Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

7. Дальнейшее развитие Вселенной разделяют на четыре эры:

адронную, лептонную, излучения и вещества. В адронную и

лептонную эру, продолжавшуюся 10 с, температура Вселенной

после взрыва упала до б млрд градусов и образовался основной

химический состав вещества Вселенной, состоящий из 75%

водорода и 25% гелия. На стадии излучения происходило

непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот,

излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и

излучением сохранялась симметрия.

Вопросы для контроля знаний

1. На какую физическую теорию опирается современная

космология?

2. Какие этапы в своем развитии прошла эта космология?

3. Что собой представляет стандартная модель Вселенной?

4. Когда по стандартной модели произошел Большой взрыв?

5. Как реликтовое излучение подтверждает стандартную

модель?

6. Как связана эволюция Вселенной с разрешением прежних

симметрии между физическими взаимодействиями?

7. Расскажите о значении открытий в космологии для

формирования научного мировоззрения.

8. Сформулируйте закон Хаббла.

9. Какими наблюдениями подтверждается расширение

Вселенной?

10. Охарактеризуйте кратко эволюцию Вселенной.

10. Почему в результате первичного нуклеосинтеза не

могли образоваться химические элементы, наблюдаемые в

современной Вселенной?

11.Как можно доказать, что все произошло из ничего?

11.На какие экспериментальные данные опирается современная

космология?

12. Расскажите вкратце об эволюции Вселенной до

возникновения макротел.

13. Чем отличается космология, космогония,

астрономия, астрофизика, космонавтика?

14. Как влияют фундаментальные взаимодействия на

разные уровнях организации материи?

12. Какова природа реликтового излучения?

300

Глава 13. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

НЕБЕСНЫХ ТЕЛ, ЗЕМЛИ

...Сущность Вселенной не имеет в себе

силы, которая могла бы

противостоять мужеству познания.

Г. Гегель

13.1. Происхождение и эволюция галактик и звезд

При построении рассмотренной нами выше космологической

модели Вселенной принималось, что вещество в ней распределено

однородно и изотропно. Имеется в виду среднее по Метагалактике

распределение вещества. В действительности в настоящее время

значительная масса вещества сконденсирована в форме галактик и

скоплений галактик. Возникают следующие вопросы: какие

причины приводят к фрагментации первоначально однородно

распределенного, расширяющегося вещества Вселенной и почему

наиболее существенные свойства галактик — их формы, размеры и

массы — именно таковы?

Впервые вопрос о фрагментации однородно распределенного

вещества рассмотрел английский ученый Дж. Джинс в 1902 г. Он

исходил из того, что если в однородной среде возникает по каким-

либо причинам сгущение — неоднородность с размерами г, то она

может либо продолжать уплотняться (расти) под действием

собственного тяготения, либо рассасываться (затухать) под

действием газового давления. Направление протекания процесса

зависит от того, будет ли размер сгущения больше или меньше

критического. Критический размер легко оценить, если

301

приравнять газовое давление в сгустке , давлению

силы тяжести

Из этого условия следует, что размер сгущения

определяется следующим соотношением:

Сгущения определенной массы могут формироваться лишь

при определенных соотношениях между величинами Т и р.

Если, например, плотность догалактического вещества р 10

-24

г/см

(это средняя плотность Галактики), то сгущение массой m

может образоваться лишь в случае, если температура Т

К. При меньшей температуре образуются сгущения

меньшей массы.

Наряду с массой важнейшей характеристикой галактики

является мера ее осевого вращения — вращательный момент

на единицу массы. Мера вращения у эллиптических галактик

гораздо меньше, чем у спиральных галактик. Очень медленное

вращение эллиптических галактик не может объяснить их

наблюдаемую эллиптичность, т. е. сплюснутость, подобно,

например, тому, как действием центробежной силы можно

объяснить сплюснутость земного шара у полюсов. По-

видимому, сплюснутость эллиптических галактик объясняется

самим характером звездных движений в таких галактиках. В

противоположность этому влияние центробежной силы у

сравнительно быстро вращающихся рукавов спиральных

галактик весьма существенно. Есть среди части ученых

мнение, что различия между эллиптическими и спиральными

галактиками не являются эволюционным эффектом. Другими

словами, галактики рождаются либо как спиральные, либо как

эллиптические, и в процессе эволюции тип галактики

сохраняется. Структура галактики определяется начальными

условиями ее образования, например характером вращения

того сгустка газа, из которого она образовалась.

302

В настоящее время имеются уже довольно хорошо

разработанные модели превращения огромного облака газа,

сжимающегося в результате действия закона всемирного тяготения

сперва в протогалактику, а потом в галактику. В самом начале

следует представить себе огромный газовый шар, сжимающийся по

закону свободного падения к центру. Первоначальная температура

этого газа могла быть достаточно высокой, быстро уменьшалась,

причем из-за гравитационной неустойчивости образовывались

больших размеров сгущения, эволюционировавшие в облака.

Благодаря беспорядочным движениям, эти облака сталкивались, что

вело к их дальнейшему уплотнению. На этом довольно раннем этапе

из облаков стали образовываться звезды "первого поколения",

состоящие в основном из водорода и гелия. Наиболее массивные из

них успевали проэволюционировать задолго до того, как

прекратилось сжатие протогалактик. Взрываясь как сверхновые, они

обогащали межзвездную среду металлами. По этой причине звезды

следующих поколений имели уже другой химический состав. Это

привело, например, к тому, что звезды вблизи центра эллиптических

галактик более богаты тяжелыми элементами, чем находящиеся на

периферии, что как раз и наблюдается.

В спиральных протогалактиках звездообразование шло

медленнее. Поэтому в них смог образоваться газовый диск довольно

значительной массы. Этому способствовало также довольно

быстрое вращение спиральных протогалактик, препятствующее

оттоку всего газа в область ядра и превращению его там в звезды.

Другими словами, вращение протогалактик уменьшает скорость

звездообразования.

Таким образом, разные типы галактик происходят от прото-

облаков с разными плотностями и разным разбросом скоростей

внутренних движений. В частности, эллиптические галактики

образовались из более плотных облаков газа, находящегося в

состоянии довольно быстрого беспорядочного движения. В

"бедных" разряженных скоплениях наблюдаются преимущественно

спиральные галактики. Возраст галактик практически равен

возрасту Вселенной.

303

Звезды могут образовываться в результате гравитационного

сжатия неоднородностей в межзвездной среде. Межзвездная среда

распределена очень неоднородно, она имеет клочковатую структуру.

В некоторой области среды выполняется критерий Джинса и эти

комплексы являются гравитационно неустойчивыми, они должны

сжиматься. По мере сжатия критерий гравитационной

неустойчивости Джинса начинает выполняться для

неоднородностей внутри облака с меньшими массами, вплоть до

солнечной. Массивное газопылевое облако начинает дробиться на

менее массивные части, которые, сжимаясь, дают начало звездам.

Для того чтобы образовавшаяся неоднородность массой, равной

массе звезды, — протозвезда — могла сжиматься дальше,

необходимо, чтобы по мере сжатия из нее отводилось тепло,

выделившееся при сжатии. Таким механизмом отвода тепла

является инфракрасное излучение пыли и молекул межзвездного

газа. Значит, протозвезды являются мощными источниками

инфракрасного излучения. По мере того как протозвезда сжимается,

плотность ее растет, растет ее непрозрачность к инфракрасному

излучению.

Дальнейшее, более медленное сжатие происходит до тех пор,

пока температура внутри звезды не повысится настолько, что

становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из

водорода. Расчеты показывают, что сжатие протосолнца от радиуса

R = 10R

до R = 1R

продолжалось около 20 млн лет. Более

массивные протозвезды эволюционируют быстрее, менее массивные

— медленнее.

Стабильное по излучению и свойствам состояние звезды

продолжается до тех пор, пока в ее недрах не исчерпается ядерное

горючее — водород. Ясно, что массивные звезды благодаря своей

высокой светимости исчерпают свой водород быстрее, чем менее

массивные.

По мере исчерпания водорода в центре звезды коэффициент

непрозрачности вещества непрерывно уменьшается. Это приводит к

непрерывной перестройке звезды, сопровождающейся сжатием ее

ядра и ростом протяженности оболочки. Ядерные реакции синтеза

гелия из водорода идут в узком слое, непосредственно окружающем

ядро. По мере выгорания водорода в

304

слоевом источнике масса гелиевого ядра постепенно увеличивается.

Это приводит к увеличению силы тяжести, дальнейшему сжатию

ядра и увеличению его температуры. При этом растет светимость

звезды. Энергия не успевает переноситься наружу излучением,

наступает конвенция. Сжатие ядра и повышение температуры

происходит до тех пор, пока в нем не начнутся термоядерные

реакции синтеза более тяжелых химических элементов. Например,

при температуре в сотни миллионов градусов происходит синтез

ядер атома углерода при слиянии трех ядер атома гелия, а затем при

еще более высоких температурах образуются кислород, неон и т. д.

При этом выделяется большое количество энергии, способное

остановить сжатие ядра. Реакции синтеза идут с выделением

энергии вплоть до образования ядер атомов железа. Образование

более тяжелых химических элементов требует затраты энергии и

приводит к охлаждению звезды. После выгорания водорода в ядре

звезда становится красным гигантом или сверхгигантом в

зависимости от массы звезды.

Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то после

исчерпания водорода в ядре оно начнет сжиматься. Сжатие ядра

останавливается давлением вырожденного электронного газа, т. е.

ядро звезды представляет собой звезду — белый карлик. В то же

время оболочка звезды увеличивается в размерах до 10-100

радиусов Солнца, так что сама становится красным гигантом.

Довольно быстро оболочка вообще отделяется от ядра и на месте

звезды остается ядро — звезда белый карлик и расширяющаяся

оболочка, т. е. феномен планетарной туманности. Затем за

несколько тысяч лет расширяющаяся оболочка рассеивается в

межзвездной среде, а белый карлик еще в течение сотен миллионов

лет высвечивает тепловую энергию, запасенную им при сжатии.

Такая судьба ожидает и наше Солнце через 5 млрд лет.

Структура его определяется давлением вырожденного электронного

газа, а перенос энергии из центра определяется теплопроводностью.

Если же первоначальная масса ядра звезды превосходит 1,2

раза массы Солнца, но была меньше 2,4 массы Солнца, то в ней

после исчерпания ядерного горючего происходит катастрофа в

305

виде вспышки сверхновой. Сила тяжести настолько велика, что даже

давление вырожденного электронного газа не в состоянии ей

противодействовать. Поэтому по мере сжатия ядра здесь происходит

распад ядер тяжелых элементов на более простые и превращение

всех частиц в нейтроны. Протоны, которые входят в состав атомных

ядер, образовавшихся на предыдущей стадии эволюции звезды, в

конце концов превращаются в нейтроны. При больших плотностях

(10

кг/м

) из-за принципа запрета Паули в нейтронном газе будет

также действовать специфическая сила отталкивания, и равновесие

поддерживается давлением нейтронного газа. Подтверждением

наличия нейтронных звезд во Вселенной являются пульсары

(пульсирующие звезды, обнаруженные в 1967 г.).

Если масса ядра звезды превосходит 2,5-3 масс Солнца, то ее

неограниченное сжатие под давлением силы гравитации уже ничем

не остановить. Она превращается в черную дыру. Скорость,

необходимая для удаления с этой звезды, становится больше

скорости света. Основываясь на законе всемирного тяготения и

конечности скорости распространения света, возможность

существования черных дыр предсказал еще в XVIII в. Лаплас. Звезда

массой, равной солнечной, при обращении в черную дыру имела бы

радиус 3 км. Теоретические оценки показывают, что число черных

дыр в Галактике может достигать сотен миллионов. Черную дыру

можно обнаружить, если она является компонентом двойной звезды

— она может быть мощным источником рентгеновского излучения.

Примером такого источника можно назвать мощный рентгеновский

источник Лебедь Х-1.

Название "черная дыра" связано с тем, что могучее поле

тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое

излучение (свет, рентгеновское излучение и т. д.). Поэтому черную

дыру нельзя увидеть ни в каком диапазоне электромагнитных волн.

В случае тесной двойной звезды гравитационное воздействие

черной дыры притягивает газ с поверхности обычной звезды,

образуя диск вокруг нее. Температура газа в этом вращающемся

диске может достичь 10

К. При температуре в миллионы Кельвинов

газ будет излучать в рентгеновском диа-

306

пазоне. И по нему можно определить наличие в данном месте

черной дыры.

С эволюцией звезд тесно связан вопрос о происхождении

химических элементов. Если водород и гелий являются элементами,

которые остались от ранних стадий эволюции расширяющейся

Вселенной, то более тяжелые химические элементы могли

образоваться только в недрах звезд при термоядерных реакциях.

Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до

30 химических элементов.

В конце эволюции в зависимости от массы звезда либо

взрывается, либо сбрасывает более спокойно вещество, уже

обогащенное тяжелыми элементами. При этом образуются

остальные элементы периодической системы. Из обогащенной

тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды

следующих поколений. Например, Солнце — звезда второго

поколения, образовавшаяся из вещества, уже однажды побывавшего

в недрах звезд и обогащенного тяжелыми элементами. Вот почему о

возрасте звезд можно судить по их химическому составу,

определенному методом спектрального анализа.

Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних

представлений о происхождении галактик и звезд окажутся

правильными. Но уже теперь нет сомнения в том, что звезды, во-

первых, подчиняясь законам природы, рождаются, живут и

умирают, а не есть однажды созданные и вечно неизменные

объекты Вселенной, и, во-вторых, звезды рождаются группами,

причем процесс звездообразования продолжается в настоящее

время.

13.2. Происхождение планет Солнечной системы

Все у нас, Луцилий, чужое, одно лишь

время нагие. Только время

ускользающее и текучее дала нам во

владенье природа, но и его кто хочет,

тот и отнимет.

Сенека

Для изучения вопросов происхождения небесных тел важным

является определение их возраста. Определение возраста

307

земной коры основано на исследовании содержания в ней

радиоактивных элементов (урана, тория и др.), а также

радиоактивных изотопов таких элементов, как калий, аргон и др.

Как известно, радиоактивные элементы непрерывно распадаются,

причем процесс распада совершенно не зависит от внешних

воздействий. При радиоактивном распаде образуются изотопы

соседних элементов периодической системы Менделеева. Эти

изотопы сами нередко оказываются радиоактивными, а значит, и

они распадаются. Распад заканчивается, когда атомы радиоактивных

элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических

элементов и их изотопы. Например, распад урана (

238

U) завершается

образованием нерадиоактивного изотопа свинца (

206

РЬ). Промежуток

времени (Т), по истечении которого остается половина начального

количества радиоактивных атомов, характеризуется скоростью

распада и называется периодом полураспада. Для определения

возраста земной коры используются медленно распадающиеся

изотопы, например урана (Т 4,5-10

лет), радиоактивный изотоп

калия

К (Т 1,310

лет) и др. Чтобы определить возраст земной

коры, сравнивают содержание радиоактивных элементов и

продуктов их распада в многочисленных пробах, взятых для

анализа. Такое сравнение показывает, что возраст земной коры

около 4,5 млрд лет. Примерно таков же возраст Земли как

оформившейся планеты. К 3,5-4,5 млрд лет близок возраст лунных

пород и метеоритов. Солнце, конечно, не может быть моложе Земли

и Луны. Скорее всего возраст Солнца (желтой звезды) — 5 млрд лет.

Сопоставление возраста Солнечной системы с возрастом

Метагалактики (будем считать его равным 15 млрд лет) показывает,

что Солнце нельзя отнести к звездам "первого поколения". Скорее

всего в состав его и планет вошел газ, уже побывавший в недрах

более старых звезд. На ранних стадиях расширения Метагалактики,

как вы уже знаете, вообще не было тяжелых химических элементов,

которые впоследствии стали центрами конденсации твердых частиц,

необходимых для формирования планет.

Кроме этого факта гипотеза, объясняющая происхождение,

развитие Солнечной системы, должна дать ответы и объяснить

308

следующие основные закономерности, наблюдаемые в строении,

движении, свойствах Солнечной системы:

1.Орбиты всех планет (кроме орбиты Плутона) лежат

практически в одной плоскости, почти совпадающей с плоскостью

солнечного экватора.

2.Все планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым

орбитам в одном и том же направлении, совпадающем с

направлением вращения Солнца вокруг своей оси.

3.Направление осевого вращения планет (за исключением

Венеры и Урана) совпадает с направлением их обращения вокруг

Солнца.

4.Средние расстояния планет от Солнца (за исключением

Нептуна и Плутона) подчиняются определенному закону (правилу

Тициуса—Воде).

5.Суммарная масса планет в 750 раз меньше массы Солнца

(почти 99,9% массы Солнечной системы приходится на долю

Солнца), однако на их долю приходится 98% суммарного момента

количества движения всей Солнечной системы.

6.Планеты делятся на две группы, резко различающиеся между

собой по строению, физическим свойствам, — планеты земной

группы и планеты-гиганты.

7.Подавляющее число спутников обращается вокруг планет

практически по круговым орбитам, лежащим в большинстве случаев

в плоскости экватора планеты, причем (за несколькими

исключениями) направление этого движения совпадает с

направлением осевого вращения планет.

История науки знает множество гипотез о происхождении

Солнечной системы. Причем эти гипотезы появились значительно

раньше, чем стали известны многие важные закономерности

Солнечной системы. Значение первых космогонических гипотез

состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить

происхождение небесных тел как результат естественного процесса,

а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого,

некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о

происхождении небесных тел.

309