Андрієвський С.М. Климишин І.А. Курс загальної астрономії. Навчальний посібник

Подождите немного. Документ загружается.

441

ðàç³â. Àíàëîã³÷íî ìàëè á óòâîðèòèñÿ ³ ñóïóòíèêè ïëàíåò. Îäíàê íàïðèê³í-

ö³ X²X ñò. âèÿâèëè, ùî öÿ ã³ïîòåçà íå ìîæå ïîÿñíèòè ïåðåðîçïîä³ë ìîìåí-

òó ê³ëüêîñò³ ðóõó ì³æ Ñîíöåì ³ ïëàíåòàìè. Êð³ì òîãî, ê³ëüöåïîä³áí³ ôðàã-

ìåíòè ãàðÿ÷îãî ãàçó øâèäêî ðîçøèðèëèñÿ á ³ ðîçñ³ÿëèñÿ ó ïðîñòîð³.

Âåëèêó ðîëü ó ðîçðîáö³ ìàéæå çàãàëüíîïðèéíÿòèõ òåïåð ïîãëÿä³â íà ïî-

õîäæåííÿ ïëàíåòíî¿ ñèñòåìè ç³ãðàëè ïðàö³ Îòòî Þë³éîâè÷à Øì³äòà

(1891–1956). Â îñíîâ³ éîãî òåîð³¿ ëåæàëè äâà ïðèïóùåííÿ: 1) ïëàíåòè

ñôîðìóâàëèñÿ ç õîëîäíî¿ ãàçîïèëîâî¿ õìàðè, 2) ¿¿ Ñîíöå çàõîïèëî ï³ä ÷àñ

îáåðòàííÿ íàâêîëî öåíòðà Ãàëàêòèêè. Äðóãå ïðèïóùåííÿ íåâäîâç³ â³äêè-

íóëè. Çàãàëüíó æ ñõåìó ðîçâèòêó íàøî¿ ïëàíåòíî¿ ñèñòåìè òåïåð ìîæíà

îïèñàòè òàê.

Áëèçüêî 5 ìëðä. ðîê³â òîìó ó ïðîòÿæíîìó ôðàãìåíò³ ãàçîâîïèëîâî¿ õìà-

ðè, ïðîíèçàíîìó ìàãí³òíèìè ñèëîâèìè ë³í³ÿìè, çà âïëèâîì çîâí³øíüî¿

ïðè÷èíè óòâîðèëîñÿ öåíòðàëüíå çãóùåííÿ — ïðîòîñîíöå, ÿêå ïî÷àëî ñòè-

ñêóâàòèñÿ. ²íøà ÷àñòèíà õìàðè ç ìàñîþ, ïðèáëèçíî â äåñÿòü ðàç³â ìåí-

øîþ, ïîâ³ëüíî îáåðòàëàñÿ íàâêîëî íüîãî. Óíàñë³äîê ç³òêíåíü àòîì³â, ìî-

ëåêóë ³ ïèëèíîê, òóìàíí³ñòü, ÿêà îáåðòàëàñÿ, ïîñòóïîâî ñïëþùóâàëàñÿ ³

ðîç³ãð³âàëàñÿ. Òàê íàâêîëî ïðîòîñîíöÿ óòâîðèâñÿ ïðîòÿæíèé ãàçîâèé

äèñê. Ñèëîâ³ ë³í³¿ éîãî ìàãí³òíîãî ïîëÿ, «íàìîòóþ÷èñü» ó ïðîöåñ³ îáåð-

òàííÿ íà ïðîòîñîíöå, ñïðèÿëè ïåðåäà÷³ ìîìåíòó â³ä öåíòðà çîâí³øí³ì

øàðàì äèñêà. Òàêèì ÷èíîì, íåçâàæàþ÷è íà íåõòîâíî ìàëó ìàñó ðå÷îâè-

íè äèñêà, ç ÿêîãî ïîò³ì ñôîðìóâàëèñÿ ïëàíåòè, â³í àêóìóëþâàâ â ñîá³

á³ëüøó ÷àñòèíó ìîìåíòó ê³ëüêîñò³ îáåðòàëüíîãî ðóõó (ï’ÿòà âëàñòèâ³ñòü).

Ïëîùèíà ñàìîãî äèñêà, ïðèðîäíî, ñï³âïàäàëà ç ïëîùèíîþ ïðîòîñîíÿ÷-

íîãî åêâàòîðà, òîìó îðá³òè ïëàíåò âèÿâèëèñÿ ðîçòàøîâàíèìè ìàéæå â

îäí³é ïëîùèí³ (ïåðøà âëàñòèâ³ñòü).

Â ïðîöåñ³ ôîðìóâàííÿ ïðîòîñîíöÿ ³ ïîñòóïîâîãî çðîñòàííÿ éîãî ãóñòè-

íè, çðîñòàëà ³ éîãî ïîâåðõíåâà òåìïåðàòóðà. Âçàºìîä³ÿ ïðîòîñîíÿ÷íîãî âè-

ïðîì³íþâàííÿ ç ðå÷îâèíîþ äèñêà ïðèâåëà äî âñòàíîâëåííÿ ïåâíîãî ðîç-

ïîä³ëó òåìïåðàòóðè â îñòàííüîìó. Ïðèðîäíî, ùî öåíòðàëüíà ÷àñòèíà äèñ-

êà âèÿâèëàñÿ çíà÷íî ñèëüí³øå íàãð³òîþ, í³æ éîãî ïåðèôåð³éí³ çîíè.

Ðåçóëüòàòè ìîäåëþâàííÿ òåìïåðàòóðíîãî ðîçïîä³ëó â ïåðâèííîìó ïðîòî-

ïëàíåòíîìó äèñêó ïîêàçàí³ íà ðèñ. 21.4.

Íàñòóïíèì åòàïîì åâîëþö³¿ ïðîòîïëàíåòíîãî ãàçîâîãî äèñêà áóëà êîí-

äåíñàö³ÿ â íüîìó àòîì³â ³ ìîëåêóë ó ïèëèíêè. Òàì, äå òåìïåðàòóðà áóëà âè-

ùîþ (â³ä 400 Ê äî 1600 Ê), ïåðøèìè êîíäåíñóâàëèñü àòîìè òóãîïëàâêèõ

åëåìåíò³â — ìàãí³þ, êàëüö³þ, õðîìó, çàë³çà, í³êåëþ, à òàêîæ ¿õí³õ ñïîëóê —

îêñèä³â, êàðáèä³â, ñèë³êàò³â. ² íàâïàêè, íèçüêà òåìïåðàòóðà (ìåíøå 200 Ê)

ñïðèÿëà ôîðìóâàííþ ñïîëóê âóãëåöþ, àçîòó, êèñíþ òà äåÿêèõ ³íøèõ åëå-

ìåíò³â ³ç âîäíåì òà ¿õíüî¿ íàñòóïíî¿ êîíäåíñàö³¿ â êðèæàí³ ÷àñòèíêè. Öåé

ïðîöåñ áóâ ïðàêòè÷íî íåìîæëèâèé ó áåçïîñåðåäí³é áëèçüêîñò³ â³ä ïðîòî-

ñîíöÿ, òîìó ³ñíóþòü ñóòòºâ³ â³äì³íè ³ â õ³ì³÷íîìó ñêëàä³ ïëàíåò, ÿê³ ïåðå-

áóâàþòü íà áëèçüêèõ äî Ñîíöÿ îðá³òàõ, ³ ïëàíåò, â³ääàëåíèõ â³ä íüîãî. Òàê,

Розділ21.Проблемиосмо:онії

442

ö³ äðóã³ ì³ñòÿòü çíà÷íó ê³ëüê³ñòü ìåòàíó (CH

), åòàíó (C

), àì³àêó (NH

âîäè (H

O) òîùî, òîä³ ÿê ó ñêëàä³ ïëàíåò çåìíî¿ ãðóïè äîì³íóþòü òàê³ åëå-

ìåíòè, ÿê ìàãí³é, êðåìí³é, çàë³çî. Öèì ïîÿñíþºòüñÿ øîñòà âëàñòèâ³ñòü Ñî-

íÿ÷íî¿ ñèñòåìè.

Çà îäíèì ç âàð³àíò³â åâîëþö³¿ ïðîòîïëàíåòíî¿ õìàðè ñïî÷àòêó â í³é â³ä-

áóâñÿ ïîä³ë êîìïîíåíò³â — ãàçó ³ ïèëó. Îñ³äàííÿ ïèëó â öåíòðàëüí³é ïëî-

ùèí³ ñóïðîâîäæóâàëîñÿ çðîñòàííÿì ðîçì³ð³â ïèëèíîê äî áëèçüêî 1 ñì. ßê

ò³ëüêè ãóñòèíà ó öüîìó ïèëîâîìó äèñêó äîñÿãëà êðèòè÷íîãî çíà÷åííÿ, ó

íüîìó âèíèêëà ãðàâ³òàö³éíà íåñò³éê³ñòü. Ñïî÷àòêó óòâîðèëèñÿ ê³ëüöÿ, ÿê³

øâèäêî ðîçïàëèñÿ íà îêðåì³ çãóñòêè. Çà ðàõóíîê âëàñíîãî òÿæ³ííÿ ö³ çãó-

ùåííÿ íàäàë³ ñòèñêàëèñÿ, óù³ëüíþâàëèñÿ, á³ëüø³ çðîñòàëè, à ìåíø³ ðóé-

íóâàëèñÿ. Ïåðåòâîðåííÿ ñêîíäåíñîâàíîãî ïèëó â îêðåì³ òâåðä³ ò³ëà — ïëà-

íåòåçèìàë³ (â³ä àíãë. planet — ïëàíåòà, infinitesimal — íåñê³í÷åííî ìàëà âå-

ëè÷èíà) íà â³äñòàí³ â 1 à. î. òðèâàëî áëèçüêî 10 000 ðîê³â. Çåìëÿ æ çðîñòàëà

äî ñó÷àñíèõ ðîçì³ð³â óñüîãî 100 ìëí. ðîê³â.

Ùîá óçãîäèòè îá÷èñëåííÿ ç³ ñïîñòåðåæåííÿìè, ââàæàþòü, ùî ÷àñòèíà

ïåðâèííî¿ ðå÷îâèíè äèñêà áóëà âèêèíóòà íà äàëåêó ïåðèôåð³þ Ñîíÿ÷íî¿

ñèñòåìè. Çíà÷íó ðîëü òóò â³ä³ãðàâ òèñê ïðîòîñîíÿ÷íîãî âèïðîì³íþâàííÿ íà

ãàçîâó ³ ïèëîâó ñêëàäîâ³ ïðîòîïëàíåòíîãî äèñêà. Òàê ñôîðìóâàëàñÿ õìàðà

Îîðòà êîìåòíèõ ò³ë (òî÷í³øå — ñôåðè÷íèé øàð), ÿêà îäåðæàëà ñâîþ íàçâó

íà ÷åñòü í³äåðëàíäñüêîãî àñòðîíîìà ßíà Îîðòà (1900–1992) — àâòîðà ö³º¿

êîñìîãîí³÷íî¿ ã³ïîòåçè.

Íàïðÿì ³ øâèäê³ñòü îáåðòàííÿ ïëàíåòè íàâêîëî ñâîº¿ îñ³, ÿê³ îáóìîâ-

ëþþòü äðóãó ³ òðåòþ âëàñòèâ³ñòü Ñîíÿ÷íî¿ ñèñòåìè, âèçíà÷àþòü ñòàòèñòè÷-

íî ÿê ñóìàðíèé ðåçóëüòàò îá’ºäíàííÿ áàãàòüîõ ïëàíåòåçèìàëåé. ßê âèÿâè-

Ð è ñ. 21.4. Ðîçïîä³ë òåìïåðàòóðè â ïðîòîïëàíåòíîìó äèñêó

ЧастинаVIII.Проблемиосмо:оніїтаосмоло:ії

443

ëîñÿ, çà íàõèëîì îñ³ îáåðòàííÿ ïëàíåòè äî ïëîùèíè åêë³ïòèêè ìîæíà îá-

÷èñëèòè ìàñó íàéá³ëüøèõ ò³ë, ùî âèïàäàëè íà ïëàíåòó. Çîêðåìà, äëÿ íàøî¿

ïëàíåòè ö³ ìàñè íå ïåðåâèùóâàëè 0,001 ìàñè Çåìë³. Òå, ùî â³ñü îáåðòàííÿ

Óðàíà íàõèëåíà äî ïëîùèíè éîãî îðá³òè ï³ä êóòîì 98°, ïîâ’ÿçàíå ç âïëè-

âîì Þï³òåðà ³ Ñàòóðíà. ßê ò³ëüêè ìàñè öèõ ïëàíåò çðîñëè äî äâîõ-òðüîõ ìàñ

Çåìë³, âîíè ñâî¿ì ïðèòÿãàííÿì çáóðþâàëè ðóõ ³íøèõ ïëàíåòåçèìàëåé, íà-

äàþ÷è ¿ì âåëèê³ øâèäêîñò³, äîñòàòí³ äëÿ âèëüîòó çà ìåæ³ Ñîíÿ÷íî¿ ñèñòå-

ìè. Âèïàäêîâå ç³òêíåííÿ öèõ ò³ë ç ïðîòîóðàíîì ³ ïðèçâåëî äî çãàäàíî¿ àíî-

ìàë³¿ â éîãî îáåðòàíí³ íàâêîëî ñâîº¿ îñ³.

Çàðîäêè ïëàíåò-ã³ãàíò³â íå ëèøå ïåðåøêîäæàëè ôîðìóâàííþ îêðåìî¿

ïëàíåòè â çîí³ àñòåðî¿ä³â ì³æ Ìàðñîì ³ Þï³òåðîì, à é ïðèçâåëè äî çíà÷íî-

ãî çìåíøåííÿ ìàñè Óðàíà.

Áîìáàðäóâàííÿ ïåðâ³ñíî¿ Çåìë³ çãóñòêàìè ðå÷îâèíè ïðîòîïëàíåòíîãî

äèñêà, à òàêîæ ¿¿ ñòèñêóâàííÿ ñïðè÷èíèëè ïîñòóïîâèé íàãð³â íàäð ïëàíå-

òè. Ç ÷àñîì ó öüîìó âñå á³ëüøó ðîëü â³ä³ãðàâàëè ïðîöåñè ðàä³îàêòèâíîãî

ðîçïàäó äåÿêèõ ³çîòîï³â. Òîìó â îêðåìèõ çîíàõ Çåìë³ ðå÷îâèíà ïëàâèëàñÿ ³

äèôåðåíö³þâàëàñÿ: âàæ÷³ õ³ì³÷í³ åëåìåíòè òà ¿õí³ ñïîëóêè îïóñêàëèñÿ äî-

íèçó, ëåãø³ ï³ä³éìàëèñÿ âãîðó. Öåé ïî÷àòêîâèé åòàï ôîðìóâàííÿ ñòðóêòó-

ðè Çåìë³ òðèâàâ áëèçüêî 1 ìëðä. ðîê³â.

Ï³ñëÿ ôîðìóâàííÿ ïëàíåò çàëèøêè ðå÷îâèíè, ÿê³ îáåðòàëèñÿ íàâêîëî

íèõ, êîíäåíñóâàëèñÿ ³ óòâîðþâàëè á³ëÿ äåÿêèõ ³ç íèõ ñóïóòíèêîâ³ ñèñòåìè.

Òóò ó ì³í³àòþð³ ïîâòîðèâñÿ ïðîöåñ ôîðìóâàííÿ Ñîíÿ÷íî¿ ñèñòåìè (ñüîìà

âëàñòèâ³ñòü).

Òàê, íàïðèêëàä, ïðîòîçåìëÿ íà ðàíí³é ñòàä³¿ ðîçâèòêó ìîãëà áóòè îòî-

÷åíà ðîºì íåâåëèêèõ ñóïóòíèê³â, ðàä³óñè ÿêèõ ñÿãàëè 100 êì. Ç ÷àñîì ç íèõ

³ ñôîðìóâàâñÿ Ì³ñÿöü. Àëå äîñë³äæåííÿ çðàçê³â ì³ñÿ÷íîãî ´ðóíòó ïîêàçà-

ëî, ùî â³í çà ñâî¿ì ñêëàäîì â³äð³çíÿºòüñÿ â³ä çåìíîãî. Öå ìîæå ñâ³ä÷èòè ïðî

òå, ùî óòâîðåííÿ Ì³ñÿöÿ, ÿê íåáåñíîãî ò³ëà, â³äáóâàëîñÿ íà çíà÷íî á³ëü-

ø³é â³äñòàí³ â³ä Çåìë³ ³, éìîâ³ðíî, â³í áóâ çàõîïëåíèé Çåìëåþ âæå ï³ñëÿ ôî-

ðìóâàííÿ.

Ñèñòåìà Çåìëÿ — Ì³ñÿöü ïåðåáóâàº ó áåçïåðåðâí³é çì³í³. Ïðè÷èíîþ

çì³í, ùî âèÿâëÿþòüñÿ ÿê íà Çåìë³, òàê ³ íà Ì³ñÿö³, ñëóæèòü ãðàâ³òàö³éíà

ïðèïëèâíà âçàºìîä³ÿ. Ñèëà òåðòÿ, îáóìîâëåíà ïðèïëèâàìè, ïðàãíå çàãàëü-

ìóâàòè îáåðòàííÿ Çåìë³. ² ñïðàâä³, çåìíà äîáà çðîñòàº ç ö³º¿ ïðè÷èíè ïðè-

áëèçíî íà 1,5 ì³ë³ñåêóíäè çà ñòîð³÷÷ÿ. Ì³ëüÿðäè ðîê³â òîìó çåìíà äîáà çà

ñâîºþ òðèâàë³ñòþ áóëà ³ñòîòíî êîðîòøà â³ä òåïåð³øíüî¿ (ïðèáëèçíî 5–6 ãî-

äèí). Óíàñë³äîê òîãî, ùî Ì³ñÿöü ìåíøèé â³ä Çåìë³ çà ìàñîþ, Çåìëÿ ñâîºþ

ïðèïëèâíîþ ä³ºþ íà Ì³ñÿöü óæå ³ñòîòíî çàãàëüìóâàëà éîãî îáåðòàííÿ ³

«ïðèâåëà» ïåð³îä îáåðòàííÿ ó â³äïîâ³äí³ñòü ç îðá³òàëüíèì ðóõîì Ì³ñÿöÿ

òàêèì ÷èíîì, ùî îäèí îáåðò íàâêîëî ñâîº¿ îñ³ Ì³ñÿöü âèêîíóº çà ÷àñ, ð³â-

íèé îäíîìó îáåðòó íàâêîëî Çåìë³. Òàêèé åôåêò çâåòüñÿ ñèíõðîí³çàö³ºþ îáå-

ðòàííÿ ³ ÷àñòî çóñòð³÷àºòüñÿ â ïîäâ³éíèõ çîðÿíèõ ñèñòåìàõ. Ñàìå òîìó Ì³-

ñÿöü çàâæäè îáåðíåíèé äî Çåìë³ îäíèì ³ òèì ñàìèì áîêîì. Íàÿâí³ñòü ïðè-

Розділ21.Проблемиосмо:онії

444

ïëèâíî¿ âçàºìîä³¿ â³äáèâàºòüñÿ ³ íà õàðàêòåðèñòèêàõ ì³ñÿ÷íî¿ îðá³òè. ²ç çà-

çíà÷åíèõ âèùå ïðè÷èí Ì³ñÿöü ïîñòóïîâî â³ääàëÿºòüñÿ â³ä Çåìë³ ç³ øâèä-

ê³ñòþ áëèçüêî 3,8 ñì íà ð³ê.

Çàêîíîì³ðí³ñòü ó ðîçïîä³ë³ â³äñòàíåé ïëàíåò â³ä Ñîíöÿ çã³äíî ç ïðàâè-

ëîì Ò³ö³óñà — Áîäå (÷åòâåðòà âëàñòèâ³ñòü) âñå ùå íå ìàº òåîðåòè÷íîãî îá-

ãðóíòóâàííÿ.

Ââàæàºòüñÿ äîñèòü ³ìîâ³ðíèì, ùî çîâí³øíüîþ ïðè÷èíîþ âèíèêíåí-

íÿ Ñîíÿ÷íî¿ ñèñòåìè áóâ ñïàëàõ áëèçüêî¿ Íàäíîâî¿ çîð³. ¯¿ îáîëîíêà, âè-

êèíóòà ç âåëèêîþ øâèäê³ñòþ â ì³æçîðÿíèé ïðîñò³ð, ÷åðåç ïåâíèé ÷àñ ç³-

òêíóëàñÿ ç ïðîòîñîíÿ÷íîþ õìàðîþ, ñïðè÷èíèëà ñòèñê îñòàííüî¿ ³ çáà-

ãàòèëà öþ ïåðâèííó õìàðó õ³ì³÷íèìè åëåìåíòàìè, âàæ÷èìè çà âîäåíü ³

ãåë³é. Ö³ äâ³ îáñòàâèíè áëèçüêî 5 ìëðä. ðîê³â òîìó ìàëè âèð³øàëüíå çíà-

÷åííÿ äëÿ ïîäàëüøîãî ôîðìóâàííÿ Ñîíöÿ ³ ïëàíåò, ÿê òàêîæ çàðîäæåí-

íÿ ³ ðîçâèòêó æèòòÿ íà Çåìë³.

ЧастинаVIII.Проблемиосмо:оніїтаосмоло:ії

445

Ðîçä³ë 22

ÅËÅÌÅÍÒÈ ÊÎÑÌÎËÎÃ²¯

22.1. Îñíîâí³ õàðàêòåðèñòèêè Âñåñâ³òó

Ðîçä³ë àñòðîíîì³¿, ÿêèé çàéìàºòüñÿ âèâ÷åííÿì âëàñòèâîñòåé íàâêîëèø-

íüîãî Âñåñâ³òó, íàçèâàºòüñÿ êîñìîëîã³ºþ. Êîñìîëîã³ÿ ìàº çàâäàííÿ ç’ÿñóâà-

òè, ÿê â³äáóëîñÿ íàðîäæåííÿ Âñåñâ³òó; ùî ñîáîþ ÿâëÿº ãåîìåòðè÷íà ñòðóê-

òóðà éîãî ïðîñòîðó ³ ÷àñó; ñôîðìóëþâàòè çàêîíè ðîçâèòêó Âñåñâ³òó ÿê ö³-

ëîãî; äàòè êîíêðåòí³ â³äïîâ³ä³ íà ïèòàííÿ, ÿê³ ïðîöåñè ïðèçâåëè äî

ôîðìóâàííÿ ãàëàêòèê òà ¿õí³õ ñêóï÷åíü. Ñïîñòåðåæíîþ îñíîâîþ êîñìîëî-

ã³¿ º âñ³ äàí³ ïîçàãàëàêòè÷íî¿ àñòðîíîì³¿, à òåîðåòè÷íèì ï³äìóðêîì —

çàãàëüíà òåîð³ÿ â³äíîñíîñò³.

Ï³ä òåðì³íîì «Âñåñâ³ò, ùî ñïîñòåð³ãàºòüñÿ» áóäåìî ðîçóì³òè òó ÷àñòèíó Âñå-

ñâ³òó, ÿêà äîñòóïíà äëÿ ñïîñòåðåæåíü çà äîïîìîãîþ ñó÷àñíèõ àñòðîíîì³÷íèõ

³íñòðóìåíò³â. Ñüîãîäí³ îïòè÷í³ ³ ðàä³îòåëåñêîïè äîçâîëÿþòü «çàãëÿíóòè» ó òàê³

â³ääàëåí³ îáëàñò³ Âñåñâ³òó, çâ³äêè âèïðîì³íþâàííÿ ïîäîðîæóº ïîíàä 10 ì³ëü-

ÿðä³â ðîê³â, ïîêè äîñÿãíå Çåìë³, ïðîõîäÿ÷è ïðè öüîìó â³äñòàíü ó 10

ì. Âñå-

ñâ³ò ìàº ê³ëüêà ôóíäàìåíòàëüíèõ âëàñòèâîñòåé, ÿê³ ìè ðîçãëÿíåìî íèæ÷å.

Ðîçïîä³ë ðå÷îâèíè â ñïîñòåðåæóâàí³é ÷àñòèí³ Âñåñâ³òó. Ðå÷îâèíà Âñåñâ³-

òó ðîçïîä³ëåíà îäíîð³äíî. Çíà÷í³ íåîäíîð³äíîñò³, ùî ìàþòü ì³ñöå ó â³äíîñ-

íî íåâåëèêèõ ìàñøòàáàõ, ñòàþòü íåïîì³òíèìè, êîëè ìè ïåðåõîäèìî äî ðîç-

ãëÿäó âåëèêèõ ìàñøòàá³â. Íàïðèêëàä, ðå÷îâèíà Ñîíÿ÷íî¿ ñèñòåìè çîñåðå-

äæåíà â îñíîâíîìó â Ñîíö³ ³ ïëàíåòàõ, à ì³æïëàíåòíèé ïðîñò³ð ìîæíà

ââàæàòè ïðàêòè÷íî ïîðîæí³ì. Íà ãàëàêòè÷íèõ â³äñòàíÿõ, ìè çíîâó ç³øòîâ-

õóºìîñÿ ç ïîì³òíîþ íåîäíîð³äí³ñòþ — ìàñà â îñíîâíîìó ñêîíöåíòðîâàíà â

çîðÿõ, à ãóñòèíà ðå÷îâèíè â ì³æçîðÿíîìó ïðîñòîð³ íåõòîâíî ìàëà. ßêùî æ

ìè âåñü îá’ºì Âñåñâ³òó, ùî ñïîñòåð³ãàºòüñÿ, ïîä³ëèìî íà êóá³÷í³ ñêëàäîâ³ ç

ðåáðîì êóáà áëèçüêî 200 Ìïê, ï³äðàõóºìî ìàñó, ùî âì³ùóºòüñÿ â êîæí³ì

êóá³, à ïîò³ì çíàéäåìî ñåðåäíþ ãóñòèíó ó êîæí³é êóá³÷í³é êîì³ðö³, òî âè-

ÿâèòüñÿ, ùî îòðèìàí³ ñåðåäí³ çíà÷åííÿ ãóñòèíè äëÿ ð³çíèõ êîì³ðîê áóäóòü

446

ïðèáëèçíî îäíàêîâèìè, ³ ð³âíèìè ρ = 10

–31

ã/ñì

. Öå çíà÷åííÿ ìè ³ áóäåìî

ââàæàòè ñïîñòåðåæóâàíîþ ñåðåäíüîþ ãóñòèíîþ Âñåñâ³òó. Ç öüîãî âèïëèâàº,

ùî ó âåëèêèõ ìàñøòàáàõ ðå÷îâèíà ðîçïîä³ëåíà äîñèòü îäíîð³äíî.

Ðåë³êòîâå âèïðîì³íþâàííÿ. Êð³ì ðå÷îâèíè, ç ÿêî¿ óòâîðåí³ îá’ºêòè Âñå-

ñâ³òó, ³ âèïðîì³íþâàííÿ ñàìèõ îá’ºêò³â, âåñü îá’ºì çàïîâíåíèé ùå é îñîá-

ëèâèì òèïîì âèïðîì³íþâàííÿ, ùî çâåòüñÿ ðåë³êòîâèì (öåé òåðì³í áóäå

ïîÿñíåíèé íèæ÷å). Éîãî ³ñíóâàííÿ áóëî â³äêðèòî â 1965 ðîö³, çíà÷íîþ ì³-

ðîþ âèïàäêîâî. Ðåë³êòîâå âèïðîì³íþâàííÿ — öå ðàä³îõâèë³ ç äîâæèíîþ â

³íòåðâàë³ â³ä 0,05 ñì äî 50 ñì. ²íòåíñèâí³ñòü ðåë³êòîâîãî âèïðîì³íþâàííÿ

âèçíà÷àºòüñÿ éîãî òåìïåðàòóðîþ T = 2,725 K. Ñïåêòð öüîãî âèïðîì³íþâàí-

íÿ ïîêàçàíî íà ðèñ. 22.1. ²ñíóâàííÿ ðåë³êòîâîãî âèïðîì³íþâàííÿ òåîðåòè-

÷íî ïåðåäáà÷èâ Ã. À. Ãàìîâ (1904–1968, ÑØÀ).

Ëèøå ç ïî÷àòêîì 90-õ pp. XX ñò. âäàëîñÿ âèÿâèòè ôëóêòóàö³¿ ³íòåíñèâ-

íîñò³ ÐÂ íà ð³âí³ δT/T ~ 5⋅10

–5

. Çàâäÿêè öüîìó îòðèìàíî åêñïåðèìåíòàëü-

íå ï³äòâåðäæåííÿ óÿâëåííÿ ïðî ôàçó ³íôëÿö³¿ ó ðîçâèòêó Âñåñâ³òó. Òàêîæ

— çãàäàí³ ó Âñòóï³ ÷èñëîâ³ îö³íêè âíåñêó îêðåìèõ ñêëàäîâèõ ó ïîâíó ìàñó

é åíåðã³þ, ùî âèçíà÷àþòü áóäîâó é åâîëþö³þ Âñåñâ³òó.

Êîñìîëîã³÷íå ðîçøèðåííÿ Âñåñâ³òó. Ïàðàìåòð Õàááëà. Âñåñâ³ò ïåðåáóâàº

â ñòàí³ áåçïåðåðâíîãî ðîçøèðåííÿ. Øâèäê³ñòü âçàºìíîãî â³ääàëåííÿ, íà-

ïðèêëàä, äâîõ ñêóï÷åíü ãàëàêòèê ïðîïîðö³éíà â³äñòàí³ r ì³æ íèìè:

V = H⋅r (22.1)

Ç öüîãî ñï³ââ³äíîøåííÿ âèïëèâàº, ùî ÷èì äàëüøèé îá’ºêò ìè ñïîñòåð³-

ãàºìî, òèì ç á³ëüøîþ øâèäê³ñòþ â³í â³ääàëÿºòüñÿ â³ä íàñ.

Ð è ñ. 22.1. Çàãàëüíèé ñïåêòð ðåë³êòîâîãî ðàä³îâèïðîì³íþâàííÿ

ЧастинаVIII.Проблемиосмо:оніїтаосмоло:ії

447

Âïåðøå ãëîáàëüíå ðîçøèðåííÿ âèÿâèâ Å. Õàááë íàïðèê³íö³ 20 ðîê³â XX

ñòîë³òòÿ. Âèâ÷àþ÷è ñïåêòðè ³íøèõ ãàëàêòèê, â³í óñòàíîâèâ, ùî ñïåêòðàëü-

í³ ë³í³¿ çì³ùåí³ â äîâãîõâèëüîâèé, òîáòî ÷åðâîíèé á³ê ñïåêòðà (òàê çâàíå

÷åðâîíå çì³ùåííÿ). Ïðè÷îìó, ÷èì á³ëüøîþ º â³äñòàíü äî ãàëàêòèêè, òèì

á³ëüøèì âèÿâëÿºòüñÿ ÷åðâîíèé çñóâ. Êîåô³ö³ºíò ïðîïîðö³éíîñò³ Í â ôîð-

ìóë³ (22.1) — öå ïàðàìåòð Õàááëà, ââåäåíèé ó ðîçä³ë³ 20.

Ãëîáàëüíå ðîçøèðåííÿ ïðîñòîðó Âñåñâ³òó íàçèâàºòüñÿ êîñìîëîã³÷íèì ³ ñòàº

ïîì³òíèì ò³ëüêè äëÿ âåëèêèõ â³äñòàíåé. Íå ìàº ñåíñó ãîâîðèòè ïðî êîñìîëî-

ã³÷íå ðîçøèðåííÿ â ìåæàõ, ñêàæ³ìî, Ñîíÿ÷íî¿ ñèñòåìè, íàøî¿ Ãàëàêòèêè ÷è

îêðåìî âçÿòî¿ ãàëàêòèêè ùîäî ³íøèõ ó ïåâíîìó ñêóï÷åíí³, áî ñèëà ãðàâ³òàö³é-

íî¿ âçàºìîä³¿ òóò ùå çäàòíà ïðîòèñòîÿòè öüîìó ãëîáàëüíîìó ðîçøèðåííþ. Äå-

ÿê³ ç áëèçüêèõ ãàëàêòèê íàâ³òü íàáëèæàþòüñÿ äî íàñ. Àëå äëÿ â³ääàëåíèõ îá’-

ºêò³â — ñêóï÷åíü ãàëàêòèê — ðåçóëüòóþ÷à øâèäê³ñòü çàâæäè ñâ³ä÷èòü ïðî çðî-

ñòàííÿ âçàºìíî¿ â³äñòàí³ ç ÷àñîì. Ïðîñòèé ³ íàî÷íèé ïðèêëàä, ùî äîçâîëÿº

óÿâèòè ñîá³ ãëîáàëüíå ðîçøèðåííÿ, — öå çá³ëüøåííÿ â³äñòàí³ ì³æ áóäü-ÿêèìè

çàäàíèìè òî÷êàìè íà ïîâåðõí³ ïîâ³òðÿíî¿ êóëüêè, ùî íàäóâàºòüñÿ.

²íø³ âëàñòèâîñò³ Âñåñâ³òó.

à) Âñåñâ³ò â îñíîâíîìó ñêëàäàºòüñÿ ç ðå÷îâèíè òà âèïðîì³íþâàííÿ. Â çà-

ãàëüí³é ìàñ³ àíòèðå÷îâèíè ôàêòè÷íî íå âèÿâëåíî.

á) Ïðîñò³ð Âñåñâ³òó ìîæíà ââàæàòè ïëîñêèì (³íøèìè ñëîâàìè êðèâèíà ïðî-

ñòîðó º íóëüîâà), à éîãî ãåîìåòð³ºþ, º ãåîìåòð³ÿ Åâêë³äà. Çîêðåìà, òóò ñóìà âñ³õ

êóò³â òðèêóòíèêà ð³âíà 180°, à ïàðàëåëüí³ ïðÿì³ í³äå íå ïåðåòèíàþòüñÿ.

Ïåðøîþ òåîðåòè÷íîþ ìîäåëëþ, ÿêà óñï³øíî ïîÿñíèëà áàãàòî ñïîñòåðå-

æóâàíèõ âëàñòèâîñòåé Âñåñâ³òó, ñòàëà ìîäåëü Âåëèêîãî Âèáóõó. Äî ¿¿ ðîçãëÿ-

äó ìè çâåðíåìîñÿ äàë³.

22.2. Åâîëþö³ÿ Âñåñâ³òó

Çàãàëüí³ âëàñòèâîñò³ Âñåñâ³òó, çàêîíîì³ðíîñò³ éîãî ðîçâèòêó äîñë³äæóþòü

øëÿõîì ïîáóäîâè êîñìîëîã³÷íèõ ìîäåëåé. Îñíîâí³ ð³âíÿííÿ òóò îòðèìóþòü,

âèõîäÿ÷è ³ç çàãàëüíî¿ òåîð³¿ â³äíîñíîñò³. Ïîáóäóâàòè æ ìîäåëü Âñåñâ³òó —

çíà÷èòü âèÿâèòè, ÿê ç ÷àñîì t çì³íþþòüñÿ éîãî ïàðàìåòðè: ãóñòèíà, òåìïå-

ðàòóðà ³ â³äñòàí³ ì³æ äîâ³ëüíî âçÿòèìè ñêóï÷åííÿìè ãàëàêòèê.

Îñíîâí³ ð³âíÿííÿ, ùî îïèñóþòü åâîëþö³þ ïðîñòîðó Âñåñâ³òó ç íóëüîâîþ

êðèâèíîþ, ìàþòü òàêó ôîðìó:

1() 4

() 0,

() 4 3

()()0.

da t G

dat G p

dt c

πρ



−=





+ρ+ =

(22.2)

Розділ22.Елементи осмоло:ії

448

Òóò âèêîðèñòàíî òàê³ ïîçíà÷åííÿ: a(t) — ìàñøòàáíèé ôàêòîð Âñåñâ³òó,

éîãî çàëåæí³ñòü â³ä ÷àñó t âèçíà÷àº, ÿê çì³íþþòüñÿ ç ÷àñîì ïðîñòîðîâ³ â³ä-

ñòàí³ ó Âñåñâ³ò³, òîáòî r(t)=a(t)⋅r(t

), äå r(t

) — öå â³äñòàíü íà ìîìåíò ÷àñó

; ρ — ãóñòèíà ðå÷îâèíè ³ åíåðã³¿ (åíåðã³ÿ ³ ðå÷îâèíà — öå åêâ³âàëåíòí³ ïî-

íÿòòÿ);

p — ã³äðîäèíàì³÷íèé òèñê ðå÷îâèíè ³ âèïðîì³íþâàííÿ; G — ãðàâ³-

òàö³éíà ñòàëà; c — øâèäê³ñòü ñâ³òëà.

Ïåðøå ð³âíÿííÿ îïèñóº çàêîí çáåðåæåííÿ ïîâíî¿ åíåðã³¿ ñèñòåìè â ðîç-

ðàõóíêó íà îäèíèöþ ìàñè (ïåðøèé ÷ëåí ó ë³â³é ÷àñòèí³ — ê³íåòè÷íà åíåð-

ã³ÿ, äðóãèé — ïîòåíö³àëüíà). Äðóãå ð³âíÿííÿ — öå ð³âíÿííÿ ðóõó, ÿêå ïî-

êàçóº, ùî ñèëà îáóìîâëåíà òèñêîì òà ãóñòèíîþ ðå÷îâèíè ³ âèïðîì³íþâàí-

íÿ. Äëÿ ðîçâ’ÿêó íàâåäåíî¿ ñèñòåìè ð³âíÿíü íåîáõ³äíî çàäàòè çâ’ÿçîê ì³æ

òèñêîì òà ãóñòèíîþ p = p(ρ), òîáòî ð³âíÿííÿ ñòàíó.

Äèôåðåíö³þâàííÿ ïåðøîãî ð³âíÿííÿ (22.2) ³ íàñòóïíà ï³äñòàíîâêà

()dat

ç äðóãîãî äîçâîëÿþòü îòðèìàòè âèðàç äëÿ çì³íè ãóñòèíè Âñåñâ³òó ç ÷àñîì:

() 3 () () ()

() 3 () .

()

d t da t p t p t

tHt

dt a t dt c c



=− ρ + ≡− ρ +





(22.3)

Çàóâàæèìî, ùî

1()

()

da t

at dt

≡

³ º òîé ñàìèé ïàðàìåòð Õàááëà ó ôîðìóë³

(22.1).

Ð³âíÿííÿ (22.3) äàº ìîæëèâ³ñòü îäåðæàòè çàëåæí³ñòü ρ â³ä ìàñøòàáíîãî

ôàêòîðà äëÿ äåÿêèõ âàæëèâèõ âèïàäê³â.

à) ßêùî âèïðîì³íþâàííÿ òà ðåëÿòèâ³ñòñüê³ ÷àñòèíêè äàþòü îñíîâíèé

âêëàä ó òèñê, ð³âíÿííÿ ñòàíó ìàº âèä

Òîìó ç (22.3) îäåðæèìî:

() 4 ()

().

()

d t da t

dt a t dt

=− ρ

(22.4)

²íòåãðóâàííÿ öüîãî ð³âíÿííÿ ïðèâîäèòü äî íàñòóïíî¿ çàëåæíîñò³:

−

ρ∝ ⇒ρ ∝

(22.5)

á) ßêùî íåðåëÿòèâ³ñòñüêà ðå÷îâèíà äîì³íóº íàä âèïðîì³íþâàííÿì, àëå

òèñê, ïîâ’ÿçàíèé ç íåþ, íåõòîâíî ìàëèé, òî

ρ

Íåâàæêî çíàéòè, ùî

ïðè òàê³é óìîâ³:

() 3 ()

(),

()

d t da t

dt a t dt

=− ρ

(22.6)

ЧастинаVIII.Проблемиосмо:оніїтаосмоло:ії

449

ùî ïðèâîäèòü äî òàêî¿ çàëåæíîñò³:

aaconst

−

ρ∝ ⇒ρ =

(22.7)

â) Äëÿ äîñèòü åêçîòè÷íîãî ð³âíÿííÿ ñòàíó

=−ρ

îòðèìóºìî òðèâ³àëü-

íèé ðåçóëüòàò:

()

const

=⇒ρ=

(22.8)

Êîæåí ç íàâåäåíèõ âèùå ïðèêëàä³â ìàº â³äíîøåííÿ äî êîíêðåòíîãî åòà-

ïó åâîëþö³¿ Âñåñâ³òó.

22.2.1. Íàðîäæåííÿ Âñåñâ³òó. Ñèíãóëÿðí³ñòü

Ùîá ïîÿñíèòè ñïîñòåðåæóâàíå ðîçøèðåííÿ ïðîñòîðó ó êîñìîëîã³÷íèõ

ìàñøòàáàõ, äîâåëîñÿ çðîáèòè ïðèïóùåííÿ ïðî ³ñíóâàííÿ ïåðâ³ñíîãî ïî-

øòîâõó — Âåëèêîãî Âèáóõó, ÿêèé íàäàâ ðå÷îâèí³ Âñåñâ³òó åíåðã³þ, äîñòàò-

íþ äëÿ ïîäîëàííÿ ñèëè ãðàâ³òàö³éíîãî ïðèòÿãàííÿ ³ íàñòóïíîãî ðîçøèðåí-

íÿ. ßêùî ñüîãîäí³ Âñåñâ³ò ðîçøèðþºòüñÿ, öå îçíà÷àº, ùî êîëèñü ðîçøèðåí-

íÿ ïî÷àëîñÿ ç íàäãóñòîãî ñòàíó, ó ÿêîìó âñÿ ðå÷îâèíà íà÷åáòî áóëà

çîñåðåäæåíà â äóæå ìàëîìó îá’ºì³. Ïðè öüîìó ãóñòèíó ïåðâ³ñíîãî ñòàíó

ìîæíà ââàæàòè ïðàêòè÷íî íåñê³í÷åííî âåëèêîþ. Òàêèé ñòàí íàçâàíî ñèí-

ãóëÿðí³ñòþ. Â³äïîâ³äíî äî ìîäåë³ Âåëèêîãî Âèáóõó, ðîçøèðåííÿ Âñåñâ³òó

ïî÷àëîñÿ ñàìå ç³ ñòàíó ñèíãóëÿðíîñò³.

Çì³íó ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà ç ÷àñîì çíàõîäèìî ³ç ïåðøîãî ð³âíÿííÿ

(22.2):

() 8 1 8

()

da t G G

ππ

=ρ≡ ρ

(22.9)

Íà ïî÷àòêîâîìó åòàï³ åâîëþö³¿ Âñåñâ³òó, áåçïîñåðåäíüî ï³ñëÿ Âåëèêîãî

Âèáóõó, ãóñòèíà åíåðã³¿ âèïðîì³íþâàííÿ äîì³íóâàëà íàä ãóñòèíîþ íåðåëÿ-

òèâ³ñòñüêî¿ ðå÷îâèíè







; òîìó, ÿê áóëî çíàéäåíî âèùå,

.aa

−

ρ∝

Ç âðàõóâàííÿì öüîãî, ³íòåãðóâàííÿ (22.9) ïðèâîäèòü äî òàêî¿ çàëåæíîñò³

ìàñøòàáíîãî ôàêòîðà â³ä ÷àñó ó ìîëîäîìó Âñåñâ³ò³:

() () .at t at t∝⇒ ∝

(22.10)

ßê â³äîìî, ãóñòèíà åíåðã³¿ âèïðîì³íþâàííÿ çàëåæèòü â³ä òåìïåðàòóðè,

òîáòî

.Tρ∝

Òîìó äëÿ

−

ρ∝

at∝

òåìïåðàòóðà ó ïåðâ³ñíîìó Âñåñâ³ò³

Розділ22.Елементи осмоло:ії

450

áóäå ñïàäàòè çà çàêîíîì:

() .Tt

∼

Òî÷íå ñï³ââ³äíîøåííÿ, ÿêå âèïëèâàº ç

òåîð³¿, º òàêèì:

3,4 10

() .

⋅

(22.11)

Çã³äíî ç ö³ºþ ôîðìóëîþ òåìïåðàòóðà Âñåñâ³òó äîñÿãàëà 10

Ê ïðèáëèçíî

÷åðåç 10

–44

ñ ï³ñëÿ éîãî íàðîäæåííÿ (çãàäàºìî, ùî òåìïåðàòóðà â öåíòð³ Ñîí-

öÿ ñêëàäàº 1,5⋅10

Ê — âåëè÷èíà ì³çåðíî ìàëà â ïîð³âíÿíí³ ç òåìïåðàòóðîþ

íàðîäæåíîãî Âñåñâ³òó). Ââàæàºòüñÿ, ùî òàêîþ áóëà ïî÷àòêîâà òåìïåðàòóðà.

Âæå ÷åðåç îäíó ì³êðîñåêóíäó ï³ñëÿ Âåëèêîãî Âèáóõó òåìïåðàòóðà çíèçèëàñÿ

äî 10

Ê, à ÷åðåç îäíó ñåêóíäó — äî äåñÿòè ì³ëüÿðä³â ãðàäóñ³â.

22.2.2. Ïåðâèííà ïëàçìà. Àäðîííà ³ ëåïòîííà åðè

Ó ïåðø³ ìèò³ ï³ñëÿ Âåëèêîãî Âèáóõó òåìïåðàòóðà áóëà, ³ìîâ³ðíî, íàñò³-

ëüêè âèñîêà, ùî â ïåðâèíí³é ïëàçì³ ó âåëèê³é ê³ëüêîñò³ íàðîäæóâàëèñÿ ÷à-

ñòèíêè ð³çíî¿ ìàñè.

Êîæíà ÷àñòèíêà ìàº íàá³ð âèçíà÷åíèõ õàðàêòåðèñòèê, òàêèõ, ÿê ìàñà,

åëåêòðè÷íèé çàðÿä ³ äåÿê³ ³íø³. Ìàñà ñïîêîþ ÷àñòèíêè òà ¿¿ åíåðã³ÿ ïîâ’ÿ-

çàí³ äîáðå â³äîìèì ñï³ââ³äíîøåííÿì:

E = mc

. (22.12)

Ùå îäíå äóæå âàæëèâå ïðàâèëî ì³êðîñâ³òó — ñï³ââ³äíîøåííÿ Ãåéçåíáåðãà:

∆E⋅∆t ≈ h (h — ñòàëà Ïëàíêà). Â³äïîâ³äíî äî öüîãî ñï³ââ³äíîøåííÿ ïåâíèé

«ñïëåñê» åíåðã³¿ ∆Å ìîæå âèíèêíóòè é ³ñíóâàòè ò³ëüêè ïðîòÿãîì ïðîì³æêó ÷àñó

∆t. ×àñòèíêè, ÿê³ âèíèêàþòü âíàñë³äîê öèõ åíåðãåòè÷íèõ ñïëåñê³â, ³ñíóþòü

âèçíà÷åíèé ÷àñ, à ïîò³ì çíèêàþòü, çâóòüñÿ â³ðòóàëüíèìè ÷àñòèíêàìè.

Êîæí³é ÷àñòèíö³ â³äïîâ³äàº êîíêðåòíà àíòè÷àñòèíêà, ïðè÷îìó ¿õí³ ìàñè îä-

íàêîâ³. Íàïðèêëàä, äëÿ åëåêòðîíà å

–

, ùî ìàº â³ä’ºìíèé åëåêòðè÷íèé çàðÿä, àí-

òè÷àñòèíêîþ º ïîçèòðîí å

. Óñ³ õàðàêòåðèñòèêè ïîçèòðîíà é åëåêòðîíà çá³ãàþòü-

ñÿ çà âèíÿòêîì îäíîãî — çíàêó åëåêòðè÷íîãî çàðÿäó. Äëÿ ïðîòîíà (åëåêòðè÷íèé

çàðÿä äîäàòíèé) àíòè÷àñòèíêîþ º àíòèïðîòîí, ùî íåñå â³ä’ºìíèé çàðÿä. Íåéò-

ðîí íå ìàº åëåêòðè÷íîãî çàðÿäó, ïðîòå, äëÿ íåéòðîíà àíòè÷àñòèíêîþ º àíòèíåé-

òðîí, ùî â³äð³çíÿºòüñÿ â³ä íüîãî ³íøîþ ñïåöèô³÷íîþ õàðàêòåðèñòèêîþ.

Íàâêîëèøí³é ñâ³ò, Ñîíöå é ³íø³ çîð³ ñêëàäàþòüñÿ ç ÷àñòèíîê — ïðîòî-

í³â, íåéòðîí³â, åëåêòðîí³â. ×àñòêà àíòè÷àñòèíîê ó Âñåñâ³ò³, çäàºòüñÿ, ì³çåð-

íî ìàëà. Öåé ôàêò ìàº âàæëèâå êîñìîëîã³÷íå çíà÷åííÿ, â³í ïîðîäæóº ïðîá-

ëåìó çàðÿäîâî¿ àñèìåòð³¿ Âñåñâ³òó ³ áóäå äîêëàäí³øå ðîçãëÿíóòèé äàë³.

ЧастинаVIII.Проблемиосмо:оніїтаосмоло:ії