Общая характеристика звезд

Звезды - это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым.

В ночном небе невооруженным глазом можно видеть около 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталога все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. А всего нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10²².

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в сотни и тысячи раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше (около 10 км). Предельная максимальная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам, а минимальная примерно 0,03 солнечной массы.

Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самая близкая к нам звезда - Проксима Центавра, не видимая с территории России. Проксима Центавра — маленькая звезда, ее масса в 7 раз меньше, чем масса нашего Солнца, а поверхностная температура (3000°) в два раза меньше, чем температура на поверхности Солнца. Поэтому она светит на небе очень тускло и не видна невооруженным глазом, хотя и является самой близкой к нам звездой. Она отстоит от Земли на расстоянии всего 4,2 световых лет (курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!).

Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы:

o кратные звезды (двойные, тройные и т.д.);

o звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов);

o галактики — грандиозные звездные системы, в которых содержатся миллиарды и сотни миллиардов звезд.

Большинство звезд находятся в стационарном состоянии, однако существуют звезды, свойства которых меняются - переменные звезды и нестационарные звезды. Переменные звезды изменяют свое состояние (блеск, излучение электромагнитных волн, магнитное поле и др.) регулярным или нерегулярным образом. Нестационарность может быть вызвана взаимодействием с другими звездами, перетеканием вещества от одной близкой соседки к другой.

В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды — мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца.

Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в ином состоянии, чем вещество в земных условиях.

Плазма — это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. В земных условиях плазма встречается очень редко - в электрических разрядах в газах, молнии, в процессах горения и взрыва и др. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, радиационных поясов, ионосферы и др. Зато во Вселенной в состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества. Кроме звезд, это - межзвездная среда, галактические туманности и др.

Звезда — это изменяющаяся плазменная система. В ходе жизни звезды ее химический состав и распределение химических элементов значительно изменяются. На поздних стадиях развития звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры - источники рентгеновского излучения и др.).

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии ~ гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов, и выделяется большое количество энергии.

Энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет. Из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд.

С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет от 12 до 15 млн. К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная среда.

Между звездами и межзвездной средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда —> звезды —> межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами. Около 85% всех химических элементов тяжелее гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд. лет назад. В то время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10—13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд. лет.

Хотя даже в мощные оптические телескопы мы видим в нашем галактическом пространстве лишь звезды и разделяющую их темную «бездну», на самом деле межзвездное галактическое пространство заполнено материей, веществом и полем.

Межзвездная среда состоит:

ü на 90% из межзвездного газа, который довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1 % массы межзвездной среды),

ü космических лучей,

ü пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного излучения.

Межзвездный газ состоит:

из атомов водорода (около 90% всех атомов)

гелия (около 8%);

другие химические элементы (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.) - 2%.

Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд. масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд!

Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (наиболее плотные и холодные части молекулярного газа). При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью (которая представляет собой твердые тугоплавкие мельчайшие частицы, содержащие водород, кислород, азот, силикаты, железо), образуя газопылевые образования, облака.

Эволюция звезд. Звезды - грандиозные плазменные системы физические характеристики, внутреннее строение и химический состав которых изменяются со временем. Время звездной эволюции очень велико. Каждая из множества звезд на небе проходит некоторый этап эволюции.

Основные фазы в эволюции звезды:

Ø рождение (звездообразование);

Ø длительный период (обычно стабильного) существования звезды как целостной системы, находящейся в гидродинамическом и тепловом равновесии;

Ø период ее «смерти», т.е. необратимое нарушение равновесия, которое ведет к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава, который, зависит от времени образования звезды и ее положения в Галактике в момент образования. Чем больше масса звезды, тем быстрее идет ее эволюция и тем короче ее «жизнь». Для звезд с массой, превышающей солнечную массу в 15 раз, время стабильного существования - около 10 млн. лет (время, отведенное для нашего Солнца — около 10 млрд. лет).

Каждое поколение звезд имеет особые закономерности формирования и эволюции. Звезды первого поколения образовались из вещества, состав которого сложился в начальный период существования Вселенной - почти 75% водорода и 25% гелия с ничтожной примесью дейтерия и лития. В ходе быстрой эволюции массивных звезд первого поколения образовались более тяжелые химические элементы (в основном вплоть до железа), которые впоследствии были выброшены в межзвездное пространство в результате истечения вещества из звезд или их взрывов.

Звезды последующих поколений формировались из вещества, содержащего 3—4% тяжелых элементов. Поэтому в звездной эволюции различают: эволюцию отдельной звезды, эволюцию отдельных типов (поколений) звезд и эволюцию звездной материи как таковой.

Звездообразование - это процесс рождения звезд из межзвездного газа, газопылевых образований, облаков. Процесс звездообразования продолжается непрерывно.

Для каждого поколения звезд характерны конкретные условия звездообразования. Первые поколения звезд образовывались в основном в области галактического центра, во всем его объеме. В дальнейшем, в связи с тем, что межзвездный газ все больше концентрировался в плоскости Галактики, звездообразование происходило и происходит сейчас в этой галактической плоскости.

Звезды образуются не в одиночку, а группами, скоплениями, что является результатом гравитационной конденсации, сжатия (коллапса) громадных объемов межзвездного газа, газопылевых облаков.

Звездообразование начинается со сжатия и последующей фрагментации (под действием гравитационных сил) протяженных холодных облаков молекулярного межзвездного газа. Масса газа должна быть такой, чтобы действие сил гравитации преобладало над действием сил газового давления. При современных температурах межзвездного газа (10-30 К) его минимальная масса, которая может конденсироваться, составляет не менее тысячи масс нашего Солнца. Каждый из образовавшихся фрагментов может в свою очередь разделяться на отдельные фрагменты (так называемая каскадная фрагментация). Последняя серия фрагментов и представляет собой материал, из которого непосредственно формируются звезды.

По мере сжатия в таком фрагменте постепенно выделяются ядро и оболочка. Ядро - это центральная, более плотная и компактная часть, достигшая гидростатического равновесия. Оболочка - это внешняя, протяженная часть газопылевого фрагмента. (Из материала оболочки впоследствии при ее преобразовании в газопылевой диск могут образовываться окружающие звезду планеты.) Процесс конденсации сопровождается возрастанием магнитного поля, ростом давления газа. Долгое время оболочка остается плотной и непрозрачной, что делает рождающуюся звезду невидимой в оптическом диапазоне. (Зато ее можно зафиксировать средствами радио- и инфракрасной астрономии.) Так постепенно формируются протозвезды - грандиозные непрозрачные массы межзвездного газа со сформировавшимся ядром, в которых гравитация уравновешивается силами внутреннего давления.

С образованием протозвезды рост массы ее ядра не прекращается. Масса ядра продолжает увеличиваться за счет выпадения газа на ядро из оболочки (аккреция). Силы гравитации растут и разогревают ядро, которое претерпевает качественные изменения, в том числе возрастают его светимость и давление излучения. Затем рост ядра и конденсация газа из оболочки прекращаются. Оболочка постепенно «сдувается» излучением и рассеивается. А ядро приобретает вид звездного объекта. Этот процесс гравитационного сжатия длится недолго (от сотен тысяч до нескольких десятков млн. лет) и заканчивается тогда, когда температура в центре достигает 10-15 млн. градусов и включается другой источник энергии - термоядерные реакции. Сжатие прекращается, и процесс звездообразования завершается: протозвезда окончательно превращается в звезду.

В ходе водородных термоядерных реакций в центральной зоне водород превращается в гелий, выделяя громадное количество энергии.

Водород - главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах 12настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. До тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.

В недрах звезд, при температурах более 10 млн.К и огромных плотностях, газ обладает давлением в миллиарды атмосфер. В этих условиях звезда может находиться в стационарном состоянии лишь благодаря тому, что в каждом ее слое внутреннее давление газа уравновешивается действием сил тяготения. Если внутри звезды температура повысится, то звезда должна раздуться, так как возрастает давление в ее недрах. Если же температура внутри звезды, а значит и давление, понизится, то радиус звезды уменьшается. Такое состояние называется гидростатическим равновесием.

Стационарное состояние звезды характеризуется еще и тепловым равновесием. Процессы выделения энергии в недрах звезд, процессы теплоотвода энергии из недр к поверхности и процессы излучения энергии с поверхности должны быть сбалансированы. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться. Это приведет к ускорению ядерных реакций, и тепловой баланс будет вновь восстановлен. Таким образом, звезда представляет собой тонко сбалансированный «организм», она оказывается саморегулирующейся системой. Причем чем звезда больше, тем быстрее она исчерпывает свой запас энергии.

После выгорания водорода в центральной зоне звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Постепенно они перемещаются на периферию звезды. Звезда принимает гетерогенную структуру. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка - расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Полагают, что на стадии красного гиганта наше Солнце увеличится настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Но Солнце станет красным гигантом примерно через 5 млрд. лет.

Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. На этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций осуществляется синтез более тяжелых, чем гелий, химических элементов (нуклеосинтез).

Нуклеосинтез происходит в недрах звезд.

В период стабильного развития звезд в ходе термоядерных реакций происходит синтез гелия из водорода. А в недрах красных гигантов, при температуре свыше 150 млн. градусов, начинается новый этап ядерных реакций, в ходе которых происходит горение гелия: три ядра гелия образуют ядро углерода. Ядро углерода, взаимодействуя с ядром гелия, дает ядро кислорода, а синтез ядра кислорода с ядром гелия — неон и т.д., вплоть до кремния.

На следующем этапе ядерных реакций начинаются реакции углеродного горения. При этом происходит резкое взрывное повышение температуры еще на 1-2 порядка, т.е. до миллиардов и десятков миллиардов градусов. В этих условиях ядерные реакции, ведут к образованию химических элементов так называемого железного пика (Fе, Ni, Мn и др.). Но для синтеза тяжелых элементов необходимо больше энергии, чем высвобождается в процессе реакции.

На этом этапе подключается механизм нейтронного захвата: нейтрон, проникая в ядро, связывается там. В результате образовывается стабильное ядро изотопа нового химического элемента. Нейтроны и протоны ведут себя устойчиво. Если же ядро оказывается нестабильным, перегруженным нейтронами (их число превышает число протонов), то происходит реакция β-распада, в ходе которой нейтрон превращается в протон с образованием электрона и нейтрино. При таком распаде ядро превращается в изотоп следующего в периодической системе химического элемента. (Обратный процесс может происходить в случае перегруженности ядра нестабильными протонами.)

Различают два вида нейтронного захвата.

1) это медленный захват, когда следующий нейтрон поглощается после того, как завершится β-распад предыдущего (образование в выгоревших ядрах звезд-гигантов элементов вплоть до висмута).

2) это быстрый захват, при котором ядро успеет захватить несколько нейтронов, прежде чем начнется процесс β-распада. Но для такого быстрого захвата необходим поток нейтронов колоссальной мощности, что возможно только в период грандиозных звездных катастроф — вспышки сверхновой звезды (происхождение богатых нейтронами тяжелых элементов - урана, тория и др.- с массовым числом до 270).

Одно из важных следствий теории нуклеосинтеза состоит в том, что наше Солнце является звездой второго либо третьего поколения звезд. Солнце и Солнечная система возникли тогда, когда в недрах звезд предшествующих поколений уже были синтезированы тяжелые элементы и выброшены в пространство Вселенной. Из вещества, обогащенного этими тяжелыми элементами, и образовалась наша Солнечная система.

На стадии красного гиганта осуществляются основные реакции. В результате изменения химического состава, роста давления, пульсаций и других процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Динамическое равновесие звезды нарушается, происходит периодический сброс верхних оболочек. В этом случае звезда наблюдается как ядро планетарной туманности. Планетарная туманность — это система, состоящая из звезды (ядра туманности) и симметрично окружающей ее светящейся газовой оболочки (их может быть несколько), расширяющейся в пространстве с достаточно большой скоростью (20—40 км/с). По мере разряжения свечение оболочки ослабевает, и она становится невидимой. Планетарные туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами.

Красный гигант теряет свою массу, исчерпывает термоядерные источники энергии. На завершающем этапе нуклеосинтеза в недрах красного гиганта наступает нейтронизация вещества — электроны под громадным давлением «вдавливаются» в атомные ядра, взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. Красный гигант остывает. Теперь судьба звезды зависит от массы оставшегося ядра.

При массе менее 1,4 массы Солнца звезда, обладая громадной плотностью (сотни тонн на 1 см³), сохраняет свое стационарное, равновесное состояние - белые карлики. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет тогда, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образуя планетарную туманность. Поэтому белые карлики, окруженные остатками оболочки, выглядят обычно как планетарные туманности. Белый карлик не имеет ресурсов для термоядерных реакций, он постепенно охлаждается, причем время охлаждения достаточно велико — примерно 10⁹ лет. Это время сравнимо с возрастом Галактики.

Когда энергия звезды иссякнет, звезда меняет свой цвет с белого на желтый, затем на красный. Она перестает излучать и начинает непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького темного безжизненного объекта. Так белый карлик медленно превращается в мертвую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды в миллиарды раз выше плотности воды. Так заканчивают свое существование большинство звезд.

При массе более 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии становится невозможным, так как давление не может уравновесить силу тяготения. В таких звездах начинается гравитационный коллапс — неограниченное падение вещества к центру. Если внутреннее давление и другие причины останавливают коллапс, происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образованием газовых туманностей.

Если масса умирающей звезды более чем в 3 раза превышает массу Солнца, то уже ничто не может предотвратить гравитационный коллапс, такая звезда как бы взрывается внутрь, неизбежно превращаясь в черную дыру.

Сверхновые звезды — это такие звезды, блеск которых при вспышке в течение нескольких суток увеличивается настолько, что становится сравнимым с яркостью всех звезд галактики и может даже превосходить ее (в 1006,1054, 1181, 1572 и 1604гг. и менее достоверные сведения из китайских летописей — в 185, 369, 386 и 393 г.г.).

Взрыв сверхновой звезды— гигантский по силе взрыв старой звезды, вызванный коллапсом ее ядра. Под воздействием силы тяготения вещество звезды начинает ускоренно двигаться к ее центру, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Масса ядра растет, и нарастает гравитационное поле. В результате ядро ускоряется быстрее, чем оболочка. Высокое давление сбрасывает оболочку — звезда взрывается. Взрыв сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее раскидывают наружные слои звезды в космическом пространстве и образуют клочья облаков расширяющегося газа. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия (порядка 10⁵²эрг).

Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение для обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для распространения химических элементов во Вселенной, а также для рождения первичных космических лучей.

Дозы космического излучения при взрыве могут превышать нормальные для Земли в 7 тысяч раз! Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на нашей планете (внезапную гибель динозавров).

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела — нейтронной звезды или черной дыры.

Нейтронная звезда — это гидростатически равновесная звезда, состоящая в основном из нейтронов. Она имеет много свойств, общих со свойствами ядра атома, но и много различий. Атомное ядро — это квантово-механическая система, единство которой обеспечивается ядерными силами, сильным взаимодействием. А единство нейтронной звезды обеспечивается балансом между сжимающей ее силой тяготения и давлением, направленным от центра звезды к ее поверхности.

Типичная нейтронная звезда имеет радиус 18-10км. Плотность нейтронной звезды очень высока, соизмерима с плотностью атомных ядер - 10¹⁵ г/см3. Ядро нейтронной звезды состоит из сверхтекучей нейтронной жидкости, сверхпроводящих протонов и вырожденных электронов, а верхний слой - твердая кора из железа. Благодаря сверхтекучей нейтронной жидкости в такой звезде распространяются волны плотности, подобные порывам ветра на поле, покрытом травами. Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет.

Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе в направлении магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами.

Расчеты показывают, что в нашей Галактике должно содержаться около 100 млн. нейтронных звезд и черных дыр.

Черные дыры. Старые массивные звезды, умирая, переходят в состояние гравитационного коллапса. Результатом коллапса является образование области, в которой тяготение настолько велико, что оттуда ничего выйти уже не может. Окружающее звезду пространство-время свертывается, звезда исчезает из Вселенной, а вместо нее остается сильно искривленная область пространства-времени, т.е. та черная дыра, модель котором существует еще с начала XX в. Если масса умирающей звезды в 3 и более раз превышает массу Солнца, то она, завершая свой жизненный путь, неизбежно превращается в черную дыру. Проявлениями гравитационного коллапса являются вспышки новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды и др.

Сильное гравитационное поле черной дыры должно вызывать бурное излучение электромагнитных волн при попадании в это поле газа. Газ образует закручивающийся вокруг черной дыры быстро вращающийся уплотняющийся диск. При этом кинетическая энергия его частиц, разгоняемых силой тяготения черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, по которому черная дыра может быть обнаружена.

В настоящее время существует уже более 10 кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько десятков кандидатов в сверхмассивные черные дыры (с массой 10⁸~ 10⁹ масс Солнца) в ядрах галактик (в том числе и нашей) и в квазарах. Недавно исследование движения звезд, сосредоточенных в центре нашей Галактики, показало, что одна из них, двигаясь по орбите вокруг центра Галактики на расстоянии, всего в 3 раза превышающем расстояние от Солнца до Плутона, имеет немыслимую для других звезд скорость — 5000 км/с, а период ее обращения 15,2 года. Такое быстрое движение по орбите может быть объяснено только тем, что в центре нашей Галактики находится массивный (3,7 млн. масс Солнца) и сверхкомпактный объект. А с точки зрения современных представлений, таким объектом может явиться только черная дыра.

Черная дыра - область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.

Звезда с массой, равной массе Солнца за тысячную долю секунды может превратиться из обычной звезды в черную дыру. А если масса равна массе миллиарда звезд (ее горизонт равен 2,8 световых часа), то такой процесс займет несколько дней.

Свойства черной дыры крайне необычны.

1. Черная дыра может гравитационно захватывать тела, прилетающие из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R = 2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос.

Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос.

Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.

2. В черной дыре происходит фундаментальное замедление времени. Она так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной – либо в другую часть нашей Вселенной, либо внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной, и даже проникновения в другую вселенную.

((Во время свободного падения тело будет разорвано грандиозными силами тяготения: если оно падает ногами вниз, то ноги окажутся ближе к черной дыре, чем голова, и будут двигаться быстрее — человек вытянется к тонкую нить длиной сотни километров; попадая под горизонт черной дыры, свет приобретает грандиозную энергию и испытывает фиолетовое смещение, здесь накапливается так называемый фиолетовый слой фотонов, сильнейшая вспышка рентгеновских и γ-лучей, губительная для всего живого)).

Размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики (10⁴⁴ г) до песчинки массой 10^-5 г.

Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Черная дыра массой в 10 масс Солнца испарится за 10⁶⁹лет. «» массивные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции Вселенной, и сейчас существуют, причем, возможно, даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются обнаружить с помощью γ-телескопов. А маломассивные черные дыры, теряя массу, разогреваются и излучают еще сильнее. В конце концов они должны взорваться и, по-видимому, полностью исчезнуть, породив мощную вспышку жесткого γ-излучения. Вспышка черной дыры с массой 10⁹ г за 0,1с будет эвивалентна энергии взрыва миллиона водородных бомб! «»

Галактики

Галактики - это гигантские звездные системы (примерно до 10¹³звезд). Такого же порядка и массы галактик по отношению к массе Солнца.

Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль.

Строение их различно. Но наиболее характерна одна форма — уплощенный диск с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. (Галактика Андромеды, как и наша собственная, принадлежит к спиральному типу галактик)

Солнечная система расположена в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии двух третей ее радиуса от центра.

Свет от галактик приходит к нам через пространство в миллиарды и миллиарды километров, на преодоление которого он затрачивает миллионы лет. Свет от ближайшей к нам галактики Андромеды достигает Земли через 1,5 млн. лет. Расстояние до самых дальних, из наблюдаемых в настоящее время галактик — свыше 10 млрд. световых лет.

Одна из центральных проблем внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и размеров самих галактик. Расстояния до ближайших галактик, которые можно разложить на звезды, определяются по их светимости. Сложнее оценить расстояние до далеких галактик.

В 1912 г. американский астроном В. Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далеких галактик: их спектральные линии оказались смещенными к длинноволновому (красному) краю по сравнению с такими же линиями в спектрах источников, неподвижных относительно наблюдателя.

А в 1929 г. американский астроном Э. X а б б л, сравнивая расстояния до галактик и их красные смещения, обнаружил, что последние растут в среднем пропорционально расстояниям (закон Хаббла).

В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров.

Чрезвычайно многообразны формы галактик. Типология форм галактик, разработанная еще Э. Хабблом, в основном сохранилась до настоящего времени. Хаббл выделял три основных типа галактик:

эллиптические, имеющие круглую или эллиптическую форму (это наиболее простые галактики, не содержащие горячих звезд, сверхгигантов, пыли и газовых туманностей; в центре их нет ядра;

спиральные, которые Хаббл разбил на два семейства — обычные и пересеченные. У первых ветви выходят непосредственно из ядра; у вторых ядро пересечено широкой, яркой полосой, называемой перемычкой или баром; спиральные ветви отходят от концов бара;

неправильные галактики имеют клочковатое строение и неправильную форму; яркость и светимость их невелики; они изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями и пылью (например, Большое и Малое Магеллановы Облака); к неправильным галактикам относятся также взаимодействующие галактики; большинство неправильных галактик - карлики.

Форма и структура галактик связаны с их основными физическими характеристиками: размером, массой, светимостью.

В центрах галактик сосредоточено огромное количество вещества (до 10% всей ее массы). Здесь происходят выбросы большого количества вещества, что приводит к интенсивному движению от центра туч водорода. В отдельных галактиках ядро может представлять собой черную дыру.

Большая же часть нашей Галактики видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Благодаря этому (в отличие от других галактик) нашу Галактику может легко наблюдать на небе каждый (на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики, диск которой мы видим как бы «с ребра»).

Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд, среди них и наше Солнце. Кроме звезд Галактика содержит много пыли, газа; она пронизана магнитными полями, заполнена космическими лучами. По форме она представляет собой достаточно правильный диск с шарообразным утолщением (балдж) в центре (это напоминает линзу или чечевицу).

Диаметр Галактики около 100 000 световых лет (примерно 30 кпк), толщина ее в 10—15 раз меньше, а масса Галактики 2*10¹¹ масс Солнца. Около 1% этой массы составляет межзвездный водород, преимущественно нейтральный. Возраст Галактики около 15 млрд. лет.

Звездный состав Галактики очень разнообразный. Звезды различаются по физическим, химическим характеристикам, особенностям орбит, возрасту и др. Есть старые звезды и молодые (около 100 тыс. лет), некоторые звезды рождаются в настоящее время. Подавляющее большинство звезд имеет «средний» возраст — несколько миллиардов лет. К ним относится и наше Солнце - рядовая звезда нашей Галактики, — которое расположено ближе к ее краю, примерно в 25 000 световых лет от ядра Галактики.

Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Этот период может быть назван галактическим годом (история человечества по сравнению с этим периодом — только краткий миг). Вся наша Галактика вращается вокруг центра Местной системы галактик (примерно на 2/3 пути между нашей Галактикой и туманностью Андромеды, на расстоянии 0,46 Мпк от Галактики).

Данные внеоптической астрономии позволяют сделать, что ядром Галактики является черная дыра.

К счастью черная дыра невелика по сравнению с ядрами других галактик и не активна в той мере, в какой бывают активны ядра галактик, грандиозные взрывы которых с энергией примерно 10⁶⁰ эрг заявляют о себе буквально на всю Вселенную.

Метагалактики. Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактики — ее постоянное расширение, о чем свидетельствует «разлет» скоплений галактик. Доказательством того, что скопления галактик удаляются друг от друга, являются «красное смещение» в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое внегалактическое излучение, соответствующее температуре около 2,7 К).

Из явления расширения Метагалактики вытекает следствие, что в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаков смыкались и образовывали единое однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение.

Другое важное свойство Метагалактики — равномерное распределение в ней вещества (основная масса которого сосредоточена в звездах). В современном состоянии Метагалактика — однородна в масштабе порядка 200 Мпк. Маловероятно, что она была такой в прошлом. В самом начале расширения Метагалактики неоднородность материи вполне могла существовать. Поиски следов неоднородности прошлых состояний Метагалактики - одна из важнейших проблем внегалактической астрономии.

Однородность Метагалактики (и Вселенной) состоит в том, что структурные элементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, и физические константы, с большой степенью точности одинаковы повсюду.

Представление об однородности Метагалактики доказывает, что Земля не занимает во Вселенной привилегированного положения.

Всё чаще высказывается мысль о множественности «метагалактик», множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свой тип нестационарности, организации и др. Эти гипотезы не противоречат современным математическим и физико-теоретическим представлениям.

Одна из теоретических посылок для такого вывода связана с тем, что уравнения ОТО и квантовой физики не дают ответа на вопрос о начальных условиях эволюции нашей Вселенной. Здесь возможны два варианта:

o первичное сингулярное состояние вещества из множества потенциальных физических возможностей реализовалось в одну реальную - нашу Метагалактику;

o во Вселенной осуществляется все многообразие физических условий, явлений и движений, допускаемых основными физическими теориями.

Если допустить вторую возможность, то реально существует множество вселенных (метагалактик), образовавшихся в результате «Большого взрыва», связанных между собой некими материальными «каналами», о которых мы пока можем только догадываться (представления о топосах и др.). Для познания каналов понадобится завершенная теория супергравитации, а может даже и некоторая «новая физика».

Вселенная в целом

Первым космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. Он исходил из предположения о неизменности свойств Вселенной как целого во времени радиус кривизны пространства он считал постоянным), и даже видоизменил ОТО, чтобы она удовлетворяла этому требованию, и ввел в основное уравнение дополнительную космическую силу отталкивания (Л) которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд.

Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ!

В такой вселенной нет понятия «снаружи». Ведь различение «снаружи» и «внутри» предполагает некоторую границу, которой на самом деле нет, и каждая точка в ней эквивалентна любой другой — ни края, ни центра здесь нет.

С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик А. А. Фр и д м а н. В 1922 г., он сделал из ОТО космологические выводы и заложил основы нестационарной релятивистской космологии.

Его Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной и должна либо расширяться, либо сжиматься. «»Встретив решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности и изотропии, называются фридмановскими космологическими моделями. «»

В основе нестационарной релятивистской космологии лежат следующие положения и принципы.

1) уравнения ОТО, связывающие кривизну пространства-времени с плотностью массы (энергии).

2) космологический постулат (представление однородности изотропности Вселенной: во Вселенной нет выделенных точек и направлений; все точки и направления равноправны).

3) выбор той или иной модели определяется силами тяготения и начальными условиями (плотностью массы).

Решения космологических уравнений зависят от средней плотности вещества во Вселенной и приводят к трем моделям эволюции Вселенной.

Первая модель соответствует положению, когда средняя плотность вещества во Вселенной ниже критической (р < рк). В таком случае кривизна пространства отрицательная, скорость расширения не уменьшается, а Вселенная будет расширяться в бесконечность неограниченно долго (гиперболическое расширение).

Вторая модель характеризует ситуацию, когда средняя плотность равна критической (р = р), а кривизна в пределе стремится к нулю. Это случай неограниченного параболического расширения, которое сопровождается постепенным уменьшением скорости расширения.

И в первой и во второй модели расстояния между галактиками со временем неограниченно возрастают.

Третья модель соответствует положению, когда средняя плотность вещества выше критической (р > рк), а кривизна изменяется, отрицательная сменяется положительной. Это пульсирующая модель, в которой период расширения неизбежно сменяется периодом сжатия.

Во всех моделях предусмотрено существование начального состояния эволюции — точки сингулярности (О).

«»Спустя лишь несколько лет после ее создания идеи нестационарной релятивистской космологии получили эмпирическое подтверждение. В 1929 г. американский астроном Э.Хаббл показал, что, судя по «красному смещению» спектров, далекие галактики удаляются от нас; и чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Отсюда следовал однозначный вывод – Вселенная находится в состоянии расширения. Это открытие подтвердило идеи Фридмана и вместе с ними коренным образом изменило основания космологии. «»

Возраст Вселенной. Одним из наиболее важных и интересных результатов космологических исследований в XX в. является определение возраста Вселенной. Ограниченность эволюции Вселенной во времени приводит к понятию ее возраста. Вселенная расширяется, изменяется, значит, у нее есть своя история, время возникновения и время исчезновения, гибели. Можно сказать, что у нее есть своя биография, имеющая даты рождения и смерти.

Возраст Вселенной легко определяется через знание величины постоянной Хаббла (Н). Современная оценка этой постоянной от 50 до 100 км/ (с-Мпк). Обратная величина t = 1/Н имеет размерность времени и означает приблизительный возраст нашей Вселенной. Он составляет от 10 до 20 млрд. лет. При выборе Н – 75 км/(с-Мпк) возраст Вселенной составляет примерно 13 млрд. лет. Именно эта величина возраста Вселенной в настоящее время принимается как наиболее предпочтительная. Ее нельзя считать окончательной. Многое зависит от закономерностей изменения постоянной Хаббла во времени. Пока твердых данных на этот счет нет. Если окажется, что расширение Вселенной идет с замедлением, то придется уменьшить оценку возраста Вселенной, а если окажется, что во Вселенной действуют космологические силы отталкивания, то возраст Вселенной может оказаться и большим, чем 20 млрд. лет.

Эволюция Вселенной

Важнейшим направлением разработки теории нестационарной Вселенной в XX в. явилось исследование физических процессов в начальные моменты Вселенной. Центральным здесь оказался вопрос о смысле сингулярности.

Качественно новым и глубоким шагом в изучении начальных состояний Вселенной была разработка модели горячей Вселенной (Дж. Гамов и его сотрудники в 1948— 1956 гг.). В соответствии с этой концепцией, Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась высокой плотностью и высокой температурой вещества.

В теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения – микроволнового фонового излучения с температурой около 2,7 К. (Косвенным подтверждением служит обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе и высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной).

Важной вехой на пути разработки квантовой теории тяготения является создание инфляционной космологии (1980-е гг. группой отечественных и зарубежных физиков и космологов – А.А.Старобинский, А. Гут, А.Д.Линде и др.).

Инфляционная космология возникла как теория, объясняющая условия и причины Большого взрыва, сложившиеся в первые мгновения Вселенной. В ее основе — представление о существовании (компенсирующей гравитационное притяжение) силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла спонтанно разорвать некое начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой теории начальным состоянием Вселенной является физический вакуум.

Рождение Вселенной.

Акт первый: инфляция физического вакуума.

Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума за счет фазового перехода первого рода;

Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантовых полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Физический вакуум обладает ненулевым значением плотности энергии и давления, поэтому в нем происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.). Вакуум описывается скалярными полями, для которых характерны квантовые флуктуации. Сингулярность — это и есть квантовая флуктуация вакуума. Физический вакуум — форма материи, характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления – отрицательные.

Возбужденное состояние физического вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии.

Скорость раздувания значительно превосходила световую. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10^-34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу,.приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной – это единственный след, который сохранился до настоящего времени от периода инфляции.

В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10²⁷ К и энергии 10¹⁴ ГэВ. А это и есть Большой взрыв.

С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее фундаментальные взаимодействия, наблюдаемые сегодня.

Акт второй: Большой взрыв и его последствия. Большой взрыв связан с эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10^~34 с, а температура около 10²⁷ К. Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического вакуума множества разнообразных виртуальных частиц. Космос заполняется смесью частиц. Важнейшими ее составляющими были сверхмассивные частицы – переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и Y-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при падении Т< 10²⁷ К Х- и Y –бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. В результате появляется небольшой избыток частиц по отношению к античастицам: на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль.

По мере остывания Вселенной, антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) В результате аннигиляции (превращение одних частиц при столкновении в другие частицы) возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.

Вплоть до 10^~12с после Большого взрыва температура была высока (Т >10¹⁵К) и особенности материи во Вселенной резко отличались от её современного состояния:

o адроны еще не образовались;

o не различались слабое и электромагнитное взаимодействия (электроны, мюоны и нейтрино не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Y-частиц);

o кварки и легионы еще существенно не различаются, не обладают массой покоя и др.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 1015 К вызывает внезапный переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент (10^~12 с) нарушается калибровочная симметрия и электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W- и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение электронов, нейтрино, фотонов и кварков.

Следующий фазовый переход происходит при Т = 10¹³ К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие, сильно взаимодействующие частицы). С этого момента (10^-5с) открылся прямой путь для ядерных реакций – синтеза гелия.

При Т = 2*10¹⁰ К и t= 0,2с нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, они легко перемещаются во Вселенной, только их энергия уменьшается из-за ее расширения.

Образование звезд и галактик. Методом математического моделирования астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые секунды существования Вселенной.

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 быстро и по прошествии еще минуты температура упала на два порядка, а с несколько минут - стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий 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 легче нейтронов, они присутствовали в большем количестве, то по завершении синтеза гелия, часть протонов осталась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода (протонов).

В первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря этому во Вселенной остались 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.

После стадии термоядерных реакций температура вещества была настолько высока, что оно находилось в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (захват ионом сводного электрона, приводит к уменьшению заряда иона или превращения его в нейтральный атом) (t= 4000 К). В этот момент ядра присоединяли электроны и превращались в нейтральные атомы. Первыми образовались атомы гелия и водорода, из которых сформировались первые звезды и галактики.

Когда размеры Вселенной были в 100 раз меньше из газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки – протогалактические сгущения, из которых постепенно сформировались звезды и галактики.

Ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат ядра водорода (протоны). Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий, гелия – в углерод, а затем и образованию более сложных ядер. По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура представляется слоями различных химических элементов, каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей «жизни» звезда превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов. Прекращая свою «жизнь», звезда может разбросать тяжелые элементы по просторам Галактики.

Сценарии будущего Вселенной. Теоретическое моделирование будущего Вселенной различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.

«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 10⁵³т, можно предположить, что 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).

Вселенная может быть представлена как система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться (могут изменяться фундаментальные физические константы).

В соответствии с «открытыми» моделями уже через 10¹⁴лет многие звезды остынут, что через 10¹⁵лет приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и превратятся в черные карлики. Центральные области галактик образуют черные дыры. Галактики прекращают свое существование.

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон нестабилен и распадается через 10³¹ лет на γ-квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся за 10⁹⁶ лет, через 10¹⁰⁰ лет во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.

Если же протон стабилен, то через 10⁶⁵ лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10¹⁵⁰⁰ 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!

₂₆

Через 10¹⁰, железные капли превратятся в «черные дыры». Эти «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 10⁶⁷ лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние – окончательная «смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу — физический вакуум.

5.Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций

Вопрос о внеземных цивилизациях имеет свою научную постановку, которая существенно отличается от его трактовок массовым, обыденным, вненаучным сознанием. Современная наука трактует внеземные цивилизации как общества разумных существ, которые могут возникать и существовать вне Земли (на других планетах, космических телах, в иных вселенных, средах и др.).

С позиций современной науки, предположение о возможности существования внеземных цивилизаций имеет объективные основания:

1) представление о материальном единстве мира;

2) о развитии, эволюции материи как всеобщем ее свойстве;

3) данные о закономерном, естественном характере происхождения и эволюции жизни, а также происхождения и эволюции человека на Земле;

4) астрономические данные о том, что Солнце — типичная, рядовая звезда нашей Галактики и нет оснований для ее выделения среди множества других подобных звезд;

5) что в Космосе существует большое разнообразие физических условий, что может привести в принципе к возникновению самых разнообразных форм высокоорганизованной материи.

С 1960-х гг. в США и нашей стране была проведена значительная научно-исследовательская и организационная работа в области исследования проблемы внеземных цивилизаций. Она осуществлялась по следующим основным направлениям:

1. анализ и развитие мировоззренческих и теоретических оснований проблемы внеземных цивилизаций, их возникновения, развития и проявления;

2. выработка различных стратегий поиска и установления контактов с ними;

3. разработка методов обнаружения внеземных цивилизаций (следов их активности, искусственных сигналов, которые они посылают, и т.д.);

4. поиск возможных сигналов от внеземных цивилизаций, проведение наблюдений в радио- и оптическом диапазонах;

5. передача от нашей цивилизации сообщений внеземным цивилизациям.

Эта проблема имеет глубокий практический смысл, т.к. открытие внеземных цивилизаций и установление контакта с ними могут оказать огромное влияние на научный и технологический потенциал общества, на будущее человечества.

Оценка возможной распространенности внеземных (космических) цивилизаций в нашей Галактике осуществляется по формуле Дрейка:

N=R*f*n*K*d*q*L

где N - число внеземных цивилизаций в Галактике;

R - скорость образования звезд в Галактике, усредненная по всему времени ее существования (число звезд в год);

f - доля звезд, обладающих планетными системами;

n — среднее число планет, входящих в планетные системы и экологически пригодных для жизни;

K - доля планет, на которых действительно возникла жизнь;

d - доля планет, на которых после возникновения жизни развились ее разумные формы;

q - доля планет, на которых разумная жизнь имеет возможность связи с другими мирами, цивилизациями;

L - средняя продолжительность существования внеземных (космических, технических) цивилизаций.

За исключением К, которая может быть подсчитана более или менее точно (около 10 звезд в год), и f (30%), остальные величины являются неопределенными.

Кроме того, для возникновения жизни (посредством естественного отбора) необходим сложный комплекс условий.

1. значительные интервалы времени; поэтому жизнь может возникнуть только вокруг старых звезд не первого, а второго поколения, поскольку только рядом с ними могут быть остатки тяжелых элементов, оставшиеся после взрывов сверхновых звезд первого поколения.

2. на планете должны быть соответствующие температурные условия: слишком высокая или слишком низкая температуры исключают появление жизни.

3. масса планеты не должна быть слишком маленькой: в этом случае планета быстро теряет свою атмосферу, которая попросту испаряется («диссипация»). Чем легче газ, тем быстрее он уходит за пределы планеты. Масса планеты не должна быть и очень большой, чтобы не удерживать свою первоначальную атмосферу (из водорода и гелия), не препятствовать изменению ее состава и появлению вторичной атмосферы.

4. наличие жидкой оболочки на ее поверхности: первичные формы жизни возникли в воде.

5. на планете должны быть условия для возникновения сложных молекулярных соединений, на основе которых могут протекать разнообразные химические процессы.

С учета этих условий лишь у 1—2% всех звезд в Галактике могут быть планетные системы с явлениями жизни (около 1 млрд. звезд могут иметь планетные системы, на которых в принципе возможна жизнь).

Типы контактов с внеземными цивилизациями. Возможны следующие типы контактов:

непосредственные контакты, т.е. взаимные (или односторонние) посещения;

контакты по каналам связи;

контакты смешанного типа — посылка к внеземной цивилизации автоматических зондов, которые передают полученную информацию по каналам связи.

Наиболее привлекательны контакты первого типа, но именно они наиболее трудны в реальном осуществлении. Основная трудность связана с длительностью полета к другим цивилизациям, которая может быть больше времени жизни самой земной цивилизации. Отсюда возникает вопрос о возвращении, ценности привезенной информации, а значит, и смысле самого полета. Теоретические аспекты таких проектов учеными обсуждаются, хотя до их практического осуществления еще очень далеко.

В настоящее время реально возможными контактами с внеземными цивилизациями являются контакты по каналам связи. Если время распространения сигнала в обе стороны больше времени жизни цивилизации, то речь может идти об одностороннем контакте. Если же время значительно меньше, то возможен двусторонний обмен информацией.

Современный уровень естественно-научных знаний позволяет воспользоваться электромагнитными волнами, т.к. сегодняшняя радиотехника может реально обеспечить установление такой связи.

Поиск сигналов от внеземных цивилизации — это одна сторона контакта с ними. Но существует и другая — сообщение таким цивилизациям о нашей, земной цивилизации. Поэтому, наряду с поисками сигналов, неоднократно направлялись послания внеземным цивилизациям. «»В 1974г. с радиоастрономической обсерватории в Аресибо (Пуэрто-Рико) в сторону шарового скопления М-31, находящегося от Земли на расстоянии 24тыс. световых лет, было направлено радиопослание, содержащее закодированный текст о жизни и цивилизации на Земле. В 2001 г. была организована передача (к 6 звездам солнечного типа в радиусе 70 световых лет от Солнца) первого радиопослания внеземным цивилизациям от детей Земли. «»

В настоящее время существует несколько направлений поиска следов активности внеземных цивилизации.

1) поиск следов астроинженерной деятельности внеземных цивилизации - технически развитые цивилизации должны перейти к преобразованию окружающего космического пространства (создание искусственных спутников, искусственной биосферы и др.), а излучение таких астроинженерных сооружений должно быть сосредоточено в инфракрасной области спектра (было обнаружено несколько десятков инфракрасных источников, но нет оснований связать какой-либо из них с внеземной цивилизацией).

2) поиск следов посещения Земли внеземными цивилизациями. В основе этого направления лежит допущение о том, что активность внеземных цивилизации могла проявляться в историческом прошлом в виде посещения Земли, и такое посещение не могло не оставить следов в памятниках материальной или духовной культуры различных народов (каменные идолы на острове Пасхи, Тунгусский метеорит).

3) поиск сигналов от внеземных цивилизаций, т.е. поиск искусственных сигналов в радио- и оптическом диапазонах.

Чем объяснить молчание Космоса? Целенаправленный поиск внеземных цивилизаций осуществляется более сорока лет различными странами, но положительных результатов нет. Ни очевидных признаков существования мощных внеземных цивилизаций, следов их активности, ни сигналов, которые можно было трактовать как искусственные, передаваемые внеземными цивилизациями, обнаружить не удалось.

Эту ситуацию определили как астросоциологический парадокс: теоретические предсказания, оценки и ожидания противоречат бесспорным результатам эксперимента.

Молчание Космоса объясняется по-разному:

v завышенные оценки количества внеземных цивилизаций;

v слабость наших средств и методов наблюдения (не так, не там, не теми средствами ищем);

v непродолжительность существования цивилизаций;

---

Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 28; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!