Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


контрольная работа Строение и эволюция солнечной системы

Информация:

Тип работы: контрольная работа. Добавлен: 05.06.13. Сдан: 2013. Страниц: 37. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Введение 3
1. Эволюция вселенной 4
1.1. Теория  большого взрыва 6
1.2. Реликтовое  излучение 7
1.3. Темная  эпоха 8
1.4. Первые  звезды 9
1.5. Слияние протогалактик 10
1.6. Раздутая  Вселенная 11
1.7. Вселенные  рождались не однажды 12
2. Строение вселенной 15
2.1. Темная  материя 15
2.2. Темна  энергия 17
2.3. Черные дыры 18
2.3.1. Черные  дыры со звездной массой 19
2.3.2. Сверхмассивные  черные дыры 20
2.4. Галактики 20
2.4.1. Карлики  и гиганты 21
2.4.2. Рождение  галактик 22
2.4.3. Звездное  расселение 23
2.4.4. Млечный  путь 24
2.4.5. Форма  и содержание 24
2.4.6. Столкновение  галактик 25
2.5. Квазары 27
2.6. Сверхновые  звезды 28
2.7. Кометы 31
2.8. Белые карлики 32
2.9. Астероиды 33
Заключение 34
Список используемой литературы: 35

Введение

Вселенная образовалась в  результате большого взрыва. Сразу  после взрыва вещество стало разлетаться  во всех направлениях. С тех самых  времен плотность вещества и температура  уменьшались.
Известно, что через 400 000 лет после большого взрыва образовались атомы, вселенная стала прозрачна и внешне было похожа на ту, что мы видим сегодня. На самом деле внешний вид той молодей вселенной еще довольно сильно отличался от теперешнего. Вселенная было совершенно темной. Не было ни звезд, ни галактик, ни планет. Только отдельно летающие атомы и реликтовое излучение.
Такое существование вселенной  продолжалось несколько сотен миллионов  лет. Со временем, благодаря силам  гравитации, атомы стали сближаться образуя газовые облака, состоящие по большей части из водорода. Из этих газовых облаков постепенно образовывались галактики, наполненные огромным количество звезд. Такое, по все видимости, было возможно потому, что расширение было не слишком быстрым. Гравитация смогла сформировать газовые облака прежде, чем все частицы разлетятся слишком далеко.
В какой то момент газовые облако сжимается на столько, что в нем начинают идти термоядерные реакции. При этом оно сильно разогревается и начинает светиться. Так образуется звезда. Сверх гигантские газовые облака формируют центры галактик. Более мелкие вращаются вокруг этих массивных центров. Вселенная выглядит уже совсем как сейчас. Однако планет в такой вселенной по прежнему нет. Все имеющееся вещество представляет как по большей части водород и немного гелий.
Так проходят миллиарды лет. Водород в звездах выгорает, превращаясь  в гелий. Гелий тоже выгорает образуя более тяжелый элементы периодической таблицы Менделеева. В какой-то момент эволюция звезды заканчивается взрывом. В результате этого взрыва большая часть вещества звезды разлетается в виде звездной пыли. В веществе взрывающейся звезды уже существует довольно много различных элементов. Более всего среди них преобладает железо.
Межзвездное вещество может  вновь начать сжиматься под действием  гравитации образуя либо планеты либо новые звезды – звезды второго поколения. В звездах второго поколения уже присутствуют тяжелые химические элементы – такие как свинец и золото. Образование планет и звезд второго поколения началось примерно через 8 – 9 миллиардов лет после большого взрыва. Наше Солнце и Земля образовались примерно в это время.
Весь дальнейший процесс  развития вселенной связан с термоядерным синтезом идущим в звездах. Эволюционируя, звезды образуют такие объекты как нейтронные звезды, белые карлики, черные дыры, туманности. Из материала взорвавшихся звезд формируются планеты и другие малые космические тела. Так будет еще несколько десятков миллионов лет пока не прекратятся все термоядерные реакции.
Далее мы рассмотрим все  стадии образования вселенной более  подробно и так же рассмотрим что содержит в себе эта огромная, невообразимая человеческому воображению вселенная.

1. Эволюция вселенной

Крупномасштабная  структура Вселенной как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм — 1 600 000 галактик, зарегистрированных в Extended Source Catalog как результате Two Micron All-Sky Survey. Яркость галактик показана цветом от синего (самые яркие) до красного (самые тусклые). Тёмная полоса по диагонали и краям картины — расположение Млечного пути, пыль которого мешает наблюдениям.
 
Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего  плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться.
На начальной стадии это  плотное вещество разлеталось, разбегалось  во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь  неустойчивых, постоянно распадающихся  при столкновениях частиц. Остывая  и взаимодействуя на протяжении миллионов  лет, вся эта масса рассеянного  в пространстве вещества концентрировалась  в большие и малые газовые  образования, которые в течение  сотен миллионов лет, сближаясь  и сливаясь, превращались в громадные  комплексы. В них в свою очередь  возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В  результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к  массе Солнца. Начавшийся процесс  сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс  этот сопровождает свободное падение  частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.
 Существует гипотеза  о цикличности состояния Вселенной.  Возникнув когда-то из сверхплотного  сгустка материи. Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила  внутри себя миллиарды звездных  систем и планет. Но затем неизбежно  Вселенная начинает стремиться  к тому состоянию, с которого  началась история цикла, красное  смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно  уменьшается и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности! К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.
 Конечна или бесконечна  Вселенная, какая у нее геометрия  - эти и многие другие вопросы  связаны с эволюцией Вселенной,  в частности с наблюдаемым  расширением. Если, как это считают  в настоящее время, скорость  «разлета» галактик увеличится  на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10-20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик.
 Самый серьезный удар  по незыблемости Вселенной был  нанесен результатами измерений  скоростей удаления галактик, полученными  известным американским ученым  Э. Хабблом. Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение.
Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его  искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить  модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном  направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх-вниз.
Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для  определения положения точек; но в случае Вселенной для определения  положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания  этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности  не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушный шарик» Вселенной.


На изображении показана подробная схема эволюции вселенной. Далее мы подробно рассмотрим каждый период возникновения вселенной  по теории большого взрыва, а так  же рассмотрим и другие возможные  теории эволюции.
 
 
 
 
 
 
Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка  которых столь же проста и которые  объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое  вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

1.1. Теория большого  взрыва

 
Большой взрыв – основная космологическая теория в современной  физике, объясняющая развитие Вселенной  на самой ранней стадии. Согласно этой теории, в начальный момент времени  Вселенная находилась в состоянии  сингулярности, имея бесконечные плотность  и температуру. 13.7 миллиардов лет  назад случился Большой взрыв, после  которого началось быстрое расширение Вселенной. Это привело к ее охлаждению до такой температуры, что энергия  начала превращение в первые субатомные частицы, которые только через несколько тысяч лет объединились в первые атомы.
Основные предположения  теории Большого взрыва были сделаны  Жоржем Леметром. Разработка математического основания на базе общей теории относительности позволила создать модель происходившего, начиная практически с первого момента времени. Однако, самое начало жизни Вселенной пока неизвестно. Существует множество конкурирующих гипотез. Обычно предполагается, что Вселенная изначально была гомогенно и изотропно заполнена энергией с бесконечной плотностью, температурой и давлением. Этот результат получается из уравнений общей теории относительности но не имеет физического смысла из-за бесконечных величин. Через 10^-37 секунд после начала расширения начался период инфляции, в ходе которого Вселенная расширялась экспоненциально. После окончания этого процесса Вселенная состояла из кварк-глюонной плазмы и других элементарных частиц.
Имея околосветовые скорости, частицы постоянно рождали пары с античастицами, и эти пары тут же разрушались. В какой-то момент равновесия частиц и античастиц было нарушено, что привело к доминированию обычной материи в современной Вселенной. Примерно через 10^-11 секунд картина становится более ясной, так как скорости частиц стали близки к достижимым на современных ускорителях. Через 10^-6 секунд образовались барионы. Падение температуры ниже необходимой для образования пар протонов и антипротонов привело к немедленной аннигиляции, оставившей только протоны и нейтроны и ни одной античастицы. Через 1 секунду то же произошло с электронами и позитронами. Через несколько минут температура позволила образоваться первым ядрам водорода, а через 379000 лет образовались первые атомы. Испускаемое при этом излучение известно как реликтовое.
 Небольшие нарушения  в равномерном распределении  материи по Вселенной начали  приводить к их усилению, так  как с падением температуры  гравитация оказывала все большее  влияние на движение частиц. Это  завершило начальный этап развития  Вселенной и дало старт процессу  образования первых звезд. Большой  взрыв завершился, началась эволюция  Вселенной.

1.2. Реликтовое излучение

 
 
        Электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной. Реликтовое излучение существовало уже на ранних стадиях расширения Вселенной и играло важную роль в её эволюции; является уникальным источником информации о её прошлом. Интенсивность и спектр соответствуют излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К.        
 Реликтовое излучение  было обнаружено в 1965 в радиодиапазоне  электромагнитного излучения на  длине волны 7,35 см. В диапазоне сантиметровых и дециметровых волн наблюдения реликтовых излучений проводят с поверхности Земли при помощи радиотелескопов. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах излучение земной атмосферы препятствует наблюдениям Р. и., поэтому для измерений используют широкополосные болометры, установленные на поднимаемых за пределы атмосферы баллонах и ракетах. Наблюдения на длинах волн от 50 см до 0,5 мм свидетельствуют о том, что равномерно распределено на небесной сфере и является основной составляющей яркости неба в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Реликтовое излучение определяет плотность энергии электромагнитного излучения во Вселенной — около 0,25 эв/см3, и плотность числа фотонов во Вселенной — около 400 в 1 см3. На каждый атом во Вселенной приходится более ста миллионов реликтовых фотонов.        
 Открытие реликтового излучения подтвердило предложенную в 1946 Г. А. Гамовым гипотезу (т. н. горячую модель Вселенной), согласно которой Вселенная на ранние стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью, но и высокой температурой, достаточной для протекания ядерных реакций синтеза лёгких элементов. При высокой температуре плазма находилась в термодинамическом равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной температура вещества и излучения падала по адиабатическому закону, происходила рекомбинация протонов и электронов, и равновесие между веществом и излучением нарушилось. Однако тепловое излучение сохранилось до современной эпохи и наблюдается в виде Р. и.        
 Исследования реликтовых  излучений дают ценный материал  для космогонических и космологических  теорий. Так, по отсутствию заметной  анизотропии судят о крупномасштабных  свойствах Вселенной, делают выводы о её изотропии и однородности. Выявление мелкомасштабных флуктуаций температуры реликтовых излучений на небесной сфере дало бы возможность сделать заключение о первичных возмущениях в плотности и скорости вещества, рост которых привёл к образованию галактик и скоплений галактик, о времени их образования. Обнаружение отклонений реликтовых излучений от законов излучения абсолютно чёрного тела позволило бы выявить источники выделения энергии, действовавшие в течение времени охлаждения реликтового излучения .        
 Реликтовое излучение  существенно влияет на ряд  процессов, происходящих во Вселенной  и в современную эпоху. Так,  определяет время жизни релятивистских  электронов и космических лучей  сверхвысоких энергий в межгалактическом  пространстве: электроны, рассеивая  фотоны реликтового излучения, отдают им энергию и тормозятся. Энергия реликтовых фотонов при этом возрастает во много раз. Этот механизм, возможно, является причиной возникновения фонового рентгеновского излучения. При столкновении фотонов реликтового излучения с протонами ультравысоких энергий происходит рождение ?-мезонов, протоны быстро теряют энергию. Столкновения фотонов с ядрами космических лучей при определённых условиях приводят к расщеплению ядер. Реликтовое излучение влияет на заселённость нижних энергетических уровней молекул межзвёздного вещества. На этом основан, в частности, косвенный метод определения температуры реликтовых излучений. Полученные этим путём температуры реликтового излучения хорошо согласуются с температурами, полученными и при прямых радионаблюдениях.


Спектр реликтового излучения. Сплошная кривая — спектр излучения  абсолютно черного тела с температурой 2,7 К.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.3. Темная эпоха

 
Как ни удивительно, вскоре после Большого Взрыва, через полмиллиона  лет, началась эпоха, когда во Вселенной  было совершенно темно, пусто и холодно. Темная эпоха продолжалась примерно 250 миллионов лет. Во Вселенной не было ни одной звезды, ни одной галактики. Если в начале Темной эпохи глаз человека еще мог бы заметить тускло-красное  равномерное свечение неба, то теперь темнота стала вездесущей. Пространство было заполнено главным образом  Темной материей и реликтовым излучением, которое тогда было более коротковолновым (инфракрасным), соответствовало при­мерно 150К (-120°С) и продолжало осты­вать по мере расширения пространства. Барионная материя составляла 1/10 тем­ной и состояла из атомов водорода и ге­лия в пропорции 4:1 по массе, оставшейся от Большого Взрыва. Темная Энергия практически никакой роли не играла.
События Темной эпохи установлены  с по­мощью расчетных моделей, потому что ничего, кроме реликтового  излучения, от­туда до нас не дошло. Но модели достаточно надежны; именно они дают представление о природе Темной эпохи. Когда связь реликтового излучения с веществом разорвалась, и излучение стало самостоя­тельным явлением, красное смещение составляло огромную величину z = 1200. Это соответствует уже упоминавшемуся возрасту 400 тысяч лет, а самые далекие (или ранние) объекты, которые удается наблюдать, имеют z = 6,5 (900 миллионов лет). При z = 1100 температура снизилась до 3000К, произошла рекомбинация плаз­мы, и частицы объединились в атомы. На этом, похоже, бурные события закончились, и наступила Темная эпоха. До образования первых звезд оставалось, по разным моделям, 200-400 миллионов лет довольно скучного времени, когда уже не было никаких критических процессов. Главное, что происходило — дальнейшее понижение температуры. И причина, по которой задерживалось звездообразование, даже не в том, что распределение вещества было практически однородным, что препятствовало возникновению конденсаций.
Эксперимент на спутнике WMAP показал, что, хотя образование звезд  оставалось маловероятным, очень небольшие  и крайне маловероятные неоднородности Темной Массы все же существовали. Но когда красное смещение z достигло примерно 6 (а возраст Вселенной примерно миллиарда лет), бесчисленные галактики заполнили пространство. Пер­вые звезды, которые были огромными и очень яркими, определили всю дальней­шую историю Вселенной. Чего же они ждали, что до того задерживало звездооб­разование? Оказывается, запрет создавал сам механизм образования звезд.
 
 

1.4. Первые звезды

 
Процесс возникновения первых звезд был более простым, чем образование звезд современного типа, из-за химической чистоты исходного материала — смеси водород-гелий. Газ атомарного состава был перемешан с Темной Массой. Он начинал сжиматься, следуя действию гравитационных сил Темной материи. Формирование звезды зависит от температуры среды, массы конденсирующегося газового образования и наличия в нем молекулярного водорода, который обладает способностью отводить из конденсации тепло, излучая его в окружающее пространство. Молекулярный водород не может возникнуть из атомарного при случайных столкновениях атомов; для его образования у природы припасен довольно сложный процесс. Поэтому при z > 15-20 водород оставался, в основном, в атомарной фазе. При сжатии температура газа в конденсации повышается до 1000К и более, и доля молекулярного водорода несколько увеличивается. При такой температуре дальнейшая конденсация невозможна. Но благодаря молекулярному водороду температура в наиболее плотной части образования снижается до 200-ЗООК, и сжатие продолжается, преодолевая давление газа. Постепенно обычная материя отделяется от темной и концентрируется в центре.
Минимальная масса газовой  конденсации, необходимая для формирования звезды, масса Джинса, определяется степенной зависимостью от температуры  газа, поэтому первые звезды имели  массу в 500-1000 раз большую, чем Солнце. В современной Вселенной при образовании звезд температура в плотной части конденсации может быть всего 10К, потому что, во-первых, функции теплоотвода более успешно выполняют появившиеся тяжелые элементы и частицы пыли, во-вторых, температура окружающей среды (реликтового излучения) составляет всего 2,7К, а не почти 100К, как это было в конце Темной эпохи. Второй критерий массы Джинса — давление (точнее, квадратный корень из давления). В Темную эпоху этот параметр был примерно таким же, как теперь.
Образовавшиеся первые звезды были не только огромными, в 4-14 раз больше Солнца, но и очень горячими. Солнце излучает свет с температурой 5780К. У первых звезд температура составляла 100 000-110 000К, а излучаемая энергия превосходила солнечную в миллионы и десятки миллионов раз. Солнце называют желтой звездой; эти же звезды были ультрафиолетовыми. Сгорали и разрушались они всего за несколько миллионов лет, но успевали выполнить по крайней мере две функции, определившие свойства последующего мира. В результате реакций синтеза происходило некоторое обогащение их недр "металлами" (так астрономы называют все элементы тяжелее гелия). Истекающий с них "звездный ветер" обогащал металлами межзвездную среду, облегчая формирование последующих поколений звезд. Главным же источником металлов были взрывы некоторых из них в качестве сверхновых. Наиболее массивная часть первых звезд в конце своего жизненного пути, по-видимому, образовала черные дыры. Мощное ультрафиолетовое излучение гигантских звезд вызвало быстро развивающиеся разогрев и ионизацию межзвездного и межгалактического газа. Это была вторая их функция. Такой процесс называют ре-ионизацией, потому что он был обратным рекомбинации, завершившейся за 250 миллионов лет до этого, при z = 1200, когда образовались атомы и освободилось реликтовое излучение. Исследования далеких квазаров показывают, что ре-ионизация практически закончилась при z = 6-6,5. Если эти две отметки, z = 1200 и z = 6,5, считать границами Темной эпохи, то она продолжалась 900 миллионов лет. Сам период полной темноты, до появления первых звезд, длился короче, около 250 миллионов лет, причем теоретики считают, что в некоторых, совершенно исключительных случаях отдельные звезды могли появиться и раньше, но вероятность этого была очень низкой.
С образованием первых звезд  Темная эпоха закончилась. Гигантские ультрафиолетовые звезды входили в протогалактики, образованные, главным образом, Темной материей. Размеры протогалактик были небольшими и они находились близко друг к другу, что вызывало сильное притяжение, которое объединяло их в первые галактики, тоже небольшие. Их размеры составляли 20-30 световых лет (всего в 5 раз больше современного расстояния до ближайшей звезды; диаметр нашей Галактики составляет 100 000 световых лет). Было бы интересно увидеть эти гигантские ультрафиолетовые звезды, но, несмотря на их огромную яркость, сделать это не удается: они находятся в области z = 8-12, а рекордом наблюдения удаленных объектов пока остается квазар при z = 6,37. Вот если бы придумать, как выделить излучение, возникшее в определенный период времени... Допускал же колебавшийся иногда Э. Хаббл, что красное смещение — просто результат старения света, а никакой не эффект Доплера.
 
1.5. Слияние протогалактик
Рождение звёзд в  большинстве крупных галактик в ранней Вселенной могли питать почти стационарные потоки холодного газа, втекающие в галактику из межгалактического пространства. В отличие от доминирующей на сегодня точки зрения, согласно которой звёздообразование подстёгивают слияния галактик друг с другом, эта теория может объяснить, каким образом крупные галактики образовались так быстро и почему в движении их звёзд и газа не заметно беспорядка, который должны были бы вызвать слияния.
Авишай Декель из Еврейского университета Иерусалима и его коллеги из Израиля, США, Франции, Германии и Швейцарии опубликовали в последнем номере Nature результаты численного моделирования образования галактик и звёзд в ранней Вселенной, которой около 3 миллиардов лет. Учёные сравнили, за какую часть звёздообразования ответственны столкновения между галактиками, а какую может обеспечить спокойное втекание газа в галактики из межгалактических газовых «нитей», формирующихся за счёт гравитационного скучивания тёмной материи и газа; считается, что на пересечении таких нитей и образуются первые скопления галактик.
Как оказалось, второй, альтернативный механизм способен обеспечить более 3/4 всех темпов звёздообразования в  ранней Вселенной. Лишь примерно треть  холодного газа, аккрецирующего на молодые галактики из межгалактической среды, приходится на сгустки и может быть описана, как слияния протогалактик; оставшиеся две трети обеспечивает равномерный поток, и именно из этого газа рождается большая часть звёзд.
Модель Декеля и его коллег позволяет  объяснить, почему на движение звёзд  и газа в молодых, активно образующих звёзды галактиках гипотетические слияния  не оказывают никакого заметного  влияния, и галактические диски  продолжают вращаться так же чинно  и спокойно, как это делает газ  нашей Галактики. При этом внешний  вид галактики может быть обманчив – турбулентность в аккреции газа может разбить этот диск на участки, где звёздообразование идёт интенсивно, и где оно практически не идёт, придавая галактике «рваную» форму. Однако эта неоднородность выдаёт лишь «подсвеченные» участки, движение же газа и звёзд вокруг центра галактики остаётся невозмущенным.
Вместе с тем, по расчётам Декеля и его коллег, редкие галактики  с особо высоким темпом образования  звёзд – всё-таки результат слияний, в результате которых уплощённые дисковые галактики в конечном итоге  превратятся в массивные эллиптические  системы

1.6. Раздутая Вселенная

Современная наука «вдруг»  совершила для самой себя ошеломляющее открытие: тот физический мир, который  со времен Галилея и Ньютона считался областью неизменных и точных законов  — «Универсумом», сам оказался подчиненным направленным во времени изменениям, у которых может быть «начало» и может быть «конец». Такую картину мира мы обнаруживаем в теории эволюционирующей Вселенной нашего соотечественника Александра Александровича Фридмана, разработанной им в 1920-е. Главный результат этого открытия — эволюция наблюдаемого мира. Особенность теории эволюционирующей Вселенной Фридмана заключалась в том, что описываемая в ее рамках Вселенная с необходимостью рождалась из так называемой начальной космологической сингулярности.


В 2002 году развернутая на высоте в 5000 м в чилийской пустыне  радиоастрономическая установка CBI (Cosmic Background Imager) смогла «сфотографировать» флуктуации микроволнового фона Вселенной. Темные «крупинки» на изображении интрепретировались тогда как «семена» (seeds)                   будущей материи. Фото: CBI/Caltech/NSF
 
 
 
 
 
В богословском прочтении  космологическая сингулярность  была интерпретирована как «первая  точка», «первый миг» рождающейся  Вселенной. Поскольку в сингулярности время и пространство равны нулю, а плотность «вещества» и «энергии» почти бесконечна, постольку можно говорить о возникновении Вселенной из такой сингулярности как возникновении «из ничего». Уже после смерти Александра Фридмана и после своего первого наблюдательного подтверждения Эдвином Хабблом (Edwin Hubble, 1889–1953) в 1928-1929 годы она получила название «теория Большого Взрыва» (Big Bang). А в 1964–1965 годы эту теорию подтвердило открытие американских астрофизиков Пензиаса (Arno Penzias) и Вилсона (Robert Woodrow Wilson), обнаруживших «далекое эхо Большого Взрыва» — микроволновое реликтовое излучение.
Однако после нескольких лет триумфа теория Большого Взрыва сама столкнулась с рядом неразрешимых для нее проблем. Она не смогла ответить на вопрос, почему пространство наблюдаемой Вселенной «плоское», то есть почему сумма углов любого треугольника, вписанного в сферу радиусом 1028 см, равна 180°, не больше и не меньше. Теория не могла объяснить, почему положительно заряженных частиц во Вселенной больше, чем отрицательно заряженных. Более того, удалось показать, что некоторые из подобных проблем неразрешимы в рамках этой теории в принципе. Для их решения нужна была другая теория.
Вторая половина ХХ века увидела невероятную активность ученых по созданию множества теорий происхождения Вселенной. Не многие из них прошли даже первое серьезное  обсуждение среди коллег. Самой «стойкой»  оказалась та, согласно которой рождение Вселенной начинается не со «взрыва», а с «раздувания» (инфляции) физического вакуума. Первым к этой идее пришел в 1979 году российский космолог Алексей Александрович Старобинский, а окончательный вид теория приобрела в работах американских ученых Алан Гуса (Alan Guth), Андреаса Альбрехта (Andreas Albrecht), Пола Стейнхарда (Paul Steinhardt) и российского ученого Андрея Дмитриевича Линде.
Основная особенность  инфляционного сценария заключалась  в том, что Вселенная зарождается  в вакууме, не содержащем ни одной  элементарной частицы, и по мере ее «раздувания» (увеличения ее радиуса) до гигантских размеров плотность энергии  вакуума не меняется. В этой «пустоте»  не было ни частиц, ни излучения —  никаких классических форм существования  вещества! Потом «инфляция» кончается, и Вселенная развивается так, как предсказывает фридмановская теория. Получается, что Вселенная рождалась в два приема, проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащим ни вещества, ни излучения, и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего. И наличие первой подготовительной стадии, оказывается, влечет за собой много важных последствий. Например, наша Вселенная должна иметь размер около 1010000000000 см, а те 1028 см, которые считались ее размером до того, — всего лишь ее наблюдаемая часть, область, открытая зрению простых «земных наблюдателей». Кроме того, инфляционная теория предсказывала, что в крупных масштабах Вселенная должна быть анизотропной, и, в частности, наблюдая реликтовый микроволновый фон в разных направлениях, мы будем видеть не одну и ту же картину — где-то температура этого фона чуть выше, где-то чуть ниже.
Сторонники теории Большого Взрыва отнеслись к новой теории настороженно. Она казалась им «фантастической  гипотезой», лишенной малейших оснований. Но в 2001 году, спустя всего 20 лет после  своего выдвижения она получила первое наблюдательное подтверждение: предсказанную  ею анизотропию реликтового фона в крупных масштабах обнаружил  запущенный в 1989 году спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer). С помощью спутника удалось установить, что спектр реликтового излучения с точностью до 10–150 соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.
В сущности, казалось бы, всё  так и должно быть: разработка сценариев  происхождения Вселенной, поиски их подтверждения, получение подтверждения, заслуженный триумф. Однако загадка  рождения мира дала себя знать в  очередной раз и с новой  силой. Еще в 1983 году Андрей Линде  предположил, что вакуум — это  хаотически распределенное скалярное  поле. Его особенность — в способности  порождать новые области, а в  них существует огромное множество  — по некоторым оценкам около 100000 — миров, подобных и неподобных нашему, которые рождаются, достигают определенных размеров, потом опять гибнут, и этот процесс не будет иметь конца, а возможно и не имел начала. Если справедлива инфляционная теория, то, может быть, когда-нибудь подтвердится и гипотеза Линде?
И опять это звучит фантастически! И скепсис сомневающихся не лишен оснований: действительно, как подтвердить существование соседних Вселенных, если мы в своих наблюдениях не можем выйти даже за световой горизонт — область 1028 см? Всё так! Но ведь и Александр Фридман в свое время к собственной гипотезе отнесся весьма критически. А некоторые ведущие физики разделяли подобный скептицизм даже после открытия Хабблом «красного смещения» в спектрах удаленных галактик. Возникает естественный вопрос: а достаточно ли одного подтверждения (как, например, в случае с открытием анизотропии реликтового фона) для того, чтобы ту или иную модель Вселенной считать полноценной теорией? Можем ли мы окончательно утверждать, что инфляционный сценарий адекватен наблюдаемой Вселенной? Время покажет.

1.7. Вселенные рождались  не однажды

 
Прошедшее XX столетие без  преувеличения можно назвать  самым революционным столетием  в истории науки. Оно подарило нам квантовую механику, специальную  и общую теории относительности, стандартную теорию элементарных частиц, теорию струн, генетику и генную инженерию, электронные средства коммуникаций и информационные технологии, коренным образом изменившие наш быт. Однако самое, пожалуй, удивительное достижение XX столетия: мультиверсальная космологическая картина мира, созданная бывшим нашим соотечественником, советским физиком, называемым на Западе «русским магом» — Андреем Дмитриевичем Линде. И хотя «мультиверсальная космология» была логическим продолжением релятивистской космологии, созданной в первой половине XX столетия, её следствия принципиально отличались от того, что «рисовала» релятивистская картина мира.
Релятивистская космология опиралась на общую теорию относительности, созданную Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Сам Эйнштейн первый и вывел из неё космологические следствия, однако, получив нестационарные решения для Вселенной в целом, он модифицировал свою теорию, введя туда, наравне с гравитационными притягивающими «силами», «силы» отталкивания. Этот его шаг легко объясним: статическая космологическая картина мира была общепринятой и существовала фактически столько, сколько существовала научная космология. Изменяющийся, эволюционирующий космос в целом был столь же нов и непонятен, как и современный Мультиверсум.
Однако в 1922 году советский  математик Александр Фридман  вновь получил нестационарные решения, и через небольшое время ему  удалось убедить Эйнштейна в  правильности полученного вывода. Одним  из проверяемых следствий этих решений  было «разбегание» далеких друг от друга космических объектов со скоростью  прямо пропорциональной расстоянию между ними. Такое «убегание» далеких  галактик от находящегося на Земле  наблюдателя было обнаружено рядом  астрономов ещё в 1910–20-е годы, однако долгое время не удавалось получить из наблюдений линейной зависимости  между скоростью (определяемой по эффекту  Доплера) и расстоянием. И только в 1929-м американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил эту линейную зависимость и определил коэффициент пропорциональности, названный в его честь постоянной Хаббла. Таким образом, теория нестационарной Вселенной, разработанная Эйнштейном и Фридманом, обрела наблюдательное подтверждение.
Решающим аргументом в  пользу космологии Эйнштейна–Фридмана стало открытие в 1967 году реликтового  микроволнового излучения, соответствующего температуре около 3 градусов Кельвина, как и предсказывала теория. Казалось, что после этого никаких сомнений в правильности «горячей модели Вселенной» быть не может. Всё, что теория предсказывала: красное смещение в спектрах удалённых  объектов, реликтовое микроволновое  излучение, соотношение химических элементов во Вселенной и её крупномасштабная структура — получило достоверные  наблюдательные подтверждения. Оставались совсем незначительные теоретические  «сложности».
Наиболее существенными  среди этих «сложностей» были проблема сингулярности — начального состояния, из которого началось расширение Вселенной, — и некоторые теоретические парадоксы. И хотя первая проблема, связанная с бесконечностями в значениях температуры, плотности и кривизны пространства в начальный момент расширения, казалась более серьезной, она носила скорее теоретический характер и в каком-то смысле «решалась» подходящим выбором физической модели состояния материи, из которого появилась Вселенная. А вот разобраться аналогичным образом с такими наблюдаемыми фактами, как, например, однородность и изотропия Вселенной в предельно больших масштабах или её плоская геометрия в прошлом и настоящем, никак не удавалось.
Впоследствии выяснилось, что путь к новой теории был  намечен в работе 1973 года сотрудника киевского Института теоретической  физики П. И. Фомина. В качестве первичного состояния материи, из которой возникла Вселенная, он ввел квантовый флуктуирующий  физический вакуум. Эта идея оказалась  крайне плодотворной, другой столь  же плодотворной идеей стала гипотеза, что на самых ранних этапах своей  эволюции Вселенная расширялась  не по степенному закону, как следовало  из релятивистской космологии, а по показательному. (Впрочем, экспоненциальная зависимость масштабного фактора, характеризующего расширение пространства от времени, не противоречит уравнениям Эйнштейна, а наоборот, является одним  из его решений.) Эту гипотезу высказал в 1979 году молодой теоретик, а ныне член-корреспондент РАН Алексей  Александрович Старобинский. Но гипотеза гипотезой, а следовало ещё построить  физически и математически приемлемую модель этого процесса, совместив  её с корректным теоретическим решением проблемы происхождения Вселенной  из физического вакуума. На это было затрачено несколько лет, предложено несколько сценариев, и только в 1983 году Андрей Линде предложил свой сценарий, названный им «сценарием хаотической инфляции». В самых  общих чертах он представляет собой  следующее.
Наша Вселенная рождается  из квантовых флуктуаций высокоэнергетического  физического вакуума, чем-то похожего на обычную пену на поверхности кипящей  воды. Пузырьки физического вакуума  то и дело возникают и лопаются, достигнув так называемого планковского размера в 10-33 см. Причём геометрические и даже топологические свойства разных пузырьков сильно различаются. Внутри них могут быть различные свойства пространства и времени — например, пространственная размерность может отличаться от трех, а временная — от единицы. Аналогичная несхожесть может проявляться и в свойствах материи.
Конечно, в таком маленьком  пузырьке материя может существовать в очень специфическом состоянии, описываемом единственным параметром, который называют скалярным полем. При определенных значениях этого  поля пузырек не исчезает, достигнув  планковского размера, а, напротив, начинает со все увеличивающейся скоростью раздуваться. Стадия экспоненциального расширения очень коротка даже по квантовым меркам — порядка 10-35 с., однако за это время пространство пузырька раздувается до огромных размеров — от 10-33 см до 10104см или даже больше. Когда экспоненциальное раздувание оканчивается, дальнейшая эволюция проходит в соответствии со «старой» моделью «горячей Вселенной». В итоге, из одного крошечного пузырька высокоэнергетического физического вакуума рождается Вселенная, в которой нам теперь приходится жить.
Однако главная «изюминка» теории Линде отнюдь не в том, что  она предлагает новые детали эволюции нашей Вселенной в течение  первых 10-35 с. её существования. Гораздо более важное следствие теории Линде в том, что акт возникновения Вселенной оказывается отнюдь не единичным: раздувается не один пузырек, а огромное количество пузырьков с самыми различными свойствами. В момент начала экспоненциального раздувания эти свойства «фиксируются», и из локальных, квантовых, становятся глобальными для каждой из раздувшихся областей пространства.
Мультиверсум имеет довольно сложную топологию: в нем множество самостоятельных вселенных, раздувшихся до космических размеров, со своими собственными законами природы в каждой. Иллюстрация: из архива Андрея Линде
Эти области изолированы  друг от друга, и с полным правом мы можем назвать их другими вселенными с различными геометрическими и  физическими свойствами, а ту область  пространства, которую наблюдаем  мы (на самом деле мы наблюдаем лишь её ничтожную часть) — нашей Вселенной. Согласно теории Линде, процесс раздувания пузырьков квантовой пены не ограничен  во времени, он не имеет начала и не будет иметь конца. Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мира, чем все те, с которыми было знакомо человечество до этого.
В предельно больших масштабах  мир не однороден, он представляет собой  совокупность различных областей пространства с различными фундаментальными и  даже, можно сказать, онтологическими  свойствами. Это принципиальное отличие  данной картины мира подчёркивается и в названии, которое было предложено для неё на самом рубеже тысячелетий: в 2000–2001 годах. С глубокой древности мир назвали Универсумом (Universum), это название подчёркивало его единство и единичность. Но теперь стало правильнее говорить об Мультиверсуме (Multiversum), подчёркивая онтологическую множественность всего сущего. Теория Мультиверсума позволила успешно решить большинство теоретических проблем и снять парадоксы предшествующей релятивистской космологии, не отрицая последнюю, а лишь существенно расширяя и дополняя. Впрочем, кроме сугубо специфических физико-космологических проблем, теория Мультиверсума решает ещё одну, но уже общую, мировоззренческую проблему, сформулированную в виде вопроса «Почему мир таков, каким мы его наблюдаем?».
Эта проблема всегда волновала  человеческий ум, но особую актуальность она приобрела в середине ХХ столетия, в связи с формулировкой рядом  отечественных и зарубежных учёных так называемого антропного принципа. Согласно этому принципу, человек и общество представляют собой сложную, высокоорганизованную систему, для возникновения и функционирования которой необходим комплекс специфических физико-космологических условий. Этот комплекс очень объёмен, начиная от размерности пространства и времени, заканчивая соотношением масс, зарядов и других параметров элементарных частиц и величинами универсальных физических постоянных, причём по мере развития науки «список» таких условий всё время расширяется. Относительно небольшое (в среднем порядка 10%) нарушение баланса этих постоянных меняет физические условия нашей Вселенной настолько, что существование человека и вообще разумной жизни в ней делается просто невозможным. Такое точное соответствие их друг другу получило в физике название подгонки.
Можно считать, что причина  этой подгонки — случай. Но вероятность  такого события меньше чем   10-100. Подобная оценка даёт «козырь в руки» теологам всех направлений, позволяя утверждать, что если случайно такое событие невозможно, то акт творения Вселенной был целенаправленным и продуманным творцом всего сущего. Но есть ещё один, атеистический вариант, который в 1978 году сформулировал австралийский астрофизик Брендон Картер (Brandon Carter) в виде гипотезы «ансамбля миров». Если вероятность совпадения параметров в одном «мире» равна, допустим, 10-100, а всего «миров» 10100, то вероятность такого события хотя бы в одном из «миров» равна 1 — (1 — 10-100)10100, а это уже далеко не ноль!
Таким образом, если возникает  и существует множество вселенных  с различными свойствами, то вполне вероятно, что хотя бы у одной  из них свойства благоприятствуют возникновению  и длительному существованию  сложных высокоорганизованных систем, в том числе и человека и  общества. Таким образом, атеистическое  решение проблемы «подгонки» свойств  нашего мира под существование человека предполагает актуальное наличие множества  вселенных с различными свойствами. Напомним, что Картер сформулировал свою гипотезу «ансамбля миров» в 1978 году, а Линде независимо от него основы теории Мультиверсума — в 1983-м, однако именно теория Мультиверсума дала теоретическое обоснование атеистической формулировке антропного принципа, а сам антропный принцип в приложении к теории Мультиверсума способен самостоятельно обладать предсказательной силой.
Осталось только выяснить, как можно было бы проверить теорию Линде в наблюдениях. С учётом необычности этой теории и её новизны, вопрос о том, насколько всё предлагаемое ею соответствует объективной реальности, вполне актуален. Того, что она решает проблемы и устраняет парадоксы, присущие предшествующей космологии, ещё недостаточно, чтобы приписать ей какую-либо предсказательную силу — способность предсказать новые явления, не предсказанные другими теориями. Долгое время после возникновением теории Мультиверсума вопрос о её предсказательной силе оставался открытым. Однако по мере развития и самой теории, и астрономических наблюдательных данных, «туман постепенно прояснился». В начале 1990-х годов были получены и обработаны наблюдательные данные с советского («Прогноз-9») и американского (Cosmic Background Explorer, COBE) спутников, исследовавших реликтовое микроволновое излучение.
Результаты этих исследований показали, что оно имеет небольшие (в космологических масштабах) неоднородности, названные «анизотропией реликтового  излучения». Эти наблюдательные данные в точности совпали с теоретическими расчётами «следов», которые должны были оставить квантовые колебания  физического вакуума в стремительно (экспоненциально) расширяющемся пространстве Вселенной в самые первые мгновения  её существования. Иными словами, анизотропия  реликтового излучения является наблюдательным подтверждением возникновения  нашей Вселенной из физического  вакуума и инфляционного (экспоненциального) расширения пространства нашей Вселенной  на ранних этапах своей эволюции.
 
 
 
 
 
 
 

2. Строение вселенной

       2.1. Темная материя

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в  сгустки (размером, скажем, с галактику  или скопление галактик) и участвует  в гравитационных взаимодействиях  так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.
Гравитационное линзирование

Помимо космологических  данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного  поля в скоплениях галактик и в  галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование, проиллюстрированное на рисунках показанных выше.
 Гравитационное поле  скопления искривляет лучи света,  испущенные галактикой, находящейся  за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. 6 они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. 6 голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Напомним, что это же число получается из сравнения теории образования структур (галактик, скоплений) с наблюдениями.
Темная материя имеется и в  галактиках. Это опять-таки следует  из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей  вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. Это  проиллюстрировано на рисунке, по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя. В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества.
Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно.
Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком  будущем в земных условиях? Поскольку  мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.
Имеется несколько путей  поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих  ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100–1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны со строящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим адронным коллайдером (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7x7 Тераэлектронвольт. Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи — это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!
Другой путь состоит в  регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведется с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей.
Имеются и другие подходы  к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции  в центральной области нашей  Галактики. Какой из всех этих путей  первым приведет к успеху, покажет  время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10–9 с (одна миллиардная секунды!) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.

2.2. Темна энергия

Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.
Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века.
Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.
Другой путь объяснения ускоренного  расширения Вселенной состоит в  том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и  космологических временах. Такая  гипотеза далеко не безобидна: попытки  обобщения общей теории относительности  в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями.
По-видимому, если такое обобщение  вообще возможно, то оно будет связано  с представлением о существовании  дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые  мы воспринимаем в повседневном опыте.
К сожалению, сейчас не видно путей  прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем  не может появиться новых блестящих  идей в этом направлении, но сегодня  надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины  ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная  на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

2.3. Черные дыры

Из всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения  об их существовании начали высказываться  почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно. Я вот, например, помню, как преподаватель теории относительности в высшей школе, где я учился, утверждал, что хотя существование черных дыр общей теорией относительности допускается и даже предсказывается, в реальном мире подобные объекты просто не могут образоваться.
Давайте начнем с того, как общая  теория относительности решает вопрос о природе гравитации. Закон всемирного тяготения Ньютона утверждает, что между двумя любыми массивными телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения. По причине такого гравитационного притяжения Земля обращается вокруг Солнца. Общая теория относительности заставляет нас взглянуть на систему Солнце—Земля иначе. Согласно этой теории в присутствии столь массивного небесного тела, как Солнце, пространство-время как бы проминается под его тяжестью, и равномерность его ткани нарушается. Представьте себе эластичный батут, на котором лежит тяжелый шар. Натянутая ткань прогибается под его весом, создавая вокруг разрежение. Таким же образом Солнце продавливает пространство-время вокруг себя.
Согласно этой картине Земля просто катается вокруг образовавшейся воронки  (за исключением того, что маленький шарик, катающийся вокруг тяжелого на батуте неизбежно будет терять скорость и по спирали приближаться к большому). И то, что мы привычно воспринимаем как силу земного притяжения в нашей повседневной жизни, также есть ни что иное, как изменение геометрии пространства-времени, а не сила в ньютоновском понимании. На сегодня более удачного объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не придумано.
А теперь представьте, что произойдет, если мы будем — в рамках предложенной картины — увеличивать и увеличивать массу тяжелого шара, не увеличивая при этом его физических размеров? Будучи абсолютно эластичной, воронка будет углубляться до тех пор, пока ее верхние края не сойдутся где-то высоко над совсем потяжелевшим шаром, и тогда он просто перестанет существовать при взгляде с поверхности. В реальной Вселенной, накопив достаточную массу и плотность материи, объект захлопывает вокруг себя пространственно-временную ловушку, ткань пространства-времени смыкается, и он теряет связь с остальной Вселенной, становясь невидимым для нее. Так возникает черная дыра.
Важнейшее свойство черной дыры — что бы в нее ни попало, обратно оно не вернется. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного кажется абсолютно черным. Согласно общей теории относительности, если объект приближается к центру черной дыры на критическое расстояние — это расстояние называется радиусом Шварцшильда, — он уже никогда не сможет вернуться назад. (Немецкий астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873–1916) в последние годы своей жизни, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг массы нулевого объема.) Для массы Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 км, то есть, чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю его массу до размера небольшого городка!
Внутри радиуса Шварцшильда  теория предсказывает явления еще  более странные: всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую  точку бесконечной плотности  в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением. При бесконечной плотности любая конечная масса материи, математически говоря, занимает нулевой пространственный объем. Происходит ли это явление реально внутри черной дыры, мы, естественно, экспериментально проверить не можем, поскольку всё попавшее внутрь радиуса Шварцшильда обратно не возвращается.
Не имея, таким образом, возможности  «рассмотреть» черную дыру в традиционном смысле слова «смотреть», мы, тем  не менее, можем обнаружить ее присутствие  по косвенным признакам влияния  ее сверхмощного и совершенно необычного гравитационного поля на материю  вокруг нее.

2.3.1. Черные дыры  со звездной массой

Согласно нашим нынешним представлениям об эволюции звезд, когда звезда с массой, превышающей примерно 30 масс Солнца, гибнет со вспышкой сверхновой, внешняя ее оболочка разлетается, а внутренние слои стремительно обрушиваются к центру и образуют черную дыру на месте израсходовавшей запасы топлива звезды. Изолированную в межзвездном пространстве черную дыру такого происхождения выявить практически невозможно, поскольку она находится в разреженном вакууме и никак не проявляет себя в плане гравитационных взаимодействий. Однако, если такая дыра входила в состав двойной звездной системы (две горячих звезды, обращающихся по орбите вокруг их центра масс), черная дыра будет по-прежнему оказывать гравитационное воздействие на парную ей звезду. Астрономы сегодня имеют более десятка кандидатов на роль звездных систем такого рода, хотя строгих доказательств не получено в отношении ни одной из них.
В двойной системе с черной дырой  в ее составе вещество «живой»  звезды будет неизбежно «перетекать» в направлении черной дыры. И закручиваться  высасываемое черной дырой вещество при падении в черную дыру будет  по спирали, исчезая при пересечении  радиуса Шварцшильда. При подходе  к роковой границе, однако, засасываемое в воронку черной дыры вещество будет  неизбежно уплотняться и разогреваться в силу учащения соударений между поглощаемыми дырой частицами, пока не разогреется до энергий излучения волн в рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения. Астрономы могут измерить периодичность изменения интенсивности рентгеновского излучения такого рода и вычислить, сопоставив ее с другими доступными данными, примерную массу объекта, «перетягивающего» на себя материю. Если масса объекта превышает предел Чандрасекара (1,4 массы Солнца), этот объект не может являться белым карликом, в которого суждено выродиться нашему светилу. В большинстве выявленных случаев наблюдения подобных двойных рентгеновских звезд массивным объектом является нейтронная звезда. Однако насчитано уже более десятка случаев, когда единственным разумным объяснением является присутствие в двойной звездной системе черной дыры.
Все другие типы черных дыр куда более  спекулятивны и основаны исключительно  на теоретических изысканиях — экспериментальных подтверждений их существования не имеется вовсе. Во-первых, эточерные мини-дыры с массой, сопоставимой с массой горы и сжатой до радиуса протона. Идею об их зарождении на начальной стадии формирования Вселенной непосредственно после Большого взрыва высказал английский космолог Стивен. Хокинг предположил, что взрывами мини-дыр можно объяснить действительно загадочный феномен точеных вспышек гамма-излучения во Вселенной. Во-вторых, некоторые теории элементарных частиц предсказывают существование во Вселенной — на микро-уровне — настоящего решета из черных дыр, представляющих собой своего рода пену из отбросов мироздания. Диаметр таких микро-дыр предположительно составляет около
10–33 см — они в миллиарды раз мельче протона. На данный момент у нас нет каких-либо надежд на экспериментальную проверку даже самого факта существования таких черных дыр-частиц, не говоря уже о том, чтобы хоть как-то исследовать их свойства.

2.3.2. Сверхмассивные черные дыры

В центре нашего Млечного Пути и других галактик располагается невероятно массивная черная дыра в миллионы раз тяжелее Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры (такое название они получили) были обнаружены по наблюдениям за характером движения межзвездного газа вблизи центров галактик. Газы, судя по наблюдениям, вращаются на близком удалении от сверхмассивного объекта, и простые расчеты с использованием законов механики Ньютона показывают, что объект, притягивающий их, при мизерном диаметре обладает чудовищной массой. Так закрутить межзвездный газ в центре галактики может только черная дыра. Фактически астрофизики нашли уже десятки таких массивных черных дыр в центрах соседних с нашей галактик, и сильно подозревают, что центр любой галактики — суть черная дыра.

2.4. Галактики


и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.