Модель Великого Вибуху

Модель Великого Вибуху розширення Вселенной.

Планети, зірки, галактики вражають нас дивовижним розмаїттям своїх властивостей, складністю будівлі. Але як влаштована увесь Всесвіт загалом ?

Її головне властивість — однорідність. Вона постає маємо скрізь однаковою — «суцільний». Вказуючи із міркувань максимальної простоти устрою загальну однорідність світу, чудовий мислитель Паскаль (1623−1662) говорив, що — це коло, центр якого скрізь, а окружність ніде. Тож з допомогою наочного геометричного образу він стверджував однорідність мира.

У Всесвіту є договір ще одне найважливіше властивість. Вона в русі, розширюється. Відстань між скупченнями і сверхскоплениями невпинно зростає. Вони ніби розбігаються друг від друга. А мережу ячеистой структури растягивается.

За часів люди воліли вважати Всесвіт вічної і незмінною. Ця думка панувала до 20-х нашого століття. Тоді вважалося, що її обмежено розмірами нашої Галактики. Справжній переворот у науці Всесвіт виробили 1922 — 1924 роках роботи ленінградського математика і фізика А. Фрідмана. Маючи лише що створену тоді А. Ейнштейном загальну теорію відносності, він математично довів, що — це щось застигле й незмінного. Як єдине ціле вона живе своєї динамічної життям, змінюється у часі, розширяючись чи стискуючись по суворо певним законам.

Фрідман відкрив рухливість звёздной Всесвіту. Це було теоретичне пророцтво, а вибір між розширенням і стиском потрібно зробити на підставі астрономічних спостережень. Такі спостереження 1928 — 1929 роках вдалося проробити Хабблу, відомому вже нам досліднику галактик.

Він виявив, що далекі галактики й цілі їх колективи рухаються, віддаляючись ми в різні боки. Але так має бути, відповідно до віщуваннями Фрідмана, загальне розширення Вселенной.

Звісно, але це означає, що галактики розбігаються саме з нас. У дійсності загальне розширення Всесвіту відбувається тож усе вони видаляються друг від одного й із будь-якої місця картина цього розбігання така, як ми бачимо її з нашої планеты.

Гаданий вік Всесвіту в багато разів перевищує ті тимчасові відтинки, якими оперуємо, описуючи історію людства і навіть історію нашої планети. Зародження і еволюція життя землі є лише незначним ланкою в еволюції Всесвіту, і з погляду людини, процес еволюції Всесвіту відбувається медленно.

Відповідно до узвичаєної сьогодні еволюційної теорії Всесвіту, початком її було гігантський, розпечений і щільний вогненний кулю. Це було виплачено близько десяти мільярдів років тому я. Гаданий склад цього первинного яйця був дуже проста: вогненний кулю був такий розпечений, що, імовірніше всього, перебував лише з вільних елементарних частинок, які стрімко рухалися, зіштовхуючись друг з одним, хоча, швидше за все, що це не ті елементарні частки, що сучасні вчені звикли спостерігати сегодня.

Певний час кулю був у спокої, та був стався Великим Вибухом, протягом десяти мільярдів років після цього події, грандіозної вселенської катастрофи, найпростіше безформне речовина поступово перетворюватися на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалися зірки, системи, які з величезної кількості елементарних часток отримують за дуже простий організацією, і, мабуть, що на деяких планетах могли виникнути форми життя, подібні земним або ж радикально які від них.

Отже, стався Вибух, англійською Big Bang, і з цим секунди почалося розширення Всесвіту, тривале досі, а момент, з якого Всесвіт початку розширюватися, прийнято вважати її початком, хоча, можливо, Світове Яйце, вогненний кулю, як довго був у стабільний стан. Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли одна і те кількість елементарних частинок і фотонів займають постійно зростаючий обсяг, отже, середня щільність Всесвіту внаслідок розширення поступово знижується. З цього випливає, у минулому щільність Всесвіту було більше, ніж у час. Можна припустити, що спочатку часів (приблизно десять мільярдів років тому вони) щільність Всесвіту була великий, либонь у щодо невеличкому обсязі утримувалося все існуюче сьогодні речовина. 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. см.

Насправді етапі, у перших миті «великого вибуху», вся матерія була фантастично розпеченій густий сумішшю частинок, складу і високоенергічних гамма-фотонов. Частинки у зіткненні з відповідними античастицами аннигилировали, але виникаючі гамма-фотоны моментально матеріалізувалися в частинки й античастинки, а енергія перетворюватися на вещество.

Докладний аналіз показує, що температура речовини Т знижувалася у часі відповідно до простим співвідношенням :

T = 1010/? t K .

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 згодом знижувалася, що у відсотковому співвідношенні. Це отже, що знижувалася середня кінетична енергія частинок kT. Відповідно до співвідношенню h?'kT знижувалася і енергія фотонів. Це лише у цьому разі, якщо зменшиться їх частота ?.

Зниження енергії фотонів у часі мало до виникнення частинок і складу шляхом матеріалізації важливі наслідки. А, 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: h? >=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 h? кінетичною 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? 2 гамма-фотона за умови дотику речовини з антиречовиною. Процес матеріалізації гамма-фотон? частка + античастка міг протікати лише за досить високої температурі. Згідно з тим, як матеріалізація внаслідок понижающейся температури розпеченого речовини призупинилася. Еволюцію Всесвіту прийнято розділяти чотирма ери: адронную, лептонную, фотонну і звездную.

Адронная эра.

При дуже високих температур і щільність від 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 h? 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 було неможливо виникнути. Це означає, що до того моменту, коли вік Всесвіту досяг 10−4 з., у ній зникли будь-які мезони. У цьому адронная ера закінчується, 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.

Лептонная эра.

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 по порівнянню з лептонами і фотонами зустрічатися набагато реже.

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

Фотонна ера чи ера излучения.

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 электроннопозитронні 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 по кількості, а й у энергии.

Щоб можна було порівнювати роль частинок і фотонів у Всесвіту, було запроваджено величина щільності енергії. Це кількість енергії один куб. см, точніше, середня кількість (з передумови, що речовина у Всесвіті розподілено рівномірно). Якщо скласти докупи енергію h? 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 грандіозна 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, так звана «зоряна ера ». Вона триває після завершення «великого вибуху» (приблизно 300 000 років) до нашого часу. У порівняні з періодом «великим вибуху» її розвиток подається як ніби занадто уповільненим. Це іде за рахунок причини низької густини і температуры.

Всесвіт вступив 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 Всесвіту. Щоправда, слід зазначити, що це сверхгалактики мають навдивовижу упорядкованим ячеистым будовою. Колосальні водневі згущення — зародки сверхгалактик 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 гігантське завихрение.

Астрономічні дослідження свідчать, що швидкість обертання завихрення визначає форму галактики, яка від цього вихору. 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 і від кількох 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 приплюснутою 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 багатьох років 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, і такою чином 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 як розв’язано, і зірки народжені нещодавно у спіральних рукавах, в про асоціаціях і розсіяних скупчення. Можна сміливо сказати, що замість більш сплющена система, в якої народилися зірки, тим вони моложе.

1. Кесарев В. В. «Еволюція речовини у Всесвіті «- М.: Атомиздат, 1976.

2. Климишин І.А. «Астрономія нашого часу «- М.: Наука, 1976.