Вселенная и её структура

Расстояние до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр  центральной части туманности – 6 пк, масса приблизительно в 100 раз  больше массы Солнца.

Во Вселенной нет  ничего единственного и неповторимого  в том смысле, что в ней нет  такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими  явлениями. 
 

Открытие многообразных  процессов эволюции в различных  системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдательных данных и теоретических расчетов.

В качестве одной  из важнейших задач рассматривается  определение возраста космических  объектов и их систем. Поскольку  в большинстве случаев трудно решить, что нужно считать и  понимать под «моментом рождения»  тела или системы, то, для установления возраста применяют два параметра:

-          время, в течение которого система уже находится в наблюдаемом состоянии;

-          полное время жизни данной системы от момента её появления.

Очевидно, что вторая характеристика может быть получена только на основе теоретических расчетов.

Обычно первую из высказанных величин называют возрастом, а вторую – временем жизни.

Факт взаимного  удаления галактик, составляющих метагалактики  свидетельствует о том, что некоторое  время тому назад она находилась в качественно ином состоянии  и была более плотной.

Наиболее вероятное  значение постоянной Хаббла (коэффициента пропорциональности, связывающего скорости удаления внегалактических объектов и  расстояние до них составляющее 60 км/сек  – мегапарсек), приводит к значению времени расширения метагалактики  до современного состояния 17 млрд. лет.

Из всех вышеперечисленных  доказательств можно с уверенностью сделать вывод: Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить  в будущем.

Наши дни с полным основанием называют золотым веком  астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в  мире звезд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала  последнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических  станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество  новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце. Мы живем в эпоху поразительных  научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор  люди мечтали разгадать тайны  Галактик, разбросанных в беспредельных  просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает  различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит  на месте: появляются новые способы  наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут «заглянуть»  на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представить  огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретиться на пути к звездам.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части  является грандиозной задачей. Чтобы  получить те сведения, которыми располагают  современные ученые, понадобились труды  множества поколений.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка Вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и  в пространстве, но вся Вселенная  бесконечна и вечна так, как она  является вечно самодвижущейся материей.

Вселенная - это всё  существующее. От мельчайших пылинок  и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука, так или иначе, изучает Вселенную, точнее, те или  иные её стороны. Химия изучает мир  молекул, физика – мир атомов и  элементарных частиц, биология – явления  живой природы. Но существует научная  дисциплина, объектом исследования которой  служит сама Вселенная или «Вселенная как целое». Это особая отрасль  астрономии так называемая космология. Космология – учение о Вселенной  в целом, включающее в себя теорию всех астрономических наблюдений. 

Гравитация  как причина возникновения  структур.

Важной особенностью, отличающей пары, кратные системы, группы, скопления галактик, с одной стороны, от элементов крупномасштабной ячеистой структуры – с другой, является то, что первые являются гравитационно  связанными образованиями (гравитация сдерживает их от расширения и разрушения), а вторые – нет. Галактики в  сверхскоплениях, в стенках ячеек  продолжают удаляться друг от друга  из-за космологического расширения Вселенной, для них также выполняется  закон Хаббла (с небольшими поправками, учитывающими гравитационные поля «стенок» и отдельных скоплений). Правда, ранее  высказывались предположения, что  и скопления – это расширяющиеся  гравитационно не связанные системы, поскольку относительные скорости движения галактик в скоплениях оказались  неожиданно большими (часто более  тысячи км/с). Масса всей совокупности звезд всех галактик в скоплении, как правило, оказывается недостаточной  для того, чтобы удержать вместе быстро движущиеся галактики. Предположение  о быстром расширении скоплений  могло бы показаться естественным, и только большой возраст галактик заставлял искать другие объяснения. Конечно, в пространстве между галактиками  есть еще горячий газ. В скоплениях его масса часто превышает  суммарную массу отдельных галактик, но во многих случаях и этого недостаточно для удержания галактик вместе. Должна существовать еще масса, не излучающая света, гравитационное поле которой  играет ключевую роль.

Окончательный вывод о наличии невидимой  массы в скоплениях был получен, когда обнаружилось, что гравитационные поля некоторых из них отклоняют  проходящие сквозь скопления световые лучи, испущенные более далекими галактиками. При удачном расположении галактик за скоплением их световые лучи искривляются и сходятся на некотором расстоянии от скопления, словно они прошли сквозь стеклянную линзу не очень хорошего качества. Гравитационное поле скопления  может «построить» изображения  далеких галактик. Этот эффект хорошо изучен, он так и называется –  «гравитационное линзирование».

Действительно, сквозь некоторые скопления просвечивают искаженные дугообразные изображения  более далеких галактик, увеличенные  по размеру и усиленные по яркости  гравитационной линзой. Измерения подтвердили, что одни галактики, без темной массы, не могут объяснить сильное гравитационное поле скоплений, и что масса, вызывающая эффект гравитационной линзы, достаточна для гравитационной устойчивости последних. Поэтому скопления галактик можно  считать самыми крупными устойчивыми  структурами в природе (это, конечно, не означает, что их размеры или  внутренняя структура за миллиарды  лет не меняются).

Природа темной массы еще выясняется (рассматривается  несколько возможных вариантов  элементарных частиц, из которых она  состоит), но уже сейчас очевидно, что  эта невидимая среда должна играть большую роль и в формировании крупномасштабных структур Вселенной.

По современным  представлениям, на самых ранних стадиях  расширения Вселенной вещество было распределено почти идеально однородно. Об этом можно судить, например, по ничтожно малой амплитуде неоднородностей  яркости фонового (реликтового) излучения неба, которое было испущено обычным газом еще на догалактической стадии расширения Вселенной (эти неоднородности составляют тысячные доли процента и были обнаружены только в 1990-х после упорных многолетних поисков). Гравитация, т.е. взаимное притяжение всех материальных частиц любой природы, обладает свойством нарушать однородность, стягивать вещество в отдельные структуры, усиливать любые флуктуации плотности. Гравитационные силы постепенно замедляли расширение чуть более плотных участков, поэтому первоначально маленькие неоднородности плотности вещества должны были со временем быстро расти, вбирая в себя вещество более разреженных областей, и становиться все более «контрастными», продолжая тем не менее расширяться. Так возникла ячеистая крупномасштабная структура. В тех областях, где плотности оказывались особенно большими, гравитация могла полностью остановить расширение и сменить его на сжатие. Со временем в таких областях образовались галактики, объединенные в гравитационно связанные системы. Без привлечения темной массы очень трудно было бы объяснить, как за 13–14 млрд. лет процесса расширения едва уловимые неоднородности плотности, запечатленные в распределении яркости фонового излучения, смогли вырасти настолько, что породили наблюдаемую сложную структуру, образуемую галактиками. Мир звезд и галактик, по-видимому, вообще не смог бы возникнуть, и Вселенная осталась бы бесструктурной, если бы гравитационное поле обычного вещества не было усилено присутствием не светящейся, скрытой массы

Компьютерные  расчеты подтвердили возможность  возникновения крупномасштабной ячеистой структуры из первоначально ничтожных  случайных возмущений плотности  в процессе расширения Вселенной. При  определенных физически приемлемых начальных условиях численные модели позволили воспроизвести «на  экране» процесс формирования волокон  и ячеек, а в них – отдельных  галактик. Насколько хорошо и полно  такие компьютерные модели описывают  реальную Вселенную – это вопрос, обсуждаемый в настоящее время. Здесь есть еще немало нерешенных проблем. В любом случае, изучение крупномасштабной структуры Вселенной  оказалось необходимым звеном, без  которого нельзя понять, как возник окружающий нас мир. 
 

Эволюция  Вселенной.

Процесс эволюции Вселенной  происходит очень медленно. Ведь Вселенная  во много раз старше астрономии и  вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое  прошлое.

Современные астрономические  наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был  гигантский огненный шар, раскаленный  и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько  раскален, что состоял лишь из свободных  элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На начальном этапе  расширения Вселенной из фотонов  рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция  может происходить при любой  температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица  Þ 2 гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации гамма-фотон Þ частица + античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась, эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную 

Адронная  эра.

При очень высоких  температурах и плотности в самом  начале существования Вселенной  материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому  ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T упала на 10 биллионов  Кельвинов(10¹³K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hν составляла около миллиарда эв (10³ Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 10¹³K фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10^-6 до 10^-4 секунды.

К моменту, когда возраст  Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10^-4с.), температура ее понизилась до 10¹²K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10^-4 с., в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды. 

Лептонная эра.

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько  секунд при температуре 10¹⁰K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.