Модель Великого Вибуху розширюється Всесвіту

Планети, зірки, галактики вражають нас дивовижною різноманітністюсвоїх властивостей, складністю будови. А як влаштована весь Всесвіт в цілому?

Її головна властивість - однорідність. Вона постає перед нами всюдиоднаковою - «суцільний». Вказуючи з міркувань максимальної простотипристрої на загальну однорідність світу, чудовий мислитель Паскаль
(1623-1662) говорив, що світ - це коло, центр якого всюди, а окружністьніде. Так за допомогою наочного геометричного образу він стверджуваводнорідність світу.

У Всесвіті є і ще один дуже важливий властивість. Вона знаходиться врусі, розширюється. Відстань між скупченнями і сверхскопленіяміпостійно зростає. Вони як би розбігаються один від одного. А мережа комірчастоїструктури розтягується.

В усі часи люди воліли вважати Всесвіт вічною інезмінною. Ця точка зору панувала аж до 20-х років нашогостоліття. У той час вважалося, що вона обмежена розмірами нашої Галактики.
Справжній переворот в науці про Всесвіт зробили в 1922 - 1924 рокахроботи ленінградського математика й фізика А. Фрідмана. Спираючись на тількищо створену тоді А. Ейнштейном загальну теорію відносності, вінматематично довів, що світ - це не щось застигле і незмінне. Якєдине ціле він живе своїм динамічним життям, змінюється в часі,розширюючись або стискуючись за строго певними законами.

Фрідман відкрив рухливість зоряної Всесвіту. Це було теоретичнепередбачення, а вибір між розширенням і стисненням потрібно зробити напідставі астрономічних спостережень. Такі спостереження в 1928 - 1929 рокахвдалося виконати Хабблу, відомого вже нам досліднику галактик.

Він виявив, що далекі галактики і цілі їхні колективи рухаються,віддаляючись від нас на всі боки. Але так і має виглядати, відповідно допророкуваннями Фрідмана, загальне розширення Всесвіту.

Звичайно, це не означає, що галактики розбігаються саме від нас. УНасправді загальне розширення Всесвіту відбувається так, що всі вонивіддаляються один від одного, і з будь-якого місця картина цього разбеганиявиглядає так, як ми бачимо її з нашої планети.

Передбачуваний вік Всесвіту у багато разів перевищує ті тимчасовівідрізки, якими ми оперуємо, описуючи історію людства чи навітьісторію нашої планети. Зародження та еволюція життя на землі є лишенікчемним ланкою в еволюції Всесвіту, а з точки зору людини, процесеволюції Всесвіту відбувається дуже повільно.

Відповідно до загальноприйнятої сьогодні еволюційної теорії Всесвіту, початкомїї був гігантський, розпечений і щільний вогненна куля. Це було близькодесяти мільярдів років тому. Передбачуваний склад цього первинного яйцябув дуже простий: вогненна куля була настільки розжарений, що, найімовірнішеза все, складався лише з вільних елементарних часток, які стрімкорухалися, стикаючись один з одним, хоча, швидше за все, це були не тіелементарні частинки, які сучасні вчені звикли спостерігатисьогодні.

Якийсь час куля перебував у спокої, а потім стався Великий Вибух,і протягом десяти мільярдів років після цієї події, грандіозноївсесвітньої катастрофи, найпростіше безформне речовина поступовоперетворювалося на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалисязірки, системи, що складаються з величезної кількості елементарних частинок здосить простий організацією, і, ймовірно, на деяких планетах могливиникнути форми життя, подібні до земних або ж радикально відрізняються відних.

Отже, стався Вибух, по-англійськи Big Bang, і з цієї секундипочалося розширення Всесвіту, який триває й досі, а момент, зякого Всесвіт початку розширяться, прийнято вважати її початком, хоча,можливо, Світ Яйце, вогненна куля, нескінченно довго перебував устабільному стані. Під розширенням Всесвіту мається на увазі такийпроцес, коли одне й те ж кількість елементарних частинок і фотонівобіймають постійно зростаючий обсяг, а, отже, середня щільність
Всесвіту в результаті розширення поступово знижується. З цього випливає,що минулого щільність Всесвіту була більше, ніж в даний час. Можнаприпустити, що на початку часів (приблизно десять мільярдів років тому)щільність Всесвіту була дуже великою, адже у відносно невеликомуобсязі містилося все існуюче сьогодні речовина. Крім того, високоюповинна була бути і температура, настільки високою, що щільність випромінюванняперевищувала щільність речовини. Інакше кажучи, енергія всіх фотонів,що містяться в 1 куб. см, була більше суми загальної енергії часток,що містяться в 1 куб. см.

На самому ранньому етапі, у перші миті "великого вибуху", всяматерія була фантастично розпеченої густою сумішшю часток, античастинок івисокоенергічних гамма-фотонів. Частки при зіткненні з відповіднимиантичастинками анігілювати, але виникають гамма-фотони моментальноматеріалізувалися в частинки і античастинки, а енергія перетворювалася наречовина.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижуваласяв часі відповідно до простим співвідношенням:

T = 1010 /? t K.

Залежність температури Т від часу t дає нам можливістьвизначити, що наприклад, у момент, коли вік Всесвіту обчислювавсявсього однієї десятитисячне секунди, її температура представляла однабільйон кельвінів.

Температура розпеченої щільної матерії на початковому етапі
Всесвіту з часом знижувалася, що і відображається в співвідношенні. Цеозначає, що знижувалася середня кінетична енергія часток kT. Згідноспіввідношенню h? 'kT знижувалася і енергія фотонів. Це можливо лише в томувипадку, якщо зменшиться їх частота?.

Пониження енергії фотонів в часі мало для виникнення часток іантичастинок шляхом матеріалізації важливі наслідки. Для того, щоб фотонперетворився (матеріалізувався) в частку і античастинку з масою mo іенергією спокою moc2, йому необхідно мати енергію 2moc2 або більшою.
Ця залежність виражається так: h? > = 2moc2

Згодом енергія фотонів знижувалася, і як тільки вона впала нижчетвори енергії частки і античастинки (2moc2), фотони вже не здатнібули забезпечити виникнення частинок і античастинок з масою mo. Так,наприклад, фотон, що володіє енергією меншою, ніж 2.938 МеВ = 938 МеВ, нездатен матеріалізуватися в протон і Антипротон, тому що енергія спокоюпротона дорівнює 938 МеВ.

У попередньому співвідношенні можна замінити енергію фотонів h?кінетичної енергією часток kT, kT> = 2 moc2 тобто

T> = 2 moc2/k

Знак нерівності означає наступне: частинки і відповідні їмантичастинки виникали при матеріалізації в розпеченому речовині до тих пір,поки температура речовини T не впала нижче значення

2 moc2/k

На початковому етапі розширення Всесвіту з фотонів народжувалися частинки іантичастинки. Цей процес постійно слабшав, що призвело до вимираннячастинок і античастинок. Оскільки анігіляція може відбуватися за будь-якоїтемпературі, постійно здійснюється процес частка + античастинка? 2 гамма-фотона за умови дотику речовини з антиречовиною. Процесматеріалізації гамма-фотон? частка + античастинкаміг протікати лише при досить високій температурі. Згідно з тим, якматеріалізація в результаті знижується температури розжареного речовиниприпинилася. Еволюцію Всесвіту прийнято поділяти на чотири ери:адронів, лептонів, фотонів і зоряну.

Адронний ера.

При дуже високих температурах і щільності на самому початкуіснування Всесвіту матерія складалася з елементарних часток. Речовинана ранньому етапі полягало перш за все з адронів, і тому ранняера еволюції Всесвіту називається адронів, незважаючи на те, що в той часіснували і лептони.

Через мільйонну частку секунди з моменту народження Всесвіту,температура T впала на 10 більйонів Кельвіна (1013K). Середня кінетичнаенергія частинок kT і фотонів h? становила близько мільярда еВ (103 МеВ), щовідповідає енергії спокою баріонів. У першу мільйонну частку секундиеволюції Всесвіту відбувалася матеріалізація всіх баріонів необмежено,так само, як і анігіляція. Але після цього часу матеріалізаціябаріонів припинилася, тому що при температурі нижче 1013 K фотони НЕволоділи вже достатньою енергією для її здійснення. Процес анігіляціїбаріонів і антібаріонов продовжувався до тих пір, поки тиск випромінювання невідокремив речовина від антиречовини. Нестабільні гіперонів (найважчі збаріонів) в процесі мимовільного розпаду перетворилися на найлегшіз баріонів (протони і нейтрони). Так у всесвіті зникла найбільшагрупа баріонів - гіперонів. Нейтрони могли далі розпадатися в протони,які далі не розпадалися, інакше б порушився закон збереженнябаріонів заряду. Розпад гіперонів відбувався на етапі з 10-6 до 10-4секунди.

До моменту, коли вік Всесвіту досяг однієї десятитисячнесекунди (10-4 с.), температура її знизилася до 1012 K, а енергія частинок іфотонів представляла лише 100 МеВ. Її не вистачало вже для виникненнянайлегших адронів - півонії. Півонії, що існували раніше, розпадалися, анові не могли виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік
Всесвіту досяг 10-4 с., У неї зникли всі мезони. На цьому адронний еразакінчується, тому що півонії є не тільки найлегшими мезонами,але і найлегша адронів. Ніколи після цього сильна взаємодія
(ядерна сила) не проявлялася у Всесвіті в такій мірі, як у адроннийеру, що тривала всього лише одну десятитисячну частку секунди.

Лептонний ера.

Коли енергія частинок і фотонів знизилася в межах від 100 до 1 МеВ
МеВ в речовині було багато лептонів. Температура була досить високою,щоб забезпечити інтенсивне виникнення електронів, позитронів інейтрино. Ядерна фізика (протони і нейтрони), які пережили адронний еру, сталипорівняно з лептона і фотонами зустрічатися набагато рідше.

Лептонний ера починається з розпаду останніх адронів - півонії - вмюони і мюонне нейтрино, а закінчується через кілька секунд притемпературі 1010 K, коли енергія фотонів зменшилася до 1 МеВ іматеріалізація електронів і позитронів припинилася. Під час цього етапупочинається незалежне існування електронного і мюонного нейтрино,які ми називаємо "реліктовими". Весь простір Всесвіту наповнилосявеличезною кількістю реліктових електронних і мюонним нейтрино. Виникаєнейтринної море.

Фотонна ера або ера випромінювання.

На зміну лептонний ери прийшла ера випромінювання, як тільки температура
Всесвіту знизилася до 1010 K, а енергія гамма фотонів досягла 1 МеВ,відбулася лише анігіляція електронів і позитронів. Нові електронно -позитронний пари не могли виникати внаслідок матеріалізації, тому, щофотони не володіли достатньою енергією. Але анігіляція електронів іпозитронів тривала далі, поки тиск випромінювання повністю невідокремив речовина від антиречовини. З часу адронний і лептони ери
Всесвіт була заповнена фотонами. До кінця лептонний ери фотонів було в двамільярди разів більше, ніж протонів і електронів. Найважливішою складовою
Всесвіту після лептонний ери стають фотони, причому не тільки закількості, але і за енергією.

Для того щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у
Всесвіту, була введена величина щільності енергії. Ця кількість енергіїв 1 куб.см, точніше, середня кількість (виходячи з передумови, що речовинау Всесвіті розподілена рівномірно). Якщо скласти докупи енергію h? всіхфотонів, присутніх в 1 куб.см, то ми отримаємо щільність енергіївипромінювання Er. Сума енергії спокою всіх частинок в 1 куб.см є середньоюенергією речовини Em у Всесвіті.

Внаслідок розширення Всесвіту знижувалася щільність енергії фотонів ічастинок. Зі збільшенням відстані у Всесвіті в два рази, обсяг збільшивсяу вісім разів. Іншими словами, щільність частинок і фотонів знизилася ввісім разів. Але фотони в процесі розширення ведуть себе інакше, ніж частинки.
У той час як енергія спокою під час розширення Всесвіту не змінюється,енергія фотонів при розширенні зменшується. Фотони знижують свою частотуколивання, немов "втомлюються" з часом. Внаслідок цього щільність енергіїфотонів (Er) падає швидше, ніж щільність енергії часток (Em).
Переважання у всесвіті фотонній складовою над складовою частинок (маєтьсяна увазі щільність енергії) протягом ери випромінювання зменшувалася до тихпір, поки не зникла повністю. До цього моменту обидві складові прийшли врівновага (тобто Er = Em). Закінчується ера випромінювання і разом з цим період
"Великого вибуху". Так виглядала Всесвіт у віці приблизно 300 000 років.
Відстані в той період були в тисячу разів коротше, ніж в даний час.

"Великий вибух" тривав порівняно недовго, всього лише однутридцятитисячний нинішнього віку Всесвіту. Незважаючи на стислістьстроку, це все ж таки була найграндіозніша ера Всесвіту. Ніколи після цьогоеволюція Всесвіту не була настільки стрімка, як в самому її початку, підчас "великого вибуху". Усі події у Всесвіті в той період стосувалисявільних елементарних частинок, їх перетворень, народження, розпаду,анігіляції. Не слід забувати, що в такий короткий час (всього лишекілька секунд) з багатого розмаїття видів елементарних частинокзникли майже всі: одні шляхом анігіляції (перетворення в гамма-фотони),інші шляхом розпаду на найлегші баріони (протони) і на найлегшізаряджені лептони (електрони).

Після "великого вибуху" настала тривала ера речовини,епоха переважання частинок, так звана "зоряна ера". Вона триваєз часу завершення "великого вибуху" (приблизно 300 000 років) донаших днів. У порівнянні з періодом "великим вибуху" її розвитокпредставляється як ніби надто уповільненим. Це відбувається черезнизької щільності і температури.

Всесвіт вступила в зоряну еру у формі водневого газу з величезнимкількістю світлових і ультрафіолетових фотонів. Водневий газ розширювавсяв різних частинах Всесвіту з різною швидкістю. Неоднаковою була також ійого щільність. Він утворював величезні згустки, у багато мільйонів світловихроків. Маса таких космічних водневих згустків була в сотні тисяч, а то йв мільйони разів більше, ніж маса нашої теперішньої Галактики. Розширеннягазу всередині згустків йшло повільніше, ніж розширення розрідженого воднюміж самими згущені. Пізніше з окремих ділянок за допомогоювласного тяжіння утворилися сверхгалактікі і скупчення галактик.
Отже, найбільші структурні одиниці Всесвіту - сверхгалактікі - єрезультатом нерівномірного розподілу водню, яке відбувалося наранніх етапах історії Всесвіту. Правда, варто відзначити, що цісверхгалактікі мають на рідкість впорядкованим пористу будову.
Колосальні водневі згущення - зародки сверхгалактік і скупченьгалактик - повільно оберталися. Всередині їх утворювалися вихори, схожі навир. Їх діаметр сягав приблизно ста тисяч світлових років. Миназиваємо ці системи протогалактікамі, тобто зародками галактик. Незважаючина свої неймовірні розміри, вихори протогалактік були всього лише незначноючастиною сверхгалактік і за розміром не перевищували одну тисячнусверхгалактікі. Сила гравітації утворювала з цих вихорів системи зірок,які ми називаємо галактиками. Деякі з галактик до цих пірнагадують гігантську завихрення.

Астрономічні дослідження показують, що швидкість обертаннязавихрення зумовлює форму галактики, що народилася з цього вихору. Зповільно обертаються вихорів виникли еліптичні галактики, у той часяк з швидко обертаються народилися сплющені спіральні галактики.

У результаті сили тяжіння дуже повільно обертається вихор стискавсяв кулю чи кілька сплюнути еліпсоїд. Розміри такого правильногогігантського водневого хмари були від декількох десятків до декількохсотень тисяч світлових років. Неважко визначити, які з водневих атомівувійшли до складу народжується еліптичної, точніше кажучи еліпсоїдальноїгалактики, а які залишилися в космічному просторі поза нею. Якщоенергія зв'язку сил гравітації атома на периферії перевищувала його кінетичнуенергію, атом ставав складовою частиною галактики. Ця умова називаєтьсякритерієм Джинса. З його допомогою можна визначити, якою мірою залежаламаса і величина протогалактікі від щільності і температури водневогогазу.

Протогалакті?? а, яка взагалі не оберталася, ставалародоначальницею кульовий галактики. Сплющені еліптичні галактикинароджувалися з повільно обертаються протогалактік. Через недостатнювідцентрової сили переважала сила гравітаційна. Протогалактіка стискаласяі щільність водню в ній зростала. Як тільки щільність досягалапевного рівня, почали виділятися і стискається згустки водню.
Народжувалися протозірок, які пізніше еволюціонували в зірки. Народженнявсіх зірок у кульовий або злегка плескатої галактиці відбувалося майжеодночасно. Цей процес тривав відносно недовго, приблизно стомільйонів років. Це означає, що в еліптичних галактиках всі зіркиприблизно однакового віку, тобто дуже старі. В еліптичнихгалактиках весь водень було вичерпано відразу ж на самому початку, приблизно вперший сотий існування галактики. Протягом наступних 99 сотихцього періоду зірки вже не могли виникати. Таким чином, в еліптичнихгалактиках кількість міжзоряної речовини мізерно.

Галактики, в тому числі і наша, складаються з дуже староїсферичної складової (в цьому вони схожі на еліптичні галактики) із більш молодий плоскої складової, що знаходиться в спіральних рукавах.
Між цими складовими існує кілька перехідних компонентіврізного рівня сплюснутістю, різного віку і швидкості обертання. Будоваспіральних галактик, таким чином, складніше і різноманітніше, ніж будоваеліптичних. Галактики крім цього обертаються значношвидше, ніж еліптичні галактики. Не слід забувати, що вониутворилися з швидко обертаються вихорів сверхгалактікі. Тому встворення спіральних галактик брали участь і гравітаційна і відцентровасили.

Якби з нашої галактики через сто мільйонів років після їївиникнення (це час формування сферичної складової) вивітривсявесь міжзоряний водень, нові зірки не змогли б народжуватися, і нашагалактика стала б еліптичної.

Але міжзоряний газ в ті далекі часи не зник, і, такимчином гравітація і обертання могли продовжувати будівництво нашої та іншихспіральних галактик. На кожен атом міжзоряного газу діяли дві сили
- Гравітація, притягує його до центру галактики і відцентрова сила,виштовхуюча його у напрямку від осі обертання. Зрештою газстискався у напрямку до галактичної площині. В даний часміжзоряний газ сконцентрований до галактичної площини в дуже тонкийшар. Він зосереджений насамперед у спіральних рукавах і являєсобою плоску або проміжну складову, названу зоряним населеннямдругого типу.

На кожному етапі сплющіванія міжзоряного газу в дедалістоншує диск народжувалися зірки. Тому в нашій галактиці можна знайти,як старі, що виникли приблизно десять мільярдів років тому, так і зіркищо народилися недавно в спіральних рукавах, у так званих асоціаціях ірозсіяних скупченнях. Можна сказати, що чим більше сплющений система, вякій народилися зірки, тим вони молодші.

Список літератури

1. Кесарії В.В. "Еволюція речовини у всесвіті" - М.: Атомиздат, 1976.

2. Климишин І.А. "Астрономія наших днів" - М.: Наука, 1976.