«Никаким количеством экспериментов доказать теорию нельзя, но достаточно одного, чтобы ее опровергнуть».
А. Эйнштейн

Космология представляет собой современное направление глобального эволюционизма, которая рассматривает вселенную (Метагалактику) как структуру, как единое целое. Космологические концепции рассматривают проблемы общих закономерностей строения и эволюции вселенной, материи, пространства, времени.

Одна из удивительнейших и интереснейших загадок современного естествознания – это происхождение и эволюция вселенной. Она важна для нас не только как чисто познавательная сущность. Процессы, происходящие в ближайшем и отдаленном космосе, оказывают прямое воздействие на эволюцию всего живого на Земле. Термоядерный синтез элементов, происходящий на Солнце и в далеких звездах, дает в руки человечеству надежду овладеть им ¹ в целях не только выживания в будущем, но и познания вселенной. Однако для того, чтобы оценить степень воздействия вселенной на все живое на Земле, надо иметь представление о процессах, которые происходят в глубинах самой вселенной…

С происхождением и эволюцией вселенной связаны проблемы происхождения и эволюции нашей Солнечной системы, Земли, жизни на ней. И нам совсем небезынтересно знать, что происходило в прошлом, и что нас ждет в ближайшем и отдалённом будущем.

Вся сложность изучения вселенной заключена в громадных расстояниях, разделяющих звезды, звездные скопления, туманности, галактики. Однако человечество научилось оценивать эти расстояния различными методами.

Результатом исследований обозримой части вселенной явились грандиозные открытия ХIХ и ХХ веков, которые стимулировали колоссальные темпы изучения происходящих в ней процессов.

Что такое вселенная?

Издавна существовали различные точки зрения на модель и структуру вселенной. Цивилизации Месопотамии и Древний Египет уже имели своё представление о ней. Первые же предположения о структуре вселенной можно отнести к периоду расцвета культуры в Древней Греции. Наиболее распространенной была концепция Пифагора-Аристотеля-Птолемея, согласно которой в центре, не имеющей начала во времени вселенной (космоса), находится Земля. По орбитам вокруг Земли вращаются планеты, включая Солнце, а на самом краю того, что для них было Вселенной, они помещали звёзды, вращавшиеся точно так же вокруг Земли, как и остальные планеты и Солнце. Учение Демокрита о бесконечности вселенной и множественности обитаемых миров имело меньшую популярность. Позже улучшенные наблюдения и теории о силе тяжести, позволили Копернику и Ньютону создать гелиоцентрическую модель вселенной, которая помещала Землю на орбиту вокруг Солнца. Дальнейшее развитие астрономии привело к открытию Млечного пути, других галактик и реликтового излучения. Точные исследования распределения галактик в пространстве и исследование их спектров формируют современную космологию.

Вселенная  обычно определяется как Природа, Космос, действительный окружающий Мир, Мироздание, а также совокупность всего, что физически существует. Это совокупность пространства и времени, всех форм материи, физических законов и констант, которые управляют состояниями, движениями материи, пространством-временем.

Астрономически наблюдаемая вселенная – Метагалактика. По данным НАСА, полученным с помощью WMAP, возраст вселенной от момента Большого взрыва был оценён в 12,73 ± 0,12 миллиардов лет. Другие методы оценки возраста Вселенной дают другие результаты (например, 13,7 млрд. лет).

Однако есть и ещё одна точка зрения, которая связана с тем, что вселенная никогда не возникала, а существовала вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях движений и состояний в ней. Представления о форме и размерах вселенной в современной науке также являются дискуссионными. Предполагается, что протяжённость вселенной составляет не менее 93 миллиардов световых лет, при наблюдаемой части всего в 12,7 млрд. световых лет. Это означает, что наблюдаемая нами вселенная (Метагалактика) лишь часть Супермира, включающего множество вселенных ².

Самыми крупным известными образованиями во вселенной, установленные телескопом «Хаббл» являются Великая Стена СfA2 ³ и Великая Стена Слоуна.

Великая стена CfA2 является одним из известных примеров крупномасштабной структуры. Это — видимая плашмя (со стороны наблюдателя) блиноподобная структура из галактик, располагающаяся на расстоянии примерно 200 миллионов световых лет, размером 500 миллионов световых лет в длину, 300 миллионов световых лет в ширину и толщиной 15 миллионов световых лет. Этот объект был открыт в 1989 году Маргарет Геллер и Джоном Хунра на основе данных исследований красного смещения удалённых объектов.

До сих пор полностью не известны полные размеры этого крупномасштабного объекта, так как облака пыли и газа Млечного пути закрывают от нас часть Великой стены.

Предполагается, что такие структуры как Великая стена состоят из смеси тёмной и видимой для наблюдателя излучаемой материи. Считается, что эта тёмная материя гравитационно связана с обычной материей, которая сформировала тонкие, длинные стены сверхскоплений галактик.

Великая стена Слоуна — группа галактик, простирающаяся уже более чем на миллиард световых лет. Представляет собой стену из галактик, которая, возможно, является наибольшей из известных структур во вселенной. Об открытии Великой стены Слоуна было объявлено 20 октября 2003 года учёными Дж. Ричардом Готтом и Марио Юричем из Принстонского университета. Это открытие было сделано благодаря данным Слоуновского цифрового небесного обзора (SDSS). Размеры «стены» составляют около 1,37 миллиарда световых лет в длину.

Согласно Стандартной теории (теории Большого взрыва), мы ничего не можем сказать про вселенную в начальный момент времени. Существуют только предположения, что в ней уже существовали все фундаментальные взаимодействия, а также все виды материи и энергии. По Стандартной модели пространство-время начинает расширяться из одной точки, называемой сингулярностью. Спустя одно планковское время после этого события, гравитационные силы отделяются от остальных сил. Время, прошедшее с момента Большого взрыва (4,3×10¹⁷ с), примерно равняется 8×10⁶⁰ планковским временам. На сегодняшний день самый маленький экспериментально наблюдаемый промежуток времени составляет аттосекунда (10⁻¹⁸ с), что соответствует 10²⁶ планковским временам.

Крупномасштабная вселенная представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры представляют собой скопления миллиардов галактик. Расстояния между ними составляют около миллиона световых лет.

Каждая галактика состоит из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик достигают сотен тысяч световых лет.

Звёзды состоят в основном из водорода, который является самым распространённым химическим элементом во вселенной. Считается, что большинство звёзд являются кратными и представляют собой центры планетарных систем из нескольких планет. Расстояния между такими системами составляют десятки и сотни астрономических единиц.

Одним из фундаментальных открытий космологии является открытие расширения вселенной на основе наблюдаемого красного смещения. Расширение вселенной описывается законом Хаббла. Подтверждением расширения вселенной служит космическое микроволновое фоновое излучение  (реликтовое излучение), которое возникло вскоре после Большого взрыва. Это реликтовое излучение однородно во всех направлениях. Этот факт космологи пытались объяснить ранним периодом инфляционного расширения, последовавшего за Большим взрывом.

Единой точки зрения, является ли вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Если опираться на фундаментальную постоянную скорости света, её конечность, то наблюдаемая вселенная конечна. Границей космического светового горизонта является расстояние 24 Гигапарсека. Действительное расстояние до границы наблюдаемой вселенной больше, благодаря увеличивающейся скорости её расширения. Эта оценка расстояния по ОТО сегодня составляет порядка 93 миллиарда световых лет. То есть космос может расширяться неограниченно. Поэтому, если пространство между двумя галактиками «расширяется», то они могут отдаляться друг от друга на скоростях и более скорости света. Экспериментальные измерения красного смещения, пространственного положения отдалённых галактик, реликтового излучения и распространённости по вселенной лёгких элементов свидетельствуют в пользу теории расширяющейся вселенной. Теория Большого взрыва предполагает, что космос появился ex nihilo (из ничего) в определённый момент в прошлом. Но по альтернативным теориям, космос существовал всегда.

Открытым является вопрос о форме вселенной. Если вселенная пространственно плоская, то для её крупномасштабной структуры справедлива  Евклидова геометрия. Большинство космологов полагают, что наблюдаемая вселенная близка к пространственно плоской, с локальными складками (волнами пространства), где массивные объекты искажают пространство-время. Это подтверждается данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового (фонового космического) излучения.

Также остается неизвестным, является ли вселенная множественно-соединённой. Согласно стандартной модели Большого взрыва, вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно ограничена. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна в третьем измерении. Если вселенная действительно пространственно ограничена, то, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в отправную точку начала движения.

Согласно другим представлениям наша вселенная представляет лишь часть от огромного множества других вселенных, совокупность которых называется Мультивселенной (Метавселенной) – или Супермиром. 

На сегодня наиболее логически непротиворечивой является модель многокомпонентной вселенной. То есть вселенная состоит из бесконечного количества Начал по типу Большого взрыва, из множества вселенных, которые независимо возникают в разные моменты времени, и пены сверхплотного скалярного поля между ними. Поэтому вселенная (в представлении Супермира – множества вселенных) бесконечна и в пространстве и во времени. Даже допускается, что в разных вселенных могут существовать разные законы, разные элементарные частицы.

У каждой вселенной на каком-то огромном расстоянии от них должны существовать стенки, которые состоят из  сверхплотного вакуума. Как они будут взаимодействовать с другими пузырями, другими вселенными — этот вопрос, которым занимается современная астрофизика.

Единственная экспериментальная возможность исследовать другие компоненты «большой Вселенной» — «кротовые норы», которые изначально заведомо были, но неизвестно, существуют ли сейчас.

Хаотическая теория инфляции предполагает бесконечное разнообразие вселенных, каждая из которых имеет различные от других физические константы. В других теориях вселенные различаются по квантовому измерению.

Чаще всего вселенная понимается как астрономически наблюдаемая её часть – Метагалактика (область, которой мы принадлежим или ещё её называют сверхгалактикой), то есть структура, состоящая из скоплений галактик. В свою очередь галактики состоят из звездных скоплений, звездные скопления из звезд, звезды могут иметь планетные системы (например, Солнечная система и обнаруженные за её пределами более двухсот звёзд, имеющих планеты). Таким образом, вселенная (насчитывающая около 100·109 галактик) – это система с бесконечной в пространстве-времени совокупностью структурированных форм материи и вещества, взаимодействие между которыми посредством всепроникающих физических полей образует естественную сущность Природы, в которой две взаимоисключающие противоположности порядок и хаос создают гармонию вечности.

Размеры Метагалактики ограничены нашими возможностями наблюдений и в настоящее время приняты равными 10²⁶ м. Многолетние исследования Метагалактики выявили два основных её свойства, которые иногда относят к космологическим постулатам, применимым к понятию крупномасштабной вселенной: во-первых, – она однородна и, во-вторых, – изотропна. Изотропность Метагалактики доказывается наблюдениями реликтового излучения. Реликтовое излучение одинаково по всем направлениям, хотя и обнаруживается весьма незначительная её неоднородность в миллионных долях Кельвина.

Глобальный эволюционизм базируется на современных достижениях естественных наук и, прежде всего, космологии, космогонии, астрофизики, астрономии, математики, космохимии и т.д.

Космологические концепции базируются на следующих предпосылках:

формулируемые физикой фундаментальные законы мироустройства считаются действующими во всей вселенной;

истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования наблюдателя, то есть человека (антропный космологический принцип).

Что касается вселенной, то современная космология утверждает, Метагалактика характеризуется двумя основными свойствами: однородностью (её свойства одинаковы во всех ее точках) и изотропностью (свойства одинаковы во всех направлениях).

Описанием гравитационного поля вселенной являются уравнения А.Эйнштейна. Нестационарность вселенной определяется двумя постулатами:

принципом относительности, гласящим, что во всех инерциальных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга;

экспериментально подтвержденным постоянством скорости света теории относительности.

Из принятия теории относительности вытекает следствие: искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. Следствием этого является красное смещение (понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу).

Все концепции, существовавшие до ХХ века, представляли собой умозрительные модели вселенной, которые предполагали неизменность, бесконечность в пространстве и времени, ее стационарность.

Научная космология сформировалась только в ХХ веке с появлением релятивистской теории тяготения А.Эйнштейна, на основе которой он разработал стационарную замкнутую модель Вселенной (табл. 6.1-1). В ней он связал пространство и время в единую целостность – пространственно-временной континуум в виде четырехмерного мира с конечным трехмерным пространственным сечением и неограниченной осью времени.

А.Фридман, основываясь на теории А.Эйнштейна, показал, что Метагалактика не представляет собой завершенную стационарную вселенную во времени и пространстве, а должна либо расширяться, либо сжиматься. На базе этой концепции возможны три варианта модели вселенной, которые определяются средней плотностью материи в ее структуре. А именно, если плотность материи во вселенной будет равна 10^-29 г/см³, то пространство не искривляется, его геометрия евклидова (плоская вселенная), а Метагалактика равномерно и бесконечно испытывает расширение. Если же плотность материи меньше какой-то критической величины (принятая 10^-31 г/см³), то кривизна пространства отрицательна и вселенная является открытой, при этом скорость ее расширения выше, чем в предыдущем сценарии. Наконец, если плотность материи больше какой-то критической величины, то пространство вселенной замкнутое с положительной кривизной. Вселенная закрыта. То есть на начальном этапе она расширяется, а затем сжимается в исходную точку, из которой когда-то вышла.

По модели Фридмана критическая плотность материи во вселенной оказалась больше критического значения и равна 5,475358∙10^-30 г/см³. Согласно этому вселенная будет соответствовать третьему сценарию, так называемой «пульсирующий» в бесконечном времени вселенной. Тем самым вселенная Фридмана представляет собой не стационарную, а динамическую, непрерывно развивающуюся систему, в которой «вечность» сочетается с ограниченностью пространственного состояния материи в ней. Во вселенной есть начало и есть конец не как антиподы, а как этапы бесконечного преобразования Мира взаимодействий, изменчивости состояний и качества.

Концепция глобального эволюционизма построила новую систему мироустройства, в которой микромир и макромир представляют собой единство материи и бесконечные разнообразия движений и состояний ее частей разного уровня.

Различные космологические сценарии судьбы вселенной укладываются в небольшой выбор. Он до недавнего времени включал модели, исключающие Большой взрыв и модели, включающие Большой взрыв (табл. 6.1-1).

Таблица 6.1-1

Альтернативные космологические модели

Модели развития вселенной, включающие Большой Взрыв
Автор модели	k – кривизна пространства	Пространство	Протяжен­ность пространства	Характер эволюции
Эйнштейна-де Ситтера	0	Плоское	Открытое и бесконечное	Расширяется вечно
Фридмана-Леметра	-1	Гиперболи­ческое	Открытое и бесконечное	Расширяется вечно
Фридмана-Леметра	+1	Сферическое	Закрытое и конечное	Расширение сменяется сжатием
Леметра	+1	Сферическое	Закрытое и конечное	Расширяется вечно, имеется квазистатическая фаза
Модели развития вселенной, исключающие Большой Взрыв
Эддингтона-Леметра	+1	Сферическое	Закрытое и конечное	Сначала статическая, затем расширяется вечно
Стационарная модель	0	Плоское	Открытое и бесконечное	Стационарна, но не статичная

Кривизна вселенной зависит от средней скорости, с которой она расширяется и средней плотности вещества, содержащегося в ней. Если скорость расширения велика по сравнению с массой, то говорят, что вселенная открытая. Она будет расширяться вечно с конечной скоростью. Если же количество вещества во вселенной велико по сравнению со скоростью расширения, то вселенная будет замкнутой, расширение прекратится и затем начнет сжиматься. Если скорость разбегания вещества и масса вселенной точно «подогнаны» друг другу, то вселенная будет плоской. Расширение будет продолжаться, но скорость расширения будет асимпточески замедляться. Теория предсказывает последний вариант.

Структура Метагалактики

Крупномасштабную структуру вселенной ⁴ составляет множество галактик, которые представляют собой гигантские образования, содержащие звезды, туманности и другие объекты.

Крупномасштабная вселенная представляет собой структуру распределения материи на самых больших наблюдаемых масштабах напоминающую соты (ячейки). В них по Я.Зельдовичу находятся скопления галактик, которые удалены друг от друга на расстоянии 100 – 300 Мпк (мегапарсек). Таким образом, основной объем материи во вселенной сосредоточен в ячейках пространства, представляющий собой пустоту – вакуум.

Уже в начале XX века было известно, что звёзды группируются в звёздные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления галактик и сверхскопления галактик. В 1990-е было установлено, что в масштабах порядка 300 мегапарсек вселенная выглядит однородной. Однако нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей называемых текстурами ⁵. Текстуры могут служить зародышами агрегатов вещества, превращающегося в ходе эволюции в галактики и их скопления, а менее плотные области получили название войды (пустоты). Это дало основание сделать вывод о том, что во вселенной, наряду со светящимся веществом, должно находиться темное вещество.

Наблюдениями устанавливается, что каждая галактика окружена гало из темного вещества, масса которого в 10 раз больше массы видимых областей. Природа темного вещества остается неизвестной. В качестве претендентов на роль темного вещества предлагаются чёрные дыры, звезды малой массы, остывшие звезды (коричневые карлики), нейтрино и гипотетические частицы.

Галактики

Галактика (от греческого – galaktikos «млечный, молочный»). Поэтому наша галактика называется Млечный Путь.

Основным элементом крупномасштабной структуры Метагалактики (наблюдаемой части вселенной) являются галактики и скопления галактик. Галактики представляют собой гравитационно-связанные звездные системы. Звездная система, в которую входит наше Солнце, – Млечный Путь – содержит примерно 1·10¹¹ звезд, а ее масса равна 2·10⁴⁴ масс Солнца. Диаметр – около 105 световых лет, а полная излучаемая светимость – около 3·10⁴³ эрг/с.

Исследование галактик началось с 1920 г., когда К.Лундмарк смог выявить отдельные звезды в спиральной галактике М33 в созвездии Треугольника и, тем самым, установить звездную природу галактик, а затем Э.Хаббл получил тот же результат для спиральных рукавов туманности Андромеды и еще нескольких галактик.

Рис. 6.1-1. Спиральная структура Млечного Пути. Крестиком обозначено положение Солнечной системы, расположенной между спиралями – областями активного звёздообразования (области коротации) и весьма далеко от центра галактики.

Галактики весьма разнообразны. Половина галактик имеет спиральную структуру (рис. 6.1-1). Среди спиральных галактик астрономы выделяют два подвида: пересеченные спирали, у которых есть центральная область – перемычка, состоящая из звезд, соединяющая внутренние концы двух спиральных рукавов и нормальные спирали, у которых рукава начинаются прямо из ядра. Размеры спиральных галактик варьируют от 20000 до 100000 световых лет в поперечнике.

Эллиптические галактики также широко распространены. Они не имеют спиральных рукавов, а их форма варьирует от почти сферических (ЕО) до сигарообразных (Е7). Размеры эллиптических галактик также варьируют в широких пределах от карликовых до сверхгигантских образований. Большие из них достигают в диаметре миллионы световых лет и являются наиболее массивными из всех наблюдаемых галактик.

Около 20 % из общего числа галактик – это линзообразные галактические образования, переходные между этими двумя типами галактик. Последние 5 % – это неправильные, в том числе взаимодействующие галактики. Обычно это двойные образования, между которыми наблюдаются мосты и перемычки светлой или темной материи. Многие из них являются спутниками более крупных галактик, например, Магеллановы облака.

«Активные» галактики, составляющие всего несколько процентов от общего их числа, могут излучать в миллионы раз больше энергии, чем «обычные» ⁶. Под «активностью» галактики понимают большую совокупность различных и необычных явлений. Например, выбросов из галактик огромных масс вещества (выбросы из ядра двух или нескольких объектов масштаба небольших галактик, выбросы газовых струй и релятивистской плазмы); истечений и излучений релятивистских частиц из ядер; взрывов, при которых выделяются чудовищные количества энергии; формирования радиогалактик и т. д.

Для активных галактик характерны два близко к симметричным «радиооблака», т.е. протянувшиеся на миллионы световых лет облака плазмы (ионизованного газа), выбрасываемых из ядра галактики. Предполагается, что «в центре источника, генерирующего излучающую в радиодиапазоне плазму, находится черная дыра массой в миллиард солнечных масс. Черная дыра окружена тороидальным аккреционным диском, состоящим из газа и пыли». Выбросы могут иметь как обращенную, так и зеркальную симметрию» ⁷.

Форма галактик оказалась разнообразной. Она зависит не только от условий развития, но и возраста, состава ее образующих туманностей, звезд.

При кажущейся равномерной рассредоточенности галактик в пространстве, они имеют тенденцию группироваться, образуя так называемые скопления, семьи.. Это свойство у них выражено намного сильнее, чем у звезд. У них лишь малая доля входит в состав рассеянных скоплений, шаровых скоплений или звездных ассоциаций, а подавляющая масса является просто звездами общего поля галактики. У галактик картина противоположная. Большинство из них являются членами групп или скоплений галактик, и только незначительная часть (около 10 %) располагается вне групп и скоплений в общем объеме Метагалактики.

Группы галактик содержат десятки составных элементов. Например, наша галактика входит в состав группы ближайших к нам галактик, примерно состоящих из 20 членов. Эта группа образует Местную систему, которая в свою очередь входит в состав скопления, центр которого находится в той части неба, куда проектируется созвездие Девы. Скопления, как правило, насчитывают сотни и даже тысячи членов. Одно из самых больших скоплений отмечается в созвездии Волосы Вероники и содержит около десяти тысяч галактик. Оно имеет почти сферическую форму и его радиус составляет примерно 4 Мпк.⁸

Расстояние между членами звездного скопления огромны по сравнению с размерами звезд и всего лишь в несколько раз больше, чем размеры самих галактик. В этом и заключается особенность их структуры.

Скопления и группы скоплений распределены не случайно. Исследования на 6-и телескопах в России показали, что Местная группа, в которую входит наша галактика и туманность Андромеды, образует вместе с другими близкими группами галактик систему, названную Местным скоплением. В Метагалактике имеются и другие сверхскопления, размер которых составляет 20 – 30 Мпк.

Бюраканская школа во главе с В.А. Амбарцумяном, активно изучавшая нестационарные процессы во вселенной, установила, что нестационарные процессы во вселенной имеют форму рассеяния, дезинтеграции, взрыва (причем противоположно направленные процессы пока не удалось обнаружить прямыми наблюдениями).

Наблюдаемая вселенная оказалась не только расширяющейся, но буквально взрывающейся. Взрывы чудовищной мощности то и дело случаются в ней в разное время и в разных местах. Они затрагивают все вещество вселенной. На основе этого формируется гигантский по масштабу вселенский круговорот вещества в пространстве и времени.

Звезды и галактики скучены, а не равномерно распределены в пространстве. Что заставило их собраться вместе? Предполагается, причиной всего этого могут быть тонкие струны с большой концентрацией энергии, образовавшиеся при рождении вселенной. По мере того, как вселенная расширялась и охлаждалась после Большого бзрыва, вакуум испытал ряд фазовых переходов. Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии: они часто переводят симметричные состояния в несимметричные.

Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в «молодом» вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от начала расширения вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах, космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум остался в них как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды дефектов. Согласно некоторым теориям, дефекты должны существовать в виде поверхностей, в других – предсказываются линии или точки. Эти типы дефектов называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями. Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных типов «разрывов» в свойствах вакуума.

В соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией (Е=mc²), высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому дефекты в его структуре должны оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию вселенной. В частности, именно вакуум может являться источником энергии, провоцирующим скопление вещества в галактиках и звездных системах.

Многие богатые скопления галактик содержат значительные количества горячего ионизованного газа, являющегося источником мощного рентгеновского излучения. Самыми мощными из них являются скопления Комы ⁹, Персея, Девы. Основательное изучение их спектров дало возможность установить, что источником излучения является горячий газ с температурой 10⁷ – 10⁸ К, захваченный скоплением как гравитационной ямой. Масса такого газа в ряде скоплений равна суммарной массе галактик.

Иерархия космических структур обрывается на скоплениях и сверхскоплениях. В различных областях Метагалактики, имеющих размер 100 – 300 Мпк и более, содержащих много галактик и скоплений, средняя плотность видимого вещества галактик оказывается одинаковой, где бы эти области не находились и составляет около 3·10^-34 г/см³. С учетом скрытых масс эта величина возрастает почти втрое.

Одинаковость средней плотности в различных областях пространства означает, что Метагалактика является однородной. Это одно из фундаментальных свойств вселенной. Другим его фундаментальным свойством является изотропная нестационарность, разбегание галактик.

Первое определение лучевой скорости галактики было успешно выполнено Слайфером в обсерватории Ловелла. Они изменялись от 50, до 300 км/сек. В последующем были обнаружены скорости удаления галактик, близкие к 600 км/сек. Причины разных скоростей объясняет закон Хаббла. Разбегание галактик свидетельствует в пользу расширения вселенной. Критическое значение величины средней плотности в Метагалактике вещества зависит от постоянной Хаббла (Н). При ее величине в 75 км/(с·Мпк) критическая плотность вещества во вселенной равна около 10-29 г/см³. Наблюдаемая же плотность значительно меньше (3·10^-30 г/см³) критической без учета скрытой массы во вселенной.

Бесконечное расширение вселенной возможно при наличии плотности меньше критической. Если же значение плотности окажется выше критического, вселенная неизбежно будет в будущем сжиматься за счет влияния гравитационных сил.

Современными исследованиями установлено, что помимо видимой массы в Метагалактике присутствует скрытая (невидимая) масса. Чаще её называют тёмной материей, отличной от свойств наблюдаемого вещества во вселенной. Количество темной материи по отношению к излучающей составляет 95%. По массе тёмная материя составляет 70%. А 25% приходится на так называемую тёмную энергию. Остальная доля материального наблюдаемого нами мира (около 5%) нам достаточно хорошо известна. Считается, что именно скрытая масса и энергия удерживает от распада периферийные части галактик.

О наличии тёмной энергии и тёмной материи свидетельствуют гравитационные возмущения в движении звезд, галактик. Теоретически предполагается, что на роль этого вещества могут претендовать частицы, одной из которой является нейтрино. Однако исследованиями последствий взрыва Сверхновой-1987 установлено, что нейтрино не может претендовать на роль темного (неизлучающего) вещества во вселенной, поскольку доля массы нейтрино оказалась меньше той, которая принадлежит тёмной материи.

Другим претендентом на темное вещество может являться суперсимметрия. Согласно теории суперсимметрии для каждой известной частицы существует «суперсимметричный» партнер, имеющий большинство ее свойств, за исключением значения спина. Такие частицы могут вести себя как тяжелое нейтрино. Наиболее перспективным кандидатом в невидимое вещество из суперсимметричных партнеров является фотино (суперсимметричный партнер фотона).

Наконец на роль экзотического темного вещества во вселенной может претендовать объект, называемый струной (нитью) Я.Б.Зельдовича (1980).

Космические струны представляют собой протяженные топологические дефекты, которые могли возникать при нарушении симметрии в ранней вселенной ¹⁰. Эти образования отличаются длинными, тонкими изогнутыми трубами с микроскопической толщиной с постоянной очень большой плотностью энергии, сосредоточенной в них.

На роль невидимых гравитационных объектов предлагаются и «черные дыры», а также звезды малой массы, темные планеты типа Юпитера и нейтронные звезды, а также загадочный бозон Хигса, вимпсы и аксионы ¹¹.

Если «скрытая масса» состоит из компактных звездных объектов, то они могут быть обнаружены по эффекту гравитационного возмущения (фокусировки), то есть будут действовать как гравитационные линзы ¹², отклоняя и усиливая свет далеких звезд или галактик.

Выяснение природы темного вещества во вселенной позволит совершенно по-новому построить наши представления об эволюции вещества и структуры вселенной. Только тогда возможен ответ на вопрос бесконечно ли расширение нашей Метагалактики или это расширение закончится сжатием, и все вернётся на круги своя. Открытие ускоренного расширения вселенной заставило учёных говорить, что в будущем вселенная перейдет в фазу состояния Большого разрыва. Однако есть и другие точки зрения на ускоренное расширение вселенной…

Разнообразие галактик и их свойств

Э.Хаббл один из первых оценил плотность распределения галактик и пришел к выводу, что они распределены почти равномерно по всем направлениям луча зрения, то есть, изотропно. Получив достаточно точный способ оценки расстояния до галактик по цефеидам и ярким звездам, он установил, что скорости разбегания галактик растут пропорционально расстоянию до них (закон Хаббла).

V = H · r,

где Н – постоянная Хабба (принята в 70 км/ с Мпк). На этой основе, с учетом современных данных, рассчитан возраст вселенной путём определения расстояния до края видимой вселенной – Метагалактики. Он составляет величину от 12 до 15 млрд. свет. лет. Принятое значение возраста Вселенной в настоящее время оценивается в 13,7 млрд. лет. Это время, когда вселенная вышла из состояния Большого взрыва.

Вся масса галактик вращается как единое целое, а звезды обращаются вокруг гравитационного центра галактик.

Помимо теплового излучения галактики излучают в рентгеновском радиодиапазоне. Это излучение вызывается пучками электронов высоких энергий, которые, двигаясь в сильных магнитных полях, генерируют радиоволны разных частот, образуя так называемое синхротронное поляризованное излучение. Ближайшая к нам радиогалактика NGC 5128 находится в созвездии Центавра и удалена от нас на расстояние 15 млн. св. лет.

О масштабах событий, которые происходят в этих далеких мирах можно судить на примере галактики М 82, что в созвездии Большой Медведицы. Примерно 3 млн. лет назад из нее было выброшено громадное количество вещества, соизмеримое с выбросом энергии эквивалентной 10 млн. сверхновых! А для взрыва Лебедь-А выброс энергии оценивается в 10 тыс. раз больше.

Активные спиральные галактики с развитым ядром в спектрах содержат эмиссионные линии водорода, гелия, тяжелых элементов. В спектрах же обычных галактик выделяются, наоборот, спектры поглощения.

Некоторые галактики, состоящие из триллионов звезд, изменяют светимость, как будто согласованно. В этой «согласованности» свечения повинно ядро галактики, мощность которого соответствует мощности сейфертовских спиральных галактик с развитыми ядрами. Такие переменные излучающие объекты были названы квазизвездами или квазарами. Переменность потоков мощного излучения свидетельствует о том, что квазары должны быть невелики – всего размером порядка нескольких световых дней. От самого удаленного квазара свет идет около 12 млрд. световых лет. Это указывает на то, что на ранних этапах формирования вселенной их было значительно больше, и они образовывались чаще.

Структура галактики Млечный путь

Наша галактика Млечный путь принадлежит так называемой Местной группе галактик. Около 25 его членов рассредоточены в пространстве 3 млн. световых лет. Самая крупная из них – наша галактика, а также спиральные галактики М31 Андромеды и М33 Треугольника. Млечный путь сопровождает около десятка карликовых галактик, а Андромеду – восемь. С большей разрешающей способностью инструментов наблюдений астрономы продолжают обнаруживать в Местной группе более мелкие галактические образования.

Измеренная масса галактик в Местной группе оказалась в 10 раз больше масс видимых звезд в их структуре, что как раз и позволило учёным предположить наличие громадного количества невидимого, не излучающего «темного» вещества в галактиках.

В процессе наблюдений галактик было обнаружено, что они взаимодействуют между собой, связаны гравитационными силами и относительными движениями, обмениваются веществом и энергией. Таким образом, материя и вещество Метагалактики вступает во вселенский круговорот вещества, в котором рождаются, живут и умирают галактики и звезды.

Наша галактика Млечный Путь представляет собой гигантскую звездную систему, насчитывающую почти 200 миллиардов звезд. Общая протяженность галактики около 100 тыс. световых лет.

Вид сбоку нашей галактики дает представление о ней, как о диске с утолщением в центре, которое называется гало. Если бы мы посмотрели на нее сверху, она бы выглядела как обычная спиральная структура, в одном из рукавов, которой находится наша Солнечная система (рис. 6.1-1). Возраст Млечного Пути около 11 млрд.лет.

В тонком диске Млечного Пути концентрируются более молодые звезды (население – II ) спектрального класса О и В, а также самые молодые и горячие G, K, M – карлики. Более старые (население – I) звезды тяготеют ближе к центру, так называемому гало. Здесь концентрируются так называемые звёздные скопления. Они представляют собой группы гравитационно связанных звёзд, имеющие близкий состав и происхождение. Различают шаровые звёздные скопления, состоящие из сотен тысяч и даже миллионов звезд, а также переменные звёзды типа RR Лиры. Кроме этого имеются рассеянные звёздные скопления с наличием рассредоточенных десятков или сотен звёзд. Многие шаровые скопления являются источниками мощного рентгеновского излучения.

Звёздные ассоциации представляют собой группы молодых звёздных образований определённых типов звёзд, объединённых единством происхождения. Выделяют ОВ-ассоциации, в которых много горячих звёзд спектральных классов О и В, а также Т-ассоциации, содержащие переменные звёзды с незакономерным колебанием блеска. Например, звёзды типа Т-Тельца.

В центре же нашей галактики предполагается наличие черной дыры. Последние годы исследования центра галактики показало, что размер этого релятивистского объекта представляет собой сверхмассивную чёрную дыру. Однако до последнего времени доказательства носили чисто расчётный характер. Лишь совсем недавно в Европейской южной обсерватории в Чили сфотографировали большое количество звёзд испытывающих вращение вокруг невидимого объекта. Изучением передвижения 28 звёзд астрономы зафиксировали гравитационное воздействие невидимого объекта, который получил название Sagittarius A. Масса этого релятивистского объекта равна 4,31 млн. масс Солнца. Его размер составляет в поперечнике около 48 млн. км, а радиус около 16 млн. км ¹³. И этот объект связывают с наличием сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики. Расстояние до неё составляет 27,17 тыс. световых лет. Расчётами устанавливается, что 95% массы всей галактики сосредоточено вблизи центра. Случайные и хаотичные движения звёзд вблизи центра галактики сменяются на упорядоченные. Оказалось, что 6 из 28 наблюдаемых звёзд вблизи центра галактики формируют диск. Его центром и является чёрная дыра. А одна из звёзд совершила 1 оборот вокруг чёрной дыры за 16 лет. Для сравнения: Солнце делает один оборот вокруг центра галактики за 250 млн. лет.

В районе предполагаемого нахождения чёрной дыры учёные выявили некую структуру с видимым поперечником 37 микрон дуги, который отождествляется с джетом – образованием высокоэнергетического потока частиц, которые образуются в результате падения материи на чёрную дыру.

Из ядра галактики, линейные размеры которого примерно составляют 4000 св. лет, с огромными скоростями (до 600 км/с) выбрасываются сгустки вещества, масса которых за год оценивается порядковой величиной массы нашего Солнца.

Две подсистемы молодых и старых звезд обычно движутся с разными скоростями и имеют разный химический состав. Более молодые звезды имеют возраст от сотен тысяч лет до 5 млрд. лет (как наше Солнце), а более древние (ближе к центру галактики) имеют возраст от 5 до 11 млрд.лет.

Кроме звезд в галактике имеется межзвездный газ, составляющий по массе 2 – 5 % всей массы Млечного Пути. Этот газ относят к населению диска, так как по своему составу он ближе всего к молодым звездам, содержащим кроме водорода металлы натрия, калия, железа, титана. Соотношение водорода и гелия в межзвездной среде 9:1, то есть, больше, чем в звездах. Во вселенной соотношение водорода и гелия равно 70:30. То есть, на долю вещества тяжелее гелия приходится менее 1%. Во вселенной доминирует водород.

Наличие звездных систем разных поколений означает цикличность их образования в галактике, а также цикличный характер синтеза в них элементов.

Основные черты эволюции звезд.

Синтез тяжёлых элементов в звёздах

Звёзды – это излучающие в разных диапазонах спектра лучевую энергию образования. Это также светящиеся плазменные шары в видимом диапазоне спектра подобные нашему Солнцу. Образуются из гравитационно неустойчивых небул (туманностей) – газово-пылевой среды, состоящей, преимущественно, из водорода и гелия и небольшого количества космической пыли. Ядерные реакции в звёздах протекают по различным сценариям, зависящим от массы звезды (таб.6.1.-2).

Таблица 6.1-2.

Отношение масс М/Мс14	Ядерные реакции
0,08	Отсутствуют
0,3	Сгорание водорода
0,7	Сгорание Н и Не
5,0	Сгорание Н, Не, С
30	Все реакции синтеза, освобождающие энергию

Обычно принято массы звёзд измерять относительно массы Солнца. Массы звёзд варьируют в широких пределах: от 0,04 до 60 солнечных масс. А их светимость (L) изменяется от 0,5 до сотен тысяч L (светимости Солнца). Поэтому звёзды классифицируют по массе, светимости, температуре поверхности излучения, химическому составу, спектру. А на диаграмме Герцшпрунга-Рессела тяготеют к определённым её областям (рис.6).

Вопрос об источниках энергии, поддерживающие горение вещества в звездах миллиарды лет, долгое время оставался открытым.

Существовало несколько подходов к выявлению и оценке энергетического источника звезд ¹⁵.

Ю.Майер выдвинул кометную гипотезу. В результате падения комет на звёзду должно выделяться значительное количество энергии. Но как показали более поздние расчеты и наблюдения, кометы слишком редко падают на поверхность Солнца. Поэтому его светимость, а тем более длительную, данным способом объяснить невозможно.

Г.Гельмгольцем и У.Томсоном была предложена гравитационная энергетическая модель Солнца. Сущность этой модели заключалась в том, что в результате гравитационного сжатия должна выделяться энергия и тем больше, чем больше масса звезд. Несмотря на, казалось бы, очевидность такого источника энергии, эта гипотеза столкнулась с рядом трудностей, которые нельзя было обойти. На примере Солнца выделение достаточно большого количества энергии при гравитации с учетом того, что эта энергия должна ещё и излучаться, возраст его оказался слишком молодым – всего 30 млн. лет. Кстати, это дало возможность У.Томсону выступить против эволюционной идеи Ч.Дарвина, поскольку возраст Солнца не давал никаких шансов на длительность эволюционных преобразований видов эволюционным путем. Но он поторопился. Возраст Солнца позднее по радиологическим данным оказался в 155 раз древнее.

Однако гравитационная модель все же имела право на существование. Особенно на ранних этапах формирования звезды, если учесть, что основным начальным компонентом солнечного вещества была водородная плазма. Расчеты показывали, например, что этой энергии хватает для того, чтобы объяснить наличие современной средней температуры в Солнце 4·10⁶ К и дать оценку температуры в его ядерной части в 13·10⁶ К, а на поверхности в 6·10⁶ К. Мало того, гравитационная модель предсказывала, что при постоянном излучении энергии звезда должна сжиматься и нагреваться еще больше.

Но все же, кроме гравитационной должен был быть еще какой-то источник энергии, обеспечивающий светимость звезды не миллионы, а миллиарды лет с близкой к постоянной интенсивности светимости.

А.Эддингтоном была предложена аннигиляционная гипотеза внутренней энергии звезд (энергия, выделяющаяся при уничтожении частиц и античастиц). Дополнительная энергия в этой модели могла выделяться в результате аннигиляции вещества в недрах звезды, что позволило бы ей излучать в тысячи раз больше энергии, чем гравитационный источник. Хотя позже и была подтверждена такая принципиальная возможность выделения громадного количества энергии, но в недрах звезд водородная плазма, состоящая из протонов и электронов, не могла аннигилировать. Этому препятствуют законы сохранения барионного (для протонов) и лептонного (для электронов) зарядов. И все-таки идеи Эддингтона о температурной зависимости источника звездной энергии оказали влияние на более поздние открытия в области основных претендентов на источник энергии звезд.

Д.Джинс, в полемике с Эддингтоном, предложил идею возможности объяснения источников звездной энергии за счет радиоактивного распада ядер. Однако этой энергии явно не хватало, так как распад легких ядер в солнечной плазме явление чрезвычайно редкое.

Л. Ландау в 1937 году высказал аккреционную идею. Ее суть заключалась в том, что если в центре звезды имеется плотная нейтронная сердцевина, то падение (аккреция) вещества на нее представляет собой эффективную тепловую машину, преобразующую в энергию до 30% падающего вещества. Аккреционный источник снимал все трудности звездной энергетики, но оказался все-таки экзотическим.

Таким образом, ни одна из вышеперечисленных гипотез и моделей не могла объяснить источник энергетики звезд. Эта проблема была решена, благодаря усилиям Р.Аткинсона, Ф.Хоутерманса, Г.Гамова, Э.Теллера, К. Вейцзеккера и других физиков. Но завершение этой модели в стройную энергетическую теорию звезд оказалось под силу лишь Х.Бетте на основе открытия им звездных термоядерных циклов.

В своих работах с Ч.Кричфильдом, У .Фаулером, К Вейцзеккером Х. Бете разработал два термоядерных звездных цикла – протон-протонный (рр) и углеродно-азотный (СN).

Сценарий непрерывного производства энергии в звёздах предполагает следующее. Наиболее распространенным элементом космоса является водород. Он содержится и в звёздах. В результате сгорания водорода в звездах образуется гелий. Превращение водорода в гелий является следствием термоядерных реакций, которые происходят в звездах главной последовательности. Это установленный факт.

Протон-протонный цикл представляет собой стадийный процесс. Первая стадия связана с индуцированным бета-распадом протона с образованием дейтона. Этот процесс идет с малой вероятностью и потому очень медленно. В условиях центральной части Солнца каждый протон вступает в эту реакцию за время около 10 млрд. лет. Но как только дейтон образован, последующие две реакции идут без особых затруднений:

p + p → ²₁H

²₁H + p → ³₂He

³₂He + p → ⁴₂He

Таким образом, в результате протон-протонного цикла возможна реакция с выделением энергии Q:

Кроме главной ветви рр-процесса есть две побочные реакции, вероятность которых в сотни раз меньше. В этих реакциях образуются изотопы ⁷Li, ⁷Be, ⁸B. Нейтрино, возникающие в распадах, имеют очень большую энергию, чем рр-процесс. Поскольку нейтрино практически не взаимодействует с веществом и уносит свою энергию полностью, это приводит к меньшему реальному выделению энергии в побочных ветвях.

Выше приведенный процесс с образованием ядер гелия реализуется и на ядрах C, N, O посредством реакций синтеза и радиоактивного распада. Ядро ¹²С, с которого начинается и которым заканчивается цикл, служит своего рода катализатором. Эту же роль мог бы играть и ¹⁴N (азотно-азотный цикл), но из-за больших электрических зарядов ядер требуются более высокие температуры, что возможно только в более массивных звездах.

Процесс образования более тяжелых ядер по углеродному и кислородному циклу выглядит следующим образом:

⁴Не + ⁸Ве → ¹²С + γ;

⁴Не + ⁴Не → ⁸Ве + ⁴Не → ¹²С+ γ;

¹²С + ⁴Не → ¹⁶О;

¹⁶О + ⁴Не → ²⁰Ne;

²⁰Ne + ⁴He → ²⁴Mg

Таким образом, превращение гелия в тяжелые элементы осуществляется путем термоядерных реакций гелия с углеродом ¹²С, который возник путем слияния трех ядер гелия. Так могут возникнуть ядра с массовым (магическим) числом, кратным 4, наиболее распространенные среди легких элементов.

Далее процесс синтеза элементов в звездах происходит с участием α-частиц:

¹²С+ 4α → ¹⁶O

²⁴Mg+ 4α → ²⁸Si

²⁸Si + 4α → ³²S

³²S + 4α → ³⁶Ar

При температурах порядка 3·10⁹К протекает равновесный e-процесс, в результате которого создается статистическое равновесие между присутствующими ядрами и элементарными частицами. При этом возникают элементы, прилежащие в таблице Менделеева к железу с наиболее прочной удельной ядерной связью. Именно этот процесс определил «железный» максимум на кривой космического распространения элементов ¹⁶.

s-процесс медленного (slow) нейтронного захвата стимулирует образование элементов до висмута ²⁰⁹Вi c порядковым номером до 83.

r-процесс (rapid) быстрого нейтронного захвата формирует элементы с порядковым номером больше 83, включая изотопы тория, урана, трансурановых элементов.

р-процесс приводит к образованию ядер с повышенным содержанием протонов по сравнению с минимальным стабильным протонно-нейтронным соотношением. Протоны, необходимые для осуществления ядерных реакций протонного захвата, разгоняются до высоких скоростей в электромагнитных переменных полях звездных атмосфер. Реакции могут происходить при взрывах сверхновых, содержащих в оболочках много водорода.

х-процесс ответственен за образование легких и малораспространенных изотопов, построение которых нельзя объяснить другими вышеприведенными процессами нуклеосинтеза.

Синтез средних и тяжелых элементов совершался в массивных звездах. Прогресс в построении тяжелых элементов зависел от массы первоначальной звезды. Чем массивнее звезда, тем более высокую температуру она способна развивать в своих недрах, и тем вероятнее рождение в ее центральных частях все более тяжелых элементов.

Средний химический состав нашей галактики определился при неоднократном взаимообмене рассеянного межзвездного вещества с самими звездами разных поколений. В результате взрывов звезд первых поколений образовывались газово-пылевые комплексы следующих поколений. Так возник грандиозный космический галактический круговорот вещества. Звёзды последующих поколений в своём составе уже могли содержать значительное количество тяжёлых элементов, ускоряющих процесс горения и синтеза элементов в звёздах на главной последовательности.

Звезды рождаются с разными массами. Первоначально они могут иметь несколько отличный химический состав (в зависимости от того, к какому поколению принадлежат), но неизменным остается преобладание водорода и гелия. Наиболее типичная эволюция звезды, характерная для большинства звезд нашей галактики, заключается в длительной светимости, определяемой энерговыделением от ядерных реакций на стадии водородного сгорания. После него наступает гелиевое сгорание, и термоядерный процесс охватывает, в конце концов, всю группу «железного» максимума. После исчерпания источников ядерного горючего звезда с массой близкой к солнечной под влиянием гравитационных сил сжимается и превращается в белого карлика.

Скорость эволюции звезд обратно пропорциональна их массам. Массивные звезды эволюционируют скорее, чем звезды малых масс. В данном случае под длительностью эволюции мы подразумеваем время, в течение которого звезда находится в определенном относительно стабильном состоянии, существенно не меняя своих параметров. Такими характеристиками обладают звезды главной последовательности. В процессе своего рождения и развития разные звезды рано или поздно попадают на главную последовательность со стороны правого верхнего угла (красных гигантов) на диаграмме Герцшпрунга-Рессела и пребывают в ней наиболее долго, находясь в квазистационарном состоянии. В результате эволюции звёзд с массами менее 1,4 масс Солнца они уходят с главной последовательности и превращаются в белые карлики, занимая на диаграмме Герцшпрунга – Рессела нижний левый угол. Коричневые карлики – карликовые звезды малых масс. Их рост останавливается при массе всего 8% массы Солнца. Минимальная масса звёзд необходима, чтобы ядро звезды стало достаточно горячим и плотным для поддержания внутри ядерных реакций. Светятся подобные звёзды в слабом инфракрасном диапазоне. На главной последовательности они находятся в самом низу диаграммы Герцшпрунга-Рессела.

Важнейшим вопросом термоядерного синтеза в звездах оказалась проблема нейтрино. Тридцатилетние измерения в прошедшем веке позволили обнаружить нейтринный поток от Солнца, который должен формироваться в результате происходящих термоядерных процессов в недрах Солнца. Поэтому можно говорить о том, что термоядерная природа звездной энергии доказана ¹⁷. Правда, экспериментальные потоки оказались в 1,5 – 3 раза меньше расчетных значений. Это может указывать на то, что мы еще пока не знаем всех тонкостей проходящих в недрах звезд реакций.

Этапы развития сверхновой звезды

По Ф.Хойлу и У Фаулеру образование сверхновой вплоть до образования нейтронной звезды может идти по следующему сценарию.

В ходе эволюции звезд, по массе превосходящих Солнце более чем в 1,4 солнечных, химические элементы, которые образуются в ходе термоядерных реакций в звезде, представляют собой зональное распределение (по типу луковицы) от периферии к центру ядер атомов: водород, гелий, углерод, азот, кислород, неон… – до железа. При этом ядро, состоящее главным образом из атомов железа, уже не способно вырабатывать энергию путем ядерных реакций. Промежуточный слой, состоящий из углерода, азота, кислорода и других атомов, напротив, представляет собой ядерное вещество, обладающее большой взрывной способностью.

При сжатии звезды возрастает давление и температура в ее ядре. Когда температура достигает нескольких миллионов градусов, соударения ядер железа приводит к их распаду на ядра гелия и нейтроны. При этом поглощается значительное количество энергии. Это приводит к быстрому охлаждению ядра и, вследствие уменьшения лучевого давления, противостоящее гравитации, ядро сжимается. Гравитационная энергия идет на дальнейший распад ядер железа. Ядро продолжает коллапсировать ¹⁸. Сжатие небольшой части звезды продолжается только тогда, когда произойдет полный распад ядер железа на протоны и нейтроны, до образования ядер гелия. Процесс сжатия (коллапса) длится секунды. По окончании сжатия кинетическая энергия падения, приобретенная слоем, состоящим из атомов углерода, азота, кислорода, неона и других элементов, преобразуется в тепло, что приводит к катастрофическому ядерному взрыву этого слоя. Вещество наружных слоев выбрасывается в межзвездную среду со скоростью в десятки тыс. км/с. Сжавшееся ядро превращается в нейтронную звезду или (в зависимости от массы звезды) в черную дыру.

Вещество, выброшенное сверхновой, взаимодействует с межзвездным газом и существующими в нем магнитными полями, вызывая излучение – от радиоволн до рентгеновских волн и гамма-лучей. На месте сверхновых сегодня отмечается оптическое излучение расширяющихся волокон и интенсивное радиоизлучение с синхротронным спектром, подобно тому, что дает излучение пульсаров. Такие астрономические объекты принято называть остатками сверхновой.

Размер нейтронной звезды зависит от первоначальной массы звезды. Предположим, если бы Солнце нам удалось перевести в состояние нейтронной звезды, то при первоначальном радиусе его в 700 тыс. км и плотности 1,4 г/см³ оно превратится в тело размером 10 км в поперечнике при плотности вещества 3×10¹⁴ г/см³.

Пульсары

Пульсары – от англ. pulsating radio source – пульсирующий источник радиоизлучения.

Пульсар – это нейтронная звезда, представляющая собой компактное сжатое тело, которое может образоваться при взрыве сверхновой в результате сжатия ее центральной части. При вращении нейтронная звезда испускает мощный импульс электромагнитного излучения при одном обороте. Большинство известных пульсаров вращается со скоростью несколько оборотов в секунду, а некоторые (миллисекундные пульсары) имеют скорость несколько сотен оборотов в секунду.

Пульсары – источники радиооптического, рентгеновского, гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов). Они были открыты в июне  на меридианном радиотелескопе Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета на длине волны 3,5 м (85,7 МГц). Первому открытому пульсару присвоили имя LGM-1 (Little Green Men). Это было связано с предположением искусственности строго периодических импульсов радиоизлучения. Современные названия этого пульсара  PSR J1921+2153.

Пульсар, представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения. В результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара.

На 2008 год уже было известно около 1790 радиопульсаров. Ближайшие из них расположены на расстоянии около 0,12 кпк (около 390 световых лет) от Солнца.

Несколько позже были открыты источники периодического рентгеновского излучения, названные рентгеновскими пульсарами. Как и радиопульсары, рентгеновские пульсары являются сильно замагниченными нейтронными звёздами. В отличие от радиопульсаров, расходующих собственную энергию вращения на излучение, рентгеновские пульсары излучают за счёт аккреции вещества звезды-соседа, заполнившего свою полость Роша. Как следствие, масса пульсара медленно растёт, увеличивается его момент инерции и частота вращения, в то время как радиопульсары со временем, наоборот, замедляются.

При помощи огромного телескопа в Аресбио (о.Пуэрто-Рико) Э.Фрутчер, Д.Стайнбринг и Дж. Тейлор из Принстонского университета обнаружили пульсар, вращающийся со скоростью 622 оборота в секунду. Незначительные колебания в скорости вращения пульсара указывают на то, что он связан с объектом, находящимся от него на расстоянии 1,25 диаметра Солнца. При этом спутник (меньший по массе, чем наше Солнце) отдает большую часть своего вещества нейтронной звезде. Образовавшись около 100 млн. лет назад в составе пары, спутник, оказавшийся гравитационным пленником нейтронной звезды, постепенно испарится под ее влиянием и исчезнет в ее недрах.

Самым удивительным свойством этих радиоисточников является короткопериодическое импульсное излучение, обладающее весьма строгой периодичностью ¹⁹.

В начале 30-х годов ХХ столетия астрофизики-теоретики обратили внимание на неустойчивость звезд, плотность которых сравнима с плотностью атомных ядер (10¹³ г/см³). Астрономы Ф.Цвикки и В.Бааде, физики Л.Д.Ландау и Р.Оппенгеймер предсказали теоретическую возможность существования звезд с подобной плотностью, в которых вещество находится преимущественно в виде нейтронов. Вследствие чего эти объекты и получили название нейтронных звезд.

Какая связь, между нейтронной звездой и пульсаром?

Пульсары - это нейтронные звезды с магнитной осью, наклоненной к оси их вращения. Радиоизлучение создается потоками электронов, движущимися с субсветовыми скоростями по спиральной траектории вокруг силовых линий магнитного поля. Это излучение, будучи строго направленным, испускается в пределах небольшого телесного угла вокруг силовых линий. Для того, чтобы на Земле можно было зарегистрировать излучение пульсара, его магнитная ось должна быть направлена именно на Землю. В связи с тем, что существует собственное вращение нейтронной звезды, направленное излучение электронов в радиодиапазоне представляет собой источник периодических импульсов (подобно тому, как бы наблюдатель видел вращающийся периодический сигнал прожектора).

Черные дыры

Какова структура галактик? Что находится в их центрах? Происходит ли движение астрономических объектов вокруг центра галактик?

Астрономы, исходя из распределения звезд, их движения, яркости, плотности светил, пришли к выводу, что объекты в нашей галактике Млечный Путь должны двигаться по отношению некоего центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца.

Во многих случаях в центральных частях галактик генерируется огромное количество энергии, испускается необычное излучение, наблюдаются другие загадочные явления. Постепенно астрономы и астрофизики склоняются к мысли, что в центрах галактик, и Млечном Пути в том числе, находятся весьма массивные объекты огромной плотности, сопоставимые с черными дырами. Однако их наблюдение, несмотря на кажущуюся близость (расстояние до центра нашей галактики всего 25 тыс. световых лет), затруднительно в силу того, что центр окутан газопылевыми составляющими космоса значительной плотности. Поэтому центр галактики не просматривается.

Согласно теории эволюции звезд, если масса ядра звезды, претерпевшего изменение состава из-за термоядерных реакций, превышает 1,4 солнечной массы, но в то же время не превосходит трех солнечных масс, то в конце ядерной эволюции звезды происходит быстрое сжатие (коллапс) её ядра ²⁰. В результате внешняя оболочка звезды, не затронутая термоядерными превращениями, сбрасывается. Это приводит к явлению сверхновой.

При сжатии ядра звезды температура возрастает до миллиарда кельвинов. Поэтому ядра атомов буквально разваливаются на протоны и нейтроны. Протоны, поглощая электроны, также превращаются в нейтроны и испускают нейтрино. Нейтроны начинают интенсивно отталкиваться друг от друга согласно квантовомеханическому принципу Паули, запрещающему находиться нейтронам в одинаковых состояниях, поскольку обладают полуцелым спином. В случае массы коллапсирующего ядра звезды меньше трех солнечных масс, скорости нейтронов значительно меньше скорости света и эффект отталкивания нейтронов может быть уравновешен силами гравитации.

Таким образом, в ядре формируется нейтронная звезда. Радиус ее уменьшается от 10⁶ до 10 км. При этом магнитное поле нейтронной звезды достигает величины 10¹² Гс. Плотность нейтронной звезды достигает миллиардов тонн в куб см. Поверхность ее, таким образом, твердая.

В случае массивных ядер звезд, масса которых превышает массу Солнца в 3 раза, силы отталкивания нейтронов не могут сбалансировать силы гравитации. Отталкивание уменьшается, что ведет к падению температуры внутри коллапсирующего ядра нейтронной звезды. Ничто больше не удерживает нейтроны падать к центру нейтронной звезды. Коллапс ее продолжается до образования черной дыры.

Черной дырой называют область пространства-времени релятивистского объекта, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Поэтому чёрная дыра не может быть обнаружена оптическим методом.

Она представляет собой сверхтяжелый гравитационный объект. Однако отсутствие магнитного поля утверждает в мысли, что черная дыра не является твердым объектом.

Состояние чёрной дыры возникает в случае, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда). Поскольку из межзвёздной среды часть материи способна падать на чёрную дыру, то масса чёрной дыры со временем может только возрастать.

Известно, что минимальная скорость, необходимая для того, чтобы тело или излучение могли покинуть Солнце – 620 км/с. Для Земли этот показатель – вторая космическая скорость – 11,19 км/с; для Юпитера – 62 км/с и т.д. Но если бы масса Солнца была сосредоточена в сфере радиусом в одну четверть от истинного значения, то в этом случае вторая космическая скорость для Солнца увеличилась бы в два раза и составила 1240 км/с. Если же масса Солнца булла бы заключена в сфере радиусом в одну сотую от существующего, то вторая космическая скорость увеличилась бы в 10 раз (6200 км/с)! Продолжая эту мысленную процедуру «утрамбовывания» массы во всё более маленькие объемы, мы можем представить себе тело столь малых размеров, что вторая космическая скорость для него превысит даже скорость света! Это-то и будет означать, что мы идентифицировали объект под названием черная дыра.

В строении чёрной дыры помимо горизонта события в центре находится сверхплотное образование по типу сингулярности – состояние пространственно-временного континуума, в котором плотность и кривизна пространства-времени становится бесконечной. Ничто не в силах вырваться за её пределы, чтобы преодолеть её тяготение. А это означает, что мы, внешние наблюдатели, никакими способами не можем получить информацию о том, что происходит в черной дыре. Она для нас становится невидимой. Единственный способ хоть что-то узнать о черных дырах – наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие космические тела.

Однако Стивен Хокинг вместе с профессором Роджером Пенроузом в 1965–1970 годах показал, что чёрные дыры могут терять массу за счёт излучения, названного излучением Хокинга. Излучение Хокинга представляет собой квантовый эффект, который не нарушает ОТО.

В 1973 г. Хокинг выдвинул и теоретически обосновал следующую гипотезу. Она заключается в том, что черные дыры на самом деле могут испускать частицы. «Это происходит в рамках квантового процесса «рождения виртуальных пар», при котором частицы и античастицы постоянно создаются из вакуума – как правило, лишь на мгновение, чтобы тут же аннигилировать, исчезнув без следа, – пишет в своей знаменитой книге «Новый ум короля» Роджер Пенроуз. – Если есть черная дыра, она может «проглотить» одну из частиц такой пары до того, как произойдет аннигиляция, и вторая частица может покинуть черную дыру. Хокинговское излучение как раз и состоит из этих убежавших частиц».

В результате такого процесса черная дыра как бы испаряется, и, в конце концов, возможно, что от ее первоначальной массы ничего не останется. Хокинг утверждал, что эта потеря невосполнима.

Позже Хокинг пришел к мнению, что не всё находящееся в пределах черной дыры навсегда теряется для остальной вселенной. В соответствии с теми же законами квантовой физики информация не может быть потеряна полностью.

Известно много кандидатов в чёрные дыры, в частности супермассивный объект, связанный с радиоисточником Стрелец A* в центре нашей Галактики.  Однако существуют и другие гипотезы объясняющие наличие объектов вместо чёрных дыр. Такими объектами могут оказаться  бозонные звёзды.

В центре нашей галактики Млечный Путь предполагается наличие очень компактного объекта с массой в 3 млн. солнечных масс. Этот объект может оказаться чёрной дырой или «кротовой норой». Они отличаются по физическим свойствам.

Есть объекты еще более грандиозные. В частности, в центре самой близкой к нам из массивных галактик М87 в созвездии Девы предполагается черная дыра с массой в 3 млрд. солнц. Эти объекты — одни из самых главных для исследования «Радиоастроном» по программе РАН по изучению релятивистских объектов.

ОТО предсказывает удивительные свойства черных дыр. Так, например, в ее строении существует горизонт событий. Для не вращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным. На горизонте событий для наблюдателя, отстоящего бесконечно далеко от черной дыры, ход времени останавливается. Космический объект, посланный к черной дыре, таким наблюдателем никогда не пересечет горизонта событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит. Космонавт же в своем космическом корабле мог бы проникнуть под горизонт событий. При этом, вероятно, смог увидеть другую вселенную и даже свое будущее, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он, к сожалению, не сможет. Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами, и путешествие в пространстве черной дыры заменяется путешествием во времени.

Во вращающейся черной дыре горизонт событий имеет меньший радиус, и погружен во внутрь так называемой эргосферы (области пространства-времени), в которой тела должны двигаться непрерывно, подхваченные вихревым гравитационным полем. Так что любой объект и массовая частица будет непременно поглощена чёрной дырой.

На основании надежных определений масс большого числа нейтронных звезд и черных дыр можно заключить, что наблюдения релятивистских объектов в двойных звездных системах согласуются с предсказаниями Общей теории относительности. Из чисто теоретических предсказаний наука вступила в полосу практических наблюдений таких экзотических объектов во вселенной как нейтронные звезды и черные дыры.

На уровне современных представлений звезда, сжатая до величины гравитационного радиуса, превращается в т.н. «черную дыру». Внутри её вещество находится в состоянии сингулярности (плотность выше 10⁷⁴ г/см³). Ничто не может покинуть черную дыру и вырваться из нее ²¹. Это происходит со звездами, имеющими массу больше нескольких солнечных масс, где гравитационное сжатие продолжается и после образования плотной нейтронной материи. Для Земли, например, величина гравитационного радиуса составит всего около 1 см, а для Солнца – 3 км. Однако ни Солнце, ни Земля никогда не перейдут в такую стадию. Слишком малы их массы, чтобы стимулировать процесс коллапса.

Имеются кандидаты на роль нейтронных звезд, например, объект в созвездии Лебедя (Лебедь-Х в миллионе световых лет от нас), где одна из двойных звезд с темной компонентой испускает рентгеновские лучи, однако для объяснения этого существуют альтернативные варианты.

Существование «черных дыр» усложняет геометрию пространства вселенной, означая наличие «туннелей» в нем, по которым энергия может как уходить из нашей вселенной, так и приходить в нее.

Итак, у эволюционирующих звезд есть следующие варианты развития:

– звезды массой от 1 до 1,4 солнечных – эволюционируют к белому карлику, который, остывая, превращается в коричневого и потом в черного остывшего карлика;

– звезды с массой более 1,4 солнечных – эволюционируют к нейтронной звезде; последняя, если сможет захватывать межзвездный газ или вещество двойной звезды, превращается в черную дыру;

– звезды с массой более 2,0 – 4,0 солнечных – эволюционируют напрямую к черной дыре через коллапс звезды.

С помощью космического телескопа «Хаббл» американские ученые обнаружили разновидность «черных дыр». Это может быть доказательством получения нового знания о вселенной. Долгое время ученые не могли объяснить, почему во вселенной существует всего два типа «черных дыр» – малые и гигантские. В созвездии Пегаса и туманности Андромеды есть «черные дыры» средней массы, которая хотя и превышает массу Солнца в тысячи раз, но по сравнению с космическими гигантами эти объекты выглядят средними. Другими словами, «черные дыры» во времени изменяют массы, то есть, растут, заявил астроном Карл Гебхард. Самые массивные «черные дыры» располагаются в шаровых системах (скоплениях), которые состоят из самых старых звезд. А это значит, что они могут быть «свидетелями» эволюции вселенной.

Черные дыры встречаются гораздо чаще во вселенной, чем предполагали раньше. Это может быть следствием её «старости».

Под руководством Ролана Ван дер Мареля из Института космического телескопа в г.Балтимор было исследовано шаровое скопление М15, расположенное в 32 тыс. световых лет от нас в созвездии Пегаса. В центре созвездия была обнаружена черная дыра с массой около 4 солнечных масс. Эта оценка была сделана по данным о скоростях, с которыми обращаются звезды в шаровом скоплении вокруг его центра.

Другая группа ученых обнаружила черную дыру массой 20 солнечных в гигантском скоплении G1, расположенном на расстоянии 2,2 млн. световых лет в созвездии Андромеда. Черные дыры с такой массой необычны, поскольку гигантские черные дыры обладают массой в миллионы и миллиарды раз большей, чем Солнце.

Обнаружение факта примерной пропорциональности массы черной дыры совокупной массе звезд её окружения имеет огромное значение для понимания процессов образования галактик, а также позволяет предположить наличие процесса, связывающего черные дыры с их средой обитания.

Эволюция галактики также может закончиться гигантской черной дырой. Положение этих ядерных частей галактик совпадает с положением объектов, которые принято считать квазарами. Они необычайно мощно излучают энергию, и их светимость иногда в сотни раз превышает светимость галактик, но эта энергия излучается из весьма компактного пространства.

Квазары имеют сравнительно небольшое, но колоссальное по массе ядро – 10⁸ – 10⁹ масс Солнца при размерах около 10¹⁶ – 10¹⁷ см. Гравитационное сжатие сопровождается выделением огромной гравитационной энергии порядка 10⁶¹ эрг (для сравнения: наше Солнце, стабильно излучая более 4 млрд лет, выделило в 10¹⁰ раз меньше энергии). Какова же природа «сердцевины» (керна) квазаров? Это может быть либо массивная черная дыра, либо, как говорят ученые магнитоид (магнитоплазменная вращающаяся масса).

В ходе своего развития эволюционная стадия звёзд сменяется явлениями взрывного характера, связанными с ядерными реакциями особого рода. Звезды больших масс являются неустойчивыми образованиями и стремятся избавиться от нее путем истечения вещества (планетарные туманности), пульсаций, вспышек и взрывов, видимо, связанных с явлениями новых и «сверхновых» звезд. По заключению Я.Б.Зельдовича и И.Д.Новикова (1971), критическое значение массы, больше которой звезды неустойчивы, равно 60 солнечных масс (Мс), а звезды с массами выше 100 Мс являются пульсационно-неустойчивыми. Эволюция достаточно массивной звезды кончается катастрофическим взрывом, который выражается как вспышка сверхновой.

Образование тяжелых элементов происходит в центральных частях сверхновых. При вспышках сверхновых межзвездная среда обогащается тяжелыми элементами, которые входят в гигантский круговорот вещества в пределах галактики с последующим образованием звезд с иным, все усложняющимся, химическим составом. Это единственно удовлетворительный ответ, и в количественном и в качественном отношении, на вопрос о происхождении практически всех элементов таблицы Менделеева, кроме водорода, основной материи вселенной, рожденной в чудовищной вспышке Большого взрыва. «Наши тела состоят из пепла давно угасших звезд», – заметил Дж. Джинс.

Когда в массивной звезде исчерпывается ядерное топливо, исчезает и то лучевое давление, которое дотоле противодействовало гравитационной силе и удерживало звезду от сжатия. В ядре звезды происходит катастрофический коллапс, приводящий к взрыву сверхновой; этот взрыв сопровождается выбросом газа из внешних слоев звезды и ослепительной вспышкой света.

Коллапс и взрыв массивной звезды – одно из удивительных явлений природы. Ничто в современной вселенной не может сравниться с ним по абсолютной мощности. В течение первых 10 секунд, когда ядро звезды сжимается, становится нейтронной звездой, ее центральная область поперечником всего около 30 – 32 км излучает столько энергии, сколько все остальные звезды и галактики в наблюдаемой вселенной, вместе взятые. Другое сравнение: энергия 10-секундной вспышки сверхновой в 100 раз больше, чем излучало бы Солнце за 10 миллиардов лет своей жизни.

Немногие из сверхновых наблюдаются вблизи нашей Солнечной системы. И все же они обнаруживаются человеком. Например, сверхновая 1604 года появилась незадолго до появления телескопа. Немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 – 1630), наблюдая ее, смог зарегистрировать только яркость и продолжительность свечения.

С помощью телескопов каждый год удается открывать около десятка таких событий в далеких галактиках. Но ни одна из них до сих пор не взрывалась так близко, чтобы современный арсенал наземных и космических инструментов смог создать подробную хронику этого явления.

Первая такая грандиозная cверхновая была зафиксирована 23 февраля 1987 года. Взорвавшаяся звезда отстояла от нас на расстоянии всего в 16 тыс. световых лет и располагалась в спутнике нашей Галактики – Большом Магеллановом облаке. Она была видна в южном полушарии и зарегистрирована путем обычного фотографирования ночного неба Р.Макнаутом из обсерватории Сайдинг-Спринг (Австралия). Через 20 часов после снимка Р.Макнаута, этот район сфотографировал И.Шелтон из обсерватории Лас Кампанас (Чили). В последующие месяцы на cверхновую (она получила обозначение СН 1987А) было наведено множество инструментов, включая телескопы, датчики на борту воздушных шаров, ракет, спутников и самолетов, а также наземные телескопы всех видов. Таким образом, сверхновая исследована на всех длинах волн электромагнитного спектра. Она оказалась наиболее мощным источником нейтрино.

Вот как описывает сценарий развития сверхновой 1987 года Стен Вусли и Том Уивер (1989), опираясь на данные компьютерного моделирования эволюции гипотетической звезды.

История образования предшественницы сверхновой относится ко времени 11 миллионов лет назад в богатой газом области Большого Магелланового Облака, известной как Туманность Тарантул, или 30 Золотой Рыбы, где родилась звезда массой примерно в 18 раз больше солнечной, то есть она представляла собой красный гигант. В течение 10 миллионов лет эта звезда вырабатывала свою энергию в ходе превращения водорода в гелий. Из-за большой массы в ядре звезды поддерживались высокие температура и плотность, что обеспечивало возможность избежать коллапса; звезда была почти в 40 тыс. раз ярче Солнца и очень расточительно расходовала свое ядерное горючее.

Когда во внутренней области, составляющей 30 % массы звезды, закончилось превращение водорода в гелий, центральные слои начали постепенно сжиматься. Ядро сжималось в течение десятков тысяч лет от плотности около 6 до 1100 г/см³. При этом оно нагрелось от 40 до 190 миллионов кельвинов. Повышение температуры и давления в ядре привело к загоранию нового, более тяжелого ядерного горючего – гелия, которого хватило только на 1 миллион лет. Внешние оболочки звезды (состоящие в основном из несгоревшего водорода), отреагировали на дополнительное излучение от горячего ядра расширением до радиуса около 300 млн. километров (это в 2 раза больше расстояния от Земли до Солнца!). Звезда превратилась в красного сверхгиганта.

После исчерпания запаса гелия источником энергии звезды стал углерод при температуре ядра 740 млн. кельвинов и плотности 240 г/см³. Углерод выгорает уже за интервал времени 12 000 лет. В результате сгорания углерода образуется смесь неона, магния и натрия. Ядерным горючим после выгорания углерода становится неон при температуре уже 1,5 миллиардов кельвинов и плотности 7,4 млн. г/см³. Неон выгорает за 12 лет, и далее источником энергии становится кислород, который сгорает за 4 года, формируя температуру в 2,1 миллиарда кельвинов при плотности внутри ядра в 16 млн. г/см³. Наконец, образовавшиеся в результате ядерного превращения кислорода кремний и сера запускают механизм горения кремния, формирующего температуру среды 3,4 миллиарда кельвинов при плотности вещества в 50 млн. г/см³. Последний выгорает уже за неделю.

Огромные потери энергии при излучении нейтрино звездой не уменьшались из-за высокой температуры ядра, но, став, наконец, железным, ядро больше не обладает запасом ядерной энергии, чтобы поддержать равновесие ядра, противостоя гравитации. Поэтому ядро начало стремительно «падать» само в себя. За доли секунды железное ядро с массой в 1,4 солнечных и радиусом в половину радиуса Земли сжалось в шар с радиусом примерно 100 км. Превратившись, в определенном смысле, в единый блок ядерного вещества. Чудовищное атомное ядро, почти нацело состоящее из нейтронов ²². Когда плотность вещества внутри этой нейтронной звезды достигла 270 миллиардов г/см³ и нейтроны начали «вдавливаться» друг в друга, процесс дальнейшего сжатия резко остановился ²³. Внешняя часть ядра, еще падающая со скоростью, близкой к четверти скорости света, столкнулась с «остановившимся» внутренним ядром; родилась ударная волна, устремившаяся сквозь падающее вещество к внешней поверхности ядра.

Излучение нейтрино сыграло важную роль в замедлении ударной волны. Ядро, сжавшись до 100 км в поперечнике, достигло ядерной плотности только в центре. Оно стало бы нейтронной звездой, если бы сжалось до размеров 10 км. Однако дальнейшее развитие звезды пошло по сценарию сверхновой. Нагревая и расширяя звезду, вызывая новые ядерные реакции в ее внутренних слоях, возрожденная ударная волна обуславливает оптическое проявление сверхновой. Эффект задерживается примерно на 2 часа: ударная волна движется в 50 раз медленнее света и должна пройти через всю звезду, чтобы началось свечение. Нейтрино от коллапсирующего ядра легко обгоняет ударную волну. Пройдя через оставшуюся часть звезды со скоростью света, они были первым сигналом, покинувшим сверхновую. Затем ударная волна сорвала со звезды все наружные оболочки, которые и сейчас летят от нее в пространство с релятивистскими скоростями.

Примерно через 160 тыс. лет, за несколько часов до периода светового фронта, эти нейтрино промчалось сквозь Землю и были обнаружены в подземных лабораториях, настроенных на их обнаружение задолго до их прихода. Так теория моделирования сверхновых получила подтверждение на основе экспериментов, предусмотренных самой теорией.

23 февраля в 7 час 36 минут по Всемирному времени детектор нейтрино Камиоканде II в свинцовом руднике Камиока (Япония), детектор IMB в соляной шахте Мортон-Тиокол около Кливленда (штат Огайо) и детектор Баксанской нейтринной обсерватории в СССР одновременно зарегистрировали серии событий, которые позднее были интерпретированы как захват нейтрино.

Исследования потока нейтрино позволило получить важную информацию о количестве скрытой массы («черного» вещества) во вселенной. То, что скорость нейтрино оказалась так близка к скорости света, накладывает строгие ограничения на их массу, которая по расчетам должна составлять всего 0,00004 массы электрона. Это меньше ожидавшейся массы, что позволяет отвергнуть нейтрино как носителя скрытой массы вещества во вселенной.

Таким образом, эволюция звезд через их расширение, коллапс и формирование сверхновых за счет последовательной смены ядерного горючего путем превращения одних ядер атомов в другие дает возможность проследить эволюцию вещества в галактиках. Перемешивание вещества в звездных окрестностях позволяет включать новообразованные тяжелые ядра атомов в новые процессы синтеза вещества в новых поколениях звезд. Они должны отличаться наличием сверхтяжелых элементов в более молодых образованиях (население - II) по отношению к более примитивным, ранним поколениям звезд населения - I, которые отличаются от первых отсутствием или ничтожно малым количеством тяжелых элементов в своих спектрах.

Современный уровень наших представлений позволяет считать, что начальные стадии развития расширяющейся вселенной в условиях фантастических температур, плотности и давлений привели к формированию излучения (реликтовый фон которого мы обнаруживаем в космическом пространстве), затем вещества в форме частиц, наконец, ядер и первых легких атомов. Они, в форме водорода и гелия, и сейчас являются преобладающими атомами во вселенной. Последующий термоядерный синтез в результате превращения водорода в гелий привел к образованию галактик, в которых также преобладающими атомами является водород и гелий. Затем объединение атомов водорода и гелия в первых возникших галактиках привело к образованию бесчисленного количества звезд первых поколений, внутри которых «вспыхнули» термоядерные реакции и начали осуществляться другие процессы нуклеосинтеза. Преобразование водородно-гелиевого вещества привело к рождению всех известных атомов периодической системы Д.И.Менделеева. Но до сих пор распространенность этих атомов в обозримых просторах вселенной являются крайне ограниченной. Происхождение более тяжелых элементов можно рассматривать как последовательный процесс накопления и эволюции вещества динамически развивающейся Метагалактики.

Рождение, жизнь и смерть звезд, звездных систем, скоплений, населений галактик порождает гигантский круговорот (перемешивание и эволюцию) вещества во вселенной, что и определяет единство ее состава и процессов, происходящих в ней в интервале 12 – 14 миллиардов лет.

Мы только приоткрыли занавес, скрывающий первые события, отделяющие нас от начальных этапов образования вселенной до формирования галактик, звездных и планетарных систем, жизни. Последовательное и кропотливое исследование вещества в структуре Метагалактики, Солнечной системы и ее планет позволило сделать важный вывод о материальном единстве мира посредством новейших достижений физики, химии, сравнительной планетологии, геологии, геохимии, космохимии.

На границе наблюдаемой вселенной…

Группой английских и американских астрономов с помощью 5-метрового телескопа в Паломарской обсерватории обнаружен наиболее удаленный объект из всех, когда-либо наблюдавшихся в обозримой вселенной. Этим объектом является квазар – галактика с плотным ядром, возможно представляющим собой черную дыру и находящуюся на расстоянии от нас в 12,4 миллиардов световых лет. Напомним, что современная оценка возраста и размеров вселенной оценивается расстоянием в 13,7 млрд. световых лет. Так что обнаруженный объект находится вблизи границы вселенной.

Квазары очень трудны для изучения, поскольку удалены от Земли и в пространстве и времени. Как правило, они находятся в центральных частях галактик и составляют его ядро. Размеры этого ядра по сравнению с размерами самой галактики невелики и составляют примерно размеры нашей Солнечной системы (1,5 – 2,0 световых года). Однако полное излучение этих ядерных частей превосходит иногда излучение 100 миллиардов звезд, таких как Солнце.

Считается, что квазары представляют собой особенно активную стадию образования некоторых галактик. Многие наблюдаемые молодые галактики, возможно, находятся в стадии квазара или квазароподобной активности.

Откуда берут энергию квазары?

Считается, что энергия ядер активных галактик связана с гравитацией. Причем, источник гравитации должен быть очень компактным. На роль такого источника может претендовать черная дыра.

По современной теории Большого взрыва квазары могли образоваться на самой ранней стадии формирования вселенной (галактической) после 1 млрд. лет от состояния сингуляроности. В результате эволюции галактик формировались центральные ядра, которые и отождествляются с этапом развития квазаров. А это означает, что на образование квазаров необходимо значительно меньше времени, чем предсказывают некоторые космологические модели, например, модели холодного темного вещества. Наибольший пик интенсивности формирования квазаров пришлось (по современому сценарию развития вселенной) на время 2 – 3 млрд. лет от начала Большого взрыва.

Открытие квазаров на краю наблюдаемой вселенной свидетельствует о том, что в ранние её эпохи образование квазаров могло идти более интенсивно, чем сейчас.

Также рождение новых галактик возможно тесно связано с образованием черных дыр ²⁴. В таком сценарии большое газовое облако (состоящее из водорода и гелия) коллапсирует под влиянием собственной гравитации и постепенно формирует уплощенный диск с конденсированной центральной областью, в которой затем рождаются звезды. Позднее самые плотные области галактики продолжают сжиматься до образования черных дыр. Окружающее вещество черной дыры, попадая вначале в сферу гравитационного влияния черной дыры, потом приливного радиуса, наконец, обрушивается на саму черную дыру. Последняя начинает интенсивно излучать по типу плазменных джет. Светимость ядра галактики резко возрастает. Излучающий объект указывает на формирование квазара. Он может быть обнаружен по интенсивному радиоизлучению центральный частей галактик, называемых балджем.

Положение черных дыр на месте квазаров может быть определено путем гравитационных возмущений вокруг ядерных частей галактик, посредством наблюдения быстро движущихся звезд вокруг центра галактик или отбрасываемых от него по принципу «гравитационной пращи» или, как ее иногда называют, «гравитационной рогатки».

Первичным источником энергии квазаров, по представлениям Зельдовича и Новикова, должна быть гравитация или система взаимодействующих объектов падающего излучения на черную дыру.

Возникнув из разреженной материи (это преимущественно водород и гелий), звезды, под действием гравитации, сжимаются и входят в полосу Главной последовательности на Диаграмме Герцшпрунга-Рессела, когда в их недрах возникнут условия для сгорания водорода путем протон-протонных реакций и углерод-азотного цикла. Длительность пребывания звезд на Главной последовательности связана с тем, что в течение большей части своей жизни звезда находится в стационарном состоянии – состоянии равновесия. В любой точке объема звезды, от внешних слоев до центра, гравитационные силы точно уравновешиваются силами газового давления и излучения.

Когда впервые происходит конденсация звезды из межзвездного газа, который состоит в основном из водорода и гелия в пропорции ~ 7 : 3, она выглядит очень протяженным объектом. Звезда начинает светить и представляет собой красный гигант. Постепенно она сжимается, становится более горячей и начинает излучать на более коротких волнах, а относительный темп интенсивности излучения существенно уменьшается. Если звезда достаточно массивна, например около 10 солнечных масс, то она быстро исчерпает запас ядерного топлива. Таким образом, жизнь звезды – это очень зыбкое равновесие между силами гравитационного притяжения, направленными к центру, и направленным наружу давлением, которое создается горячим газом, заключенным во внутренних областях звезды, который стремится расшириться и постепенно остывает.

Ссыдки

Черепащук А.М. Черные дыры: новые данные //Земля и Вселенная. 1992, № 3.