Сайт викладача фізики

Розділ 8. Космологія. 

§67. З історії наукових поглядів на загальний устрій Всесвіту.

§68. З історії становлення сучасної теорії еволюційного Всесвіту, та про філософські аспекти цієї теорії.

§69. Основи сучасної теорії еволюційного Всесвіту (теорії Великого Вибуху).

§70. Про докази достовірності теорії еволюційного Всесвіту.

§71. Про еволюцію галактик.

§72. Про еволюцію зірок.

§73. Про еволюцію Сонячної системи.

.

          Космологія  (від грець.  kosmos – Всесвіт, logos – вчення, наука) – це розділ фізики, в якому вивчають загальний устрій, загальні властивості та загальні закономірності розвитку Всесвіту, як єдиного цілого, а також його окремих макрооб’єктів, як-то зірок, планетарних систем, галактик, тощо.  

          Всесвіт, це вся сукупність взаємопов’язаних матеріальних об’єктів Природи в усьому різноманітті їх форм та проявів.     

.

§67. З історії наукових поглядів на загальний устрій Всесвіту.

 

          З незапам’ятних часів люди прагнули пояснити загальний устрій навколишнього світу (Всесвіту). Реалізуючи це прагнення вони цілком слушно спирались на ті факти, які були результатом візуальних спостережень над основними об’єктами видимої частини Всесвіту. А ці факти є наступними. Спостерігаючи за поведінкою космічних об’єктів, люди бачать: 1) Сонце з певною періодичністю (Т = 24 год = 1 доба) обертається навколо Землі. 2) Місяць з певною періодичністю (Т = 24 год 52 хв) обертається навколо Землі. 3) Вся сукупність видимих зірок (зоряне небо) з певною періодичністю (Т = 24год)  обертається навколо Землі. 4) Планети (блукаючі зірки) з певною індивідуальною для кожної планети періодичністю та з певними індивідуальними особливостями траєкторії руху, обертаються навколо Землі.

Мал.305. Спостерігаючи за космічними об’єктами люди бачать, що все обертається навколо нерухомої Землі.

          Виходячи з цих фактів та зважаючи на факт того, що рух самої Землі є практично невідчутним, стародавні вчені цілком обгрунтовано вважали, що Земля знаходиться в центрі Всесвіту і що всі інші космічні об’єкти так чи інакше обертаються навколо цього центру. Такі уявлення про загальний устрій Всесвіту прийнято називати геоцентричною системою Всесвіту (від грець.  ge – Земля).

Певні варіанти геоцентричної системи Всесвіту можна зустріти у вченнях багатьох видатних давньогрецьких філософів, зокрема Фалеса, Піфагора, Євдоксія, Платона, Аристотеля, Гіпарха та інших. Однак ознак математично довершеної наукової теорії ця система набула лише у другому столітті нашої ери. Автором цієї математично довершеної геоцентричної теорії Всесвіту, був видатний давньогрецький астроном Клавдій Птоломей (приблизно 87–168 рр. н.е.)

          Напевно найбільша проблема геоцентричної системи полягала в поясненні дивного руху тих п’яти особливих зірок які отримали назву планети, що в буквальному перекладі означає «блукаючі» (грец. planetes – блукати). В часи Римської імперії планети отримали назви провідних давньоримських богів:  Меркурій – бог торгівлі, Венера – богиня кохання, Марс – бог війни, Юпітер – верховний бог громовержець, Сатурн – бог землеробства. В наші дні, було відкрито ще дві, невидимі неозброєним оком планети: Уран – бог неба та Нептун – бог морів.

На відміну від всіх інших зірок, які як єдине ціле з періодичністю 24 години обертаються навколо Землі, кожна планета має свою періодичність обертання і свої характерні особливості руху. А ці особливості полягають в тому, що в процесі руху планети описують характерні петлі.  Це звичайно не означає, що протягом однієї ночі, планета на фоні зоряного неба описує певну петлю. Мова йде про наступне. Якщо щоденно та в один і той же час фіксувати координати певної планети, то можна зробити висновок про те, що в певні проміжки часу планета з певною приблизно постійною швидкістю обертається навколо Землі. Однак, на певному етапі спостережень з’ясовується, що швидкість обертального руху планети знижується, і що через деякий час планета зупиняється. При цьому в наступні дні, планета починає рухатись у зворотному напрямку. Потім вона знову зупиняється і знову починає рухатись в правильному напрямку.

 

Мал.306. Етапи видимого з Землі руху Марса зафіксовані з кінця жовтня 2011 до початку  червня 2012 року.

          Пояснюючи даний факт, Птоломей дійшов висновку, що кожна планета приймає участь у двох обертальних рухах: вона обертається навколо власного центру обертання, який в свою чергу обертається навколо Землі. Результатом цих двох обертальних рухів і є той видимий рух планети який ми спостерігаємо з Землі. Таким чином згідно з теорією Птоломея, в центрі Всесвіту знаходиться нерухома Земля, навколо якої певним чином обертаються Сонце, Місяць, п’ять відомих на той час планет та небесна зоряна сфера. При цьому складний рух планет пояснюється тим, що кожна з них приймає участь у двох обертальних рухах: планета обертається навколо певного центру, який в свою чергу обертається навколо Землі. Результатом такого подвійного обертання є певна крива, яку прийнято називати епіциклоїдою.

 

Мал.307. Принципова схема геоцентричної системи Всесвіту та видимого руху планети навколо Землі.

          Звісно сьогодні, в епоху телебачення, інтернету та суцільної комп’ютеризації, навіть діти знають, що не Сонце обертається навколо Землі, а Земля обертається навколо Сонця та своєї осі. Виходячи з цього, ми схильні вважати, що прадавні уявлення про будову Всесвіту, а точніше Сонячної системи, є примітивними та абсолютно хибними. Подібні твердження не є ані коректними, ані безумовно правильними. Не є бодай тому, що відносність руху в тому й полягає, що різні спостерігачі, спостерігаючи за одними і тими же об’єктами, можуть бачити суттєво різні рухи, а відповідно по різному описувати їх. Скажімо, той спостерігач, який знаходиться так би мовити над Сонячною системою («сторонній спостерігач») бачить: в центрі системи знаходиться Сонце, навколо якого обертаються планети, в тому числі і Земля. Той же спостерігач, який знаходиться на Землі («земний спостерігач») дивлячись на ті ж об’єкти, бачить: навколо відносно нерухомої Землі, обертаються Сонце, Місяць та планети. При цьому, описуючи устрій даної системи, кожен з спостерігачів цілком обгрунтовано буде наполягати на тому, що його точка зору є безумовно правильною. І в цьому сенсі теорія Птоломея нічим не гірша за ту, яку прийнято називати теорією Коперника.

          Та якби там не було, а правда життя полягає в тому, що не Сонце обертається навколо Землі, а навпаки. Першим хто усвідомив цю правду, був польський астроном Микола Коперник (1473–1543). Коперник зрозумів, що Земля не є центром Всесвіту і що вона лише одна з багатьох планет Сонячної системи. Згідно з теорією Коперника в центрі Всесвіту знаходиться Сонце, навколо якого обертаються відомі планети, в тому числі і Земля. При цьому Сонячна система обмежена нерухомою небесною сферою. Такі уявлення про загальний устрій Всесвіту прийнято називати геліоцентричною системою Всесвіту (від грець. heℓios – Сонце).

          

Мал.308. Принципова схема геліоцентричної схеми Всесвіту згідно з теорією Коперника.

          Не важко бачити, що теорія Коперника ще зберігала певні атрибути теорії Птоломея. Зокрема, як і Птоломей, Коперник вважав, що Всесвіт обмежений небесною сферою, внутрішня поверхня якої рясно засіяна зірками. Втім, згадка про небесну сферу була скоріш жестом поваги до релігійних канонів, аніж констатацією об’єктивних фактів. А ці факти вказували на те, що зіркам зовсім не обов’язково бути прикріпленими до чого небуть і що вони можуть бути просто розкиданими в безмежних просторах Всесвіту.

          Запропонована Коперником модель Всесвіту була набагато простішою та значно точнішою за геоцентричну модель Птоломея. Однак, швидкому та загальному визнанню теорії Коперника заважали дві обставини. По-перше, твердження цієї теорії явно суперечили нашому повсякденному досвіду, а отже і «здоровому глузду». Адже ми не відчуваємо того, що Земля рухається і явно бачимо, що Сонце обертається навколо Землі, а не навпаки. По-друге, поширенню ідей Коперника запекло протидіяла церква. І це закономірно. Адже хотів того Коперник чи ні, а його вчення явно суперечило біблійним твердженням про те, що створена Богом Земля, є винятковим місцем у Всесвіті, і що  всі інші космічні об’єкти, як-то Сонце, Місяць, планети та зірки, то лише певні допоміжні елементи, які забезпечують нормальне функціонування Землі.

          Крім цього, так вже влаштована церква, що неохоче та надзвичайно болісно відмовляється від загально прийнятих догм. А за чотирнадцять століть, теорія Птоломея безумовно стала такою догмою. Стала тому, що не тільки дозволяла робити точні передбачення, а й жодним чином не суперечила біблійними поглядам на устрій Всесвіту.

          Протягом декількох століть церква жорстоко боролася з вченням Коперника. У вирі цієї боротьби, у вогні «святої інквізиції» згоріло чимало кращих синів цивілізованого людства, найвідомішим з яких є Джордано Бруно. Однак, під натиском неспростовних фактів та інтелектуальних зусиль багатьох видатних вчених, зокрема Браге, Кеплера, Галілея, Декарта та Ньютона, церква змушена була відступити. Офіційно ж вона визнала свої помилки і зняла анафему (прокляття) з Коперника та його теорії лише у 1993 році, тобто через 450 років після смерті вченого.

          Теорія Коперника значною мірою визначила шляхи та темпи розвитку як науки так і всієї сучасної цивілізації. Однак ця теорія ще не була тією цілісною системою наукових знань, яка не тільки описує певні події, а й пояснює їх. Адже Коперник по суті лише правильно описав загальний устрій Сонячної системи та констатував той факт, що Земля не є винятковим місцем у Всесвіті. При цьому, його теорія не пояснювала, чому Сонячна система має такий устрій. Не пояснювала, яким чином планети взаємодіють з Сонцем та одна з одною. Не пояснювала, чому траєкторії руху планет є такими якими є. Втім, в часи Коперника відповідь на ці та їм подібні запитання була очевидною: «Тому, що так створив Бог!».

          Створення стрункої, цілісної системи наукових знань про загальний устрій Всесвіту стало можливим лише після того, як Ньютон сформулював базові закони сучасної класичної механіки: принцип відносності, три закони Ньютона та закон всесвітнього тяжіння. Спираючись на ці закони, Ньютон створив першу, дійсно наукову теорію Всесвіту. Тобто таку  цілісну систему знань, яка не лише описувала загальний устрій Всесвіту та Сонячної системи, а й пояснювала, яким чином ця система працює.  

Згідно з Ньютоном, наша Сонячна система є мізерним фрагментом безкінечного, вічного, ізотропного та стаціонарного Всесвіту. Це означає, що ньютонівський Всесвіт є безмежним в просторі та вічним у часі. Що в ньому міститься безкінечно велика кількість зірок та зіркових систем. Що ці зірки усереднено рівномірно розкидані в безмежних просторах Всесвіту. Що ті події, які відбуваються у Всесвіті, не змінюють  ані усереднено рівномірного розподілу матерії в ньому, а ні параметрів його простору, ані монотонності плину часу.

Мал.309. Згідно з Ньютоном, Сонячна система є мізерним фрагментом безкінечного, вічного, ізотропного та стаціонарного Всесвіту.

          З механічної точки зору, ньютонівський Всесвіт нагадував бездоганний годинниковий механізм, об’єкти якого у повній відповідності з законами механіки утворюють дивовижно гармонічну та саморегульовану систему. В цьому механізмі не було місця для гіпотетичних сфер, півсфер, важелів, канатів, тощо. Він не потребував ремінних, зубчатих чи будь яких інших механічних передач. Його основними дійовими особами і виконавцями були закони механіки, сили гравітаційної взаємодії та сили інерції. При цьому, гравітаційні взаємодії не потребували будь яких посередників. Адже у відповідності з поглядами тогочасної науки, ці взаємодії здійснювались безпосередньо через пустоту.

          Створена Ньютоном система світу була дивовижно гармонічною, точною та передбачуваною. Вона не лише з математичною точністю описувала поведінку всіх відомих космічних об’єктів, а й дозволяла робити нові відкриття. Наприклад, існування планети Нептун було спочатку теоретично передбаченим, а лише потім експериментально підтвердженим. При цьому відповідна планета виявилась саме в тому місці Сонячної системи на яку вказувала теорія Ньютона.

          Ясно, що великий Ньютон не міг не замислюватись над споконвічними питаннями: «А як виник Всесвіт? І чому він такий, який є?» Втім для Ньютона, людини безумовно та щиро релігійної, відповідь на ці запитання була очевидною. У своїх знаменитих «Началах натуральної філософії» він писав: «Об’єднання Сонця, планет та комет в цілісну бездоганно гармонічну систему не могло відбутися інакше, як по волі та наміру над могутньої та над розумної істоти». Іншими словами, Ньютон виходив з того, що Всесвіт створено Творцем і що йому (Ньютону) лише вдалося відкрити ті закони, які визначив Творець і згідно з якими відбуваються події у створеному Ним Всесвіті.

          Ньютонівська система Всесвіту достатньо швидко завоювало загальне визначення. Це був той щасливий випадок, коли нова наукова теорія не викликала серйозних заперечень не лише в середовищі широкої наукової громадськості, а й в середовищі служителів культу. Загальному визначенню ньютонівських поглядів на устрій Всесвіту значною мірою сприяло не лише те, що відповідна теорія відрізнялась бездоганною математичною, фізичною та логічною довершеністю, а й те, що Ньютон допускав, ба навіть передбачав, можливість божественного створення світу. І навіть факт того, що в ньютонівському Всесвіті, а ні Земля, ані Сонячна  система не мали виняткового положення, не надто засмучував офіційну церкву. Вона ж бо вже мала прикрий досвід безрезультатної боротьби з науковими істинами.

          Щоправда, один суттєвий недолік, ньютонівський Всесвіт все ж мав. Цей недолік прийнято називати парадоксом Ольберса. В 1826 році німецький астроном Генріх Ольберс (1778–1840) цілком обгрунтовано почав стверджувати, що якби Всесвіт був безкінечним в просторі та часі і якби в ньому містилася безкінечно велика кількість вічних зірок, то нічне небо мало б бути світлим, тобто повністю вкритим зірками. В реальності ж, нічне небо є темним і таким, що містить велику, але обмежену кількість зірок. Звичайно, заперечуючи проти такого твердження завжди можна сказати, що в міжзоряному просторі міститься певне світло поглинаюче середовище (скажімо, космічний пил) і що тому те світло, яке випромінюється наддалекими зірками просто не доходить до Землі. Однак, якщо це так, то постійно поглинаючи світлову енергію, відповідне середовище мало б нагріватись та перетворюватись на самостійне джерело світла.

Мал.310. Якщо у Всесвіті безкінечно велика кількість вічних зірок, то чому нічне небо темне?

          Таким чином, парадокс Ольберса та деякі інші факти вказували на те , що ньютонівська теорія Всесвіту не є останнім словом науки на шляху пізнання істини. І сьогодні ми знаємо, що це дійсно так. Втім, про це останнє слово ми поговоримо в наступних параграфах.

          Контрольні запитання.

1. Які факти вказують на те, що Земля знаходиться в центрі Всесвіту?
2. Яка особливість видимого з Землі руху планет? Як цю особливість пояснив Птоломей?
3. В чому суть теорії Птоломея?
4. Чи мала теорія Птоломея основні ознаки наукової теорії?
5. В чому полягає відносність руху?
6. В чому суть теорії Коперника?
7. Які обставини заважали швидкому та загальному визнанню теорії Коперника?
8. Який устрій Всесвіту у відповідності з теорією Ньютона?
9. В чому суть парадоксу Ольберса?

.

§68. З історії становлення сучасної теорії еволюційного Всесвіту та про філософські аспекти цієї теорії.

          В 1916 році Альберт Ейнштейн опублікував свою знамениту загальну теорію відносності. Теорію, яка кардинально змінила наші уявлення про навколишній світ. Змінила бодай тому, що зробила матерію, рух, простір та час взаємопов’язаними частинами єдиного цілого.

          В тому ж 1916 році, Ейнштейн розпочав роботу над створенням релятивістської теорії Всесвіту. Застосовуючи рівняння загальної теорії відносності, він створив відповідну теоретичну модель Всесвіту. При цьому з’ясувалося, що згідно з рівняннями теорії відносності, Всесвіт не може бути стаціонарним і що він повинен або розширюватись або стискатись, тобто бути динамічним. Аналізуючи дану ситуацію Ейнштейн звернувся до астрономів з єдиним запитанням: «Наш Всесвіт динамічний чи стаціонарний?» І ті переконали його в тому, що Всесвіт стаціонарний і що це безумовно доведений експериментальний факт.

          Зважаючи на ці обставини, Ейнштейн вирішив дещо «підправити» свою теорію. З цією метою він теоретично визначив величину так званого космологічного коефіцієнту, та ввів цей коефіцієнт в систему своїх рівень. Звичайно, Ейнштейн розумів, що даний крок не є безумовно обгрунтованим, і що він по суті руйнує математичну та логічну бездоганність його теорії. Однак довіряючи результатам досліджень астрономічної науки і сприймаючи ці результати як доконаний експериментальний факт, Ейнштейн сподівався на те, що можливо в масштабах макрооб’єктів Всесвіту, суттєво проявляються певні, ще невідомі сили, які в сукупності з силами гравітаційної взаємодії і забезпечують стаціонарність Всесвіту.

Та якби там не було, а фактом є те, що в 1917 році Ейнштейн створив релятивістську теорію стаціонарного Всесвіту. Згідно з цією теорією, наш Всесвіт є стаціонарним, ізотропним (усереднено однорідним у всіх напрямках), вічним та замкнутим. Замкнутим в тому сенсі, що в ньому міститься обмежена кількість об’єктів, гравітаційне поле яких викривляє простір таким чином, що він утворює певну замкнуту трьох вимірну поверхню.

В спрощеному вигляді, ейнштейнівську модель Всесвіту можна представити у вигляді геометричної фігури яка називається тором. Однак потрібно мати на увазі, що ейнштейнівський Всесвіт чотиривимірний, тобто такий в якому тривимірний простір і час утворюють єдину чотиривимірну структуру простір-час. Зобразити, а відповідно і уявити чотиривимірну структуру практично не можливо. Втім, те що не можливо намалювати та уявити, можна представити у вигляді відповідної математичної моделі. Власне таку   модель і створив геніальний Ейнштейн.

 

Мал.311. Згідно з ейнштейнівською релятивістську теорію стаціонарного Всесвіту, наш Всесвіт стаціонарний, ізотропний, вічний і замкнутий.

          Ейнштейнівська теорія стаціонарного Всесвіту практично бездоганно пояснювала всі відомі на той час властивості реального Всесвіту, в тому числі і парадокс Ольберса. Тому здавалося, що ця теорія і є останнім словом науки на шляху пізнання істини.

Однак, в 1929 році американський астроном Едвін Хаббл (1889–1953) аналізуючи спектри віддалених галактик встановим, що всі спектральні лінії того світла яке випромінюють ці галактики зсунуті в сторону червоного випромінювання. А це означало, що ці галактики віддаляються від нашої та одна від одної. Іншими словами, в 1929 році Хаббл експериментально встановив, що наш Всесвіт розширюється і що тому він є не стаціонарним, а динамічним.

Ясно, якби Ейнштейн знав про факт того що Всесвіт розширюється, то без жодних проблем довів би, що згідно з його загальною теорією відносності, Всесвіт і має бути динамічним, тобто таким який в залежності від етапу свого еволюційного розвитку повинен або розширюватись, або стискатись. Однак в свій час він не повірив рівнянням своєї теорії, а довірився так званому «здоровому глузду», тобто загально прийнятим поглядам тогочасної астрономії. І ось результат – створена геніальним Ейнштейном теорія Всесвіту виявилася хибною.

          Звісно, якби з плином часу наука залишалася незмінною, то Ейнштейн неодмінно б виправив свою фатальну помилку. Однак так вже влаштована наука, що її еволюційний розвиток не можуть зупинити жодні авторитети, навіть такі видатні як Ейнштейн. Тому те, що не ризикнув зробити великий Ейнштейн, зробив маловідомий російський фізик Олександр Фрідман (1888–1925). В 1922 році Фрідман, на основі аналізу рівнянь загальної теорії Відносності розробив теоретичну модель динамічного (не стаціонарного) Всесвіту. Згідно з цією моделлю, Всесвіт не може бути стаціонарним і повинен або розширюватись або стискатись. При цьому, в залежності від величини зосередженої в ньому мас-енергії, Всесвіт може бути або відкритим, тобто таким який постійно розширюється, або замкнутим, тобто таким який періодично то розширюється то стискається.

          Ейнштейн не надто схвально сприйняв теорію Фрідмана. Адже ще до Фрідмана, він сам розглядав можливість такого варіанту теорії і відмовився від нього, як такого, що суперечить експериментальним фактам, а точніше – поглядам тогочасної астрономічної науки. Крім цього модель динамічного Всесвіту не подобалася Ейнштейну ще й тому, що з неї з усією очевидністю випливало, що в момент народження Всесвіту, вся його матерія мала б зосереджуватись в безкінечно малому об’ємі. А це навіть для геніального розуму Ейнштейна представлялось неймовірним.

          Можливо є якась невідворотна закономірність в тому, що саме той геніальний вчений, який всупереч «здоровому глузду» та всім авторитетам, створив найвеличнішу теорію сучасності, сам же злякався її передбачень. Злякався головним чином тому, що ці передбачення суперечили «здоровому глузду» та не співпадали з думкою авторитетів від астрономії.

          Та якби там не було, а в 1922 році, у повній відповідності з законами загальної теорії відносності, Олександр Фрідман заклав основи сучасних уявлень про загальний устрій Всесвіту. Згідно з цими уявленнями, ми живемо у Всесвіті, який виник приблизно 13,8 мільярдів років тому, в результаті події, яку прийнято називати Великим Вибухом, і який з тих пір еволюційно розвивається у повній відповідності з відомими законами Природи.

Мал.312. Згідно з сучасними уявленнями, наш Всесвіт виник 13,8 мільярдів років тому в результаті події, яку називають Великим Вибухом, і з тих пір еволюційно розвивається у повній відповідності з відомими законами Природи.

          Про те, як народжувався та еволюційно розвивався наш Всесвіт, ми поговоримо дещо пізніше. Наразі ж, зупинимося на деяких загально філософських аспектах сучасної космології. Зокрема, спробуємо відповісти на ті запитання, якi часто стають предметом різноманітних спекуляцій. Одним з таких запитань є питання про кінечність чи безкінечність Всесвіту.

          Дійсно. Наш Всесвіт, кінечний чи безкінечний? До створення теорії відносності, вчені вважали, що Всесвіт безкінечний. Безкінечний в тому сенсі, що якби космічний корабель відправившись в космічну подорож летів вздовж певної прямої, то його політ тривав би безкінечно довго. При цьому він би ніколи не долетів до кінця Всесвіту.

          Теорія ж відносності та створена на її основі сучасна космологія, стверджують – Всесвіт кінечний і безкінечний одночасно. Пояснюючи суть даного твердження, можна сказати наступне. Візьмемо для прикладу коло, воно кінечне чи безкінечне? З одного боку коло кінечне, адже має певний радіус, певну довжину, певну кількість молекул на цій довжині. З іншого ж боку, коло безкінечне. Адже рухаючись колом, ви не знайдете тієї точки яка була б його початком, кінцем чи центром. Не знайдете тому, що на колі нема ні початку, ні кінця, ні центру, ні краю. Звичайно, у кола є центр, але він знаходиться за межами кола, тому мандруючи колом, ви ніколи не потрапите в його центр.

          Або наприклад куля, а точніше її поверхня – сфера, вона кінечна чи безкінечна? З одного боку сфера кінечна. Адже вона має певний радіус, певну площу поверхні, певний об’єм, певну масу, певну кількість молекул, тощо. З іншого ж боку, сфера безкінечна. Адже рухаючись поверхнею сфери не можливо  відшукати ні її початку, ні її кінця, ні її центру, ні середини, ні краю. Не можливо тому, що у сфери нема ні початку, ні кінця, ні центру, ні краю. Сфера має певний центр, але цей центр знаходиться за межами її поверхні. Тому, з якою б швидкістю, в якому б напрямку і скільки б часу ви не рухалися поверхнею сфери, ви ніколи не опинитесь в її центрі, бо цей центр знаходиться за межами сфери. Ви навіть зможете побачити цей центр, однак ніколи в ньому не опинитесь.

          В певному сенсі наш Всесвіт це та ж сфера, однак така, поверхнею якої є не викривлена двох вимірна площина, а викривлений трьох вимірний простір, а точніше – викривлений чотири вимірний простір-час. Уявити сферу, поверхнею якої є чотири вимірний простір-час, не можливо. Однак. Не важко погодитеся з тим, що умовно кулястий Всесвіт є кінечним і безкінечним одночасно. Кінечним в тому сенсі, що Всесвіт має певні умовні розміри, певну кількість мас-енергії, певну усереднену густину, певну кількість галактик, зірок, планет, елементарних частинок, тощо. В той же час Всесвіт безкінечний. Безкінечний в тому сенсі, що в якому б напрямку, з якою б швидкістю і як довго ви б не мандрували Всесвітом, а не зможете досягти його краю, відшукати його центр, початок чи кінець. Не зможете тому, що Всесвіт безкінечний.

          

Мал.313. В певному сенсі Всесвіт це та ж сфера, однак така, поверхнею якої є не викривлена двох вимірна площина, а викривлений чотири вимірний простір-час.

          Потрібно зауважити, що у Всесвіту як і у кола чи сфери є певний центр. І цей центр знаходиться в точці Великого Вибуху. Однак, ця точка є минулим нашого Всесвіту. А це означає, що перебуваючи в умовах сучасного Всесвіту, потрапити в цю точку принципово не можливо. Щоправда цю точку, а точніше її певні околиці, можна побачити. Адже коли за допомогою сучасних телескопів ми бачимо об’єкти віддалені на 13,2 мільярдів світлових років, то фактично бачимо ці об’єкти такими, якими вони були 13,2 мільярдів років тому. А  збудувавши більш потужні телескопи, ми зможемо побачити і ті події, які відбувалися у Всесвіті на гранично ранніх етапах його еволюції, тобто 13,8 мільярдів років тому. По суті це означає, що побачити близькі околиці центру Всесвіту ми можемо. Однак потрапити чи бодай наблизитись до цих околиць жодна ракета, жодний посланий нами радіосигнал чи фотон світла не зможе. Бо центр нашого Всесвіту, то його минуле, потрапити чи наблизитись до якого принципово не можливо.

          Доречно сказати і про те, що розміри Всесвіту практично не можливо описати тими величинами, які прийнято називати радіусом, об’ємом чи площею поверхні. Адже якщо наприклад, ми говоримо про радіус кулі, то маємо на увазі відстань від центру цієї кулі до її поверхні. Поверхнею ж Всесвіту є чотири вимірний простір – час. А це означає, що по відношенню до Всесвіту, звичні для нас просторові параметри як то радіус, об’єм, площа поверхні, тощо, втрачають сенс. Втім, маючи на увазі вище сказане, можна говорити про те, що певний умовний радіус сучасного Всесвіту близький до 13,8 мільярдів світлових років.

          Ви можете запитати: «А що було до Великого Вибуху, тобто до моменту народження нашого Всесвіту?» Строго кажучи, дане запитання не має наукового сенсу. Не має тому, що ті події, які відбувалися до Великого Вибуху, навіть якщо вони дійсно відбувались і дійсно спричинили цей вибух, залишились там, за межами нашого Всесвіту. Це означає, що в нашому Всесвіті нема і не може бути жодної інформації про те, що було до Великого Вибуху, і тому серйозно обговорювати цю проблему немає сенсу.

          По суті про те, що було до Великого Вибуху, можна говорити все що завгодно. При цьому, жодне з цих висловлювань принципово не можливо, ні підтвердити, ні спростувати. Наприклад, можна стверджувати, що Великий Вибух зініціював Творець (Бог). Що саме він, Творець, визначив (предначертав)  загальні параметри нашого Всесвіту та ті закони, згідно з якими цей Всесвіт еволюційно розвивається. Наука не буде заперечувати проти такого твердження. Єдине на чому буде наполягати наука, так це на тому, що з моменту Великого Вибуху наш Всесвіт живе за певними об’єктивними законами і що змінити ці закони не може «ні Бог, ні цар, ні герой».

          Втім, у науки є своя версія тих подій, які передували Великому Вибуху. Більшість вчених вважає, що раніше, тобто до Великого Вибуху, існував інший Всесвіт, життєвий цикл якого завершився тим, що цей Всесвіт сколапсував в безрозмірний та безструктурний згусток матерія-рух-простір-час, який прийнято називати сингулярністю. Власне, з цієї сингулярності і виник наш Всесвіт. При  цьому ми не можемо з впевненістю сказати, яким був той, попередній Всесвіт і чи був він взагалі. Не можемо сказати, за якими законами він існував і чи були ці закони схожими на ті, що діють в нашому Всесвіті. Ми можемо лише припускати, що той попередній Всесвіт був схожим на наш і що він існував за тими ж законами, що і наш. Єдине про що ми можемо сказати з впевненістю, так це про те, що в момент Великого Вибуху виник новий Всесвіт, з своїми параметрами та законами, і що з тих пір він еволюційно розвивається у повній відповідності з цими параметрами і законами.

Мал.314. Більшість вчених вважає, що до Великого Вибуху був інший Всесвіт, який прожив своє життя і з якого виник наш Всесвіт. Однак довести істинність цього твердження не можливо. 

          Більш конкретну відповідь про до минуле нашого Всесвіту, наука дасть після того, як однозначно визначиться з його майбутнім. А це майбутнє визначальним чином залежить від кількості мас-енергії у Всесвіті. За сучасними ж даними ця кількість близька до критичної. А це означає, що Всесвіт може бути як відкритим, тобто таким, що безмежно і вічно розширюється, так і замкнутим, тобто таким розширення якого рано чи пізно зміниться стисненням, яке завершиться новою сингулярністю з якої виникне новий Всесвіт.

Втім, враховуючи факт існування нашого Всесвіту, факт його народження та еволюційного розвитку, факт гармонічної повторюваності тих процесів які в ньому відбуваються, можна майже з впевненістю передбачити, що наш Всесвіт замкнутий і що рано чи пізно він перетвориться в ту сингулярність з якої виникне новий Всесвіт і почнеться нова історія.

Мал.315. Скоріш за все наш Всесвіт замкнутий, тобто такий який розвивається по певному еволюційному колу.

          Ще одним загально-філософським запитанням, яке часто стає предметом різноманітних спекуляцій, є питання про те, а що знаходиться за межами нашого Всесвіту, та чи існують інші світи? Відповідь на це запитання нерозривно пов’язана з питанням про кінечність і безкінечність Всесвіту. Адже якби наш Всесвіт був кінечним, тобто таким який має певну межу, то досягнувши цієї межі, можна було б зазирнути за цю межу і подивитись на те, а що ж знаходиться за нею.

          Однак правда життя полягає в тому, що у Всесвіту немає тієї межі, зазирнувши за яку можна було б побачити що знаходиться за нею. Це означає, що питання про те, що знаходиться за межами нашого Всесвіту не має наукового сенсу. Не має по перше тому, що досягнути меж Всесвіту і заглянути за ці межі, принципово не можливо. А по друге, навіть якщо за межами нашого Всесвіту й існують інші світи, то їх наявність чи відсутність жодним чином не може вплинути на ті події які відбувалися, відбуваються чи будуть відбуватися у нашому Всесвіті. У всякому разі нема жодного, підкреслюю жодного факту який би вказував на наявність подібного впливу.

А якщо ви чули (а ви напевно чули), що якісь розумники розповідають про різноманітні просторово-часові тунелі, дірки і нори, через які буцімто можна потрапити в інші світи та паралельні мири, знайте – це повна маячня. Маячня, яка не має жодного відношення ні до науки, ні до реальності.

Якщо ж мова йде про наукові погляди на те, що може знаходитися за межами нашого Всесвіту, то вчені не мають єдиної думки з цього питання. Та якою не була б ця думка, а фактом є те, що експериментально перевірити її достовірність чи хибність принципово не можливо. Тому розповідаючи про те, що знаходиться за межами нашого Всесвіту, можна припустити все, що завгодно. Однак, це будуть лише наші припущення та фантазії. Але якщо ці фантазії претендують на роль наукової теорії, ба навіть наукової гіпотези і в той же час допускають подорожі з одного Всесвіту в інший, знайте, подібні фантазії не мають нічого спільного з наукою.

Мал.316. Якщо за межами нашого Всесвіту й існують інші світи, то їх наявність чи відсутність жодним чином не може вплинути на ті події які відбувалися, відбуваються чи будуть відбуватися у нашому Всесвіті.

          Погляди сучасної науки на загальний устрій Всесвіту, а особливо що стосується ранніх етапів його еволюції, настільки парадоксальні, настільки незвичні, що мимоволі виникають сумніви в достовірності того про що говорить наука. Тому буде не зайвим нагадати про те, як влаштована наука і чому розумні люди вірять в достовірність її тверджень.

А наука влаштована таким чином, що всі її твердження в точності відповідають дійсності. По суті це означає, що всі передбачення науки в точності збуваються.  Збуваються не в 50%, не в 90%, і навіть не в 99,999%, а  всі і в точності. Адже наука стоїть на тому, що будь яке її твердження, будь яку її теорію чи будь який закон може спростувати (перекреслити) лише один експериментальний факт який суперечить відповідному твердженню, теорії чи закону. Скажімо наука наводить мільйон, мільярд, трильйон доказів того, що закон збереження енергії виконується. Натомість, хтось заявляє: «А я не вірю…».  Нема проблем – каже наука. Наведіть один експериментальний факт, який суперечить закону збереження енергії і я погоджусь з тим, що цей закон не є достовірним. Ні…, ні…, заради бога…, будь ласка…, не розказуйте про паралельні світи, тахіонні потоки, засекреченість сакральної інформації та надприродні можливості енергетичних наносутносте. Ви просто наведіть один єдиний експериментальний факт який суперечить закону збереження енергії. От і все. 

          Ви не вірите, що в будь якій  інерціальній системі відліку, тобто такій системі де виконується перший закон Ньютона, жодний фізичний об’єкт не може рухатися з швидкістю більшою за 3·10⁸м/с? То які проблеми? Наведіть один єдиний доказ того що такий об’єкт існує і наука визнає, що теорія відносності є хибною. Ви не вірите в те, що відкриті на Землі закони фізики, хімії і біології діють у всіх найвіддаленіших куточках Всесвіту? То наведіть бодай один експериментальний факт який суперечить принципу відносності і наука погодиться з тим, що в різних місцях Всесвіту закони Природи можуть бути різними і що тому будь-яка маячня про паралельні та астральні  світи, про тахіонні та плазмоїдні цивілізації, а за одно і про інші інтелектуальні галюцинації є правдивою. Ви вірите в паралельні світи та в ті просторово часові портали через які представники позаземних цивілізацій шастають туди-сюди, то наведіть бодай один реальний факт який підтверджує вашу віру і наука визнає, що відповідне явище існує і приєднається до вашої віри.

          А якщо у відповідь на тисячі, мільйони, мільярди доказів, ви не будучи спроможним навести бодай один доказ своєї правоти, продовжуєте белькотати оте нікчемне «а Я не вірю», то вибачте, але який же ви «homo sapiens».

          Контрольні запитання.

1. У відповідності з ейнштейнівською теорією Всесвіту, наш Всесвіт стаціонарний, ізотропний, вічний та замкнутий. Що це означає?
2. Яку помилку зробив Ейнштейн створюючи загальну теорію Всесвіту?
3. Що і коли експериментально встановив Хаббл?
4. Чому після відкриття Хаббла, Ейнштейн не зміг виправити свою помилку?
5. В чому суть теорії Великого Вибуху?
6. Що означає твердження: «Всесвіт кінечний і безкінечний одночасно»?
7. Чи є у Всесвіту центр. Чи можна потрапити в центр Всесвіту?
8. Яка думка науки про те, що було до Великого Вибуху? Чи можна довести правильність цієї думки?
9. Чому питання про те, що знаходиться за межами Всесвіту, не має наукового сенсу?
10. Чому твердженням науки можна і треба вірити?

.

§69. Основи сучасної теорії еволюційного Всесвіту (теорії Великого Вибуху).

          В 20-х, 30-х, 40-х, 50-х роках минулого століття, на основі теорії відносності та квантової фізики, зусиллями багатьох видатних вчених була розроблена сучасна теорія еволюційного Всесвіту, яку часто називають теорією Великого Вибуху. В цій теорії стверджується, що наш Всесвіт виник 13,8 мільярдів років тому, в результаті так званого Великого Вибуху і що з тих пір він еволюційно розвивається у повній відповідності з відомими законами Природи.

Це означає, що 13,8 мільярдів років тому, увесь наш Всесвіт був зосередженим в одній безкінечно малій, особливій точці, яку прийнято називати сингулярністю (від лат. singularis – особливий). В певний момент, ця сингулярність під дією надпотужної суперсили почала надзвичайно швидко (вибухоподібно) розширюватися, і в процесі цього розширення поступово набирати сучасного вигляду. При цьому, сучасна наука може теоретично описати хід тих подій, які відбувались у Всесвіті, починаючим з 10^–43 секунди від моменту початку процесу його народження. А починаючи з 10^–12 секунди – не лише теоретично описати, а й надати експериментальні докази того, що ці події відбувались саме так.

Мал.317. Наш Всесвіт виник 13,8 мільярдів років тому, в результаті події яку прийнято називати Великим Вибухом.

          Не важко передбачити, що першим враженням пересічної людини стосовно вище сказаного, буде слово «маячня». Адже як це може бути, щоб увесь наш Всесвіт, з усіма мільярдами його галактик, зірок і планет, був зосередженим в одній безкінечно малій, ба навіть дуже особливій, точці? Як це може бути, щоб історію цієї точки можна обгрунтовано описати, починаючи з 10^–43 секунди від моменту її народження? А починаючи з 10^–12 секунди, не просто описати, а й навести експериментальні докази того, що ця історія є правдивою? Що ж, давайте бодай в декількох словах пояснимо суть цієї наукової маячні.

          Нам важко, а точніше не можливо уявити, щоб нашу Землю з усіма її морями, океанами, материками, горами та внутрішнім наповненням, можна було б стиснути до розмірів яблука, чи скажімо, атомного ядра. Важко тому, що на Землі не існує таких пресів, які б могли мегатонну гранітну брилу стиснути до розмірів піщинка. Однак, з факту того, що на Землі таких пресів не існує, зовсім не випливає, що їх не існує взагалі. Бо в Природі подібні «преси» існують. І у Всесвіті зустрічаються такі об’єкти, речовина яких ущільнена до мільярдів тон на сантиметр кубічний. Скажімо, порівняно з щільністю речовини нейтронної зірки ( =10¹²кг/см³) навіть найщільніші земні матеріали будь-то граніт ( =0,003кг/см³), сталь( =0,008 кг/см³ чи  платина ( =0,021 кг/см³), виглядають практично пустими. А між іншим, у Всесвіті можна відшукати об’єкти щільність матеріалу яких така величезна, що порівняно з нею сама нейтронна зірка виглядає майже пустою.

          Якщо ви знаєте загальний устрій речовини та розумієте суть того, що називається елементарними частинками, то напевно погодитесь з тим, що речовинні об’єкти можна ущільнювати. Дійсно. Якими б густими та твердими не здавались граніт, сталь, алмаз чи платина, а всі вони складаються з атомів. А як відомо, атоми складаються з ядра та мізерних електронів. При цьому діаметр атомного ядра (2·10^–15 м) менший за діаметр самого атома(2·10^–10 м) у 10⁵ разів. А це означає, що об’єм атомного ядра в (10⁵)³ = 10¹⁵ разів менший за об’єм атома. Іншими словами, атом на 99,99999999999% складається з пустоти, точніше з енергетично збуреного простору.

          Схожа ситуація і з будовою атомного ядра. Об’єкту, який складається з протонів і нейтронів, які знаходяться в потужному мезонному полі, а по суті в енергетично збуреному просторі. Власне і самі елементарні частинки, будь то електрони, мезони, протони, нейтрони чи нейтріно, представляють собою певні обособлені згустки енергетично збуреного простору (пустоти).

 

Мал.318. Не буде перебільшенням сказати, що всі речовинні об’єкти Всесвіту складаються з частинок, які є певними енергетичними збуреннями простору.

          Таким чином, ті матеріальні об’єкти, які прийнято називати речовинами, по суті представляють собою певні згустки енергетично збуреної пустоти (простору). Тому, коли ми стверджуємо, що Землю, Сонце, Галактику, чи навіть Всесвіт можна ущільнити до розмірів атомного ядра, то нема жодних принципових обмежень щодо такого ущільнення. Питання лише в наявності відповідної сили. А за певних умов в Природі такі сили виникають.

          Тепер, що стосується тих мізерно малих значень просторово-часових параметрів, якими оперують вчені, описуючи ті події, що відбувалися у Всесвіті на гранично ранніх етапах його еволюції. Коли ми стверджуємо, що перші три епохи історії Всесвіту промайнули за 10^–5 секунди, і що за цей час розміри Всесвіту збільшилися від розмірів сучасного електрона до розмірів сучасної Землі, то описуємо цю історію з точки зору «зовнішнього»,  спостерігача. Тобто того спостерігача, який знаходиться за межами Всесвіту що народжується і маючи сучасні вимірювальні засоби, описує ті події, що в ньому (Всесвіті) відбуваються.

Однак, якби ті ж події ми описали з точки зору «внутрішнього» спостерігача, тобто того спостерігача, який знаходиться в середині Всесвіту що народжується, то просторово-часові параметри цих подій були б абсолютного іншими. Іншими тому, що згідно з законами загальної теорії відносності, параметри простору і часу певним чином залежать від кількості тієї мас-енергії, що зосереджена у відповідному місці. А оскільки, на ранніх етапах еволюції Всесвіту, густина його мас-енергії була фантастично великою, то й відповідно іншими були параметри простору та часу.

          А це означає, що кожна з тих епох, тривалість яких ми позначаємо неймовіро мізерними проміжками часу, на кшталт від 10^–43с до 10^–23с, від 10^–23с до 10^–5с, в реальності Всесвіту що народжувався, тривали мільярди років. Це означає, що з точки зору того спостерігача який би знаходився в середині Всесвіту що народжується, розміри Всесвіту були б не співрозмірними з розмірами атомного ядра, атома, м’яча чи Землі, а на всіх етапах його еволюції були безмежно великими. Просто той ранній Всесвіт був надзвичайно густим, надзвичайно гарячим і взагалі абсолютно не схожим на той, який ми бачимо сьогодні.

          Таким чином, аналізуючи просторово часові параметри раннього Всесвіту, ви маєте розуміти, що ці параметри відповідають погляду того «стороннього» спостерігача, який будучи частиною сучасного Всесвіту та маючи сучасні вимірювальні прилади описує параметри раннього Всесвіту. Якщо ж ті ж параметри описати з точки зору того «внутрішнього» спостерігача який є частиною раннього Всесвіту та має йому відповідні прилади, то з’ясується, що тривалість кожної з ранніх епох вимірюється мільярдами років, і що в кожну епоху Всесвіт був безкінечно великим. Просто в кожну ранню епоху, Всесвіт був різним і зовсім не схожим на його сучасний вигляд. 

          Ще одним надважливим емоційно психологічним чинником, який заважає адекватному сприйняттю тверджень теорії Великого Вибуху, є наше суб’єктивно неточне розуміння суті того, що називається часом і простором. Адже зазвичай, ми уявляємо час як щось вічне, безперервне, яке існує само пособі і плин якого не залежить ні від чого іншого,  як тільки від самого себе. Однак, напевно ви погодитесь з тим, що поняття «час» нерозривно пов’язане з тими чи іншими подіями. Бо коли ми говоримо про час, то маємо на увазі тривалість певних подій, тривалість тих проміжків які відділяють одні події від інших, тривалість тих проміжків які характеризують послідовність подій тощо. Зважаючи на ці обставини, маємо визнати, що без подій, без тих чи інших процесів які відбуваються у Всесвіті загалом і в кожному його коточку зокрема, слово «час», нічого не означає. Неупереджений аналіз показує, що не існує часу самого по собі, а є події які мають певну тривалість та певну послідовність. Позначаючи цю тривалість та послідовність, ми і говоримо про час.

          Не менш суб’єктивними та упередженими є і наші уявлення про простір, який ми уявляємо як певну незмінну, безкінечну, безструктурну, вічну пустоту, в якій знаходяться різні тіла та відбуваються різноманітні події. Ми схильні вважати, що ця вічна та незмінна пустота існує сама по собі, і що її параметри не залежать від тих об’єктів які в ній знаходяться, та тих подій які в ній відбуваються. Однак, якщо ви неупереджено проаналізуєте відомі факти, то напевно погодитесь з тим, що в Природі не існує тієї пустоти яку б можна було назвати чистим простором. Більше того, таку пустоту не можливо створити навіть штучно. Адже навіть там, де нема жодного атома і жодної елементарної частинки, простір неминуче наповнений безліччю матеріальних об’єктів, які називаються полями. По суті це означає, що поняття «простір», без тих об’єктів які в ньому знаходяться та тих подій які в ньому відбуваються, не має сенсу.

          Сучасна наука безумовно доводить, що час, простір, матерія і рух (події), це невід’ємні взаємопов’язані складові єдиного цілого. Що матерія у вигляді речовини в певних співвідношеннях може перетворюватись в матерію у вигляді поля (збуреного простору) і навпаки. Що параметри матерії, простору та часу, певним чином залежать від параметрів руху. Що параметри руху, часу та простору, певним чином залежать від параметрів матерії. Що простір і час, це єдине чотиривимірне ціле простір–час. Іншими словами, сучасна наука з усією очевидністю доводить, що Всесвіт – це єдиний цілісний організм, в якому все діалектично взаємопов’язано та взаємообумовлено.

Сучасна наука стверджує, що в так звану допланківську епоху еволюції Всесвіту, тобто в проміжку від нуля до 10^–43секунди, час, простір, матерія і рух, представляли собою єдину мас-енергетичну сутність, в якій не було жодних відмінностей між тим, що сьогодні називають простором, часом, матерією та рухом (подіями). Тому Великий Вибух потрібно розглядати не як певний надпотужний вибух надгустої речовини, що відбувся у вже існуючому просторі і часі. А як подію, в процесі якої виникло те, що сьогодні прийнято називати матерією, рухом, простором і часом.

          Зважаючи на вище сказане, та не надто переймаючись числовими значеннями просторово-часових параметрів раннього Всесвіту, повернемося до теорії Великого Вибуху, та гранично стисло і максимально спрощено опишемо ті події, що відбувалися у Всесвіті з моменту його народження. Отже, сучасна Книга Буття починається словами: «Спочатку був Великий Вибух…»

Мал.319. Стисла історія нашого Всесвіту.

          Перший етап еволюційного розвитку Всесвіту, який тривав з початку Великого Вибуху (0с) до 10^–43с називають допланківською епохою. Сучасна наука не дозволяє обгрунтовано описати ті події, які відбувалися в цей період. Тому просто зауважимо, що в допланківську епоху, те що ми називаємо матерією, рухом, простором та часом нашого Всесвіту, було зосереджено в безкінечно малому об’ємі і представляло собою те, що прийнято називати сингулярністю.

          Теоретичні дослідження показують, що відомі фізичні закони починають проявлятися через 10^–43с після початку Великого Вибуху. З цього моменту наука може доказово описати ті події, які відбувалися у Всесвіті. При цьому, період з 10^–43с до 10^–23с зазвичай називають квантовою епохою.

Сьогодні нема єдиної думки з приводу того, що відбувалось в цю космічну епоху. Відомо лише те, що на початку квантової ери Всесвіт представляв собою згусток мас-енергії, в якому матерія, рух простір та час утворювали єдине ціле, поведінка якого визначалась єдиною супер взаємодією (супер силою). В процесі ж тих подій, які відбувалися в квантову епоху почали суттєво проявлятися певні відмінності між простором, часом, матерією та рухом. А єдина супер взаємодія поступово розпалася на відомі нам фундаментальні взаємодії: гравітаційні, електромагнітні, сильні та слабкі.

          Квантову епоху змінила епоха важких частинок – адронів. В адронну епоху (10^–23с – 10^–5с) Всесвіт представляв собою бурхливу високотемпературну мас-енергетичну суміш, в якій з надпотужних квантів енергії (фотонного випромінювання) постійно утворювались важкі частинки та їх античастинки: спочатку надважкі, потім важкі і нарешті такі, як протони, нейтрони та мезони. Паралельно з цим, частинки та античастинки взаємодіючи між собою анігілювали, тобто знову перетворювались на відповідні фотони. В адронну епоху, в результаті цих двох процесів (утворення частинок та їх анігіляція) фотонне випромінювання та адронна речовина знаходились в стані динамічної рівноваги. Однак коли температура Всесвіту знизилась до 10¹²К, перетворення фотонів в адрони припинилося. Припинилось тому, що в процесі розширення Всесвіту, зменшується не лише його усереднена густина та температура, а й енергетичні параметри тих коливань простору, які називаються фотонами. Адже в процесі розширення Всесвіту, а відповідно і його простору, довжина хвилі тих електромагнітних коливань які називаються фотонами, збільшується (λ↑), а їх енергія – зменшується (Е = hc/  ).

          Таким чином, в кінці адронної епохи, коли температура Всесвіту була близькою до 10¹²К, утворення важких частинок та античастинок припинилось. Анігіляція ж цих частинок продовжувалась. В такій ситуації кількість адронів у Всесвіті швидко зменшувалась.

          Ясно, якби наш Всесвіт був ідеально симетричним, тобто таким, в якому всі прямі та зворотні процеси відбуваються абсолютно однаково, то частинки і античастинки з’являлись та зникали б лише попарно. А це означає, що всі генеровані в адронну епоху протони, нейтрони, мезони та їх античастинки неминуче б анігілювали. При цьому, Всесвіт представляв би собою згусток енергетичних коливань простору, тобто був би таким, в якому б не було ні галактик, ні зірок, ні атомів, ні нас з вами. І якщо в нашому Всесвіті такі об’єкти все ж існують, то це тільки тому, що в ньому деякі, на перший погляд не надто важливі явища, мають слабку асиметрію. Власне, завдяки цим асиметричним явищам в епоху адронів та наступну за нею епоху лептонів, певна кількість античастинок (приблизно кожна мільярдна) зникали не в результаті анігіляції, а в результаті інших процесів. При цьому, кожна мільярдна  частинка залишалась без пари (без відповідної античастинки) і тому не анігілювала. З цих безпарних частинок і складаються практично всі речовинні об’єкти нашого Всесвіту.

          Приблизно з 10^–5с, адронна епоха почала змінюватися епохою легких частинок – лептонів. В лептонну епоху (10^–5с – 10с) з тих «охолоджених» фотонів, які вже не могли перетворюватись на важкі та енергоємні адрони, почали «конденсуватись» більш легкі частинки – лептони (головним чином електрони, позитрони та різноманітні мюони). В цю епоху фотонне випромінювання та лептонна речовина знаходились в стані динамічної рівноваги. Однак, коли температура Всесвіту знизилась до 10¹⁰ К «конденсація» електрон-позитронних пар припинилась. І в подальшому переважна більшість цих пар анігілювала. Залишилисья лише ті електрони, позитронні  пари яких зникли не в результаті анігіляції, а завдяки іншим процесам.

          В лептонну епоху відбулася одна суттєва подія. Приблизно на 0,2 секунді від початку Великого Вибуху, коли температура Всесвіту становила 2·10¹⁰ К, взаємодія нейтріно з частинками речовини, практично припинилась, і їх подальша доля перестала залежати від долі речовинної частини Всесвіту. По суті це означає, що наш сучасний Всесвіт має бути рівномірно заповнений тими реліктовими нейтріно, які виникли на 0,2 секунді його життя. При цьому, розрахунки показують, що на сьогоднішній день енергетичні параметри цих реліктових нейтріно (а по суті певних коливань простору) мають відповідати температурі 2К.

          Приблизно на десятій секунді свого життя, Всесвіт вступив в епоху випромінювання (10с – 10⁶ років). В цю епоху протони, нейтрони та електрони постійно обмінюючись фотонами, утворювали цілісну, динамічно зрівноважену систему. В епоху випромінювання відбулася одна важлива подія. Приблизно через три хвилини від початку Великого Вибуху, коли температура Всесвіту становила 10⁹К, взаємодіючі протони та нейтрони почали об’єднуватися в α-частинки (ядра атомів гелію). При цьому за 200 хвилин близько 25% речовини було сконденсовано в ці частинки.

          Епоха випромінювання тривала близько одного мільйона років і закінчилась тим, що коли  Всесвіт охолонув до 4∙10³ К, наявні атомні ядра та електрони почали об’єднуватися у відповідні атоми (атоми водню та гелію). Ті ж фотони, які забезпечували взаємодію цих частинок, стали вільними, тобто такими, подальша доля яких не залежала від долі речовинної частини Всесвіту. А це означає, що наш сучасний Всесвіт має бути рівномірно заповненим тими реліктовими фотонами (а фактично – електромагнітними коливаннями простору), які виникли наприкінці епохи випромінювання. При цьому, розрахунки показують, що на сьогоднішній день енергетичні параметри цих реліктових фотонів мають відповідати температурі 3К.

          Після того, як реліктові фотони стали незалежними від речовинної частини Всесвіту, на зміну епосі випромінювання прийшла сучасна епоха – епоха речовини (10⁶р – 13,8∙10⁹р…). На початковій стадії цієї епохи, Всесвіт представляв собою усереднено однорідну, гарячу, бурхливу суміш реліктових нейтріно, фотонів та частинок речовини, головним чином атомів водню, гелію, їх іонів та електронів. Однак, поступово сили гравітаційної взаємодії та наявні вихрові збурення, розірвали Всесвіт на величезні шматки речовини, які стали основою майбутніх галактик

          Одночасно з цим і під дією тих же силових факторів протогалактичні хмари розривались на значно дрібніші шматки речовини – протозоряні хмари. З цих хмар поступово формувались відповідні зірки. Втім, про те, як народжуються, живуть, старіють та помирають зірки, ми поговоримо дещо пізніше. Наразі ж зауважимо, що приблизно через мільярд років від моменту народження, наш Всесвіт почав набувати сучасного вигляду. Зауважимо також, що в залежності від загальної маси, швидкості обертання та деяких інших обставин, доля протогалактичних хмар могла бути різною. Власне тому у Всесвіті існує величезне різноманіття галактик та тих об’єктів, що є похідними від них.

          Якщо ж говорити про подальшу долю Всесвіту, то згідно з теорією Великого Вибуху, вона залежатиме від загальної кількості тієї мас-енергії, що в ньому зосереджена. При цьому, в залежності від цієї кількості, Всесвіт може бути як відкритим, тобто таким , що постійно розширюється, так і замкнутим, тобто таким, розширення якого рано чи пізно зміниться його стисканням. І за сучасними даними реальна маса Всесвіту близька до критичної. Якою ж вона є насправді, покаже майбутнє.

          Узагальнюючи вище сказане, історію Всесвіту можна представити у вигляді наступної  таблиці.

Епоха	Основні події	Характеристики     t(c)        T(K)  ρ(кг/м3)
Допланківська епоха	Всесвіт – згусток мас-енергії, для якого поняття простір, час, матерія, рух – не мають сенсу	? 10–43	? 1032	? 1097
Квантова епоха	Суттєво проявляються відмінності між простором, часом, матерією та рухом. З єдиної супервзаємодії виникають гравітаційні, сильні та електрослабкі взаємодії.	10–23	1021	1045
Адронна епоха	Конденсуються адрони (протони, нейтрони, мезони та їх античастинки). Всесвіт- динамічно зрівноважена суміш фотонів та адронів.	10–5	1012	1029
Лептонна епоха	Конденсуються лептони (електрони, позитрони, мюони та анти мюони). Всесвіт- динамічно зрівноважена суміш фотонів, лептонів  та адронів. Відокремлюються нейтріно.	10	1010	107
Епоха Випромінювання	Всесвіт – динамічно зрівноважена  суміш протонів, нейтронів, електронів та фотонів. Конденсуються   α-частинки. Утворюються атоми водню(75%) та гелію(25%). Відокремлюються фотони.	106р.	4∙103	10–18
Епоха речовини	Формуються галактики і зірки. Еволюційний розвиток зірок забезпечує сучасне різноманіття Всесвіту.	14∙109	2,7	10–27

          Контрольні запитання

1. Що стверджується в теорії Великого Вибуху?
2. Чому нам важко погодитись з тим, що теорія Великого Вибуху є правильною?
3. Знаючи будову речовини наведіть докази того, що всі матеріальні об’єкти по суті є певними згустками енергетично збуреного простору (пустоти).
4. Коли ми стверджуємо, що допланківська, квантова, адронна та лептонна епохи промайнули за 10 секунд, то що це означає?
5. Що означає твердження: Великий Вибух потрібно розглядати не як певний надпотужний вибух, що відбувся у вже існуючому просторі і часі, а як подію в процесі якої виникло те, що сьогодні називають матерією, рухом, простором і часом.
6. Що представляв собою Всесвіт в квантову епоху?
7. Що представляв собою Всесвіт в адронну епоху?
8. Які події відбувалися в лептонну епоху?
9. Яка подія відбулася у Всесвіті на 0,2 секунді його життя?
10. Наслідком яких подій була поява так званих реліктових фотонів?

.

§70. Про докази достовірності сучасної теорії еволюційного Всесвіту.

          Наука влаштована таким чином, що в ній правильність чи не правильність теорії визначається не авторитетом того хто створив теорію, не тим подобається нам ця теорія чи не подобається, розуміємо ми її чи не розуміємо. В науці процедура встановлення факту достовірності чи не достовірності теорії є строго визначеною та перевіреною тисячолітньою практикою. І ця процедура полягає в тому, що відповідна теорія повинна вміти робити точні кількісні передбачення, експериментальна перевірка яких і є підставою для підтвердження чи спростування теорії. 

          Обгрунтовуючи достовірність теорії Великого Вибуху, гранично стисло згадаємо лише найвідоміші з її наукових передбачень, та результати відповідних експериментальних досліджень.

          1922 рік. Російський фізик Олександр Фрідман, на основі аналізу рівнянь теорії відносності, робить висновок про те, що Всесвіт не може бути стаціонарним і що він повинен або розширюватись, або стискатись. Ніхто не вірить.

          1929 рік. Американський астроном Едвін Хаббл на основі аналізу спектрів далеких галактик експериментально доводить, що наш Всесвіт розширюється.

          1948 рік. Американський фізик Георгій Гамов на основі аналізу теорії Великого Вибуху, робить висновок про те, що наприкінці епохи випромінювання при температурі близькій до 4000К наявні у Всесвіті атомні ядра та електрони почали об’єднуватись у відповідні атоми. І що тому, ті фотони які раніше забезпечували взаємодію заряджених частинок, стали вільними, тобто такими, подальша доля яких не залежить від долі речовинної частини Всесвіту. При цьому, розрахунки показували, що на сьогоднішній день енергетичні параметри реліктових фотонів мають відповідати температурі 3К.

 

Мал.320. В процесі розширення Всесвіту, збільшувалась і довжина хвилі реліктових фотонів.

          1968 рік. Американські фізики Роберт Вільсон та Арно Пензіас, досліджуючи космічний простір, безумовно доводять, що Всесвіт рівномірно заповнений електромагнітним випромінюванням (фотонами) енергетичні параметри якого відповідають температурі 3К.

          1948 рік. Георгій Гамов на основі аналізу теорії Великого Вибуху робить висновок про те, що в епоху випромінювання, при температурі близькій до 10⁹К взаємодіючі протони та нейтрони почали об’єднуватись в α-частинки (ядра атома гелію) і що при цьому близько 25% речовинної частини Всесвіту було сконцентровано в ці частинки. Сучасні експериментальні дослідження повністю підтверджують дане передбачення теорії.

          Далі. Теорія Великого Вибуху стверджує, що Всесвіт усереднено ізотропний, тобто такий в якому розподіл мас-енергії (речовини) в усіх напрямках усереднено однаковий. Наукові дослідження повністю підтверджують це передбачення теорії.

          Далі. Теорія Великого Вибуху стверджує, що зірки народжуються, живуть, старіють і помирають. При цьому тривалість активного життя зірки, тобто того проміжку часу протягом якого в її надрах відбуваються екзотермічні термоядерні реакції, визначальним чином залежить від маси зірки, чим більша маса, тим менша тривалість життя. Теорія стверджує, що активний життєвий цикл зірки закінчується тим, що вона перетворюється на відповідний червоний гігант, який в залежності від його маси, або поступово перетворюється на так звану планетарну туманність, або з неймовірною силою вибухає, спалахуючи у вигляді так званої наднової зірки. При цьому на місці планетарної туманності залишається розжарене ядро зірки яке називається білим карликом, а на місці наднової, в залежності від її маси, залишається маленька надмасивна нейтронна зірка, або ще менша і ще масивніша чорна діра. (Про деталі теорії еволюції зірок, яка є складовою частиною теорії Великого Вибуху ми поговоримо в одному з наступних параграфів). Експериментальні дослідження повністю  підтверджують ці передбачення теорії.

Мал.321. Теорія Великого Вибуху стверджує, що зірки народжуються, живуть, старіють та помирають і що в залежності від маси, цикл активного життя зірки закінчується білим карликом, нейтронною зіркою, або чорною дірою.

          Далі. Сучасні телескопи дозволяють бачити та досліджувати космічні об’єкти віддалені від нас на відстань до 13,2∙10⁹ світлових років. А це означає, що сьогодні ми можемо бачити певні фрагменти Всесвіту такими, якими вони були 13, 12, 11, 10, 9, 8….. мільярдів років тому. При цьому, те що ми бачимо в точності підтверджує передбачення теорії.

Мал.322. Сьогодні, сучасні засоби астрономічних досліджень дозволяють побачити Всесвіт таким, яким він був 13,2∙10⁹ років тому.

          Далі. Аналіз наявних у Всесвіті реліктових випромінювань, дозволяє зробити висновок про те, що ті події які відбувались у Всесвіті на самих ранніх етапах його еволюції (впритул до 300 000 років після Великого Вибуху), відбувались у повній відповідності з передбаченнями теорії Великого вибуху. 

          Далі. Сучасні прискорювачі елементарних частинок дозволяють в мікро масштабах відтворити ті події, що відбувалися у Всесвіті впритул до 10^–12с  від моменту Великого Вибуху, тобто в епоху випромінювання, лептонну епоху та частково адронну епоху. При цьому, результати експериментальних досліджень повністю підтверджують передбачення теорії.

          Ці та інші експериментальних фактів безумовно вказують на те (а точніше безумовно доводять), що теорія Великого Вибуху є правильною. Звичайно, Всесвіт це неймовірно складний організм, в якому за різних обставин можуть відбуватись і відбуваються найрізноманітніші події. І описати все різноманіття та всі нюанси цих подій практично не можливо. Власне теорія Великого Вибуху і не намагається це зробити. Вона лише описує загальну картину минулого, теперішнього і майбутнього нашого Всесвіту. А оскільки, на сьогоднішній день значна частина параметрів Всесвіту є невідомою, або наближено відомою, то відповідна картина подій є лише наближено правильною. А це означає, що по мірі уточнення параметрів Всесвіту, певні цифри і навіть певні фрагменти сучасного варіанту теорії Великого Вибуху можуть суттєво уточнюватися. Однак, будь які з цих уточнень не зможуть змінити базового твердження теорії Великого Вибуху. А це твердження полягає в тому, що Всесвіт це єдиний цілісний організм, який еволюційно розвивається у повній відповідності з певними законами Природи.

          Ви можете запитати: «А чи існують такі передбачення теорії Великого Вибуху, які ще не мають експериментального підтвердження?» Так, існують. Про одне з них ми вже говорили. Нагадуємо. В теорії Великого Вибуху стверджується, що в лептонну епоху, приблизно на 0,2 секунди від початку Великого Вибуху, взаємодія нейтріно з речовиною припинилась і їх подальша доля перестала залежати від долі речовинної частини Всесвіту. При цьому. Розрахунки показують, що на сьогоднішній день енергетичні параметри цих реліктових нейтріно мають відповідати температурі 2К.

          Нейтріно, це такі специфічні елементарні частинки, які практично не взаємодіють з речовиною. Достатньо сказати, що пролітаючи крізь Земну кулю лише один з мільярда нейтріно провзаємодіє лише з одним атомом цієї кулі. І то за умови, що енергія цих нейтріно буде достатньо великою (понад 10⁶еВ). Якщо ж говорити про ті реліктові нейтріно, енергія яких становить 2К = 1,15∙10^–4 еВ, то вчені ще не придумали яким чином їх можна зареєструвати.

          Ви можете запитати: «А чи можуть з’явитися нові наукові теорії Всесвіту?» Так, можуть. Однак наука має одну визначальну властивість – в ній нова  наукова теорія завжди є певним еволюційним продовженням попередньої. І це закономірно. Адже будь яка наукова теорія спирається на певну сукупність експериментальних фактів. І заперечувати достовірність цієї теорії, це все рівно, ніби заперечувати відповідні факти. Тому якщо в науці і виникне нова, більш повна та більш точна теорія Всесвіту, то вона неминуче буде певним уточненим та розширеним варіантом сучасної теорії  Великого Вибуху. Теорії, яку правильніше було б назвати теорією еволюційного Всесвіту.

          Інша справа, що сучасна теорія Великого Вибуху не є ані ідеальною, ані всеосяжною. І в цьому сенсі вона продовжує еволюційно уточнюватися. Крім цього, на сьогоднішній день нема достовірної інформації про ті події, що відбувались у Всесвіті в допланківську, квантову та адронну епохи. І тому, цілком закономірно, що в сучасній науці ведуться певні теоретичні дискусії відносно тих подій, що відбувалися в ті прадавні часи.

До речі, якщо ви чули про ті чи інші нові наукові теорії Всесвіту, зокрема інфляційну теорію, теорію суперструн, теорію великого об’єднання, тощо, то маєте знати, що вони відрізняються від теорії Великого Вибуху лише інтерпретацією тих подій, які відбувалися у Всесвіті в перші миттєвості його життя. Втім, в найближчому майбутньому ми напевно станемо свідками того, як межі достовірності наших знань про минуле Всесвіту, будуть суттєво розширені і знаходитимуться не на позначці 10^–12с, а значно далі, скажімо на позначці 10^–15с чи 10^–25с. Адже, той надпотужний прискорювач елементарних частинок, який нещодавно збудували в Швейцарії і який  назвали «адронний колаед» фактично дозволить  змоделювати ті події, що відбувались у Всесвіті в далеку адронну епоху.

          Контрольні запитання.

1. Яким чиним визначається достовірність наукової теорії?
2. На основі чого А. Фрідман зробив висновок про те, що наш Всесвіт не може бути стаціонарним? Хто і коли підтвердив достовірність цього висновку?
3. Хто і коли передбачив наявність у Всесвіті фотонів реліктового випромінювання? Хто підтвердив достовірність цього передбачення?
4. Сучасні телескопи дозволяють досліджувати космічні об’єкти віддалені від нас на відстань до 13,2∙10⁹ св.р. Що це означає?
5. Що доводить сукупність тих фактів які підтверджують передбачення теорії Великого Вибуху?
6. Чому передбачення про існування реліктових нейтріно до тепер не підтверджене?
7. Якщо в майбутньому теорія Великого Вибуху буде замінена новою науковою теорією Всесвіту, то чи означатиме це, що сучасна теорія Великого Вибуху є неправильною? Чому?

.

§71. Про еволюцію галактик.

          Галактика, це велетенська космічна система, яка складається з різноманітних зірок та їх скупчень, міжзоряної речовини, хмар газу і пилу, різноманітних випромінювань, та можливо з того, що прийнято називати темною матерією. При цьому всі речовинні складові галактики, так чи інакше обертаються навколо спільного центру мас, та утворюють цілісну систему гравітаційно пов’язаних об’єктів. Маси галактик варіюються від 10⁷ до 10¹² мас Сонця. А їх діаметри – від десятків до сотень тисяч світлових років. Дослідження показують, що в центрі переважної більшості галактик знаходиться надмасивна галактична чорна діра, маса якої вимірюється мільйонами сонячних мас і навколо якої обертається вся сукупність інших галактичних об’єктів.

          Все різноманіття галактик умовно розділяють на три групи: 1) спіральні галактики: мають виражене ядро та дископодібну форму з характерними спіральними рукавами:  2) еліптичні галактики: мають виражене ядро та кулясту або еліпсоїдну форму; 3) неправильні галактики: не мають вираженого ядра та певної симетричної форми.

 

Мал.323. Все різноманіття галактик умовно розділять на: а) спіральні галактики; б) еліптичні галактики; в) галактики неправильної форми.  

          Описуючи еволюцію галактик, можна сказати наступне. У відповідністю з теорією Великого Вибуху, приблизно через мільйон років від моменту відліку часу та подій, Всесвіт вступив в епоху речовини. На початку цієї епохи Всесвіт являв собою усереднено однорідну, гарячу, бурхливу суміш реліктових нейтріно, фотонів і частинок речовини, головним чином атомів водню, гелію, їх іонів та електронів. Однак, поступово сили гравітаційної взаємодії та наявні вихрові збурення, розірвали Всесвіт на величезні шматки речовини, які стали основою майбутніх галактик. Одночасно з цим і під дією тих же силових факторів протогалактичні хмари розривались на значно дрібніші шматки речовини з яких поступово формувались відповідні зірки.

          Варто зауважити, що на сьогоднішній день загально визнаної теорії еволюції галактик не існує. Втім, якщо говорити про загальні риси цієї еволюції то вони є наступними. Під дією гравітаційних сил надмасивна вихрова протогалактична хмара поступово стискається, а стискаючись, у повній відповідності з законом збереження моменту інерції – збільшує швидкість свого обертання. А це означає, що на частинки речовини протогалактичної хмари діє система двох сил: 1) сил гравітаційної взаємодії – об’ємних сил, які рівномірно стискають тіло хмари з усіх боків та прагнуть зібрати всі її частинки в центрі мас системи; 2) сил інерції –  відцентрових сили, які діють лише в площині обертання частинок хмари та протидіють їх руху в напрямку центру відповідного обертання.

В такій ситуації та геометрична форма якої набуває протогалактична хмара в процесі стиснення, визначальним чином залежить від загальної маси хмари та початкової швидкості її обертання. При цьому, якщо початкова швидкість обертання хмари є відносно невеликою, то виникаючі в процесі її стиснення сили інерції виявляються неспроможними зупинити гравітацію і така протогалактичної хмари набуває еліпсоїдної форми та утворює відповідну еліптичну галактику. Якщо ж початкова швидкість обертання хмари відносно велика, то виникаючі в процесі її стиснення сили інерції зупиняють гравітацію в площині обертання хмари і протогалактична хмара набуває дископодібної форми та утворює відповідну дископодібну (спіральну) галактику.

Мал.324. В залежності від загальної маси та початкової швидкості обертання, протогалактична хмара в процесі стиснення перетворюється на еліптичну або спіральну галактику.

          Потрібно зауважити, що дископодібні (спіральні) та еліптичні галактики зазвичай формувалися з надмасивних протогалактичних хмар. Однак переважна більшість таких хмар були відносно невеликими. З цих дрібних протогалактичних хмар формувались відповідні карликові галактики, які згодом ставали частинами великих галактик, або їх галактичними супутниками. Наприклад наша Галактика яку прийнято називати Чумацький (або Молочний) Шлях, будучи частиною Місцевої групи галактик, має 14 галактичних супутників якими є певні карликові галактики, найвідоміші з яких Велика і Мала Магелланові Хмари. Зазвичай карликові галактики є галактиками неправильної форми. Це пояснюється тим, що карликові галактики дуже чутливі до зовнішніх гравітаційних впливів, та тих надпотужних вибухів які в процесі еволюції надмасивних зірок відбуваються в самій галактиці.

          Загалом сучасне різноманіття розмірів і форм галактик, це результат тривалого еволюційного процесу, який відбувався і продовжує відбуватися у Всесвіті. В ході цього процесу, а особливо на його ранніх етапах, галактики постійно стикалися одна з одною, великі галактики поглинали малі, малі об’єднувались у великі, великі та малі галактики утворювали певні галактичні системи, тощо. Скажімо Чумацький Шлях, в процесі свого еволюційного розвитку, поглинув декілька дрібних галактик та перетворив їх на потоки зірок, що обертаються навколо галактичного ядра. В майбутньому (приблизно через 4∙10⁹ років) наша Галактика почне об’єднуватись зі своєю великою сусідкою Андромедою, утворюючи при цьому гігантську еліптичну галактику.

          Та якою б не була початкова швидкість обертання протогалактичної хмари і якої б загальної форми не набула відповідна галактика, а в будь якому випадку, в центрі великих галактик зосереджується більша частина її речовини та формується надмасивне ядро, а по суті надмасивна зірка, яка проживши своє над коротке життя (декілька десятків тисяч років) перетворюється на відповідну чорну діру. Втім, гравітаційне поле в центрі галактики таке надпотужне, що чорна діра може утворюватися і шляхом безперервного колапсу речовини під дією цього надпотужного поля. Так чи інакше, а фактом є те, що в центрі практично кожної великої галактики знаходиться надмасивна чорна діра, маса якої вимірюється мільйонами сонячних мас.

          Одним з проявів еволюційного розвитку галактик є так звані квазари. В 50-х роках минулого століття, за допомогою радіотелескопів було зафіксовано більше сотні потужних джерел радіохвиль. Подальші дослідження показали, що цими джерелами є наддалекі космічні об’єкти, відстань до яких перевищує 2∙10⁹ св.р. При цьому з’ясувалося, що ці об’єкти є не лише потужними джерелами радіохвиль, а й надпотужними джерелами світла. І розрахунки показували, що світлова потужність цих джерел в трильйони разів перевищує світлову потужність Сонця. Ці гіперпотужні космічні об’єкти назвали квазарами, що в змістовному перекладі означає – радіоджерела схожі на зірки.

          Після тривалих досліджень було безумовно доведено: квазари – це ті надмасивні галактичні чорні діри, які знаходяться в центрі галактики що формується і які активно поглинаючи навколишню речовину (газ, пил, планети, зірки, тощо) створюють надпотужне випромінювання.

          В загальних рисах, «принцип дії» квазару полягає в наступному. Під дією надпотужного гравітаційного поля чорної діри, речовина навколишнього середовища по спіралі направляється до центру діри, утворюючи так званий акреційний диск. При цьому, по мірі наближення до центру чорної діри, частинки речовини неймовірно прискорюються та стають надпотужними джерелами електромагнітних хвиль. Потік цих електромагнітних хвиль у поєднанні з тією високотемпературною плазмою що в нього потрапляє, утворюють надпотужний направлений енергетичний потік, який виходить з полюсів чорної діри. 

Мал.325. Квазар – це надмасивна галактична чорна діра, яка активно поглинає навколишню речовину та створює надпотужне випромінювання.

          Фантастична енергетична потужність квазарів пояснюється тим, що в процесі того гравітаційного прискорення речовини, яке вона отримує при наближенні до центру надмасивної чорної діри, в енергію випромінювання перетворюється 10% маси речовини. Для порівняння, при найбільш енергоефективному циклі термоядерних реакцій (водневому циклі), в енергію перетворюється лише 0,7% маси речовини. А потрібно зауважити, що чорна діра квазара поглинає та перетворює в енергію випромінювання до 500 мас Землі за годину.

          Однією з ознак квазара є факт того, що його світність (енергетична потужність) час від часу змінюється. Пояснення даного факту полягає в тому, що та речовина яка всмоктується в галактичну чорну діру, є не однорідною. Адже цією речовиною є не лише гази, космічний пил та дрібне галактичне сміття, а й все різноманіття великих та малих зірок. При цьому очевидно, що в ті моменти, коли в жерло галактичної чорної діри потрапляє масивний космічний об’єкт, кількість генерованої квазаром енергії, суттєво збільшується, а відповідно збільшується і його світність.

          Квазари можуть споживати навколишню речовину мільйони років. Але рано чи пізно, запаси цієї речовини закінчуються і квазари поступово згасають. При цьому квазар стає звичайною надмасивною галактичною чорною дірою, навколо якої на безпечних відстанях обертаються всі об’єкти відповідної галактики.

          Квазари є характерною ознакою галактик що формуються. Власне тому, ми і спостерігаємо ці надпотужні космічні об’єкти на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Втім, квазари можуть виникати і в наші часи. Це відбувається тоді коли великі галактики зіштовхуються одна з одною, а їх галактичні чорні діра зливаються в єдину надмасивну чорну діру. Скажімо, коли в процесі об’єднання Чумацького Шляху з Андромедою, їх галактичні чорні діри зіллються в надмасивну супер діру, то скоріш за все, навколо цієї чорної діри сформується надпотужний квазар. І чесно кажучи, від цієї події, складовим частинам об’єднаної галактики буде непереливки.

          Значення квазарів в процесі пізнання та дослідження Всесвіту важко переоцінити. Адже спостерігаючи за віддаленими квазарами, ми фактично бачимо Всесвіт таким, яким він був 13; 12; 11; 10; 9; … мільярдів років тому. Тобто на самих ранніх етапах його еволюційного розвитку. Іншими словами, спостерігаючи за квазарами, ми наочно бачимо динаміку еволюційного розвитку Всесвіту.

Аналізуючи параметри того світла яке випромінюють квазари, визначають структуру Всесвіту, розподіл та склад речовини в ньому, швидкість розширення Всесвіту на різних етапах його життя, тощо. Оскільки квазари є найбільш віддаленими та практично нерухомими об’єктами Всесвіту, то саме квазари є тими маяками за якими визначають параметри траєкторій руху автоматичних міжпланетних станцій, здійснюють надточну GPS навігацію, тощо.

Досліджуючи параметри руху складових частин галактик, вчені стикнулися з однією проблемою. Ця проблема полягає в наступному. У відповідності з законами ньютонівської механіки, лінійні швидкості тих об’єктів що обертаються навколо центрального тіла, по мірі їх віддалення від цього тіла, мають зменшуватись. Скажімо, в Сонячній системі, Меркурій обертається навколо Сонця з швидкістю 47,8км/с; Венера – з швидкістю 34,9км/с; Земля – 29,8км/с; Марс – 24,1км/с; Юпітер – 12,8км/с; Сатурн – 9,7км/с; Уран – 6,8км/с; Нептун – 5,5км/с. Однак з’ясувалося, що для галактик і зокрема галактик дископодібних, ця закономірність не виконувалась. В галактиках, по мірі віддалення зірок від центру, швидкість їх обертання навколо цього центру не зменшується, а залишається практично незмінною.

 

Мал.326. В дископодібних галактиках, швидкість обертання зірок навколо центру галактики не зменшується, як стверджує теорія (крива А), а залишається практично незмінною (крива В).

          Намагаючись вирішити дану проблему, та зважаючи на деякі інші факти, вчені висунули обгрунтовану гіпотезу про те, що у Всесвіті загалом і в галактиках зокрема, окрім тієї матерії яка зосереджена в зірках, планетах та інших речовинних об’єктах, є ще більша кількість так званої темної матерії, а по суті – прихованої мас-енергії. Гіпотеза про існування темної матерії є важливою складовою сучасної космології. Однак конкретного розуміння фізичної суті того що називають темною матерією, конкретного розуміння того, як ця прихована матерія впливає на хід тих подій які відбуваються у Всесвіті, на сьогоднішній день не існує. 

          Втім, якщо говорити про джерело та закономірність існування того, що називають темною матерією, а фактично прихованою мас-енергією, то це джерело і ця закономірність є очевидними. Адже у відповідності з теорією еволюційного Всесвіту, на ранніх етапах його еволюції, в ті частинки які називаються протонами, нейтронами та електронами, сконденсувалась лише мільярдна частина наявної у Всесвіті мас-енергії. Навіть якщо врахувати ту явну мас-енергію яка об’єднує протони і нейтрони в атомні ядра, атомні ядра і електрони об’єднує в атоми і молекули, атоми і молекули – в тіла, навіть якщо врахувати ту явну мас-енергію яка забезпечує гравітаційні та електромагнітні взаємодії між цими тілами, залишається непорівнянно більша частина тієї прихованої мас-енергії, яка явно не проявляє себе у вище згаданих взаємодіях.

І вся ця величезна кількість прихованої мас-енергія є невід’ємною частиною нашого Всесвіту. І як будь яка мас-енергія, вона має певні гравітаційно-інерційні властивості, які певним чином впливають на ті події які відбуваються у Всесвіті. Інша справа, що загально прийнятої та експериментально підтвердженої теорії, яка пояснює механізм дії та закономірності проявів прихованої (темної) мас-енергії, на теперішній час не існує.

          Та як би там не було, а не варто думати, що темна матерія, це щось таке, що не підпорядковане загальним законам Природи. Скоріш за все, те що прийнято називати темною матерією, є ще одним проявом того багатогранного та надскладного фізичного об’єкту який називається простором. Адже простір – це надзвичайно складний, можливо найскладніший фізичний об’єкт, властивості якого визначальним чином залежать від наявності чи відсутності в ньому інших об’єктів, в тому числі і таких які називають темною матерією. Власне факт того, що на прискорено рухомі тіла неминуче дія певна сила інерції, яка фактично є результатом взаємодії відповідного тіла з простором Всесвіту, безумовно вказує на те, що простір має певні інерційно-гравітаційні властивості. Тобто ті властивості, мірою яких є маса та їй відповідна енергія.

          Контрольні запитання.

1. Які космічні об’єкти називають галактиками?
2. Чому в процесі гравітаційного стиснення швидкість обертання протогалактичної хмари збільшується?
3. Дайте загальну характеристику тих сил які діють на частинки протогалактичної хмари в процесі її стиснення.
4. Опишіть процес утворення еліптичної галактики.
5. Опишіть процес утворення дископодібної галактики.
6. Які космічні об’єкти називають квазарами?
7. Поясність загальний «принцип дії» квазара.
8. Чому квазари мають надзвичайно велику енергетичну потужність?
9. Чому кількість тієї енергії яку випромінює квазар час від часу змінюється?
10. Яка роль квазарів в процесі дослідження Всесвіту?
11. Які факти вказують на те, що в Всесвіті існує темна матерія?

.

§72. Про еволюцію зірок.

          Аналіз еволюції Всесвіту ми закінчили на констатації того, що приблизно через мільярд років після Великого Вибуху, Всесвіт почав набувати сучасного вигляду і що з цього моменту його подальша доля  тісно переплетена з долею зірок та зіркових систем (галактик).

          Дослідження показують, що зірки як і люди народжуються, живуть, старіють та помирають. Просто зірки живуть набагато довше. Темп та тривалість життя зірки визначальним чином залежить від її маси: чим масивніша зірка тим бурхливішим та коротшим є її життя. Скажімо, тривалість активного життя такої зірки як Сонце становить приблизно 10∙10⁹ років. Якщо ж початкова маса зірки перевищує сонячну в 10 разів, то тривалість її життя буде в 100 разів меншою. Загалом же тривалість активного життя зірки, можна оцінити за формулою  t ≈ (10/M²)10⁹років, де М – маса зірки виражена в сонячних масах (М_☼ = 1,98∙10³⁰кг). Наприклад, якщо М =2М_☼, то t = (10/2²)10⁹ = 2,5∙10⁹ років.

Мал.327.  Загальна картина життєвого циклу Сонця.

          Потрібно зауважити, що говорячи про тривалість життя зірки, маємо на увазі тривалість її активного життя. Тобто того життя, в процесі якого вона постійно випромінює велику кількість світлової енергії, джерелом якої є певні екзотермічні термоядерні реакції. При цьому, говорячи про смерть зірки, маємо на увазі її перехід до якісно нової форми існування, якою в залежності від маси зірки, може бути білий (а згодом чорний) карлик, нейтронна зірка або чорна діра. А ця нова форма існування може тривати безкінечно довго (до нового циклу розвитку Всесвіту).

          Життєвий цикл всіх зірок починається однаково. Величезний клубок розрідженого газу, основними складовими якого є водень (близько 75%) та гелій (близько 25%) під дією сил гравітаційної взаємодії починає стискатись і відповідно нагріватись. Приблизно через декілька десятків мільйонів років такого стиснення, центральна частина сильно ущільненої газової кулі розігрівається до 10∙10⁶К. При цьому в ній починається водневий цикл термоядерних реакцій. Реакцій, при яких водень перетворюється на гелій і в процесі яких виділяється величезна кількість енергії. Ця енергія, по-перше зупиняє подальше гравітаційне стиснення зірки. А по-друге, стає тим джерелом енергії яку постійно випромінює зірка. Власне той момент, коли в надрах масивної, гравітаційно стиснутої газової кулі починаються масові термоядерні реакції і прийнято вважати моментом народження зірки.

          Про фізичні та енергетичні аспекти термоядерних реакцій та тих процесів, що відбуваються в надрах зірок, ви ознайомились вивчаючи розділ «Фізика атома та атомного ядра». Тому наразі зупинимося лише на еволюційній суті цих процесів. А ця суть є наступною.

          При температурі близькій до 10∙10⁶ К  в надрах зірки відбувається так званий водневий цикл термоядерних реакцій. Реакцій, при яких чотири ядра атома водню об’єднаються в ядро атома гелію: 4¹H₊₁ → ⁴He₊₂ + 2⁰e₊₁ + ΔE. З водневим циклом термоядерних реакцій пов’язаний найтриваліший та найстабільніший період активного життя зірки. Період, який складає близько 90% тривалості її активного життя. Та яким би тривалим не був цей період, а рано чи пізно концентрація водню в надрах зірки стає критично малою. При цьому інтенсивність відповідних термоядерних реакцій починає суттєво  зменшуватись. З цього моменту зірка вступає в епоху старіння. Епоху, яка характеризується наступними подіями.

          По мірі того, як інтенсивність термоядерних реакцій зменшується, гравітаційні сили починають додатково стискати, а відповідно – додатково розігрівати центральну частину (ядро) зірки. В процесі цього стискання та розігрівання в надрах зірки, при все більш і більш високих температурах синтезуються все більш і більш важкі атомні ядра. Та ж енергія, яка виділяється в процесі цього синтезу певним чином протидіє гравітаційному стисканню ядра.

          Одночасно з цим, та периферійна частина зірки, що знаходиться за межами її ядра, під дією зростаючого теплового (фотонного) тиску, поступово віддаляється від цього ядра. В процесі цього віддалення, густина і температура периферійної частини зірки неухильно зменшується. При цьому зірка поступово перетворюється на так званий червоний гігант. Червоний гігант це стара зірка, що перебуває на останньому етапі свого активного життя і яка складається з двох яскраво виражених частин: надзвичайно густого розжареного ядра, та віддаленої від нього розрідженої і відносно холодної периферійної частини.

          З моменту перетворення зірки на червоний гігант її очікує неминучий перехід до якісно нового етапу існування. При  цьому, в залежності від наявної маси ядра червоного гіганта, можливі три варіанти такого переходу:

1) Якщо М ≤ 1,4 М_☼, то зовнішня оболонка червоного гіганта поступово розсіюється і на його місці залишається розпечене ядро зірки – білий карлик;

2) Якщо 1,4М_☼ < М ≤ 3,2М_☼,  то червоний гігант з неймовірною силою вибухає і на його місці залишається гранично щільне ядро зірки –  нейтронна зірка;

3) Якщо М > 3,2 М_☼, то червоний гігант, з ще більш неймовірною силою вибухає і на його місці залишається неймовірно маленьке та неймовірно густе ядро – чорна діра.

          Потрібно зауважити, що вище наведені значення мас, стосуються маси ядра червоного гіганта на момент його перетворення на білий карлик, нейтронну зірку чи чорну діру. Якщо ж зважити на те, що до цього моменту зірка втрачає більшу частину своєї початкової маси і що в ядрі червоного гіганта зосереджена менша частина його загальної маси, то оцінюючи долю зірки за параметрами її початкової маси, можна записати:

якщо               М ≤  7М_☼          – білий карлик,

якщо         7М_☼ < М  ≤ 16М_☼  – нейтронна зірка,

якщо                М > 16М_☼         – чорна діра.

 

Мал.328. Загальна картина життєвого циклу зірки.

          В процесі утворення червоного гіганта, (а по суті в процесі старіння зірки) в його неймовірно розжареному ядрі відбуваються ті термоядерні реакції, енергетична ефективність яких поступово наближається до нуля. Це означає, що при відповідних реакціях виділяється все менше і менше тієї енергії, яка протидіє гравітаційному ущільненню ядра зірки та підтримує необхідно високий рівень її енергетичних втрат.

          У підсумку, ті енергогенеруючі термоядерні реакції яві відбуваються в надрах червоного гіганта практично припиняються. При цьому, для відносно невеликих зірок, наприклад таких як Сонце, припиняються тому, що наявна маса червоного гіганта не може забезпечити нові цикли енергогенеруючих термоядерних реакцій. Якщо ж маса зірки достатньо велика, то в цьому випадку екзотермічні термоядерні реакції припиняються тому, що ті термоядерні реакції в процесі яких синтезуються ядра атомів важчих за залізо, відбуваються не з виділенням енергії, а з її поглинанням.

          Розрахунки показують: якщо на момент закінчення активного життя зірки, маса її ядра не перевищує 1,4М_☼, то гравітаційне поле цієї зірки не може забезпечити тих тисків і температур, при яких утворюються ядра важчі за залізо. По суті це означає, що ті червоні гіганти, маса ядра яких не перевищує 1,4М_☼ закінчують своє активне життя тим, що по мірі згасання енергогенеруючих термоядерних реакцій, їх розріджена газова оболонка поступово розсіюється, а на місці червоного гіганта залишається його розпечене ядро – білий карлик.

 

Мал.329. Після того як зовнішня оболонка червоного гіганта поступово розсіюється, на його місці залишається розжарене ядро зірки – білий карлик.

          Білий карлик, це маленька гаряча зірка, густина якої близька до 1000 кг/см³, а розміри – рідко перевищують розміри Землі. Певний час в надрах білого карлика відбуваються залишкові енергогенеруючі термоядерні реакції. Однак, рано чи пізно ці реакції згасають. Тому, поступово охолоджуючись, білий карлик перетворюється на чорний карлик – холодну, практично невидиму зірку, яка тихо існуватиме до нового циклу еволюції Всесвіту 

          Ви можете запитати: «Якщо в надрах білого, а тим більше чорного карлика, енергогенеруючі реакції не відбуваються, то що стримує потужну гравітаційну силу та не дозволяє їй додатково ущільнити зірку?»  Відповідь на це запитання полягає в наступному. Як відомо, тіло зірки складаються не лише з позитивно заряджених атомних ядер, а й з відповідної кількості електронів. Ясно, що в процесі гравітаційного стиснення зірки, ущільнюється і той електронний газ, який входить до її складу. Закони ж квантової фізики стверджують: в області певних тисків і температур, електрони не можливо ущільнити більше за певну критичну  величину. А це означає, що коли густина електронного газу досягає певної критичної величини, неминуче виникає потужний електронний тиск, який і протидіє подальшому стисненню цього газу. Власне, саме цей електронний тиск і зупиняє гравітацію та не дозволяє їй перетворити білий карлик на щось більш маленьке та щільне. Втім, можливості електронного тиску не є безмежними.

          В 1933 році індійський фізик Субраханьян Чандрасекар (1910–1995) теоретично довів: якщо на момент згасання енергогенеруючих термоядерних реакцій, маса ядра червоного гіганта перевищує 1,4М_☼, то електронний тиск не зможе стримати гравітацію і ядро червоного гіганта перетвориться не на білий карлик, а на щось менше та більш густе. Що ж відбувається з червоним гігантом, кінцева маса ядра якого більша за 1,4М_☼? А відбувається наступне.

Коли центральна частина ядра масивного червоного гіганта розігрівається до температури понад 3,5∙10⁹ К, в ній починаються ендотермічні термоядерні реакції. Тобто такі реакції, при яких енергія не виділяється, а поглинається. А це означає, що такі реакції не протидіють гравітаційному стисненню зірки, а навпаки – сприяють йому. В такій ситуації ядро зірки починає надзвичайно швидко стискатись. Це стрімке стиснення не може зупинити навіть потужний електронний тиск. Більше того, в процесі стискання, наявні в зірці електрони «заганяються» в протони речовини, перетворюючи їх на відповідні нейтрони. А оскільки нейтронізація речовини також відбувається з поглинанням енергії, то гравітаційне стиснення ядра масивного червоного гіганта набуває фантастично великої швидкості.

          Вище описане катастрофічно швидке стиснення ядра зірки прийнято називати колапсом. В процесі колапсу, серцевина червоного гіганта надзвичайно швидко перетворюється на надгусте нейтронне ядро. А закони квантової фізики стверджують: в області певних тисків і температур, нейтрони не можливо ущільнити більше за певну граничну величину. По суті це означає, що за певного ущільнення нейтронного ядра, в ньому неминуче виникає надпотужний нейтронний тиск, який різко зупиняє надшвидке стиснення серцевини червоного гіганта. При цьому, в результаті складної сукупності квантово-механічних процесів в надрах зірки створюється надпотужний внутрішній тиск, який і спричиняє неймовірно потужний вибух. Цей вибух можна спостерігати у вигляді спалаху так званої наднової зірки. В процесі цього надпотужного вибуху, за лічені дні виділяється стільки ж енергії, скільки Сонце генерує за все своє активне життя.

          В еволюції зіркових систем, вибухи надмасивних червоних гігантів (спалахи наднових зірок) мають надзвичайно велике значення. По перше, в процесі такого вибуху та надпотужна ударна хвиля, що проноситься тілом червоного гіганта, створює такі умови, за яких синтезується все різноманіття відомих хімічних елементів, в тому числі і таких важких, як уран. По-друге, створена надпотужним вибухом хвиля, проносячись міжзоряним простором галактики, «згрібає» величезні маси міжзоряного газу, пилу і дрібних тіл, та створює нові протозоряні хмари. До речі, колись з подібної хмари і виникла наша Сонячна система. Втім, про це дещо пізніше.

          Наразі ж декілька слів про те нейтронне ядро, яке залишається на місці вибуху масивного червоного гіганта. Отже, якщо на момент вибуху маса ядра червоного гіганта знаходиться в межах 1,4М_☼ < М ≤ 3,2М_☼, то на місці цього вибуху, залишиться маленька нейтронна серцевина червоного гіганта, яку називають нейтронною зіркою. Ця зірка складається з гранично ущільнених нейтронів. ЇЇ радіус близький до 10 км, а маса – співрозмірна з масою Сонця. В кожному кубічному сантиметрі такої зірки міститься близько мільярда тон речовини (ρ = 10⁹т/см³ = 10¹²кг/см³). Для порівняння: в кубічному сантиметрі сталі близько 8 грам речовини.

          Ясно, що візуально побачити тіло радіусом 10км з відстані декількох тисяч чи мільйонів світлових років, практично не можливо. Однак те, що не можливо побачити візуально, іноді можна відкрити застосовуючи інші методи досліджень. Одне з подібних відкриттів відбулося в 1967 році, коли американка Джослін Бел (нар.1943р.) за допомогою потужного радіотелескопа зафіксувала космічний об’єкт, який з періодичністю 1,3с надсилав потужні радіосигнали. Цей об’єкт назвали  пульсаром. Коли ейфорія спричинена думкою про те, що даний сигнал є посланням далекої позаземної цивілізації пройшла, всі погодилися з тим, що пульсар це не  що інше, як нейтронна зірка, яка швидко обертається.

Ви можете запитати: «А чому нейтронна зірка має швидко обертатись?» Відповідь на це запитання дає закон збереження моменту інерції. Суть цього закону полягає в тому, що в процесі стиснення будь-якої системи, швидкість її обертання збільшується і навпаки. А це означає, що в процесі надшвидкого стиснення ядра червоного гіганта, швидкість обертання цього ядра відповідно збільшується. А оскільки нейтронна зірка має потужне магнітне поле, то при її швидкому обертанні генерується потужний радіосигнал. Власне цей сигнал і зафіксувала Джослін Бел.

          Завершуючи розмову про варіанти еволюційного розвитку зірок, залишилось розглянути життєвий шлях найважчих з них. Тобто тих, початкова маса яких М > 16М_☼, а кінцева (на момент вибуху) М > 3,2М_☼. В загальних рисах, життєвий шлях цих зірок мало чим відрізняється від того шляху, який проходять майбутні нейтронні зірки. Хіба що надмасивні зірки світять яскравіше, а живуть менше. Однак, на завершальному етапі їх активного життя все ж спостерігаються суттєві відмінності. Ці відмінності полягають в тому, що в процесі колапсу ядра надмасивного червоного гіганта, навіть надпотужний нейтронний тиск виявляться неспроможним зупинити гравітацію. І вона, нарешті робить свою чорну справу та хоронить нейтронні залишки зірки в безодні часу і простору. При цьому, на місці вибуху надмасивного червоного гіганта залишається його масивне та неймовірно маленьке, фантастично густе ядро, яке прийнято називати чорною дірою.

          Потрібно підкреслити – чорна діра, це не якась гіпотетична дірка у Всесвіті, не якийсь тунель в інші світи, не якийсь перехід в паралельні мири. Чорна діра, це назва тієї масивної, надзвичайно маленької, надгустої зірки, що утворюється в процесі колапсу ядра надмасивного червоного гіганта. А називається вона «чорною дірою» тому, що її гравітаційне поле таке потужне, що навіть світлові фотони не можуть його подолати та відірватись від тіла зірки. А це означає, що ми не маємо достовірної інформації про те, що відбувається в надрах чорної діри, з чого вона складається та які її властивості.

Однак, це не зовсім означає, що чорна діра це щось надприродне. Вся її надприродність полягає в тому, що ми не знаємо про її внутрішній устрій і не можемо описати цей устрій звичними для нас словами та величинами. Втім, вже за межами так званого гравітаційного радіусу, величина якого зазвичай не перевищує 5км, чорна діра веде себе як звичайна зірка. Вона звичайним чином діє на навколишні об’єкти, може мати видимі супутники або бути супутником інших зірок.

          Зрозуміло, що візуально побачити чорну діру практично не можливо. Однак, її можна виявити та дослідити за побічними доказами. Наприклад такими. Як відомо, у Всесвіті надзвичайно поширені так звані подвійні зірки. (Щонайменше кожна друга зірка в нашій Галактиці є подвійною, тобто такою яка складається з двох близько розташованих зірок, що обертаються навколо спільного центру). Якщо одна з цих зірок перетворюється на чорну діру, то часто відбувається перетікання речовини від звичайної зірки до чорної діри. При цьому в процесі наближення до чорної діри, речовина закручується та надзвичайно сильно прискорюється. А це означає, що навколо чорної діри утворюється так званий акреційний диск, який по-перше можна візуально побачити, а по-друге зафіксувати те потужне випромінювання, яке створюють ті частинки що прискорено падають в чорну діру. До речі, аналогічним чином виявляють та досліджують не лише чорні діри, а й нейтронні зірки.

  Мал.330. Один з способів візуалізації та дослідження чорних дір.

          В загальних рисах еволюцію тих процесів, які відбуваються в зірковій системі (галактиці) можна представити у вигляді певної еволюційної спіралі. На першому (найближчому до Великого Вибуху) витку цієї спіралі знаходяться надмасивні зірки першого покоління. Ці зірки виникали з тих надмасивних протозоряних хмар, що масово утворювались в період формування галактик. Життєві цикли цих надмасивних зірок рідко перевищували мільярд років і закінчувались надпотужними вибухами продуктами яких були чорні діри та нейтронні зірки. При цьому з тих протозоряних хмар які утворювались після надпотужних вибухів зірок першого покоління, формувались менш масивні зірки другого покоління. Із однієї з подібних хмар, приблизно 5 мільярдів років тому і сформувалася наша Сонячна система.

          Ясно, що вище наведена схема еволюції зірок є гранично ідеалізованою. Адже на будь якому етапі еволюційної спіралі неминуче з’являлися найрізноманітніші зірки. При цьому, деяка частина галактичної речовини встигла пройти горнило  двох, трьох, а можливо й чотирьох еволюційних циклів. Натомість, якась непримітно маленька зірочка, що з’явилась на самому ранньому етапі еволюції галактики, неквапливо проживає «водневий» етап свого розвитку і можливо зуміє дожити до кінця світу.

Мал.331. Схема еволюційного розвитку зірок в межах обособленої зіркової системи (галактики).

          Контрольні запитання.

1. Опишіть початковий етап життєвого циклу зірки.
2. Який момент прийнято вважати моментом народження зірки?
3. З якого моменту зірка починає перетворюватись на червоний гігант?
4. За яких умов червоний гігант перетворюється на: а) білий карлик; б) нейтронну зірку; в) чорну діру?
5. Які сили стримують гравітаційне стиснення зірки на стадії «білий карлик»?
6. Які сили стримують гравітаційне стиснення нейтронної зірки?
7. Чому нейтронна зірка є джерелом періодичних радіосигналів?
8. Які космічні об’єкти називаються чорними дірами?
9. Що називають «надновою зіркою»?

.

§73. Про еволюцію Сонячної системи.

 

          Яким би важливим та цікавим не було питання про минуле, теперішнє та майбутнє Всесвіту, а для землян значно важливішою є історія та перспективи нашої власної домівки – Землі та Сонячної системи.

          Проживаючи у великих, середніх ба навіть в маленьких містах, ми рідко спостерігаємо за зоряним небом. А якщо і спостерігаємо та бачимо лише мізерну частину того, що відкривається перед поглядом мандрівника в безлюдному степу. А цей погляд неодмінно зупиниться на мерехтливій сріблястій смузі, що від обрію до обрію охоплює зоряне небо. Цю сріблясту смугу наші прадіди називали Чумацьким Шляхом. Напевно тому, що вона їм нагадувала ту чумацьку дорогу, якою вони ходили в далекі мандри. Ті ж, хто не чумакував, називали цю зоряну смугу Молочним Шляхом. Можливо тому, що вона їм нагадувала густо розбризкані крапельки молока. Та як би там не було, а на сьогоднішній день достовірно відомо, що та срібляста смуга, що опоясує зоряне небо, є видимою частиною величезної зоряної системи (галактики), яку називають по різному: Чумацький Шлях, Молочний Шлях чи просто наша Галактика (з великої літери Г). До речі, слово «галактика» походить від грецького galaktisos, що означає «молочний».

          Чумацький Шлях, це досить велика галактика, в якій налічується близько 250  мільярдів найрізноманітніших зірок. Ці зірки утворюють цілісну систему, яка представляє собою гігантський диск, що обертається навколо власного центру мас. Діаметр галактичного диску близький дo 100000 світлових років, а його товщина за межами ядра Галактики близька до 1000 світлових років. Загальна маса системи – близька до 600 мільярдів сонячних мас (600∙10⁹М_☼).

Мал.332. Вигляд з Землі та схема загального устрою нашої Галактики.

          Наше Сонце знаходиться поблизу екваторіальної площини Галактики на відстані 28000 св.р. від її центру і обертається навколо цього центру з швидкістю 220 км/с. Період цього обертання близький до 200 мільйонів  років. За мірками сучасного стану Галактики, Сонце є звичайною середньостатистичною зіркою другого-третього покоління. Важливою особливістю цієї зірки є наявність власної планетарної системи. Адже, як засвідчують дослідження, більшість зірок таких систем не мають.

          Сонячна система, це добре налагоджений механізм, основними складовими якого є власне саме Сонце, вісім його супутників-планет, п’ять карликових планет та велика кількість дрібних космічних тіл, які утворюють пояс астероїдів та пояс Койпера. Всі ці об’єкти знаходяться в практично одній площині і з певними співнаправленими, пропорційними швидкостями обертаються навколо спільного центру. Крім цього, більшість планет мають свої супутникові системи, які певним чином копіюють Сонячну систему. Вже цих фактів достатньо, щоб зрозуміти – Сонячна система виникла не в результаті якихось випадкових подій, а в наслідок певного еволюційного процесу. Гранично стисло описуючи цей  процес можна сказати наступне.

          Приблизно 7 мільярдів років тому, в недалеких околицях сучасної Сонячної системи існувала надмасивна зірка, яка прожила своє коротке та бурхливе життя і з неймовірною силою вибухнула. Цей надпотужний вибух, по-перше збагатив навколишній простір всім різноманіттям  відомих хімічних елементів. А по-друге, зініціював надпотужне вихрове збурення простору, яке прокотившись безмежними просторами Галактика, зібрало величезну кількість міжзоряного газу, пилу та дрібних тіл у відповідно велику протозоряну (протосонячну) хмару.

          Під дією гравітаційних сил ця вихрова хмара почала поступово стискатись. А стискаючись, у повній відповідності з законом збереження моменту інерції – збільшувати швидкість свого обертання. В такій ситуації на частинки протисонячної хмари діє система двох основних сил: 1) сил гравітаційної взаємодії – об’ємних сил, які рівномірно стискають тіло хмари з усіх боків та прагнуть зібрати всі її частинки в центрі мас системи; 2) сил інерції – тих відцентрових сил, які діють лише в площині обертання частинок хмари та протидіють їх руху в напрямку центру відповідного обертання.

          Під дією даної системи сил, протосонячна хмара, в процесі її стиснення та розкручування неминуче набувала дископодібної форми. При цьому в центральній частині протосонячного диску зосереджувалась левова частина (близько 98%) наявної в системі речовини. Після того, як в процесі гравітаційного ущільнення,  надра центрального тіла протосонячного диску розігрілися до 6∙10⁶ К, в них почалися термоядерні реакції і в Галактиці з’явилась нова зірка, яку ми називаємо  Сонцем.

          Одночасно з процесом формування масивного центрального тіла системи, в периферійних частинах протосонячного диску відбувалися подібні, але менш масштабні процеси. Під дією гравітації, інерції та місцевих вихрових збурень, в периферійних частинах диску з’являлися місцеві центри конденсації речовини. А оскільки система повільно стискалась, то рухаючись певними спіральними траєкторіями, центри конденсації збирали навколо себе все більшу і більшу кількість речовини та поступово перетворювались на ті об’єкти, які ми називаємо планетами. Крім цього, місцеві вихрові збурення неминуче сприяли тому, що біля більшості планет формувалися свої супутникові системи.

Мал.333.  Загальна картина еволюційного розвитку Сонячної системи.

          Потрібно зауважити, що далеко не кожна протозоряна хмара еволюційно трансформується в центральну зірку та її планетарну систему. По суті, тими основними чинниками які визначають долю протозоряної хмари є її маса, початкова швидкість обертання та наявність великих вихрових збурень в ній. При цьому, якщо хмара не має великих внутрішніх вихрових збурень, а початкова швидкість її обертання відносно мала, то ті сили інерції які протидіють стисненню системи в площині її обертання, будуть не достатніми для того щоб зупинити гравітацію. А це означає, що протозоряна хмара перетвориться не на систему зірка – планети, а на обособлену зірку яка не має планетарної системи.

          Якщо ж в протозоряній хмарі існує декілька потужних вихрових збурень, то в процесі її еволюційного стиснення, сформується система декількох (зазвичай двох) зірок, які обертаються навколо спільного центру мас. Динаміка руху багато зіркових систем така, що не забезпечує механічної стійкості тих планетарних систем які можуть сформуватись біля відповідних зірок. А це означає, що в багато зіркових системах, планетарні системи якщо й існують, то не довго. Дослідження показують, що близько половини зірок нашої Галактики є зірками подвійними.

          Та якби там не було, а фактом є те, що приблизно 5 мільярдів років тому, із величезної протосонячної хмари, у повній відповідності з відомими законами Природи сформувалася наша Сонячна система. Від сучасної вона відрізнялася тим, що розміри молодого Сонця та й всієї системи загалом, були дещо більшими. Крім цього,  малі планети Сонячної системи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) були оточеними воднево-гелієвими атмосферами. Однак, в процесі того, як Сонце перетворювалось на зірку, а температура навколишнього простору зростала, воднево-гелієві атмосфери малих планет випарувались.

          Протягом декількох мільйонів років, Земля не мала газової оболонки. Але поступово, в результаті певної сукупності геологічних процесів, наша планета створила нову атмосферу. Ця атмосфера суттєво відрізнялась від сучасної. Її основними складовими були вуглекислий газ (СО₂), азот (N₂) та водяні пари (Н₂О). Якщо ж говорити про сучасну атмосферу Землі, то вона почала формуватися 2,5 мільярдів років тому. При цьому основним формуючим фактором цієї сучасної атмосфери були живі організми, зокрема фото синтезуючі бактерії та рослини.

          Говорячи про еволюцію Сонячної системи та Землі, варто бодай коротко сказати про те, як сформувалася система Земля–Місяць. Нема сумнівів в тому, що процес формування системи Земля–Місяць, мало чим відрізнявся від процесу формування інших планет та їх супутникових систем. Звичайно з урахуванням тих індивідуальних особливостей, які у повній відповідності з законами Природи притаманні тій чи іншій конкретній ситуації, та тим чи іншим конкретним умовам.

          Скажімо, абсолютно природнім є факт того, що в процесі формування протосонячного диску, атоми більш важких хімічних елементів, були схильні зосереджуватися в близьких околицях його центру, тоді як більш легкі атоми, схильні концентруватися в периферійних частинах диску. Тому нема нічого дивного в тому, що наближені до Сонця планети земної групи складаються з більш важких атомів, тоді як основними складовими віддалених планет-гігантів є легкі атоми водню та гелію.

Нема нічого дивного в факті того, що в процесі формування Землі, більш важкі та щільні залізо-нікелеві матеріали зосереджувалися в центральній частині земної кулі, тоді як менш важкі та менш щільні базальти і граніти, виштовхувались на периферію цієї кулі. Нема нічого дивного в тому, що в центральній частині того протоземного диску з якого природнім шляхом сформувалася Земля та її супутник Місяць, збиралися відносно важкі матеріали, а в його периферійних частинах – більш легкі. Ну і ясна річ, нема нічого дивного в тому, що середня густина Землі (5,52 г/см³), є суттєво більшою за середню густину Місяця (3,34 г/см³). 

          Втім, для деяких «дослідників», факт того що густина Місяця є суттєво меншою за густину Землі та співрозмірною з густиною її поверхневого шару, є вагомою підставою для того, щоб виокремлювати еволюцію системи Земля–Місяць із загального контексту еволюції Сонячної системи. І от, замість того, щоб дослідити та врахувати всю сукупність тих індивідуальних особливостей, які безумовно мали місце при формуванні системи Земля–Місяць, ці «дослідники» починають вигадувати якісь конспірологічні теорії.

          Загалом, сукупність науково подібних гіпотез про те як сформувалася система Земля–Місяць, є показовим прикладом того, як на підставі тенденційно підібраних фактів, створюються конспірологічні теорії. А й то правда. Як на підставі лише факту того, що середня густина Місяця співрозмірна з густиною приповерхневих шарів Землі, факту який є абсолютно закономірним наслідком тієї науково доведеної та безумовно достовірної теорії, яка пояснює еволюцію Всесвіту загалом та всіх його елементів зокрема, вигадувати для системи Земля–Місяць якусь конспірологічну маячню? А як інакше назвати ось такі «наукові» перли?

– Гіпотеза захоплення: Земля і Місяць утворилися незалежно одне від одного в різних частинах Сонячної системи. Коли Місяць пролітав близько до земної орбіти, він був захоплений гравітаційним полем Землі та став її супутником.

– Гіпотеза багатьох місяців: декілька маленьких місяців було захоплено гравітацією Землі, потім вони зіткнулися один з одним, зруйнувалися, а з їх уламків утворився  сучасний Місяць.

– Гіпотеза відцентрового розділення: від протоземлі, яка швидко оберталась, під дією відцентрових сил, відділився шматок речовини, з якої потім утворився Місяць.

– Гіпотеза випаровування: з розплавленої протоземлі, випаровувалися величезні маси речовини, які потім сконденсувалися на орбіті та утворили протомісяць. 

          Але особливої популярності набула гіпотеза гігантського зіткнення. Згідно з цією гіпотезою, в одній з так званих точок Лагранжа (а саме в точці L4, див. мал.334), тобто в тій тоці де гравітаційний вплив Землі і Сонця є однаковим (до речі, в точці L4, цей вплив не є однаковим), якимось дивним чином сформувалася планета розміром з Марс. Говорю «якимось дивним чином», бо в точку Лагранжа, певне тіло помістити можна, а от щоб в ній на орбіті Землі, із об’ємної газо-пилової хмари, сформувалась планета розміром з Марс, то це тільки «якимось дивним чином». І назвали цю планету Тейя.

І от, одного прекрасного дня ця планета, невідомо з яких причин почала наздоганяти Землю. Говорю «невідомо з яких причин», бо та точка Лагранжа в якій буцімто виникла Тейя, знаходиться на орбіті Землі і тому Тейя, з точно такою ж швидкістю як і Земля, мала би обертатися навколо Сонця. А щоб почати наближатися до Землі, Тейю мав би хтось масивний підштовхнути. Причому із мільйонів можливих напрямків штовхань, цей хтось, «невідомо з яких причин» обрав саме той, який сприяв зближенню Тейї з Землею. І, о диво, наздогнавши Землю, Тейя так вдало стукнула її, що частина мантії Землі якимось дивним чином були викинуті на висоту 60 000 км, де якимось дивним чином сформувався сучасний Місяць, а сама Земля якимось дивним чином залишилася на попередній орбіті.

     

Мал.334. Приклад маячні, яку видають за «наукову» теорію.

          Чесно кажучи сумно, коли подібні конспірології, видають за серйозні наукові теорії. А тим більше в ситуації, коли нема жодних вагомих підстав вважати, що утворення системи Земля – Місяць відбувалося якось інакше аніж системи Сонце та його супутники, Марс та його супутники, Юпітер та його супутники, Сатурн та його супутники, Уран та його супутники, Нептун та його супутники, чи скажімо, інакше від надзвичайно поширених у Всесвіті систем, які називаються подвійними зорями.

          Віддавши належне популярним, але мало чим дотичних до науки та реальності гіпотезам, повернемося до еволюції Сонячної системи і зокрема до того, що очікує цю систему в майбутньому.

          Природа дарувала Сонцю і його планетарній системі достатньо тривале і спокійне життя. З тих пір, як на мапі нашої  Галактики з’явилася Сонячна система, пройшло близько 5 мільярдів років. І це лише половина того терміну, який відпущено Сонцю для його активного життя. Наші неприємності плануються лише після того, як через 4 мільярдів років в надрах Сонця критично виснажаться запаси водню і водневий цикл термоядерних реакцій почне швидко згасати. По мірі цього згасання, гравітація почне додатково стискати, а відповідно і розігрівати ядро Сонця. В процесі цього стиснення та розігріву, в надрах Сонця будуть відбуватися нові цикли термоядерних реакцій. Зокрема ті, в результаті яких ядра атомів гелію (⁴Не₊₂) будуть об’єднуватись в ядра атомів вуглецю (¹²С₊₆) та кисню (¹⁶О₊₈). Енергія цих реакцій, з одного боку буде стримувати гравітаційне стиснення сонячного ядра, а з іншого – сприятиме віддалення периферійної частини Сонця від його розжареного та щільного ядра. В такій ситуації Сонце почне перетворюватись на червоний гігант. З цього моменту наша планета та життя на ній будуть приреченими.

          Спочатку повністю розтопляться полярні льодовики. Потім, почнуть випаровуватися моря і океан. Зрештою, почне плавитись тверда поверхня планети. Тим часом, зовнішня оболонка Сонця неухильно наближатиметься до Землі. Спочатку вона поглине Меркурій, потім Венеру і нарешті, впритул наблизиться до Землі. Температура буде настільки високою, що скоріш за все малі планети сонячної системи перетворяться на пар і стануть частиною сонячної атмосфери. Ця атмосфера поступово перетвориться на розріджену планетарну туманність і розсіється в безмежних просторах космосу. На місці ж Сонця залишиться розжарене ядро, яке сторонній спостерігач назве білим карликом.

Мал.335. Загальна картина подальшої еволюції Сонця.

          Можливо, картина наукового апокаліпсису виглядає занадто похмурою. Однак, не будемо забувати, що мова йде про перспективу, яка відбудеться через 5 мільярдів років. А це практично вічність, не лише порівняно з тривалістю людського життя, а й у порівняні з тривалістю існування більш менш цивілізованого людства( 5000 років). А тим більше, в ситуації, коли це цивілізоване людство за останні сто років створило таку низку глобальних проблем, які можуть поставити його (людство) на межу виживання не через мільярди років, а вже сьогодні чи завтра. Тому наше завдання полягає в тому, щоб ці Природою дані мільярди років, використати не для самознищення, а для нормального повноцінного життя. Життя, яке відбувається у повній гармонії з законами Природи та навколишнім світом. І тоді ми неодмінно вирішимо всі свої проблеми, в тому числі і проблему «кінця світу». Адже жодні закони Природи не забороняють розумним істотам пережити апокаліпсис Землі, Сонця чи навіть Галактики.

          Контрольні запитання.

1. У відповідності з яким законом, стиснення системи неминуче спричиняє збільшення швидкості її обертання?
2. Під дією яких сил протосонячна хмара перетворилась на відповідний диск?
3. Чому в центрі протосонячного диску було зосереджено близько 98% наявної в системі речовини?
4. Чи всі зірки мають планетарні системи? Від чого це залежить?
5. В чому суть гіпотези гігантського зіткнення? Які факти вказують на надуманість цієї гіпотези?
6. Чи є вагомі причини вважати, що формування системи Земля–Місяць відбувалось якось інакше аніж системи Сонце – його супутники, Марс – його супутники і т.д.?
7. Опишіть загальну картину тих подій які відбуватимуться з Сонцем в майбутньому.

.