Еволюція Всесвіту

Введення

Процес еволюції Всесвіту відбувається дуже повільно. Адже Всесвіт убагато разів старше астрономії і взагалі людської культури. Зародження іеволюція життя на землі є лише нікчемним ланкою в еволюції
Всесвіту. І все ж дослідження проведені в нашому столітті, відкрилизавіса, що закриває від нас далеке минуле.

Сучасні астрономічні спостереження свідчать про те, що початком
Всесвіту, приблизно десять мільярдів років тому, був гігантськийвогненна куля, розпечений і щільний. Його склад дуже простий. Цей вогненнийкуля була на стільки розжарений, що складався лише з вільних елементарнихчасток, які стрімко рухалися, стикаючись один з одним.
Протягом десяти мільярдів років після "великого вибуху" найпростішебезформне речовина поступово перетворювалося на атоми, молекули, кристали,породи, планети. Народжувалися зірки, системи, що складаються з величезноїкількості елементарних часток з дуже простої організацією. На деякихпланетах могли виникнути форми життя.

Початок Всесвіту

Всесвіт постійно розширюється. Той момент з якого Всесвіт початкурозширяться, прийнято вважати її початком. Тоді почалася перша і повнадраматизму ера в історії всесвіту, її називають "великим вибухом" абоанглійським терміном Big Bang.

Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли те жсаме кількість елементарних частинок і фотонів займають постійнозростаючий обсяг. Середня щільність Всесвіту в результаті розширенняпоступово знижується. З цього випливає, що в минулому Щільність Всесвітубула більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в глибокійстаровини (приблизно десять мільярдів років тому) щільність Всесвіту буладуже великий. Крім того високої повинна була бути і температура, настількивисокою, що щільність випромінювання перевищувала щільність речовини. Інакше кажучиенергія всіх фотонів що містяться в 1 куб. см була більше суми загальноїенергії частинок, що містяться в 1 куб. см. На самому ранньому етапі, у першіймиті "великого вибуху" вся матерія була сильно розпеченої і густийсумішшю часток, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частки призіткненні з відповідними античастинками анігілювати, алевиникають гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частинки іантичастинки.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижувалася підчасі відповідно до простим співвідношенням:

T = 1010 K.

Ц t

Залежність температури Т від часу t дає нам можливість визначити,що наприклад, у момент, коли вік Всесвіту обчислювався всього однієїдесятитисячне секунди, її температура представляла одна більйон
Кельвінів.

Температура розпеченої щільної матерії на початковому етапі Всесвіту зчасом знижувалася, що і відображається в співвідношенні. Це означає, щознижувалася середня кінетична енергія часток kT. Згідно співвідношеннюhn = kT знижувалася і енергія фотонів. Це можливо лише в тому випадку, якщозменшиться їх частота n. Пониження енергії фотонів в часі мало длявиникнення частинок і античастинок шляхом матеріалізації важливі наслідки.
Для того щоб фотон перетворився (матеріалізувався) в частку і античастинкуз масою mo і енергією спокою moc2, йому необхідно мати енергію 2moc2або більшою. Ця залежність виражається так:

hn> = 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 hn кінетичноїенергією часток kT,

kT> = 2 moc2тобто

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 Пд 2гамма-фотона за умови дотику речовини з антиречовиною. Процесматеріалізації гамма-фотон Ю частинка + античастинка міг протікати лише задосить високій температурі. Згідно з тим, як матеріалізація врезультаті знижується температури розжареного речовини призупинилася.
Еволюцію Всесвіту прийнято поділяти на чотири ери: адронів, лептонів,фотонів і зоряну.

а) Адронний ера. При дуже високих температурах і щільності в самомупочатку існування Всесвіту матерія складалася з елементарних часток.
Речовина на ранньому етапі полягало перш за все з адронів, і томурання ера еволюції Всесвіту називається адронів, незважаючи на те, що в тойчас існували і лептони.

Через мільйонну частку секунди з моменту народження Всесвіту, температура
T впала на 10 більйонів Кельвіна (1013K). Середня кінетична енергіяkT частинок і фотонів hn 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 десятитисячне секунди
(10-4 с.), Температура її знизилася до 1012 K, а енергія частинок і фотонівпредставляла лише 100 МеВ. Її не вистачало вже для виникнення найлегшихадронів - півонії. Півонії, що існували раніше, розпадалися, а нові немогли виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік Всесвітудосяг 10-4 с., у неї зникли всі мезони. На цьому й кінчається адронний ера,тому що півонії є не тільки найлегшими мезонами, а йнайлегших адронів. Ніколи після цього сильна взаємодія (ядернасила) не проявлялася у Всесвіті в такій мірі, як у адронний еру,що тривала всього лише одну десятитисячну частку секунди.

б) Лептонний ера. Коли енергія частинок і фотонів знизилася в межах від
100 МеВ до 1 МеВ в речовині було багато лептонів. Температура буладостатньо високою, щоб забезпечити інтенсивне виникнення електронів,позитронів і нейтрино. Ядерна фізика (протони і нейтрони), які пережили адроннийеру, сталі в порівнянні з лептона і фотонами зустрічатися набагато рідше.

Лептонний ера починається з розпаду останніх адронів - півонії - в мюониі мюонне нейтрино, а закінчується через кілька секунд при температурі 1010
K, коли енергія фотонів зменшилася до 1 МеВ і матеріалізація електроніві позитронів припинилася. Під час цього етапу починається незалежнеіснування електронного і мюонного нейтрино, які ми називаємо
"Реліктовими". Весь простір Всесвіту сповнене величезною кількістюреліктових електронних і мюонним нейтрино. Виникає нейтринної море.

в) Фотонна ера або ера випромінювання. На зміну лептонний ери прийшла еравипромінювання, як тільки температура Всесвіту знизилася до 1010 K, аенергія гамма фотонів досягла 1 МеВ, відбулася лише анігіляціяелектронів і позитронів. Нові електронно-позитронного пари не могливиникати внаслідок матеріалізації, тому, що фотони не володілидостатньою енергією. Але анігіляція електронів і позитронів триваладалі, поки тиск випромінювання повністю не відокремив речовина відантиречовини. З часу адронний і лептони ери Всесвіт була заповненафотонами. До кінця лептонний ери фотонів було в два мільярди разів більше,ніж протонів і електронів. Найважливішою складовою Всесвіту після лептоннийери стають фотони, причому не тільки за кількістю, але і за енергією.

Для того щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у Всесвіті,була введена величина щільності енергії. Ця кількість енергії в 1куб.см, точніше, середня кількість (виходячи з передумови, що речовина під
Всесвіту розподілено рівномірно). Якщо скласти докупи енергію hn 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 сама славна 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, епохапереважання частинок. Ми називаємо її зіркової ерою. Вона триває зчасу завершення "великого вибуху" (приблизно 300 000 років) до нашихднів. У порівнянні з періодом "великим вибуху" її розвиток представляєтьсяяк ніби надто уповільненим. Це відбувається внаслідок низької щільності татемператури. Таким чином, еволюцію Всесвіту можна порівняти зфеєрверком, який закінчився. Залишилися негайні іскри, попіл і дим. Мистоїмо на остившем попелі, вдивляємося в старіючі зірки і згадуємокрасу і блиск Всесвіту. Вибух супернових або великий вибух галактики
- Нікчемні явища у порівнянні з великим вибухом.

Народження сверхгалактік і скупчень

галактик

Під час ери випромінювання тривало стрімке розширення космічноїматерії, що складається з фотонів, серед яких зустрічалися вільні протониабо електрони і вкрай рідко - альфа-частинки. (Не треба забувати, щофотонів було в мільярд разів більше ніж протонів і електронів). У період еривипромінювання протони і електрони в основному залишалися без змін,зменшувалася тільки їх швидкість. З фотонами справа йшла набагато складніше.
Хоча швидкість їх залишилася колишньою, протягом ери випромінювання гамма-фотонипоступово перетворювалися на фотони рентгенівські, ультрафіолетові і фотонисвітла. Речовина і фотони до кінця ери охололи вже настільки, що до кожного зпротонів міг, приєднається один електрон. При цьому відбувалося випромінюванняодного фотона ультрафіолетового (або ж декількох фотонів світла) і, такимчином, виник атом водню. Це була перша система частинок у Всесвіті.

З виникненням атомів водню починається зоряна ера - ера частинок,точніше кажучи, ера протонів і електронів.

Всесвіт вступає 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 та скупчення галактик.
Отже, найбільші структурні одиниці Всесвіту - сверхгалактікі - єрезультатом нерівномірного розподілу водню, яке відбувалося наранніх етапах історії Всесвіту.

Народження галактик

Колосальні водневі згущення - зародки понад галактик 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 нам гігантське завихрення.

Астрономічні дослідження показують, що швидкість обертаннязавихрення визначила форму галактики, що народилася з цього вихору.
Висловлюючись науковою мовою, швидкість осьового обертання визначає тип майбутньоїгалактики. З повільно обертаються вихорів виникли еліптичні галактики,в той час як з швидко обертаються народилися сплющені спіральнігалактики.

У результаті сили тяжіння дуже повільно обертається вихор стискався вкуля або декілька 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.

Протогалактіка, яка взагалі не оберталася, ставала родоначальницеюкульовий галактики. Сплющені еліптичні галактики народжувалися з повільнообертаються протогалактік. Через недостатню відцентрової силипереважала сила гравітаційна. Протогалактіка стискалася і щільністьводню в ній зростала. Як тільки щільність досягала певногорівня, почали виділятися і стискається згустки водню. Народжувалисяпротозірок, які пізніше еволюціонували в зірки. Народження всіх зірок укульовий або злегка плескатої галактиці відбувалося майже одночасно.
Цей процес тривав відносно недовго, приблизно сто мільйонів років.
Це означає, що в еліптичних галактиках всі зірки приблизнооднакового віку, тобто дуже старі. В еліптичних галактиках весьводень було вичерпано відразу ж на самому початку, приблизно в першому сотихіснування галактики. Протягом наступних 99 сотих цього періодузірки вже не могли виникати. Таким чином, в еліптичних галактикахкількість 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 спиральних 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, таким чиномгравітація 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 усе більш стоншуєдиск народжувалися зірки. Тому в нашій галактиці можна знайти, як старі,виникли приблизно десять мільярдів років тому, так і зірки народилисянедавно в спіральних рукавах, у так званих асоціаціях і розсіянихскупченнях. Можна сказати, що чим більше сплющений система, в якійнародилися зірки, тим вони молодші.

Висновок

Всесвіт розвивається і в наш час. У спіральних галактиках народжуютьсяі помирають зірки. Всесвіт продовжує розширяться.

Зміст

стор

1.Вступ 1

2.Начало Всесвіту 2

3.Рожденіе сверхгалактік і скупчень галактик

4.Рожденіе галактик 9

5.Заключеніе 13

Список літератури