва и Геркулеса на расстояниях соответствен­но 87 и 100 Мегапарсек. Всего в окружающей Вселенной обнаружено около 50 таких галактических сверхскопле­ний, образующих еще один, по всей видимости, далеко не самый верхний, иерархический уровень ее структуры.

Кроме того, можно выделить звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости и обра­зующие плоскую систему и сферическую форму пространст­венного распределения звезд, образующую ядро галактики.

По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключе­ние, что наша Галактика имеет четыре спиральные ветви. Бли­жайшей галактической системой является туманность Андроме­ды, находящаяся от нас на расстоянии 2700000 световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик.

Галактики, как правило, 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, или система галактик, включает в себя все известные космические объекты.

Обширный фактический материал астрономической науки, а также новейшая фаза развития физических теорий позволяют выдвинуть достаточно обоснованные гипотезы о возникнове­нии и эволюции определенных космических образований.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблему непре­рывного образования звезд из конденсирующейся диффузной материи.

Для объяснения структуры мегамира наиболее важным яв­ляется гравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но сила гравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними. В газово-пылевых туманностях под действием сил грави­тации происходит формирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно от­метить, что происходит процесс рождения не отдельной изоли­рованной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся га­зовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объ­единяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как пра­вило, начинают вращаться относительно друг друга, и центро­бежная сила этого движения противодействует силе притяже­ния, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюцио­нируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светя­щихся и с низкой температурой, к звездам — плотным плаз­менным телам с температурой внутри в миллионы градусов. За­тем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там нахо­дится тот "плавильный тигель", который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в ре­зультате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные ("мертвые") звезды.

Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неиз­менно или вечно существующими. Через определенное количе­ство времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.