Еволюція 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.

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

Температура розпеченій щільною матерії на початковому етапі Всесвіту з часом знижувалася, що і відображається у співвідношенні. Це означає, що знижувалася середня кінетична енергія частинок kT. Згідно співвідношенню hn = kT знижувалася і енергія фотонів. Це можливо лише в тому випадку, якщо зменшиться їх частота n. Зниження енергії фотонів у часі мало для виникнення частинок 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 частинки 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 кінетичній енергією частинок kT,

kT> = 2 moc2

тобто

T> = 2 moc2 / k

Знак нерівності означає таке: 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 частинки й 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 частка + античастинка міг протікати лише за досить високої температурі. Згідно з тим, як матеріалізація в результаті знижується температури розпеченого речовини призупинилася. Еволюцію Всесвіту прийнято розділяти на чотири ери: адронний, лептонів, фотонну і зоряну.

а) Адронний ера. При дуже високих температурах і щільності на самому початку існування Всесвіту матерія складалася з елементарних частинок. Речовина на самому ранньому етапі полягала насамперед з адронів, і тому рання ера еволюції Всесвіту називається адронний, незважаючи на те, що в той час існували і лептони.

Через мільйонну частку секунди з моменту народження Всесвіту, температура T впала на 10 більйонів Кельвінів (1013K). Середня кінетична енергія частинок kT і фотонів hn становила близько мільярда ев (103 МеВ), що відповідає енергії спокою баріонів. У першу мільйонну частку секунди еволюції Всесвіту відбувалася матеріалізація всіх баріонів необмежено, так само, як і анігіляція. Але після цього часу матеріалізація баріонів припинилася, оскільки при температурі нижче 1013 K фотони не мали вже достатньою енергією для її здійснення. Процес анігіляції баріонів і антібаріонов тривав до тих пір, поки тиск випромінювання не відокремив речовина від антиречовини. Нестабільні гіперонів (найважчі з баріонів) у процесі самовільного 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 баріонного заряду. Розпад гіперонів відбувався на етапі з 10-6 до 10-4 секунди.

До моменту, коли вік Всесвіту досяг однієї десятитисячної 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., В ній зникли всі мезони. На цьому і закінчується адронний ера, тому що півонії є не тільки найлегшими мезонами, а й легенькими адронами. Ніколи після цього сильне взаємодія (ядерна сила) не проявлялася під Всесвіту такою мірою, як у адронний еру, що тривала всього лише одну десятитисячну частку секунди.

б) лептонна ера. Коли енергія частинок і фотонів знизилася в межах від 100 МеВ до 1 МеВ в речовині було багато лептонів. Температура була досить 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.

Лептонна ера починається з розпаду останніх адронів - півоній - 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 наповнилося величезною кількістю реліктових електронних і мюони нейтрино. Виникає нейтринне 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-позитронні пари не могли виникати внаслідок матеріалізації, тому, що фотони не мали достатньої енергією. Але анігіляція електронів і позитронів тривала далі, поки тиск випромінювання не повністю відокремив речовина від антиречовини. З часу адронів і лептонний ери Всесвіт була 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. Зі збільшенням відстані у Всесвіті в два рази, обсяг збільшився у вісім разів. Іншими словами, щільність частинок і фотонів знизилася в вісім разів. Але фотони у процесі розширення поводяться інакше, ніж частки. У той час як енергія спокою під час розширення Всесвіту не змінюється, енергія фотонів при розширенні зменшується. Фотони знижують свою частоту коливання, немов "втомлюються" згодом. Внаслідок цього щільність енергії фотонів (Er) падає швидше, ніж щільність енергії частинок (Em). Переважання у всесвіті фотонної 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 та 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 одну тридцятитисячний нинішнього віку Всесвіту. Незважаючи на стислість терміну, це все ж таки була сама славна ера Всесвіту. Ніколи після цього еволюція Всесвіту була настільки стрімка, як в самому її початку, під час "великого вибуху". Всі події у Всесвіті 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 на 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 зоряної ерою. Вона триває з часу завершення "великого вибуху" (приблизно 300 000 років) до наших днів. У порівнянні з періодом "великим вибуху" її розвиток представляється начебто занадто уповільненим. Це відбувається через низьку щільності і температури. Таким чином, еволюцію Всесвіту можна порівняти з феєрверком, який закінчився. Залишилися палаючі іскри, попіл і дим. Ми стоїмо на остиглому попелі, вдивляємося в старіючі зірки й згадуємо красу та блиск Всесвіту. Вибух супернових або гігантський вибух галактики - незначні явища в порівнянні з великим вибухом.

Народження сверхгалактікі і скупчень галактик

Під час ери випромінювання тривало стрімке розширення космічної матерії, що складається з фотонів, серед яких зустрічалися вільні протони чи 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 охолонули вже настільки, що до кожного з протонів міг, приєднається один електрон. При цьому відбувалося випромінювання одного ультрафіолетового фотона (або ж кількох фотонів світла) і, таким чином, 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 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.

Висновок

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

Список літератури

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