Происхождение и Эволюция Вселенной
Вселенная — это всё, что существует. Вселанная охватывает все материю, время, энергию, пространство. Вселенная бесконечно велика и полна тайн, которые люди пытаются разгадать на протяжении всей своей истории.
От далеких галактик до крошечных атомов, Вселенная поражает своим разнообразием и красотой. Изучение космоса позволяет нам лучше понять наше место во Вселенной и наши связи с ней.
Размеры Вселенной настолько грандиозны, что превосходят возможности человеческого восприятия. Наблюдаемая часть Вселенной простирается на 1, 6×10^18 километров, однако неизвестно, каковы её истинные пределы за пределами видимого пространства. Существует множество теорий, стремящихся пролить свет на происхождение Вселенной и её эволюцию до современного состояния. Наиболее распространённая из них постулирует, что Вселенная возникла в результате грандиозного взрыва, произошедшего приблизительно 15 миллиардов лет назад. Вследствие этого феноменального события образовались не только материя и энергия, но также сам космос и время.
Дискуссия о состоянии Вселенной до так называемого «большого взрыва» не имеет смысла, поскольку, согласно современным космологии представлениям, до этого события ничего не существовало. Ученые считают, что сразу после «большого взрыва» Вселенная находилась в состоянии экстремальной температуры и насыщена радиацией. Примерно через 10 секунд после этого события образовались элементарные частицы: протоны, нейтроны и электроны. Формирование атомов водорода и гелия произошло значительно позже, спустя сотни тысяч лет, когда Вселенная расширилась и остыла.
Происхождение Вселенной и роль гравитации
При допущении, что Великий взрыв случился 15 миллиардов лет назад, можно было бы ожидать, что к настоящему моменту Вселенная остыла бы до температуры около трёх кельвинов, что на три градуса выше абсолютного нуля.
Используя радиотелескопы, ученые зафиксировали фоновый радиошум, соответствующий этой температуре, по всему звездному небу. Данный шум интерпретируется как остаточное излучение Большого взрыва, дошедшее до нас.
Согласно одной из наиболее распространенных научных гипотез, Исаак Ньютон, наблюдая падение яблока на землю, пришел к выводу о существовании силы, исходящей от Земли и притягивающей тела – силы тяжести. В действительности, каждое тело во Вселенной обладает собственной силой тяжести, величина которой пропорциональна его массе.
Сила тяжести яблока незначительна и не оказывает влияния на движение Земли. В то же время, Земля, обладающая большой массой, притягивает к себе яблоко. Силы гравитации удерживают все небесные тела на их орбитах. Луна вращается вокруг Земли под действием ее силы притяжения, а Солнце удерживает на своих орбитах звезды, находящиеся вблизи него.
Солнце – обычная звезда средних размеров. Как и другие звезды, оно представляет собой гигантский шар из светящегося газа, подобный огромной печи, излучающей свет, тепло и другую энергию. Солнце и планеты, вращающиеся вокруг него, составляют Солнечную систему. Звезды на ночном небе кажутся маленькими, поскольку находятся от нас на огромном расстоянии. На самом деле, некоторые из них в диаметре значительно превосходят наше Солнце.
Расширяющаяся Вселенная: От Созвездий до Галактик
Представь себе ночное небо как огромную, сверкающую мозаику! Астрономы, словно художники, вычленяют на ней узоры из звёзд, называя их созвездиями.
Но не спеши думать, что звезды в одном созвездии — это соседи по космическому кварталу! На самом деле, они могут быть отдалёнными друг от друга на огромные расстояния.
В реальности, эти звёзды разбросаны по гигантским галактикам, словно острова в безбрежном океане космоса.
- В форме эллипса — Гигантская эллипсовидная галактика М87. В таких галактиках почти нет видимых газов пыли.
- Галактика М104 «Сомбреро» является спиралевидной с крупной ступицей оси вращения.
- Обычная спиралевидная галактика; возможно, что своей структурой она похожа на нашу.
- На этом фото видно, что галактики могут менять свою форму под воздействием гравитационных сил.
5. У этой галактики в форме спирали далеко отстоящие края и слабо выражена ось вращения.
6. Туго переплетенные рога этой галактики могут свидетельствовать о ее быстром вращении.
7. Эту галактику, напоминающую водоворот, сопровождает связанная галактика — попутчик.
8. Ступица оси вращения данной галактики имеет вытянутую форму, а от ее краев отходят рога.
Наша Солнечная система, включающая Солнце и его планеты, является частью нашей Галактики — Млечного Пути. Хотя Млечный Путь не самая большая галактика во Вселенной, ее размеры настолько огромны, что их трудно постичь.
Для измерения астрономических расстояний используется единица «световой год», равная расстоянию, которое свет проходит за один год (приблизительно 46 миллионов миллионов километров). Это связано с тем, что скорость света является предельной скоростью в природе. Ближайшая к нам звезда Проксима Центавра находится на расстоянии 4, 3 световых лет, то есть свет от нее доходит до нас более четырех лет. Свет нашего Солнца, в свою очередь, достигает Земли за 8 минут и 20 секунд.
Млечный Путь имеет форму гигантского вращающегося колеса с выступающей осью-ступицей. Солнце расположено ближе к ободу этого колеса, на расстоянии 250 тысяч световых лет от его центра. Обороту вокруг центра Галактики Солнце совершает за 250 миллионов лет.
Млечный Путь является лишь одной из множества галактик во Вселенной. На сегодняшний день открыто более миллиарда галактик, каждая из которых содержит миллионы звезд. Наиболее удаленные из известных галактик находятся на расстоянии сотен миллионов световых лет от Земли. Изучение этих галактик позволяет нам заглянуть в далекое прошлое Вселенной.
Важным наблюдением является то, что все галактики удаляются друг от друга, что указывает на продолжающееся расширение Вселенной и подтверждает теорию о Большом взрыве как начальном событии ее существования.
Классификация и характеристики звёзд
Звёзды, несмотря на своё разнообразие, имеют ограниченный жизненный цикл, который охватывает миллионы лет. Наше Солнце, достигшее возраста почти 5 миллиардов лет, по оценкам астрономов, просуществует ещё столько же, после чего начнёт свой процесс угасания.
Солнце является одиночной звездой. В то же время, многие другие звёзды существуют в виде бинарных систем, состоящих из двух звёзд, обращающихся вокруг общего центра масс. Известны также тройные и кратные звёздные системы, включающие множество звёздных тел.
Самые крупные звёзды носят название сверхгигантов. К ним относится, например, звезда «Антарес», диаметр которой в 350 раз превышает диаметр Солнца. Однако сверхгиганты характеризуются очень низкой плотностью. Звезды меньших размеров – гиганты – имеют диаметр от 10 до 100 солнечных радиусов, их плотность выше, чем у сверхгигантов, но всё ещё остаётся малой.
Большинство наблюдаемых звёзд, в том числе и наше Солнце, относятся к классу звёзд главной последовательности, или средних звёзд. Их диаметр может варьироваться от десяти солнечных радиусов до одной десятой части солнечного радиуса. Самые маленькие звёзды главной последовательности называются красными карликами.
Ещё более мелкие объекты, не относящиеся к звёздам главной последовательности, классифицируются как белые карлики. Несмотря на размеры, сравнимые с Землёй, белые карлики очень тусклы, но обладают чрезвычайно высокой плотностью, превышающей плотность воды в 100 тысяч – 20 миллионов раз. В нашей галактике Млечный Путь может содержаться до 5 миллиардов белых карликов, однако на сегодняшний день учёным удалось обнаружить лишь несколько сотен таких объектов.
Формирование Звёзд и Возникновение Планетных Систем
Звезды зарождаются из гигантских облаков космической пыли и водорода, которыми богата Вселенная. Процесс образования звезды запускается коллапсом, то есть гравитационным сжатием такого облака под воздействием, до сих пор не до конца понятной силы. В ходе этого процесса облако начинает вращаться, а его центр разогревается до миллионов градусов. Когда температура достигает критической точки, в ядре облака начинаются термоядерные реакции, в результате которых атомы водорода сливаются, образуя гелий. Высвобождаемая при этом энергия в виде тепла и света приводит к рождению новой звезды. Вокруг молодой звезды остаются остатки газа и пыли, из которых, как предполагается, формируются планеты, подобно тому, как это произошло с нашей Солнечной системой. Вероятно, аналогичные процессы происходят и вокруг других звезд. Возможность существования форм жизни на таких планетах – мечта, которая вдохновляет астрономов и космологов уже многие годы.
Эволюция Звезд: От Рождения до Смерти
Судьба звезды в значительной степени определяется её массой. Когда звезда, подобная нашему Солнцу, исчерпывает запасы водорода, гелиевая оболочка сжимается, а внешние слои расширяются. На этой стадии эволюции звезда превращается в красный гигант. Впоследствии её внешние слои резко отбрасываются, оставляя после себя маленькое, но яркое ядро – белого карлика. Постепенно звезда остывает, трансформируясь в чёрного карлика, представляющего собой массивное тело из углерода. Звёзды, масса которых значительно превышает массу Солнца, ожидает более драматическая судьба. По мере истощения ядерного топлива они расширяются и превращаются в сверхгиганты, намного превосходящие по размерам красные гиганты; затем, под воздействием собственной гравитации, происходит стремительное сжатие их ядер. Освобождающаяся энергия приводит к невообразимо мощному взрыву, который разносит звезду на фрагменты. Астрономы называют такой взрыв рождением сверхновой. В течение некоторого времени сверхновая светит в миллионы раз ярче Солнца. После сверхновой в зависимости от первоначальной массы звезды может остаться компактный объект, называемый нейтронной звездой. Такая звезда, имеющая диаметр не более нескольких десятков километров, состоит из плотно упакованных нейтронов, что обуславливает её плотность, значительно превышающую плотность белых карликов.
Космические тайны: от чёрных дыр до судьбы Вселенной
В некоторых случаях при коллапсе ядра сила гравитации настолько велика, что вещество практически исчезает, оставляя после себя область пространства-времени с чрезвычайно высокой плотностью. Такая область, называемая чёрной дырой, обладает гравитацией столь мощной, что поглощает всё, что приближается к ней.
Хотя черные дыры сами по себе невидимы, астрономы могут определить их присутствие по характерному излучению, испускаемому веществом, падающим в них. Например, система двойных звёзд Лебедя Х-1, расположенная в созвездии Лебедя, демонстрирует такой тип излучения.
Некоторые учёные предполагают существование «белых дыр», представляющих собой обратный процесс черным дырам, где вещество готовится к образованию новых звёздных объектов.
Вселенная также содержит загадочные квазары – чрезвычайно яркие ядра далёких галактик, свет которых начал двигаться к нам вскоре после Большого взрыва. Считается, что энергия квазаров может исходить только от сверхмассивных чёрных дыр.
Ещё одним таинственным явлением представляются пульсары – объекты, регулярно испускающие пучки энергии. Предполагается, что пульсары представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звёзды, подобные космическим маякам, излучающим свет.
Судьба Вселенной пока остаётся неясной. Вероятно, она продолжает расширяться после Большого взрыва.
В будущем возможны два сценария:
1. согласно теории открытой Вселенной, расширение будет продолжаться до полного истощения энергии и прекращения существования звёзд и галактик;
2. согласно теории замкнутой Вселенной, расширение в конце концов прекратится, и Вселенная начнёт сжиматься, приводя к «Большому сжатию» – аналогу Большого взрыва. В результате может возникнуть новая Вселенная, и таким образом цикл жизни Вселенной не завершится.
