Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое космология, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое космология, космогония , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Астрономия.
В 1929 году Эдвин Хаббл сообщил об открытии фундаментальной закономерности. Он обнаружил, что все линии в спектрах далеких галактик заметно смещены в сторону красного конца спектра. Так как наша Галактика не может
иметь никакого преимущественного положения во Вселенной, наблюдаемое
разбегание галактик есть выражение взаимного удаления всех галактик друг от
друга.
Это явление связано с происходящим увеличением средних расстояний между
галактиками, которое называется расширением Вселенной.
Из наблюдений было установлено, что скорость удаления Vr
, соответствующая
красному смещению z = ∆λ/λ, увеличивается в среднем линейно с расстоянием r
от галактики:
Vr = c .
∆λ/λ = H . r.
Эта зависимость носит название закона Хаббла, а коэффициент пропорциональности H - постоянной Хаббла.
С принятыми значениями H наблюдающимся скоростям 110 000 км/сек далеких
галактик соответствуют расстояния свыше 1 000 Мпс или около 3 млрд световых лет.
Нужно понимать, что закон c .
∆λ/λ = H . r абсолютно верен, так как был многократно проверен наблюдениями. Соотношение же Vr = H . r верно только при
допущении, что смещение спектральных линий вызывается эффектом Доплера,
чего наблюдениями доказать нельзя. Можно лишь судить о большей или меньшей степени достоверности этого утверждения.
Если бы наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и
галактики формировались из материи, разбросанной взрывом, то те из них, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую
скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном
согласии с законом Хабла.
Принятие закона Хабла должно привести к выводу, что все галактики вылетели
одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого
объема.
Существует несколько альтернативных объяснений красного смещения, минуя
эффект Доплера.
1. Гипотеза “старения кванта” основана на допущении, что фотоны при своем
движении в пространстве теряют часть энергии, которая в них заключена. Утверждается, что таков закон движения фотона в пространстве. Энергия фотона
пропорциональна частоте, т.е. обратно пропорциональна длине волны излуче-
ния. По мере того, как фотон путешествует в пространстве, длина волны излучения становится все больше и весь спектр далекого объекта оказывается смещенным в красную сторону. Величина смещения пропорциональна расстоянию.
На малых расстояниях эффект старения кванта незначителен и его нельзя обнаружить из наблюдений, поэтому он сказывается только в спектрах далеких галактик.
2. Потеря энергии фотоном не есть просто закон его движения, а вызывается
взаимодействием с другими фотонами излучения, заполняющими пространство
Метагалактики и движущимися по всевозможным направлениям. Чем больший
путь проходит фотон, тем в среднем больше взаимодействий он испытывает,
тем больше будет красное смещение галактики.
Слабость этих гипотез состоит в том, что они требуют отказа от закона сохранения энергии. Если старение кванта есть просто закон его движения, то энергия теряется, не передаваясь ничему. Если же фотон теряет часть энергии, передавая ее какой-то среде, другим фотонам или вообще каким-либо частицам, то
всякая такая передача энергии должна быть связана с возможностью изменения
направления полета фотона. Фотоны, прошедшие большой путь должны заметно изменить направление своего движения в пространстве. Вследствие этого
изображения далеких галактик должны быть размытыми, и чем дальше галактика, тем степень размытости ее изображения должна быть больше. Но наблюдения показывают, что очертания очень далеких галактик также ясны, как и близких.
В настоящее время гипотезы старения квантов не находят сторонников.
Зная красное смещение галактик, легко определить, во сколько раз одна из них
дальше другой. Но для оценки расстояния до каждой из них необходимо знать
величину постоянной Хаббла.
Оказалось, что для сравнительно близких галактик, до которых расстояние
удовлетворительно измеряется различными методами, закон Хаббла не всегда
выполняется. А для далеких галактик, обладающих большими скоростями Vr
,
нет достаточно надежных критериев определения расстояний без помощи красных смещений. Поэтому до сих пор оценки H, проведенные различными авторами, существенно различаются, хотя практически все они заключены в пределах от 50 до 100 км/(с
.Мпс).
Часто используется среднее значение Н = 75 км/(с
.Мпс).
Первоначальное значение, определенное Хабблом было 540 км/(с
.Мпс).
При красных смещениях около 1 закон Хаббла уже не работает, нужно применять более сложные формулы из специальной теории относительности.
V = c .
(z2
+ 2z)/( z2
+ 2z + 2),
где z = ∆λ/λ.
Для очень далеких галактик с большим красным смещением эта формула тоже
неприменима. Она не учитывает влияние тяготения на изменение частоты световых волн.
Признание того, что красное смещение в спектрах вызвано эффектом Доплера
приводит к выводу, что масса вещества, содержащаяся в галактиках находилась
ранее в одном месте и была выброшена в пространство в результате взрыва.
До начала 20-х гг. XX века ученые были уверены, что Вселенная стационарна и
ограничивается нашей Галактикой.
А.Эйнштейн рассматривал модель Вселенной однородной, изотропной и статичной. Такая Вселенная не получалась в результате решения уравнений теории
относительности. Тогда Эйнштейн изменил уравнения, предположив, что в
природе существует еще один, новый тип сил. Так в уравнениях появился новый λ - член, наличие которого означало, что между любыми двумя данными
массами во Вселенной действует сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между ними.
Величину этой силы характеризует λ - член. Его можно выбрать очень малым,
чтобы в пределах Солнечной системы силы отталкивания были ничтожно малы
по сравнению с силами притяжения. Но в масштабах Вселенной его наличие
сказывается значительно.
В 1917 году Виллем де Ситтер предложил на базе уравнений Эйнштейна другую модель Вселенной. Эта модель описывала пустую Вселенную, однородную,
изотропную, но не статическую.
В 1924 году Александр Фридман показал, что можно получить решения первоначальных уравнений Эйнштейна, описывающие заполненную материей однородную и изотропную Вселенную. Модели де Ситтера, Фридмана и Леметра
предполагают расширение Вселенной.
Развитие наблюдательной астрономии привело к открытию далеких галактик,
не являющихся объектами нашей Галактики. В 1929 году был открыт закон
Хабла и в начале 30-х годов теоретики создали новую модель Вселенной, описывающуюся уравнениями Эйнштейна и получившую наблюдательное подтверждение.
Эта Вселенная оказалась расширяющейся и возникшей в результате Большого
Взрыва первоначального вещества. Бесконечно сжатое вещество Вселенной до
Большого Взрыва называют сингулярностью.
Наблюдения Вселенной приводят к важным выводам о том, что она однородна
и изотропна. Однородность означает одинаковость всех свойств материи всюду
в пространстве, а изотропия - одинаковость их в любом направлении. Однородность говорит об отсутствии выделенных областей пространства, а изотропия
означает отсутствие выделенного направления.
Однородность подтверждается тем, что средняя плотность вещества одинакова
для достаточно больших объемов пространства во Вселенной. Размеры областей, в пределах которых среднюю плотность вещества можно считать одинаковой, гораздо меньше Метагалактики, но они велики по сравнению с масштабами
местных неоднородностей, связанных с существованием галактик и их скоплений.
Изотропия подтверждается одинаковостью разбегания гадактик по всем направлениям. Предположения об однородности и изотропии Вселенной называют
космологическим принципом.
В 1965 году было сделано открытие, подтвердившее предположение об изотропии и однородности Вселенной. Случайно было обнаружено слабое фоновое
радиоизлучение с интенсивностью, одинаковой по всем направлениям. Согласно современным наблюдениям это излучение изотропно с точностью до нескольких десятых долей процента. По распределению энергии в спектре оно
оказалось тепловым и соответствует температуре 3К.
При такой температуре максимум излучения приходится на диапазон спектра
около 1 мм. В настоящее время неизвестны объекты Вселенной, которые бы
могли давать такое излучение. На этом основании излучение было отождествлено с излучением Вселенной, сохранившимся с тех времен, когда плотность
вещества была очень велика и Среда была сильно непрозрачной. Со временем, в
результате расширения вещество охладилось, перешло из ионизованной в ней-
тральную фазу, стало непрозрачным. Не поглощаясь более средой, излучение
как бы “оторвалось” от вещества и сохранилось до нашего времени. Расчеты
показывают, что прозрачность вещества должна была наступить при плотности
порядка 10-20
г/см3
, т.е. в миллиард раз превышающую современную. В эту эпоху расстояния во Вселенной были в 1000 раз меньше, во столько же раз была
меньше и длина волны. Поэтому кванты, имеющие сейчас длину волны 1 мм,
ранее имели длину 1 мкм, что соответствует максимуму излучения по закону
Планка при температуре 3000 - 4000 К.
Таким образом, существование реликтового излучения является не только указанием на большую плотность Вселенной, но и на ее высокую температуру.
Вселенная ранее была более горячей.
Свыше 10 млрд лет назад Вселенная находилась в плотном и горячем состоянии. Можно указать момент, когда она начала расширяться из некоторого
сверхплотного состояния.
Расширение Вселенной нельзя рассматривать как расширение сверхплотной
вначале материи в окружающую пустоту, ибо окружающей пустоты не было.
Вселенная - это все существующее. Вещество Вселенной с самого начала однородно заполняло все безграничное пространство. И хотя давление было огромным, оно не создавало расширяющей силы, так как везде было одинаковым.
Причины начала расширения Вселенной связаны с квантовыми эффектами, возникающими в поле тяготения при огромных плотностях материи.
Различные теоретики построили многочисленные модели Вселенной, которые
расширяются анизотропно на ранних стадиях, затем расширение приближается
к закону Хаббла, так что по наблюдениям расширения в наше время эти модели
не отличимы от модели Фридмана. Однако, современная
космология создала
модели Вселенной, сильно отличающиеся от фридмановских.
Для определения того, как происходило расширение вблизи сингулярности, какие протекали процессы, нужно провести расчеты при разных предположениях
о расширении, о состоянии и составе вещества Вселенной и сравнить результаты расчетов с наблюдениями. Это позволит определить, какие из предположений истинны и восстановить картину далекого прошлого Вселенной.
Решение Фридмана, продолженное в прошлое, формально дает состояние бесконечной плотности вещества. При сверхвысокой плотности вещества перестает
работать ОТО. Современная квантовая теория предсказывает возникновение
квантовых эффектов тяготения вблизи сингулярности. Теория тяготения Эйнштейна - неквантовая теория, поэтому она не может описывать эффекты, связанные с квантованием в масштабах всей Вселенной. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Теория размерностей позволяет приближенно оценить параметры, где существенен тот или иной процесс, даже тогда, когда неизвестна детальная теория процесса.
Нужно установить радиус кривизны пространства-времени, при котором существенны следующие явления: тяготение, кванты, релятивизм. Роль тяготения
описывается гравитационной постоянной G, роль квантов - постоянной Планка
h, роль релятивизма - скоростью света c. Нас интересует радиус кривизны, величина, имеющая размерность длины, при которой существенны все три рода
явлений. По теории размерностей получим:
rn = √( Gh/c3
) = 10-33
см.
Это расстояние называют планковской длиной.
Можно вычислить, в какой момент времени после начала расширения Вселенной радиус кривизны был равен rn и какая была при этом плотность физической
материи.
tn = rn /c = 10-43 c.
ρn = 1093
г/см3
.
Для состояния вещества с такими характеристиками нужно строить новую теорию. Общие законы физики надежно проверены при плотностях, не превышающих ядерную ρяд = 1014
г/см3
.
В ранню эпоху, называемую планковской, должны возникать кванты гравитационного поля - гравитоны.
Первые мгновения существования Вселенной очень загадочны. Возможно, что
четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако,
спустя 10-44 секунды после начала расширения ОТО становится применимой.
Сверхплотное состояние Вселенной длилось недолго, но оно сыграло решающую роль в последующем развитии. При огромных значениях температуры и
плотности вещества начались интенсивные процессы взаимопревращения частиц и квантов излучения. На первых порах в одинаковых количествах рождались частицы и соответствующие им античастицы из фотонов высокой энергии.
В условиях сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа
жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были бы тотчас же после
своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор,
пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.
На ранних этапах развития Вселенной могли возникать чрезвычайно короткоживущие и очень массивные гипотетические частицы. С падением температуры
и плотности (возраст достиг 0,01 сек, температура 1011К) стали возникать менее
массивные частицы, в то время как более массивные “вымирали” за счет аннигиляции или распада.
Вымирание частиц происходило не совсем одинаково, так что античастицы
практически все исчезли, а ничтожная избыточная доля протонов и нейтронов
осталась. В результате этого наблюдаемый мир оказался устроенным из вещества, а не из антивещества, хотя где-то во Вселенной могут быть и области из антивещества.
Без едва заметной ассиметрии свойств частиц и античастиц мир вообще оказался бы лишенным вещества.
Образованием нуклонов (протонов и нейтронов) завершается эра адронов эволюции Вселенной (адроны - частицы, подверженные сильным взаимодействиям: протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). После адронной эры наступает эра лептонов, когда среда состоит преимущественно из положительных и отрицательных мюонов, нейтрино и антинейтрино, позитронов и электронов. Нуклоны
встречаются редко. По мере дальнейшего расширения Вселенной происходит
аннигиляция мюонов, электронов и позитронов. Затем прекращается взаимодействие нейтрино с веществом и к моменту 0,2 секунды после сингулярности,
происходит отрыв нейтрино.
Примерно через 10 секунд после сингулярности температура достигает значения около 1010К и начинается эра излучения. На этом этапе по численности
преобладают фотоны, все еще сильно взаимодействующие с веществом, а также
нейтрино.
Огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя незначитель-
ное количество электронов, достаточное, однако, чтобы объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.
Через 3 минуты после Большого Взрыва начинаются первые процессы нуклеосинтеза. Некоторая часть протонов успевает соединиться с нейтронами и образовать ядра гелия. В них перешло около 10% общего числа протонов. Эра излучения заканчивается переходом плазмы из ионизованного состояния в нейтральное, уменьшением непрозрачности вещества и “отрывом” излучения. Через минуту почти все вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия,
находившихся в такой же пропорции, которую мы наблюдаем сегодня. Начиная
с этого момента расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700 000 лет электроны и протоны
не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения - возникло реликтовое фоновое излучение.
Через миллион лет после начала расширения начинается эра вещества, когда из
горячей водородно-гелиевой плазмы с малой примесью других ядер стало развиваться многообразие нынешнего мира.
После того, как вещество стало прозрачно для электро-магнитного излучения, в
действие вступило тяготение, оно стало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звезды и планеты.
В этой картине остается много нерешенных вопросов. Образовались ли галактики раньше первого поколения звезд или наоборот? Почему вещество сосредоточилось в дискретных образованиях - звездах, галактиках, скоплениях, тогда
как Вселенная как целое разлеталась в разные стороны?
Неоднородности во Вселенной, из которых впоследствии образовались все
структурные образования Вселенной зародились в виде ничтожных флуктуаций, а затем усилились в эпоху, когда ионизованный газ во Вселенной стал превращаться в нейтральный, т.е. когда излучение оторвалось от вещества и стало
реликтовым. Такое усиление может привести к возникновению заметных флуктуаций, из которых впоследствии стали образовываться галактики.
При образовании крупных структур Вселенной существенную роль могли играть нейтрино, если их масса покоя отлична от нуля. Через несколько сотен лет
после начала расширения скорость нейтрино, обладающих массой, должна стать
заметно меньше световой. Начиная с некоторого момента, крупные сгущения
нейтрино уже не рассасываются и дают начало крупным структурным образованиям Вселенной - скоплениям и сверхскоплениям галактик. Сами галактики
образуются из обычного вещества, а нейтрино, если они обладают заметной
массой, выступают в роли центров притяжения для гигантских сгущений масс,
являясь источником скрытой массы скоплений галактик.
В 1978 году М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может
быть результатом “эпидемии” образования массивных звезд, начавшейся сразу
после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг
1 млрд лет. Продолжительность жизни таких звезд не могла превышать 1 млрд
лет. Многие из них взорвались как сверхновые и выбросили в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого
вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением
догалактических звезд, могла испускать инфракрасное излучение, которое на-
блюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение. Если эта гипотеза
верна, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первого, догалактического, поколения и в
настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих
яркие галактики.
Гипотезы формирования звезд из разреженного газово-пылевого облака.
Звезды и звездные скопления имеют разный возраст, от величины 1010 лет (шаровые скопления) до 106
лет для рассеянных скоплений.
Многие исследователи полагают, что звезды образуются из диффузной межзвездной среды. Об этом свидетельствует положение молодых звезд в спиральных ветвях галактик, там где много газово-пылевой материи. Диффузная Среда
удерживается в спиральных ветвях галактическим магнитным полем. Звезды
этим полем не удерживаются и уходят в сферическую часть галактик. Молодые
звезды часто образуют комплексы из тысяч звезд, окруженным большими массами газа - О - ассоциации.
Процесс формирования звезд из газа не совсем ясен. Если в некотором объеме,
заполненном газом и пылью, масса диффузной материи превзойдет критическую величину, материя начнет сжиматься под действием сил тяготения. Происходит гравитационный коллапс. Наиболее плотными областями диффузного
облака являются глобулы. Они, видимо, суть прямые предки звезд.
Для гравитационного сжатия межзвездной Среды нужно иметь начальную высокую плотность и некий толчок. Таким толчком может явиться взрыв сверхновой звезды. Об этом свидетельствует анализ углистых хондритов - протозвездного вещества. В них обнаружены радиоактивные изотопы, которые могли образоваться только в атмосфере сверхновой звезды.
Во время процесса гравитационной конденсации пылевые частицы и газовые
молекулы падают к центру облака, потенциальная энергия гравитации переходит в кинетическую, а кинетическая в результате столкновений в тепло. Облако
нагревается и вследствие увеличения температуры возрастает его излучение.
Оно превращается в протозвезду.
Светимость протозвезды может превышать светимость обычной звезды, радиус
большой, эффективная температура меньше. На диаграмме спектр-светимость
протозвезды располагаются справа от главной последовательности. Когда температура достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные
реакции. Сначала выгорает дейтерий, потом литий, бериллий и бор. При повышении температуры начинаются протон-протонные реакции для звезд с массой
меньше 1,5 солнечной или углеродно-азотный цикл для массивных звезд. Сжатие прекращается и звезда превращается в звезду главной последовательности.
Время гравитационного сжатия невелико. Чем больше масса протозвезды, тем
быстрее идет процесс сжатия. Из-за малого времени сжатия во Вселенной наблюдается немного таких объектов. Предположительно это звезды типа ТТельца и некоторые источники инфракрасного излучения (“звезды-коконы”).
Ядерные реакции в массивных звездах идут быстрее и время их пребывания на
главной последовательности меньше. Звезды спектрального класса В0 остаются
на главной последовательности 107
лет, а звезды типа Солнца - 1010 лет. После
выгорания водорода в гелий, ядерные реакции идут на внешней границе ядра.
Само ядро сжимается, плотность и температура центральной части возрастают,
увеличиваются светимость и радиус звезды. Звезда становится красным гигантом.
Внутри ядер массивных звезд могут идти реакции превращения гелия в углерод.
Когда гелиевая реакция внутри ядра и водородные реакции на его границе исчерпывают себя, протяженная оболочка красного гиганта расширяется, ее наружные слои не могут удерживаться силой тяготения и начинают отделяться.
Происходит истечение массы из атмосферы. При некоторых условиях происходят вспышки сверхновых звезд.
При медленном истечении образуются планетарные туманности.
Оставшееся ядро маломассивных звезд называется белым карликом.
При большой плотности вещества белых карликов, сила гравитационного сжатия уравновешивается давлением вырожденных электронов. Если масса ядра
меньше 0,5 солнечных масс, оно состоит из гелия, если масса больше - из углерода и кислорода. В таких звездах ядерные реакции не идут. Они светят за счет
запаса тепловой энергии, накопленной в прошлом, и постепенно остывают, на
протяжении нескольких миллиардов лет, превращаясь в ненаблюдаемые черные
карлики.
Звезды с массой 6-8 солнечных могут испытать заключительное взрывное сжатие и не оставить после себя никакого ядра.
Массивные звезды, с изначальной массой 8-50 солнечных, превращаются в
нейтронные звезды после вспышки сверхновой. Звезда коллапсирует до тех
пор, пока электроны не соединяются с протонами, образуя нейтроны. Эти нейтроны становятся вырожденными. Давление вырожденных нейтронов уравновешивает силу гравитационного сжатия. Нейтроны в ядре расположены вплотную друг к другу. Плотность такая же как в атомном ядре.
Гипотезы формирования звезд из сверхплотного вещества.
Гипотеза формирования звезд из сверхплотного вещества была выдвинута академиком В.А.Амбарцумяном. Она говорит о том, что звезды образуются из некоего сверхплотного вещества.
Основой этой гипотезы является вывод, что в наблюдаемой Вселенной процессы распада преобладают над процессом соединения. Значит процесс образования звезд должен быть переходом вещества из более плотного состояния в менее плотное.
Гипотеза требует, чтобы во Вселенной существовал материал - сверхплотное
вещество, которого еще никто не наблюдал и свойства которого остаются неизвестными. Сверхплотная материя, если она существует, должна быть недоступна современным средствам наблюдения, так как она занимает очень малые объемы пространства и почти не излучает. Основные ее свойства - необычайно высокая плотность и огромный запас энергии, которая бурно выделяется при распаде такого вещества.
Пока не существует стройной математической теории, основанной на этой гипотезе. Основной довод ее сторонников в том, что она соответствует наблюдательным данным.
Звезды с массой более 50 солнечных масс коллапсируют в черные дыры. В ходе
сжатия сила тяжести на поверхности возрастает и наступает момент, когда даже
свет не может преодолеть гравитационный барьер. Для того, чтобы вырваться
из поля притяжения черной дыры нужно развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому черная дыра ничего не излучает и исчезает для постороннего наблюдателя.
Черная дыра - это замкнутая область пространства, в которую сжато вещество и
откуда ничто не может выйти.
Карл Шварцшильд в 1916 году нашел решение уравнений поля теории относительности, описывающее пространство-время вне тела со сферически симметричным распределением вещества. Это решение можно интерпретировать так:
если тело массой М сжато в сферу определенного радиуса Rш(радиус Шварцшильда), то пространство-время вблизи него искажается так сильно, что
свет не может выйти из этой сферы. Область пространства, которую ни
одно материальное тело не может покинуть ученые и называют черной дырой.
Rш = 2GM/с
2
.
Что происходит внутри черной дыры пока неизвестно. Высказываются предположения, что вещество сжимается до состояния сингулярности. Это состояние
не может описать сегодня ни одна физическая теория.
Теория относительности приводит к выводам, что вещество должно быть сжато
в микроскопически малом объеме пространства в центре черной дыры. Граница
черной дыры носит название горизонта событий.
Для Солнца радиус Шварцшильда равен 3 км. Массивная звезда с массой 10
солнечных будет иметь радиус 30 км.
Для Земли радиус Шварцшильда равен 1 см.
Высказывалось предположение, что если Вселенная образовалась в результате
Большого взрыва из горячего сверхплотного вещества, то на самых ранних стадиях ее эволюции могли существовать условия, в которых даже очень небольшие массы материи спрессовывались в черные мини-дыры. В черной дыре размером с атомное ядро может содержаться масса средней земной горы и вполне
допустимо, что такие объекты существуют.
Движение внутри черной дыры возможно только в одном направлении - к сингулярности, где происходит разрушение.
Решения уравнений, описывающих пространство-вермя в окрестности шварцшильдовской черной дыры, обладают опрелеленной симмтерией, которая указывает на то, что дыра может связывать нашу Вселенную с другим, аналогичным миром. Эта возможность взаимосвязи между двумя мирами через черную
дыру называется мост Эйнштейна - Розена (или “кротовая нора”). Высказывалось предположение, что этот мост связывает не разные миры, а две точки одного - нашей Вселенной. Но чтобы воспользоваться этим переходом необходимо развить сверхсветовые скорости.
Теоретические расчеты показали, что с точки зрения внешнего наблюдателя
черные дыры могут иметь только три характеристики: свойства черной дыры
полностью определяются ее массой, электрическим зарядом и собственным моментом импульса. Эти три характеристики должны остаться у черной дыры,
поскольку они связаны с полями дальнодействующих сил, которые оказывают
влияние на удаленные объекты. При формировании черной дыры гравитационное поле вне горизонта событий продолжает действовать на распространение
световых лучей и движение объектов с ненулевой массой покоя. Электромагнитное поле, связанное с зарядом черной дыры также будет оказывать влияние
на окружающие тела.
Вращающиеся черные дыры, описанные Р. Керром имеют ряд интересных
свойств. Вне горизонта событий таких дыр простирается область, называемая
эргосферой, которая ограничена поверхностью, называемой пределом стационарности.
Внутри предела стационарности ничто не может оставаться в покое. Как бы само пространство внутри эргосферы увлекается мощным вращением черной дыры и закручивается вокруг ее оси.
В 1969 году Роджер Пенроуз доказал, что из эргосферы черной дыры можно
черпать энергию. Если какая-то частица, обладающая определенной энергией,
попадает в эргосферу и разлетится на два осколка, один из которых имеет отрицательную энергию, то этот осколок упадет в черную дыру, тогда как другой
осколок (в соответствии с законом сохранения энергии и импульса) вылетит из
эргосферы с энергией, превышающей первоначальную энергию всей частицы в
целом.
Падение частицы и вылет за пределы эргосферы одного из ее осколков приводит к уменьшению полной массы - энергии черной дыры, а многократное повторение этого процесса должно вызвать потерю значительной части массы -
энергии черной дыры. Однако, падение в дыру частиц со спином, противоположным ее собственному моменту импульса, вызывает замедление вращения
черной дыры, и как только вращение прекращается, дальнейшее извлечение
энергии таким методом становится невозможным. К моменту полной остановки
черной дыры можно извлечь 29% ее первоначальной массы. Потенциально
вращающиеся черные дыры могут служить самыми мощными источниками
энергии во Вселенной.
,
В 1971 году С.Хокинг доказал теорему, согласно которой площадь горизонта
событий черной дыры не может уменьшаться. Площадь поверхности либо увеличивается, либо остается неизменной, чтобы не происходило с черной дырой.
Внутренность вращающейся черной дыры существенно отличается от черной
дыры Шварцшильда. Керровская сингулярность имеет форму кольца, т.е. временноподобна. Это означает, что существует возможность проникнуть в черную
дыру по пути, минующему центральную сингулярность. Существуют такие направления, следуя которым, можно удаляться от сингулярности. Можно изменить направление движения, сообщив телу некоторую дополнительную скорость. Двигаясь в сторону от сингулярности, со скоростью меньшей скорости
света, можно оказаться в другом пространстве - времени. Через черную дыру
можно попасть в другую вселенную. При этом существует возможность попасть
не в одну, а в бесконечное множество иных вселенных. Однако, астронавт может двигаться только в направлении “вселенной будущего”, т.е. он не сможет
вернуться в свою вселенную в то же время.
Была высказана мысль, что множество миров может быть связано путем, следуя
по которому, мы вернемся в нашу Вселенную, возможно даже в ее прошлое.
Практически мгновенно астронавт может пробраться в другую точку нашей
Вселенной, быстрее чем туда долетит свет.
Однако, такое развитие событий нарушило бы закон причинно-следственной
связи. Если бы эта связь оказалась нарушенной, то Вселенная была бы непредсказуемой и иррациональной.
С практической точки зрения путешествия в пространстве с помощью черных
дыр вызывает существенное возражение. Космический корабль, приблизившийся к горизонту событий дыры средней массы, будет разорван приливными силами. Приливные силы слабы лишь в дырах с огромной массой, равной массе
галактики.
Последние теоретические исследования свидетельствуют, что внутри керровской черной дыры возможны квантовые эффекты, недопускающие пространственно-временных мостов.
Белые дыры. Уравнения общей теории относительности симметричны по отношению к направлению времени. Есть решения, имеющие смысл и в том случае,
когда время течет в направлении, противоположном общепринятому представлению о его течении.
Зная, что черные дыры образуются в результате гравитационного коллапса некой массы вещества в скрытую за горизонтом событий сингулярность, которая
существует бесконечно долго, можно предположить, что существуют дыры с
обращенным временем, т.е коллапс с обратным ходом развития событий. В таком случае в некоторой области Вселенной вдруг обнаружился бы источник,
выбрасывающий вещество - белая дыра. Она должна была бы содержать сингулярность, существовавшую с момента начала отсчета времени Вселенной. Как
на черную дыру могу падать частицы, так они могут вылетать из белой, образуя
облака пыли и газа.
Гипотеза белых дыр могла бы объяснить феномен наблюдающихся взрывающихся галактик, другие явления, сопровождающиеся большим выделением
энергии. Квазары могли бы предстать как объекты, из которых происходит истечение вещества в нашу Вселенную.
И.Д.Новиков предположил, что если некоторые области пространства-времени
в момент Большого взрыва не приняли участия в немедленном процессе всеобщего расширения, то эти области, или “задержавшиеся ядра”, могут взорваться
на более поздней стадии эволюции Вселенной, создав белые дыры.
Возможно, что в одних вселенных происходит коллапс вещества в черную дыру, то в других возникают белые дыры.
Теоретически рассматриваются также модели “серых дыр”, вещество которых,
выплескиваясь, как в белых дырах, за горизонт событий, почти тотчас же начинает быстро сжиматься в процессе гравитационного коллапса.
Наличие белых и серых дыр сегодня не доказано и считается маловероятным.
Черные дыры являются уже почти открытыми объектами. Их существование в
какой-то степени предсказывает даже теория тяготения Ньютона. Наблюдательная астрономия в последние годы собрала много материала, подтверждающего существования черных дыр во Вселенной. Они могут существовать и наблюдаться как постоянно взаимодействующие с веществом в ядрах галактик, в
тесных двойных звездных парах, в квазарах.
Соотношение общего количества звездного и межзвездного вещества в Галактике со временем изменяется. Из диффузной материи образуются звезды, а они
в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвездную среду только
часть вещества. Некоторая часть остается в белых карликах и нейтронных звездах. Количество межзвездного вещества в галактиках должно со временем
убывать.
Перерабатываясь в звездных недрах, вещество галактик постепенно изменяет
химический состав, обогащаясь гелием и тяжелыми элементами.
Первоначально галактики образовались из водорода. Гелий и тяжелые элементы
образовались в результате термоядерных реакций внутри звезд. Самые тяжелые
элементы могут образоваться только при вспышках сверхновых звезд. Содержание тяжелых элементов у звезд сферической составляющей галактик намного
меньше, чем у звезд плоской подсистемы. Звезды сферической составляющей
образовались раньше, когда газ был беден тяжелыми элементами. В результате
вращения галактики, газ собирается в ее плоскости. К этому времени он проходит переработку в звездных недрах и обогатился тяжелыми элементами. Позд-
нее из этого газа начинают формироваться звезды. Этот процесс наблюдается и
сейчас. Звезды плоской подсистемы называются звездами второго поколения, а
сферической - первого поколения.
Представления о происхождении и ранней эволюции Солнечной системы до сих
пор не приобрели характера законченной теории.
Можно выделить несколько этапов зарождения Солнца и планет:
1. Уплотнение облака межзвездного вещества, состоящего из молекул (H2, H2O,
OH и др.) и пыли. Возможно, что это уплотнение началось в результате взрыва
Сверхновой звезды, под действием ударной волны.
2. Наиболее плотные участки облака с массами порядка звездных начинают
сжиматься. Облако распадается на фрагменты, один из которых впоследствии
порождает Солнце и солнечную систему. В центре сжимающегося фрагмента
образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции. Процесс
аккреции - захват окружающей разреженной Среды, приток которой постепенно
увеличивает массу ядра.
3. Когда масса центрального сгущения достигает примерно 0,1 солнечной, вещество становится непрозрачным, температура возрастает и пыль испаряется.
Это происходит через 104
- 105
лет после начала сжатия фрагмента.
Вскоре после испарения пыли происходит диссоциация молекулярного водорода. При этом центральное сгущение сжимается, образуя газовую протозвезду.
Формирование протозвезды происходит очень быстро, за время 10 -100 лет.
Аккреция межзвездного вещества протосолнцем продолжается, его масса и радиус увеличиваются. Еще примерно через 105 лет масса достигает современного уровня, а радиус в 100 раз больший современного. Приток межзвездного вещества прекращается. Начинается стадия гравитационного сжатия протосолнца.
В течение этого периода уже существует дискообразная газово-пылевая протопланетная туманность, центром которой является протосолнце. Оценки массы
туманности находятся в пределах от 0,01 до 2 солнечных масс.
В туманности идет формирование планет - гигантов по тому же пути, с образованием дисков, из которых впоследствии образуются спутники.
Для преодоления трудности с распределением момента количества движения
предполагается, что газ в протопланетной туманности частично ионизован, а
протосолнце имеет значительное магнитное поле. В результате взаимодействия
плазмы и поля возникают газовые потоки, передающие момент в туманность.
4. Следующий период длится 108
лет. Продолжается гравитационное сжатие
Солнца. Дует мощный звездный ветер, выметающий газ из внутренней части
протопланетной туманности.
Пылевое облако все более концентрируется к некоторой средней плоскости.
Пылинки сталкиваются, появляются крупные частицы. Идет процесс аккумуляции твердых тел.
Формируются несколько особо крупных тел, они становятся ядрами аккреции,
вокруг которых происодит формирование планет земной группы. Планетезимали не только объединяются, но и разрушаются. Такие разрушения породили
метеориты.
Рост Земли до современных размеров продолжался 108
лет. Некоторые модели
рассматривают неоднородную аккрецию. Сначала шло накопление тяжелых
элементов, а силикатная мантия образовалась позже.
Некоторые модели рассматривают образование планет земной группы из планет
гигантов, которые теряют свою газовую оболочку из-за приливного взаимодействия с Солнцем.
Исследование, описанное в статье про космология, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое космология, космогония и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Астрономия
Комментарии
Оставить комментарий
Астрономия
Термины: Астрономия