2.2. Физическая и химическая эволюция Вселенной. Возникновение планетных систем

Открыв в 1917 г. теорию относительности Эйнштейн разрушил картину застывшей Вселенной. К концу 20-ых годов данная космологическая проблема была решена. Сначала А.А. Фридман (1922-1924) показал, что общая теория относительности указывает на неизбежность эволюционирующей Вселенной. Затем Э. Хаббл (1928) доказал, что Вселенная расширяется.

Современная космология предполагает, что около 20 млрд лет назад где-то в глубинах Вселенной произошел "Большой Взрыв". Что в действительности произошло тогда неизвестно. И все же многое удалось узнать о физическом состоянии вещества в первые минуты, часы и годы от начала взрыва. Первоначально вещество Вселенной, согласно гипотезе "горячего начала" (автор Г. Гамов, 40-ые годы), представляло собой необычайно плотную и горячую плазму, пронизанную к тому же мощным электромагнитным излучением. За несколько мгновений после начала взрыва плотность вещества от формально "бесконечно большой" стала описываемой современной физикой - сравнимой с плотностью вещества внутри атомного ядра (приблизительно 10¹⁸ кг/куб.м).

При расширении вещества понижалась его плотность и температура. Сначала образовались элементарные частицы, а в дальнейшем и первое химический элемент - водород. В дальнейшем под действием сил гравитации единое водородное облако распалось на отдельные скопления (звезды) внутри которых под действием высокой температуры и давления начался ядерный синтез - превращение водорода в гелий (4H  He + тепло). По мере выработки водорода звезда продолжала сжиматься, что привело к новому подъему температуры. Началось превращение гелия (3He  C). Гелий сгорает быстрее водорода. Выделение слишком большого количества тепла привело к взрыву звезд. Образовавшиеся облака сформировали новые центры тяжести в которых снова собралась материя. Сжатие материи в новых звездах сопровождалось ядерными процессами, в результате которых из атомов гелия и углерода получился кислород, затем неон, магний, кремний, сера и так далее. Когда догорают остатки горючего звезды становятся неустойчивыми и взрываются - возникают сверхновые. Следующие поколения звезд уже в самом начале содержат примесь тяжелых элементов. Наше Солнце как раз относится к числу таких звезд, возникших из обогащенного тяжелыми элементами водородного облака.

"Звезды должны собраться, взорваться и вновь собраться для того, чтобы пренебрежительно малая доля исходной материи превратилась в те разнообразные вещества, которые мы видим на Земле. Потребовалось чрезвычайно много времени и чрезвычайно большое количество материала, чтобы создать вещество нашего мира" (Вайнскоф В.).

В видимой Вселенной (Метагалактике) наблюдается сложная иерархия астрономических структур, от Солнечной системы, Галактики и скоплений галактик до сверхскоплений и ячеек. Однако, наблюдаемая Вселенная в целом однородна по распределению в ней вещества. Средняя плотность во всех случайных объемах составляет приблизительно 10^-27 кг/куб.м).

Изучение радиоактивных изотопов углеродисто-хондритных метеоритов (возникших из космической пыли) показали, что Солнечная система сформировалась 4,6 млрд. лет назад, а планета Земля через 29 миллионов лет после ее образования.

Возникновение планетной системы около Солнца всегда служило объектом ожесточенных споров, восходящих еще к греческому философу Декарту. Хотя после Коперника и Галилея Землю больше не рассматривают как центр Вселенной, все же считалось возможным, или хотя бы желательным рассматривать Землю как исключительную планету в исключительной Солнечной системе (антропоцентрический принцип). В идее, согласно которой Земля образовалась в результате какой-то космической катастрофы, неповторимой и очень редкой по своей природе, была своя привлекательность. Именно эти представления легли в основу гипотез, которые полагали, что Земля и другие планеты были образованы из струи газа, вырванной из Солнца или проходившей поблизости звездой, или какой-то внутренней катастрофой. Но поскольку все эти гипотезы оказались несостоятельными вернулись к старой (небулярной) гипотезе Канта и Лапласа, которая предполагает, что планеты солнечной системы образовались из туманности, представлявшей собой вращающийся диск из пыли и газа. В последствии этот диск распался на концентрические круги, каждый из которых в конце концов сконденсировался в отдельную планету.

Современный вариант этой гипотезы разработал шведский физик и астроном Альвен: на ранней стадии газопылевой диск вокруг Солнца состоял из плазмы, то есть из ионизированных атомов, движение которых отличается от ньютоновских электрически нейтральных частиц, обладающих только гравитационной массой. Возможно, Солнечная система развивалась как система магнитогидродинамических вихрей, вовлеченных в один главный вихрь. Позднее, уже электрически нейтральные, эти вихри сконденсировались в планеты и каждая из них обладала своим собственным моментом количества движения, который уже нельзя было изменить. В случае, если эта гипотеза верна, образование планетных систем можно рассматривать как обычное, закономерное явление, которое может повторяться в истории Вселенной вновь и вновь.

Расчеты возможного количества планет, пригодных для зарождения и развития жизни, были произведены Опариным и Фесенко (1936). Они исходили из того, что для развития материи в сторону биологической формы необходимо присутствие планетарных систем со строго определенными условиями. Первое, жизнь может возникнуть не планете масса которой имеет определенную величину. Если масса планеты будет слишком большой, например 0,01 массы Солнца, то они будут слишком горячими. Другая крайность - планеты малой массы (типа Меркурия): в силу слабой интенсивности тяготения они не способны удержать атмосферу. Первому условию в пределах солнечной системы отвечают Земля и Венера. Вероятность встречи в Космосе планет подобной массы оценивается в 1%. Второе важное условие - относительное постоянство и оптимальный режим радиации (подразумевается оптимальность орбиты, постоянство центрального светила). Вероятность этого условия оценивается в 0,01%. Произведение этих вероятностей дает величину 0,001%. В нашей галактике, где насчитывается более 150 млрд звезд, таких планет будет несколько сотен. Однако отсутствие космических препятствий к развитию жизни еще не означает, что жизнь на них обязательно разовьется.