Самоорганизация Вселенной и её структура
Самоорганизация Вселенной и её структура
Первый этап существования Вселенной
После Большого взрыва произошло рассеивание образовавшегося вещества и электромагнитного поля. При этом были образованы газопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя миллиард лет после начала образования Вселенной стали возникать первые звёзды и галактики. К данному периоду вещество уже охладилось, и в нём начали возникать стабильные флуктуации плотности, которые равномерно заполнили космос. В данном пространстве начали появляться и развиваться случайные уплотнения вещества. Внутри этих случайных уплотнений силы тяготения действовали интенсивнее, чем за их пределами. В связи с этим, независимо от общего расширения Вселенной, происходило притормаживание вещества в уплотнениях. Возникновение этих уплотнений стало началом зарождения крупномасштабных космических структур — галактик, а затем и отдельных звёзд.
Возникновение и эволюция галактик
Первым фактором появления галактик во Вселенной стало возникновение случайных уплотнений в однородной среде. Впервые эту идею высказал Исаак Ньютон. Он полагал, что если бы вещество было рассеяно равномерно по поверхности Вселенной, его невозможно было бы собрать в единую массу.
Вторым фактором появления галактик явилось наличие малых возмущений и флуктуаций, которые привели к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации стали причиной появления более крупных структур. Данные процессы можно считать аналогичными процессам образования облаков в атмосфере нашей планеты.
К середине двадцатого века исследователи провели необходимые расчёты, которые позволили описать поведение возникающих скоплений. При этом было доказано, что участки с большей плотностью расширяются медленнее, чем Вселенная в целом. К определённому моменту они вообще перестают расширяться.
Изолированные участки вещества, как правило, имеют большую массу: она составляет в среднем 1015—1016 масс Солнца. Под воздействием сил гравитации эти массы начинают сжиматься. Это сжатие весьма своеобразно: сначала исходные объекты имеют форму куба, а после сжатия - форму пластинки – «блина». Пластинки, сначала изолированные друг от друга, впоследствии образуют плотные слои. Данные слои пересекаются, в результате чего формируется ячеисто-сетчатая структура. «Блины» при этом являются стенками пустых ячеек.
Учёные высказывают предположение, почему спиральные галактики возникают чаще (их насчитывается около 80%), чем эллиптические и неправильные галактики. Вероятно, спиральные галактики возникают при слиянии протогалактик в скоплениях. Первоначально формируется структура неправильной формы. После этого неровности сглаживаются и возникают эллиптические галактики большой массы. По мере вращение галактик этого типа может образоваться структура в форме диска, которая постепенно закручивается в спираль. Это подтверждают имеющиеся переходные формы галактик, которые занимают промежуточное положение между эллиптическими и спиральными.
Также появились гипотезы, объясняющие вращение галактик. В настоящее время считается, что на первых ступенях эволюции размеры протогалактик значительно превышали современные. К тому же расстояние между ними не было таким значительным, поэтому между ними действовали силы гравитации. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.
Галактики могут существовать в виде групп, скоплений и облаков. Одиночные галактики редки. Расстояния между группами и скоплениями галактик в 10-20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Размеры гигантских галактик могут составлять 18 миллионов световых лет. Водород и гелий являются не только наиболее распространёнными веществами в межзвёздном пространстве, но и в целом во Вселенной.
Наша Галактика – Млечный Путь – представлена в виде громадного диска, который в центре имеет выпуклость – ядро. От ядра отходят рукава в форме спиралей. Толщина её составляет 1,5 тысяч световых лет, диаметр – 100000 световых лет. Возраст галактики составляет примерно 15 млрд лет.
Появление и эволюция звёзд
Звёзды возникают из космического вещества при его конденсации в результате действия магнитных, гравитационных и других сил. Эволюция звёзд протекает в три этапа.
- Обособление и уплотнение космического вещества.
- Интенсивное сжатие протозвезды.
- Повышение температуры протозвезды с последующей термоядерной реакцией.
Процесс перехода из протозвезды в звезду продолжается миллионы лет.
Звёзды в галактиках возникают непрерывно. Смерть звёзд также происходит постоянно. Таким образом, рождение новых звёзд компенсирует смерть старых.
С началом термоядерной реакции, в ходе которой водород превращается в гелий, для звёзд (типа Солнца) стартует так называемая главная последовательность, в ходе которой изменяются их важнейшие характеристики (температура, светимость, радиус, масса, химический состав). После выгорания водорода в центре звезды образуется ядро гелия. Звезда вступает в стадию красного гиганта. С этой стадии начинается завершающий этап её жизни. Красный гигант имеет очень высокую внутреннюю температуру. При этом в термоядерных процессах принимают участие всё более увеличивающиеся ядра, что приводит к постепенной потере.
Рисунок 1. Красный гигант
За 10 – 100 тысяч лет от красного гиганта остаётся только гелиевое ядро, и звезда становится белым карликом, в котором термоядерные процессы практически не осуществляются.
Рисунок 2. Белый карлик
Со временем белые карлики охлаждаются, их цвет меняется, и в конце концов они становятся чёрными карликами – мёртвые холодные звёзды.
Рисунок 3. Чёрный карлик
Таким образом, Вселенная является самоорганизованной системой, основные элементы которой возникают, развиваются и прекращают своё существование. На смену одним компонентам приходят другие. При этом поддерживается определённый баланс, позволяющий сохранить структурную целостность.