Еволюція всесвіту. Народження галактик.

Вступ

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

Сучасні астрономічні спостереження свідчать про те, що початком Всесвіту, приблизно десять мільярдів років тому, був гігантська вогненна куля, розпечений і щільний. Його склад дуже простий. Цей вогненна куля був на стільки розжарений, що складався лише з вільних елементарних частинок, які стрімко рухалися, стикаючись один з одним.

Протягом десяти мільярдів років після "великого вибуху" найпростіше безформне речовина поступово перетворювалося на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалися зірки, системи, що складаються з величезної кількості елементарних часток з дуже простої організацією. На деяких планетах могли виникнути форми життя.

Початок Всесвіту

Всесвіт постійно розширюється. Той момент з якого Всесвіт початку розширяться, прийнято вважати її початком. Тоді почалася перша і повна драматизму ера в історії всесвіту, її називають "великим вибухом" або англійським терміном Big Bang.

Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли те ж саме кількість елементарних частинок і фотонів займають постійно зростаючий обсяг. Середня щільність Всесвіту в результаті розширення поступово знижується. З цього випливає, що в минулому Щільність Всесвіту була більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в сиву давнину (приблизно десять мільярдів років тому) щільність Всесвіту була дуже великою. Крім того високої повинна була бути і температура, настільки високою, що щільність випромінювання перевищувала 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" вся матерія була сильно розпеченої і густою сумішшю часток, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частки при зіткненні з відповідними античастинками анігілювати, але виникають гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частки і античастинки.

Залежність температури Т від часу t дає нам можливість визначити, що наприклад, в момент, коли вік Всесвіту обчислювався всього однієї десятитисячне секунди, її температура представляла одна більйон кельвінів.

Температура розпеченої щільної матерії на початковому етапі Всесвіту з часом знижувалася, що і відображається в співвідношенні. Це означає, що знижувалася середня кінетична енергія часток kT. Згідно співвідношенню hn = kT знижувалася і енергія фотонів. Це можливо лише в тому випадку, якщо зменшиться їх частота n. Пониження енергії фотонів в часі мало для виникнення часток і античастинок шляхом матеріалізації важливі наслідки. Для того щоб фотон перетворився (матеріалізувався) в частку і античастинку з масою mo і енергією спокою moc2, йому необхідно мати енергію 2moc2 або більшою. Ця залежність виражається так:

hn> = 2moc2

З часом енергія фотонів знижувалася, і як тільки вона впала нижче твори енергії частки і античастинки (2moc2), фотони вже не здатні були забезпечити виникнення частинок і античастинок з масою mo. Так, наприклад, фотон, що володіє енергією меншою, ніж 2.938 МеВ = 938 МеВ, не здатний матеріалізуватися в протон і Антипротон, тому що енергія спокою протона дорівнює 938 МеВ.

У попередньому співвідношенні можна замінити енергію фотонів hn кінетичної енергією часток kT,

kT> = 2 moc2

тобто

T> = 2 moc2/k

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

На початковому етапі розширення Всесвіту з фотонів народжувалися частки і античастинки. Цей процес постійно слабшав, що призвело до вимирання частинок і античастинок. Оскільки анігіляція може відбуватися при будь-якій температурі, постійно здійснюється процес частка + античастинка Ю 2 гамма-фотона за умови дотику речовини з антиречовиною. Процес матеріалізації гамма-фотон Ю частинка + Античастинка міг протікати лише при досить високій температурі. Згідно тому, як матеріалізація в результаті знижується температури розжареного речовини припинилася. Еволюцію Всесвіту прийнято поділяти на чотири ери: адронів, лептонів, фотонів і зоряну.

а) Адронний ера. При дуже високих температурах і щільності на самому початку існування Всесвіту матерія складалася з елементарних часток. етапі полягало перш за все з адронів, і тому рання ера еволюції Всесвіту називається адронів, незважаючи на те, що в той час існували і лептони.

Через мільйонну частку секунди з моменту народження Всесвіту, температура T впала на 10 більйонів Кельвіна (1013K). Середня кінетична енергія часток kT і фотонів hn становила близько мільярда еВ (103 МеВ), що відповідає енергії спокою баріонів. У першу мільйонну частку секунди еволюції Всесвіті відбувалася матеріалізація всіх баріонів необмежено, так само, як і анігіляція. Але після цього часу матеріалізація баріонів припинилася, тому що при температурі нижче 1013 K фотони не володіли вже достатньою енергією для її здійснення. Процес анігіляції баріонів і антібаріонов продовжувався до тих пір, поки тиск випромінювання не відокремив речовина від антиречовини. Нестабільні гіперонів (найважчі з баріонів) в процесі мимовільного розпаду перетворилися на найлегші з баріонів (протони і нейтрони). Так у всесвіті зникла найбільша група баріонів -- гіперонів. Нейтрони могли далі розпадатися в протони, які далі не розпадалися, інакше б порушився закон збереження баріонів заряду. Розпад гіперонів відбувався на етапі з 10-6 до 10-4 секунди.

До моменту, коли вік Всесвіту досяг однієї десятитисячне секунди (10-4 с.), температура її знизилася до 1012 K, а енергія частинок і фотонів представляла лише 100 МеВ. Її не вистачало вже для виникнення найлегших адронів - півонії. Півонії, що існували раніше, розпадалися, а нові не могли виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік Всесвіту досяг 10-4 с., у неї зникли всі мезони. На цьому й кінчається адронний ера, 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 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 була достатньо високою, щоб забезпечити інтенсивне виникнення електронів, позитронів і нейтрино. Ядерна фізика (протони і нейтрони), які пережили адронний еру, сталі в порівнянні з лептона і фотонами зустрічатися набагато рідше.

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

в) 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-позитронного пари не могли виникати внаслідок матеріалізації, тому, що фотони не володіли достатньою енергією. Але анігіляція електронів і позитронів тривала далі, поки тиск випромінювання повністю не відокремив речовина від антиречовини. З часу адронний і лептони ери Всесвіт був заповнена фотонами. До кінця лептонний ери фотонів було в два мільярди разів більше, ніж протонів і електронів. Найважливішою складовою Всесвіту після лептонний ери стають фотони, причому не тільки за кількістю, але і по енергії.

Для того щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у Всесвіті, була введена величина щільності енергії. Ця кількість енергії в 1 куб.см, точніше, середня кількість (виходячи з передумови, що речовина у Всесвіті розподілено рівномірно). Якщо скласти докупи енергію hn всіх фотонів, присутніх в 1 куб.см, то ми отримаємо щільність енергії випромінювання Er. Сума енергії спокою всіх частинок в 1 куб.см є середньою енергією речовини Em у Всесвіті.

Внаслідок розширення Всесвіту знижувалася щільність енергії фотонів і частинок. З збільшенням відстані у Всесвіті в два рази, обсяг збільшився у вісім разів. Іншими словами, щільність частинок і фотонів знизилася у вісім 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 частоту коливання, немов "втомлюються" з часом. Внаслідок цього щільність енергії фотонів (Er) падає швидше, ніж щільність енергії часток (Em). Переважання у всесвіті фотонній складовою над складовою частинок (мається на увазі щільність енергії) протягом ери випромінювання зменшувалася до тих пір, поки не зникла повністю. До цього моменту обидві складові прийшли в рівновагу (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 сьогодні час.

"Великий вибух" тривав порівняно недовго, всього лише одну тридцятитисячний нинішнього віку Всесвіту. Незважаючи на стислість терміну, це все ж таки була сама славна ера Всесвіту. Ніколи після цього еволюція Всесвіту не була такою стрімка, як в самому її початку, під час "великого вибуху". Усі події під Всесвіту в той період стосувалися вільних елементарних частинок, їх перетворень, народження, розпаду, анігіляції. Не слід забувати, що в такий короткий час (всього лише кілька секунд) з багатого розмаїття видів елементарних частинок зникли майже всі: одні шляхом анігіляції (перетворення в гамма-фотони), інші шляхом розпаду на найлегші баріони (протони) і на найлегші заряджені лептони (електрони).

Після "великого вибуху "настала тривала ера речовини, епоха переважання частинок. Ми називаємо її зіркової ерою. Вона триває з часу завершення "великої вибуху "(приблизно 300 000 років) до наших днів. У порівнянні з періодом "Великим вибуху" її розвиток представляється як ніби надто уповільненим. Це відбувається внаслідок низької щільності і температури. Таким чином, еволюцію Всесвіту можна порівняти з феєрверком, який закінчився. Залишилися негайні іскри, попіл і дим. Ми стоїмо на остившем попелі, вдивляємося в старіючі зірки і згадуємо красу 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 космічної матерії, що складається з фотонів, серед яких зустрічалися вільні протони або електрони і вкрай рідко - альфа-частинки. (Не треба забувати, що фотонів було в мільярд разів більше ніж протонів і електронів). У період ери випромінювання 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-фотони поступово перетворювалися на фотони рентгенівські, ультрафіолетові і фотони світла. Речовина і фотони до кінця ери охололи вже настільки, що до кожного з протонів міг, приєднається один електрон. При цьому відбувалося ультрафіолетового випромінювання одного фотона (або ж декількох фотонів світла) і, таким чином, виник атом водню. Це була перша система частинок у Всесвіті.

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

Всесвіт вступає в зоряну еру у формі водневого газу з величезною кількістю світлових і ультрафіолетових фотонів. Водневий газ розширювався в різних частинах Всесвіту з різною швидкістю. Неоднаковою була також і його щільність. Він утворював величезні згустки, у багато мільйонів світлових років. Маса таких космічних водневих згустків була в сотні тисяч, а то і в мільйони разів більше, ніж маса нашої теперішньої Галактики. Розширення газу всередині згустків йшло повільніше, ніж розширення розрідженого водню між самими згущені. Пізніше з окремих ділянок за допомогою власного тяжіння утворилися сверхгалактікі і скупчення галактик. Отже, найбільші структурні одиниці Всесвіту - сверхгалактікі - є результатом нерівномірного розподілу водню, яке відбувалося на ранніх етапах історії Всесвіту.

Народження галактик

Колосальні водневі згущення - зародки понад галактик і скупчень галактик - повільно оберталися. Всередині їх утворювалися вихори, схожі на вир. Їх діаметр сягав приблизно ста тисяч світлових років. Ми називаємо ці системи протогалактікамі, тобто зародками галактик. Не дивлячись на свої неймовірні розміри, вихори протогалактік були всього лише незначною частиною сверхгалактік і за розміром не перевищували одну тисячну сверхгалактікі. Сила гравітації утворювала з цих вихорів системи зірок, які ми називаємо галактиками. Деякі з галактик досі нагадують нам гігантське завихрення.

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

У результаті сили тяжіння дуже повільно обертається вихор стискався в кулю чи кілька сплюнути еліпсоїд. Розміри такого правильного гігантського водневого хмари були від декількох десятків до декількох сотень тисяч світлових років. Неважко визначити, які з водневих атомів увійшли до складу народжується еліптичної, точніше кажучи еліпсоїдальної галактики, а які залишилися в космічному просторі поза нею. Якщо енергія зв'язку сил гравітації атома на периферії перевищувала його кінетичну енергію, атом ставав складовою частиною галактики. Ця умова називається критерієм Джинса. З його допомогою можна визначити, якою мірою залежала маса і величина протогалактікі від щільності і температури водневого газу.

Протогалактіка, яка взагалі не оберталася, ставала родоначальницею кульовий галактики. Сплющені еліптичні галактики народжувалися з повільно обертаються протогалактік. Через недостатню відцентрової сили переважала сила гравітаційна. Протогалактіка стискалася і щільність водню в ній зростала. Як тільки щільність досягала певного рівня, почали виділятися і стискається згустки водню. Народжувалися протозірок, які пізніше еволюціонували в зірки. Народження всіх зірок у кульовий або злегка плескатої галактиці відбувалося майже одночасно. Цей процес тривав відносно недовго, приблизно сто мільйонів років. Це означає, що в еліптичних галактиках все зірки приблизно однакового віку, тобто дуже старі. В еліптичних галактиках весь водень було вичерпано відразу ж на самому початку, приблизно в першій соту існування галактики. Протягом наступних 99 сотих цього періоду зірки вже не могли виникати. Таким чином, в еліптичних галактиках кількість міжзоряної речовини мізерно.

Спіральні галактики, в тому числі і наша, складаються з дуже старої сферичної складової (В цьому вони схожі на еліптичні галактики) і з більш молодий плоскою складової, що знаходиться в спіральних р.укавах. Між цими складовими існує кілька перехідних компонентів різного рівня сплюснутістю, різного віку і швидкості обертання. Будова спіральних галактик, таким чином, складніше і різноманітніше, ніж будова еліптичних. Спіральні галактики крім цього обертаються значно швидше, ніж галактики еліптичні. Не слід забувати, що вони утворилися з швидко обертаються вихорів сверхгалактікі. Тому у створенні спіральних галактик брали участь і гравітаційна і відцентрова сили.

Якби з нашої галактики через сто мільйонів років після її виникнення (цей час формування сферичної складової) вивітрився весь міжзоряний водень, нові зірки не змогли б народжуватися, і наша галактика стала б еліптичної.

Але міжзоряний газ в ті далекі часи не зник, і, таким чином гравітація і обертання могли продовжувати будівництво нашої та інших спіральних галактик. На кожен атом міжзоряного газу діяли дві сили - гравітація, притягає його до центру галактики і відцентрова сила, виштовхуюча його у напрямку від осі обертання. Зрештою газ стискався у напрямку до галактичної площині. В даний час міжзоряний газ сконцентрований до галактичної площини в дуже тонкий шар. Він зосереджений насамперед у спіральних рукавах і являє собою плоску або проміжну складову, названу зоряним населенням другого типу.

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

Висновок

Всесвіт розвивається і в наш час. У спіральних галактиках народжуються і вмирають зірки. Всесвіт продовжує розширяться.

Список літератури

Йосип Клечек і Петро Якеш "Всесвіт і земля", © 1985 Артія, Прага.Ізданіе російською мовою 1986.

В.В. Кесарії "Еволюція речовини у всесвіті", © 1976 Атомиздат, Москва.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://referat2000.bizforum.ru/