Происхождение и эволюция Вселенной. Модель большого взрыва

• великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы

• обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.

2.4 От первых минут Вселенной до образования звезд и галактик

Методом математического моделирования  астрофизикам удалось воспроизвести  детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной'.

Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10¹⁰ К. При такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии еще минуты температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (буквально несколько минут) промежуток времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов  с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90 % из ядер водорода (протонов). Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию названных элементов в современной Вселенной.

Великое счастье для нас, что  в первичном веществе был избыток  протонов над нейтронами. Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества. Так наше существование и сама возможность познания Вселенной прямо определяется отдаленным прошлым, начальными моментами Вселенной.

После стадии термоядерных реакций  температура вещества была еще настолько  высока, что оно находилось в состоянии  плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (Т = 4000 К), когда ядра присоединяли электроны и превращались в нейтральные атомы. Первыми образовались атомы гелия и водорода. Как полагают, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии, сформировались первые звезды и галактики.⁸

Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую  эпоху, из зарождавшихся неоднородностей  газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки — протогалактические сгущения. Постепенно они фрагментировались, в них образовывались меньшие сгустки вещества. Из таких сгустков разной массы, имевших определенный вращательный момент, постепенно сформировались звезды и галактики. Расширение Вселенной определило разлет галактик, которые сами практически не расширяются.

2.5 Образование тяжелых химических элементов

Таким образом, согласно современным  космологическим представлениям, атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли. Атомы — это «ископаемые» космоса. Первооснову космического вещества составляли водород и гелий; элементов среднего и тяжелого веса космическое вещество практически не содержало. Такие элементы — это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд.

Как мы уже отмечали, ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Огромная температура заставляет протоны преодолевать электростатическое отталкивание и соударяться друг с другом. При соударении протоны сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия и могут слиться в ядро (синтез). Правда, ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво. Но если один из протонов (в результате слабого взаимодействия) превратится в нейтрон, то образуется устойчивое ядро дейтерия. Такая реакция высвобождает значительную энергию, способствующую поддержанию в недрах звезды высокой температуры. Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий, образованию углерода, а затем и все более сложных ядер. По мере исчерпания запасов ядерного горючего Звезды ее внутренняя структура представлена слоями различных химических элементов, каждый из которых, отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов.

На заключительном этапе эволюции такой звезды ядерные реакции уже не могут поддерживать необходимые значения температуры и давления, которые обеспечивают ее устойчивость. Неустойчивость звездной массы постепенно нарастает. В результате гравитация, выйдя из-под контроля, вызывает мгновенное сжатие звезды. Но внутреннее давление противостоит сжатию и приводит к выбросу гигантской энергии: внешние слои звезды буквально сдуваются в окружающее пространство, разбрасывая тяжелые элементы по просторам галактики. Подобный выброс обычно называют взрывом сверхновой . Каждый взрыв сверхновой обогащает галактику тяжелыми элементами, из которых впоследствии и могут образоваться планетные системы, где возможны зарождение и эволюция жизни.

За всю историю развития нашей  Галактики в ней вспыхнуло  примерно один миллиард сверхновых звезд!

2.6 Сценарии будущего Вселенной

Любопытно знать не только далекое  прошлое Вселенной, но и ее далекое будущее. Тем более что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в «открытых» и «закрытых» ее моделях.

«Закрытые» модели предполагают, что  в будущем расширение Вселенной  сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 10⁵² т можно предположить, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься и через 50 млрд лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд лет. Таким образом. Вселенная может быть представлена как грандиозная закрытая система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики) могут изменяться. Например, могут изменяться фундаментальные физические константы.

Совершенно иначе предстает  будущее Вселенной в «открытых» космологических моделях, которые, по сути, представляют собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В  соответствии с ними уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, что достаточно быстро приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10¹¹¹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в «черные карлики»; центральные области галактик коллапсируют, образуя «черные дыры» и тем самым прекращают свое существование.

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной  не вполне ясна. Если обнаружится, что  протон действительно нестабилен и  распадается через 10⁴² лет на у "квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся и во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.

Иначе разворачивается возможный сценарий будущего Вселенной в том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 10¹" лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10' '°⁰ лет любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!

Что же дальше? Пройдет невообразимое  число лет,  пока такие железные капли не превратятся в «черные дыры». Эти, уже последние, «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние — окончательная «смерть» Вселенной.⁹

 

Заключение.

 

Какая сила создала вселенную; и  что создало эту силу - проблема начала вселенной, подобна старому  вопросу: что произошло первым цыпленок или яйцо. Возможно, вселенная, или  сила, которая создавало все это, существовали всегда, и не имели начала.

  Вплоть до недавнего  времени, ученые имели тенденцию  не касаться  таких вопросов  потому, что они принадлежали  к метафизике или религии, а  не к науке.

  Тем не менее,  в последнее время  возникло  учение о том, что Законы  Науки могут быть даже в начале вселенной. В этом случае, вселенная может определяться полностью Законами Науки.

 

Литература

 

1. Воронцов – Вельяминов Б.А. «Очерки о Вселенной», М., «Наука» 1976
2. Еремеева А.И. «Астрологическая картина мира и ее творцы». М. «Наука» 1984
3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 1997.
4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1998.
5. Комаров В.Н. «Увлекательная астрономия». М, «Наука», 1968 г.
6. Левитан С.П. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994
7. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб.пособие. – М.:Гардарики, 1999 – 476с.
8. Потеев М.И. Концепции современного естествознания. – Спб: Питер, 1999.

 

¹ Еремеева А.И. «Астрологическая картина мира и ее творцы». М. «Наука» 1984 с.23-24

² Воронцов – Вельяминов Б.А. «Очерки о Вселенной», М., «Наука» 1976 с.122-125

³ Левитан С.П. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 с.29-30

⁴ Левитан С.П. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 с.30

⁵ Потеев М.И. Концепции современного естествознания. – Спб: Питер, 1999. с.233-235

⁶ Потеев М.И. Концепции современного естествознания. – Спб: Питер, 1999. с.237

⁷ Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1998. с.187-189

⁸ Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ, 1998. с.191-192

⁹ Потеев М.И. Концепции современного естествознания. – Спб: Питер, 1999. с.195