Еволюція Всесвіту

Процес еволюції Всесвіту відбувається дуже повільно. Адже Всесвіт у багаторазово старше астрономії і взагалі людської культури. Зародження і еволюція життя землі є лише незначним ланкою в еволюції Всесвіту. І усе ж таки дослідження проведені у нашому столітті, відкрили завісу, закриває ми далеке прошлое.

Сучасні астрономічні спостереження свідчать, що початком Всесвіту, приблизно десять мільярдів років як розв’язано, був гігантський вогненний кулю, розпечений і щільний. Його склад дуже проста. Цей вогненний кулю був у стільки розпечений, що перебував лише з вільних елементарних частинок, які стрімко рухалися, зіштовхуючись друг з одним. Протягом десяти мільярдів років тому після «великого вибуху» найпростіше безформне речовина поступово перетворюватися на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалися зірки, системи, які з величезного кількості елементарних часток отримують за дуже простий організацією. На деяких планетах могли виникнути форми жизни.

[pic].

Початок Вселенной.

Всесвіт постійно розширюється. Той момент від якого Всесвіт початку розширюватися, прийнято вважати її початком. Тоді розпочалася перша і повна драматизму ера історія всесвіту, його 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 внаслідок розширення поступово знижується. З цього випливає, у минулому Щільність Всесвіту було більше, ніж у час. Не виключено, що у глибокої давнини (приблизно десять мільярдів років тому я) щільність Всесвіту була дуже великі. З іншого боку високої повинна бути і температура, настільки високої, що щільність випромінювання перевищувала щільність речовини. Інакше висловлюючись енергія всіх фотонів які у 1 куб. див було більше суми загальної енергії частинок, які у 1 куб. див. Насправді етапі, у перших миті «великого вибуху» вся матерія була сильно розпеченій і густий сумішшю частинок, складу і високоенергічних гамма-фотонов. Частинки при зіткненні з відповідними античастицами аннигилировали, але виникаючі гамма-фотоны моментально матеріалізувалися в частинки й античастицы.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижувалася у часу у відповідно до простого співвідношенням :

T = 1010 K .

Ц t.

Залежність температури Т від часу t дає можливість визначити, що наприклад, в останній момент, коли вік всесвіту обчислювався лише однієї десятитисячної секунди, її температура представляла один більйон Кельвинов.

Температура розпеченій щільною матерії на початковому етапі знають Всесвіту зі часом знижувалася, що у відсотковому співвідношенні. Це означає, що знижувалася середня кінетична енергія частинок kT. Відповідно до співвідношенню hn=kT знижувалася і енергія фотонів. Це лише у разі, якщо зменшиться їх частота n. Зниження енергії фотонів у часі мало для виникнення частинок і складу шляхом матеріалізації важливі наслідки. Щоб фотон перетворився (матеріалізувався) в частку і античастицу з безліччю mo і енергією спокою moc2, він повинен мати енергією 2moc2 чи більшої. Ця залежність виражається так :

hn >=2moc2.

Згодом енергія фотонів знижувалася, і тільки впала нижче твори енергії частинки й античастинки (2moc2), фотони не здатні були забезпечити виникнення частинок і складу з безліччю mo. Так, наприклад, фотон, у якого енергією меншою, ніж 2.938 Мев = 938 Мев, не здатний матеріалізуватися в протон і антипротон, оскільки енергія спокою протона дорівнює 938 мэв.

У минулому співвідношенні усунути енергію фотонів hn кінетичній енергією частинок kT ,.

kT >= 2 moc2 то есть.

T >= 2 moc2. k.

Знак нерівності означає таке: частинки й відповідні їм античастинки виникали при матеріалізації в розпеченому речовині до того часу, поки температура речовини T не впала нижче значения.

2 moc2 k.

На початковому етапі знають розширення Всесвіту з фотонів народжувалися частинки й античастинки. Цей процес відбувається постійно слабшав, що призвело до вимиранню частинок і складу. Оскільки анігіляція може статися за будь-якої температурі, постійно здійснюється процес частка + античастка Ю 2 гамма-фотона за умови дотику речовини з антиречовиною. Процес матеріалізації гамма-фотон Ю частка + античастка міг протікати лише за досить високої температурі. Згідно з тим, як матеріалізація в результаті понижающейся температури розпеченого речовини призупинилася. Еволюцію Всесвіту прийнято розділяти чотирма ери: адронную, лептонную, фотонну і звездную.

а) Адронная ера. При дуже високих температур і щільність у самому початку існування Всесвіту матерія складалася з елементарних частинок. Речовина на етапі полягала насамперед із адронов, і тому рання ера еволюції Всесвіту називається адронной, як і раніше, що на той час існували і лептоны.

Через мільйонну частку секунди з народження Всесвіту, температура T впала на 10 більйонів Кельвинов (1013K). Середня кінетична енергія частинок kT і фотонів hn становить близько мільярда ев (103 Мев), що відповідає енергії спокою баріонів. У перший мільйонну частку секунди еволюції Всесвіту відбувалася матеріалізація всіх баріонів необмежено, як і, як і анігіляція. Але з спливанні цього часу матеріалізація баріонів припинилася, бо за температурі нижчій за 1013 K фотони не мали вже достатньої енергією на її здійснення. Процес анігіляції баріонів і антибарионов тривав до того часу, поки тиск випромінювання не відокремило речовина від антиречовини. Нестабільні гипероны (найважчі з баріонів) у процесі самовільного розпаду перетворилися на найлегші з баріонів (протони і нейтрони). Так у Всесвіті зникла найбільша група баріонів — гипероны. Нейтрони могли далі розпадатися в протони, які далі не розпадалися, інакше порушився закон збереження барионного заряду. Розпад гиперонов відбувався на етапі з 10−6 до 10−4 секунды.

На момент, коли вік Всесвіту досяг однієї десятитисячної секунди (10−4 з.), температура її знизилася до 1012 K, а енергія частинок і фотонів представляла лише 100 Мев. Її було вистачало вже до виникнення найлегших адронов — півоній. Півонії, ті, розпадалися, а нові не могли виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік Всесвіту досяг 10−4 з., у ній зникли будь-які мезони. У цьому і закінчується адронная ера, оскільки півонії не є лише найбільш легкими мезонами, а й легенькими адронами. Ніколи після цього сильне взаємодія (ядерна сила) не проявлялася під Всесвіту такою мірою, як і адронную еру, що тривала лише одну десятитисячний частку секунды.

б) Лептонная ера. Коли енергія частинок і фотонів знизилася не більше від 100 Мев до 1 Мев в речовині було багато лептонів. Температура була досить високої, щоб забезпечити інтенсивне виникнення електронів, позитронів і нейтрино. Барионы (протони і нейтрони), котрі пережили адронную еру, стали проти лептонами і фотонами зустрічатися набагато реже.

Лептонная ера починається з розпаду останніх адронов — півоній — в мюоны і мюонне нейтрино, а закінчується за кілька секунд за нормальної температури 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». Все простір Всесвіту наповнилося величезною кількістю реліктових електронних і мюонных нейтрино. Виникає нейтринне море.

в) Фотонна ера чи ера випромінювання. На зміну лептонной ери прийшла ера випромінювання, щойно температура Всесвіту знизилася до 1010 K, а енергія гама фотонів досягла 1 Мев, відбулася анігіляція електронів і позитронів. Нові электронно-позитронные пари було неможливо виникати внаслідок матеріалізації, оскільки фотони не мали достатньої енергією. Але анігіляція електронів і позитронів тривала далі, поки тиск випромінювання не повністю відокремило речовина від антиречовини. З часу адронной і лептонной ери Всесвіт була заповнена фотонами. Наприкінці лептонной ери фотонів був у два мільярда разів більше, ніж протонів і електронів. Найважливішою складовою Всесвіту після лептонной ери стають фотони, причому як за кількістю, а й у энергии.

Щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у Всесвіті, було запроваджено величина щільності енергії. Це кількість енергії один куб. см, точніше, середня кількість (з передумови, що речовина у Всесвіту розподілено рівномірно). Якщо скласти докупи енергію hn всіх фотонів, присутніх один куб. см, ми одержимо щільність енергії випромінювання Er. Сума енергії спокою всіх частинок один куб. см є середньої енергією речовини Em у Вселенной.

У результаті розширення Всесвіту знижувалася щільність енергії фотонів і частинок. Зі збільшенням відстані у Всесвіті вдвічі, обсяг збільшився увосьмеро. Інакше кажучи, щільність частинок і фотонів знизилася в вісім разів. Але фотони у процесі розширення поводяться інакше, ніж частки. Тоді як енергія спокою під час розширення Всесвіту не змінюється, енергія фотонів у результаті розширення зменшується. Фотони знижують свою частоту коливання, як «втомлюються» згодом. У результаті щільність енергії фотонів (Er) падає швидше, ніж щільність енергії частинок (Em). Переважна більшість у Всесвіті фотонної складовою над складовою частинок (є у вигляді щільність енергії) протягом ери випромінювання зменшувалася до тих пір, доки зникло повністю. На той час обидві складові прийшли о рівновагу (тобто Er=Em). Закінчується ера випромінювання та водночас період «великого вибуху». Так виглядала Всесвіт у віці приблизно 300 000 років. Відстані у період був у тисячу разів коротше, ніж у справжнє время.

«Великий вибух» тривав порівняно недовго, лише одну тридцатитысячную нинішнього віку Всесвіту. Попри стислість терміну, це усе ж таки була славна ера Всесвіту. Ніколи після цього еволюція Всесвіту була настільки стрімка, як у самому її початку, у час «великого вибуху». Усі події у Всесвіті у період стосувалися вільних елементарних частинок, їх перетворень, народження, розпаду, анігіляції. Не слід забувати, що у настільки короткий час (лише лічені секунди) з багатого розмаїття видів елементарних частинок зникли майже всі: одні шляхом анігіляції (перетворення на гамма-фотоны), інші шляхом розпаду на найлегші барионы (протони) і найлегші заряджені лептони (электроны).

Після «великого вибуху» настала тривала ера речовини, епоха переважання частинок. Ми називаємо її зоряної ерою. Вона триває зі часу завершення «великого вибуху» (приблизно 300 000 років) до відома наших днів. У порівняні з періодом «великим вибуху» її розвиток представляється начебто занадто уповільненим. Це іде за рахунок причини низької густини і температури. Отже, 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 вроду й блиск Всесвіту. Вибух суперновітньої чи гігантський вибух галактики — незначні явища тоді як великим взрывом.

Народження сверхгалактик і скоплений.

галактик.

Під час ери випромінювання тривало стрімке розширення космічної матерії, що з фотонів, серед яких зустрічалися вільні протони чи електрони і дуже рідко — альфа-частинки. (Не слід забувати, що фотонів був у мільярд разів більшою за протонів і електронів). У період ери випромінювання протони і електрони переважно залишалися не змінювалась, зменшувалася але їхні швидкість. З фотонами було набагато складніше. Хоча їхнє не змінилася, протягом ери випромінювання гамма-фотоны поступово перетворювалися на фотони рентгенівські, ультрафіолетові і фотони світла. Речовина і фотони до кінця ери охолонули настільки, що кожному з протонів міг, приєднається один електрон. У цьому відбувалося випромінювання одного ультрафіолетового фотона (або ж кількох фотонів світла) і такою чином, виник атом водню. Це була перша система частинок у Вселенной.

З виникненням атомів водню починається зоряна ера — ера частинок, точніше, ера протонів і электронов.

Всесвіт входить у зоряну еру у вигляді водневого газу з великою кількістю світлових і ультрафіолетових фотонів. Водневий газ розширювався у різних частинах Всесвіту з різну швидкість. Неоднаковою було також і його щільність. Він утворював величезні згустки, в багато мільйонів світлових років. Маса таких космічних водневих згустків був у сотні тисяч, або навіть мільйони разів більше, ніж маса нашого нинішнього Галактики. Розширення газу всередині згустків йшло повільніше, ніж розширення розрідженого водню між самими згущеннями. Пізніше із окремих ділянок з допомогою власного тяжіння утворилися сверхгалактики і скупчення галактик. Отже, найбільші структурні одиниці Всесвіту — сверхгалактики — є результатом нерівномірний розподіл водню, яке відбувалося на ранніх етапах історії Вселенной.

Народження галактик.

Колосальні водневі згущення — зародки понад галактик і скупчень галактик — повільно оберталися. Усередині їх утворювалися вихори, схожі на вири. Їх діаметр сягав приблизно сто тисяч світлових років. Ми називаємо ці системи протогалактиками, тобто. зародками галактик. Незважаючи за свої неймовірні розміри, вихори протогалактик були лише незначною частиною сверхгалактик і з розміру не перевищували одну тисячну сверхгалактики. Сила гравітації утворювала з цих вихорів системи зірок, які ми називаємо галактиками. Деякі з галактик досі нагадують нам гігантське завихрение.

Астрономічні дослідження свідчать, що швидкість обертання завихрення визначила форму галактики, яка від цього вихору. Висловлюючись науковою мовою, швидкість осьового обертання визначає тип майбутньої галактики. З повільно обертових вихорів виникли еліптичні галактики, тоді що з швидко обертових народилися сплющені спіральні галактики.

Через війну сила тяжіння надто повільно обертався вихор стискалася в кулю чи кілька сплюнутый еліпсоїд. Розміри такого правильного гігантського водневого хмари були від кількох основних десятків за кілька сотень тисяч світлових років. Неважко визначити, які з водневих атомів увійшли до складу народжуваної еліптичної, точніше эллипсоидальной 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 галактики. Це умова називається критерієм Джинсу. З його за допомогою можна визначити, якою мірою залежала маса кафе і величина протогалактики від щільності і температури водневого газа.

Протогалактика, що не спілкувалась, ставала родоначальницею кульової галактики. Сплющені еліптичні галактики народжувалися з повільно обертових протогалактик. Через недостатньою відцентровій сили переважала сила гравітаційна. Протогалактика стискалася і щільність водню у ній зростала. Щойно щільність досягала певного рівня, почали виділятися і стискається згустки водню. Народжувалися протозвезды, які потім еволюціонували в зірки. Народження всіх зірок в кульової чи злегка приплющеної галактиці відбувалося майже одночасно. Цей процес відбувається тривав щодо недовго, приблизно сто мільйонів років. Це означає, що у еліптичних галактиках всі зірки приблизно однакового віку, тобто. дуже старі. У еліптичних галактиках весь водень вичерпався відразу ж на на самому початку, приблизно першу соту існування галактики. Протягом наступних 99 сотих цього періоду зірки не могли виникати. Отже, в еліптичних галактиках кількість міжзоряного речовини ничтожно.

Спіральні галактики, зокрема і наш, складаються з дуже давньої сферичної складової (у цьому вони нагадують еліптичні галактики) і з молодший пласкою складової, що у спіральних рукавах. Між цими складовими є кілька перехідних компонентів різного рівня сплюснутости, різного віку і її швидкості обертання. Будова спіральних галактик, в такий спосіб, складніший і різноманітніший, ніж будова еліптичних. Спіральні галактики крім цього обертаються значно швидше, ніж галактики еліптичні. Не слід забувати, що вони утворилися з швидко обертових вихорів сверхгалактики. Тож у створенні спіральних галактик взяли участь і гравітаційна і відцентрова силы.

Якби з нашого галактики через ці сто мільйонів років тому після її виникнення (цей час формування сферичної складової) щез весь міжзоряний водень, нові зірки ми змогли б народжуватися, і наш галактика почала б эллиптической.

Але міжзоряний газ ті часи не щез, отже гравітація і обертання далі будівництво нашій та інших спіральних галактик. Кожна атом міжзоряного газу діяли дві сили — гравітація, притягивающая його до центра галактики і відцентрова сила, выталкивающая його за напрямку від осі обертання. У остаточному підсумку газ стискалася у напрямку до галактичної площині. Нині міжзоряний газ сконцентрований до галактичної площини у дуже тонкий шар. Він зосереджений насамперед у спіральних рукавах і становить собою пласку чи проміжну складову, названу зоряним населенням другого типа.

На кожному з етапів сплющивания міжзоряного газу в дедалі більше утончающийся диск народжувалися зірки. Тож у нашої галактиці можна знайти, як старі, виниклі приблизно десять мільярдів років тому вони, і зірки народжені нещодавно у спіральних рукавах, в про асоціаціях і розсіяних скупчення. Можна сміливо сказати, що замість більш сплющена система, у якій народилися зірки, тим вони моложе.

Заключение

.

Всесвіт розвивається і до нашого час. У спіральних галактиках народжуються і тихо вмирають зірки. Всесвіт продовжує расширятся.

стр.

1.

Введение

1.

2.Начало Всесвіту 2.

3.Рождение сверхгалактик і скупчень галактик.

4.Рождение галактик 9.

5.

Заключение

13.

Список литературы

Йосип Клечек і Пьотр Якеш «Всесвіт і Земля», © 1985 Артия, Прага. Видання російською 1986.

В.В. Кесарев «Еволюція речовини у Всесвіті», © 1976 Атомиздат, Москва.