Природознавство. 11 клас. Ільченко
§ 27. Еволюція Всесвіту і його будова
Важко уявити собі, як відбувся Великий вибух і утворився Всесвіт, який ми спостерігаємо і творіннями якого ми є. З моменту утворення Всесвіту пройшло дуже багато часу. Спробуємо уявити, що події, які відбулися з Всесвітом за 20 мільярдів років, пройшли за три дні. Тоді нам вистачить одного уроку, щоб розглянути основні віхи розвитку Всесвіту.
Нехай Великий вибух відбувся три дні тому об 11 годині ранку. Речовина, яка вибухнула, до цих пір летить у просторі і не може зупинитися. Якщо ми подивимось на інші галактики, то побачимо, що вони розлітаються від нас. Чим далі вони від нас, тим їхня швидкість більша. Розрахунки показують, що вони виникли в одному місці 20 мільярдів років тому (3 доби тому за уявним часом). Спершу величезна маса матерії була стиснута до такої густини, яку дозволяли ядра атомів. Один кубічний сантиметр цієї первісної матерії мав масу біля 250 тонн. Тиск цієї матерії був таким, що вона вибухнула приблизно за секунду (за справжнім, а не за уявним часом).
За нашим виміром часу половину першої доби простір був насичений частинками з величезною енергією так, що світився як вогонь. Наприкінці першої половини доби матерія розліталась далі і далі, Всесвіт занурився в морок. З тих пір темні тіла — космічний пил, метеорити, комети, всякі уламки — переважають над тими, що світяться.
У другій половині доби потік частинок розсіявся до величезної газової хмари, частинки якої рухались невпорядковано. Під дією притягання між ними утворювались скупчення, які ущільнювались. Одним із них було наше Сонце...
При ущільненні скупчення, що дало початок Сонцю, спочатку утворилось більш щільне гаряче ядро. Потім унаслідок нестійкості ядра в його екваторіальній площині виділилась деяка кількість речовини, з якої сформувався диск з газу і пилу. Речовина, що продовжувала падати на диск унаслідок притягання до нього, спричиняла його розростання до розмірів сучасної Сонячної системи.
Ядро, стиснувшись, перетворилось у Сонце. Диск розпався на велику кількість пилових згущень. Згущення об’єднувались при зіткненнях, перетворюючись у тверді тіла розмірами близько 10 км. З цих тіл унаслідок всесвітнього тяжіння утворювались тіла більшої маси. Великі тіла притягували до себе тіла менших розмірів і утримували їх.
Нарешті залишилось лише 9 великих планет (пригадайте їх), які перебували на такій відстані, що їх рух залишався стійким протягом мільярдів років. Однією з цих планет була Земля... В зоні Землі процес об’єднання тіл в планету тривав близько 100 мільйонів років.
Тіло нашої майбутньої планети перебувало у вигляді твердих холодних частинок. Навіть гази були у твердому стані (у вигляді кристалів).
Сонце і планети мають форму куль, трохи сплюснутих обертанням. Планети набували сферичної форми під дією притягання власної маси до центру. Тверда речовина невеликого астероїда може мати будь-яку форму. Але якщо його маса перейде деяку межу, то притягання до центра тяжіння стане таким великим, що виступаючі його частини будуть обламуватись під дією власної ваги, наближаючи його форму до форми кулі.
Задумаємось, який закон діє при утворенні планети? Той, який обумовлює протікання самочинних процесів, тобто закон мінімуму потенційної енергії взаємодіючих речовин. Частини планети займають по відношенню до центра такий стан, щоб їх потенціальна енергія була мінімальна. Це можливо при кулястій формі планети.
Від притягання до центра планети залежить висота її гір. Розрахунки показують, що на Землі максимальна висота гір може бути не більше 11 км, на Венері — 13 км, на Марсі — 30 км і т.д. А ось дані про найвищі точки планет: на Землі гора Еверест має висоту 9 км, на Венері вулкан Максвелла — 12 км, на Марсі вулкани Арсія і Олімп — 27 і 24 км.
У 1929 р. американський астроном Едвін Габбл, вивчаючи спектри галактик, установив, що лінії поглинання в цих спектрах суттєво зміщені по довжині хвилі в червону сторону (у напрямку більш довгих хвиль у порівнянні зі стандартними лабораторними спектрами). Цей ефект, названий червоним зміщенням у спектрах далеких галактик, пояснюється на підставі ефекту Доплера як наслідок віддалення галактик однієї від другої.
Ефект Доплера полягає в тому, що якщо джерело випромінювання рухається відносно приймача випромінювання зі швидкістю v, то замість випромінювання на довжині хвилі λ0приймач реєструє випромінювання з довжиною хвилі λ, більшою, ніж у тієї, що випромінюється.
Габбл установив, що швидкості віддалення далеких галактик v пропорційні відстаням до них — r. Коефіцієнт пропорційності був названий згодом постійною Габбла — Н. Ця закономірність одержала назву закону Габбла:
v = Н • r.
Звичайно космічні відстані вимірюють у парсеках (1 пк = 3,26 св. р.), мегапарсеках (Мпк), швидкість віддалення галактики — у км/с, тоді Н становить приблизно 75 (км/с)/Мпк.
Розбіжність галактик може бути пояснена розширенням усього Всесвіту. Таким чином, спостереження Габбла вперше встановили її нестаціонарність.
Незадовго до відкриття Габбла, в 1922 р., російський учений Олександр Фрідман, що працював у той час у Ленінграді, теоретично показав неможливість існування стаціонарного Всесвіту й розрахував можливі варіанти його еволюції, які зараз називають моделями Фрідмана. Згідно із цими моделями, якщо середня щільність Всесвіту перевершує деяке критичне значення 10-29 г/см3, то через якийсь час під дією гравітації почнеться процес зближення галактик і схлопування Всесвіту. Якщо середня щільність Всесвіту менше критичної, то її очікує нескінченне розширення. І тільки у випадку рівності середньої густини речовини Всесвіту й критичної щільності розширення Всесвіту через якийсь час сповільниться й зупиниться.
Гіпотеза великого вибуху. Формування хімічних елементів і еволюція Всесвіту. Спостережуване розширення Всесвіту можна трактувати як наслідок первісного Великого вибуху, що відбувся на початку існування нашого Всесвіту. Згідно із сучасними даними відбулося це приблизно 14 млрд. років тому. У перші миті Всесвіт був дуже гарячий і щільний, наповнений випромінюванням, що виникає під час народження і анігіляції елементарних частинок і античастинок. Далі, у Всесвіті, що остигає і розширюється, залишилися електрони, ядра атомів водню, гелію, а також дейтерію й літію в незначних кількостях. При остиганні Всесвіту електрони і ядра стали об’єднуватися в атоми (епоха рекомбінації й відділення випромінювання від речовини при Т ≈ 4000 К). Через мільйони років у вже холодному Всесвіті почалося формування галактик завдяки гравітаційній нестійкості хмар газу. У галактиках народилися зірки першого покоління, до складу яких входили в основному водень і гелій.
В 1965 р. американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вільсон виявили радіовипромінювання Всесвіту, що досить рівномірно йде в усіх напрямках, з температурою близько 2,7 К. Це випромінювання, назване реліктовим, пояснюють як залишкове випромінювання раннього гарячого Всесвіту. Це відкриття виявилося експериментальним підтвердженням моделі еволюції раннього Всесвіту.
Формування більш важких, ніж гідроген і гелій, хімічних елементів (аж до заліза) відбувається лише в надрах зірок.
Утворення Всесвіту вчені пов’язують з Великим вибухом. Сонячна система, Земля утворились з газопилової туманності, в якій були хімічні елементи, що зустрічаються в тілі Сонця і планет. Формування зірок і планет підлягало законам спрямованості самочинних процесів.
Всесвіт згідно із сучасними уявленнями не стаціонарний, він еволюціонує. Спостерігається прискорене розширення Всесвіту. Хімічні елементи синтезувалися в ході еволюції Всесвіту й космічних об’єктів, насамперед зірок.
Перевірте себе
- 1. Що вам відомо про Великий вибух?
- 2. В чому полягає ефект Доплера?
- 3. В чому полягає закон Габбла?
- 4. Які можливі варіанти еволюції Всесвіту?
Поміркуйте
- 1. Чому спостережуване у спектрах далеких галактик зміщення спектральних ліній називають червоним зміщенням?
- 2. Які процеси проходили в ранньому Всесвіті згідно зі сценарієм Великого вибуху?
- 3. Чи стаціонарний Всесвіт? Із чого все почалося? Що первинне: елементарна частинка чи атом? Які спостереження підтверджують гіпотезу Великого вибуху?
- 4. Яким загальним законам природи підлягають процеси народження Всесвіту?
