Початок всесвіту Народження галактик

Введення

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

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

Протягом десяти мільярдів років після "великого вибуху" найпростіше безформне речовина поступово перетворюватися на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалися зірки, системи, що складаються з великої кількості елементарних частинок з вельми простий 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" чи 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 було більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в далекій давнині (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 містяться в 1 куб. см була більше суми загальної енергії частинок, що містяться в 1 куб. см. На самому ранньому етапі, в перші миті "великого вибуху" вся матерія була сильно розпеченій і густий сумішшю частинок, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частинки при зіткненні з відповідними античастинками анігілювали, але виникаючі гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частинки й античастинки.

Народження сверхгалактікі і скупчень галактик

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

Всесвіт набуває зоряну еру у формі водневого газу з величезною кількістю світлових і ультрафіолетових фотонів. Водневий газ розширювався у різних частинах Всесвіту з різною швидкістю. Неоднаковою була також і його щільність. Він утворював величезні згустки, в 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 згущеннями. 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 вири. Їх діаметр сягав приблизно сто тисяч світлових років. Ми називаємо ці системи протогалактікі, тобто зародками галактик. Незважаючи на свої неймовірні розміри, вихори протогалактик були всього лише незначною частиною сверхгалактікі 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 обертових вихорів виникли еліптичні галактики, в той час як з швидко обертових народилися сплющені спіральні галактики.

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

Протогалактікі, яка взагалі не спілкувалась, ставала родоначальницею кульової галактики. Сплющені еліптичні галактики народжувалися з повільно обертових протогалактик. Через недостатню відцентрової сили переважала сила гравітаційна. Протогалактікі стискалася і щільність водню у ній зростала. Як тільки щільність досягала певного рівня, почали виділятися і стискається згустки водню. Народжувалися протозірки, які пізніше еволюціонували в зірки. Народження всіх зірок в кульової або злегка плескатої галактиці відбувалося майже одночасно. Цей процес тривав відносно недовго, приблизно сто мільйонів років. Це означає, що в еліптичних галактиках всі зірки приблизно однакового віку, тобто дуже старі. У еліптичних галактиках весь водень був вичерпаний відразу ж на самому початку, приблизно в першу сотих існування галактики. Протягом наступних 99 сотих цього періоду зірки вже не могли виникати. Таким чином, в еліптичних галактиках кількість міжзоряного 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 плоскої складової, що знаходиться в спіральних рукавах. Між цими складовими існує кілька перехідних компонентів різного рівня сплюснутості, 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 обертових вихорів сверхгалактікі. Тому у створенні спіральних галактик брали участь і гравітаційна і відцентрова сили.

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

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

На кожному етапі сплющивания міжзоряного газу у все більш тоншає диск народжувалися зірки. Тому в нашій галактиці можна знайти, як старі, виниклі приблизно десять мільярдів років тому, так і зірки народжені нещодавно у спіральних рукавах, у так званих асоціаціях і розсіяних скупченнях. Можна сказати, що чим більше сплющена система, у якій народилися зірки, тим вони молодші.

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

Газово-пилові комплекси - колиска зірочок

Звідки ж беруться в нашій Галактиці молоді і "сверхмолодие" зірки? З давніх пір, за усталеною традицією, висхідною до гіпотези Канта і Лапласа про походження Сонячної системи, астрономи припускали, що зірки утворюються з розсіяною дифузної газово-пилової середовища. Було тільки одне суворе теоретичну підставу такого переконання - гравітаційна нестійкість спочатку однорідної дифузної середовища. Справа в тому, що в такому середовищі неминучі малі обурення щільності, тобто відхилення від строгої однорідності. надалі, однак, якщо маси цих конденсацій перевершують деякий межа, під впливом сили всесвітнього тяжіння малі обурення будуть наростати і спочатку однорідне середовище розіб'ється на декілька конденсацій. Під дією сили гравітації ці конденсації будуть продовжувати скорочуватися і, як можна вважати, врешті-решт перетворяться на зірки.

Характерне час стиснення хмари до розмірів протозірки можна оцінити за простою формулою механіки, яка описує вільне падіння тіла під впливом деякого прискорення. Так, наприклад, хмара з масою, рівною сонячній, стиснеться за мільйон років.

У процесі тільки що описаної першій стадії конденсації газово-пилової хмари в зірку, яка називається "стадією вільного падіння", звільняється певна кількість гравітаційної енергії. Половина звільнилася при стисканні хмари енергії повинна залишити хмара у вигляді інфрачервоного випромінювання, а половина піти на нагрівання речовини.

Як тільки стискуваної хмара стане непрозорим для свого інфрачервоного випромінювання, світність його різко впаде. Воно буде продовжувати стискуватися, але вже не за законом вільного падіння, а набагато повільніше. Температура його внутрішніх областей, після того як процес дисоціації молекулярного водню закінчиться, буде неодмінно підвищуватися, так як половина звільняється при стисканні гравітаційної енергії буде йти на нагрів хмари. Втім, такий об'єкт назвати хмарою вже не можна. Це вже справжнісінька протозірка.

Таким чином, з простих законів фізики слід очікувати, що може мати місце єдиний і закономірний процес еволюції газово-пилових комплексів спочатку в протозірки, а потім і в зірки. Однак можливість - це ще не є дійсність. Найпершим завданням спостережної астрономії є, по-перше, вивчити реальні хмари міжзоряного середовища і проаналізувати, чи здатні вони стискуватися під дією власної гравітації. Для цього треба знати їх розміри, щільність і температуру. По-друге, дуже важливо отримати додаткові аргументи на користь "генетичної близькості хмар і зірок (наприклад, тонкі деталі їх хімічного і навіть ізотопного складу, генетичний зв'язок зірок і хмар і інше). По-третє, дуже важливо отримати зі спостережень неспростовні свідчення існування самих ранніх етапів розвитку протозвезд (наприклад, спалахи інфрачервоного випромінювання в кінці стадії вільного падіння). Крім того, тут можуть спостерігатися, і, мабуть, спостерігаються зовсім несподівані явища. Нарешті, слід детально вивчати протозірки. Але для цього насамперед треба вміти відрізняти їх від "нормальних" зірок.

Зоряні асоціації

Емпіричним підтвердженням процесу утворення зірок з хмар міжзоряного середовища є щось давно відоме обставина, що масивні зірки класів О і В розподілені в Галактиці не однорідний, а групуються в окремі великі скупчення, які пізніше отримали назву "асоціації". Але такі зірки мають бути молодими об'єктами. Таким чином, сама практика астрономічних спостережень підказувала, що зірки народжуються не поодинці, а як би гніздами, що якісно узгоджується з уявленнями теорії гравітаційної нестійкості. Молоді асоціації зірок (які складаються не тільки з одних гарячих масивних гігантів, а й з інших примітних, свідомо молодих об'єктів) тісно пов'язані з великими газово-пиловими комплексами міжзоряного середовища. Природно вважати, що такий зв'язок має бути генетичної, тобто ці зірки утворюються шляхом конденсації хмар газово-пилової середовища.

Процес народження зірок, як правило, не помітний, тому що прихований від нас завісою поглинає світло космічного пилу. Тільки радіоастромонія, як можна тепер з великою впевненістю вважати, внесла радикальна зміна в проблему вивчення народження зірок. По-перше, міжзоряне пил не поглинає радіохвилі. По-друге, радіоастрономія відкрила зовсім несподівані явища в газово-пилових комплексах межзвездой середовища, які мають пряме відношення до процесу зореутворення.

Список літератури

І. С. Шкловський. Зірки: їх народження, життя і смерть

П. І. Бакулін. Курс загальної астрономії

Ю. М. Єфремов. У глибини Всесвіту