1.3.6.Структура Вселенной

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементар­ных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является ре­зультатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд — звезды, из протопланетного облака — планеты.

Метагалактика представляет собой совокупность звездных сис­тем — галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалакти­ческим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти представления основываются на данных астрономических наблюдений, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Кроме того, найдены огромные объемы пространства (по­рядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик покане обнаружено. Пространственной моделью такой структуры мо­жет служить кусок пемзы, которая неоднородна в небольших вы­деленных объемах, но однородна в больших объемах.

Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, по­скольку образование ее структуры приходится на период, следую­щий за разъединением вещества и излучения. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет. Уче­ные считают, что, по-видимому, близок к этому и возраст галак­тик, которые сформировались на одной из начальных стадий рас­ширения Метагалактики.

Галактика — гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на три типа: эл­липтические, спиральные и неправильные.

Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убыва­ет от центра.

Спиральные галактики представлены в форме спирали, вклю­чая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галак­тик, к которому относится и наша Галактика — Млечный Путь

Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно мощ­ным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

Рис. . Спиральная галактика NGG 224 (Туманность Андромеды)

В строении «правильных» галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, представ­ленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в фор­ме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака.

Ядра галактик проявляют свою активность в разных формах: в непрерывном истечении потоков вещества; в выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс; в нетепловом радиоизлучении из околоядерной области.

В ядре галактики сосредоточены самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.Звезды и туманности в пределах галактики движутся довольно сложным образом: вместе с галактикой они принимают участие в расширении Вселенной; кроме того, они участвуют во вращении галактики вокруг оси.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% ве­щества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляю­щих собой гигантские плазменные образования различной вели­чины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне зна­чений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч — самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря ко­торым идет формирование неустойчивых однородностей и диф­фузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгуще­ния сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Как пра­вило, они начинают вращаться относительно друг друга, и центро­бежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам — плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и про­исходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизирован­ном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаи­модействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии уг­лерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излу­чением звезд.в течение миллионов и миллиардов лет. При этом водород пре­вращается в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превра­щаются в инертные («мертвые») звезды.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные систе­мы — состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обра­щающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбра­сывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы — звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления — насчитывают не­сколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления — многие сот­ни тысяч. И ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное коли­чество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет, бесчис­ленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная сис­тема является упорядоченной системой, имеющей свои законо­мерности строения. Единый характер Солнечной системы прояв­ляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Боль­шинство спутников планет (их лун) вращается в том же направле­нии и в большинстве случаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают дви­жение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание закономерности строения Солнечной системы, кажется невозможным ее случайное образование.

О механизме образования планет в Солнечной системе также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оцен­кам ученых, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце — звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жиз­недеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает основание на­звать Солнечную систему малой частью звездной пыли.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только ме­ханические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероят­ным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы.

Рис. 4.3. Строение Солнечной системы

В соответствии с современными представлениями, первоначаль­ное газовое облако, из которого образовались и Солнце, и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию элек­тромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Грави­тационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях — как раз там, где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты.

Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторил­ся в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутни­ков. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетиче­ский характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех сущест­вующих теориях имеются противоречия и неясные места.