СОДЕРЖАНИЕ 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 
 

      Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где  начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания?

     Изучение  Вселенной, даже только известной  нам  её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

      Звезды  во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой  как рядовая звезда находится  наше Солнце, называется Галактикой.

      Число звезд в Галактике порядка 10¹² (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко  в этих направлениях тянется звездная система. В целом наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 30000 пк¹, но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

      В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное  скопление звезд. Оно находится  от нас на расстоянии почти 10000 пк в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид.

      Звезды  верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодое  население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд  этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

      Масса нашей Галактики оценивается  сейчас разными способами, она равна  приблизительно 2*10¹¹ масс Солнца (масса Солнца равна 2*10³⁰ кг), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса галактики в Андромеде почти такова же, а масса галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами. В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом  можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

      Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили  в прошлом, происходят сейчас и будут  происходить в  будущем. 

ЭЛЕМЕНТЫ  КОСМОЛОГИИ 

      Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную, точнее, тем или иные её стороны. Химия изучает мир молекул, физика – мир атомов и элементарных частиц, биология – явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная. Это особая отрасль астрономии, так называемая космология. Космология – учение о Вселенной в целом, включающее в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области как части Вселенной. Кстати, не следует смешивать понятия Вселенной в целом и «наблюдаемой» (видимой) Вселенной. Во втором случае речь идет лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований.

      С развитием кибернетики в различных  областях научных исследованиях  приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого  метода состоит в том, что вместо  того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением воображаемой однородной и изотропной  Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались также модели, в которых к этим двум условиям  добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель – это еще не само явление, а только более или менее точная его копия. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и неизотропной Вселенной.

     В средние века многие ученые полагали, что Вселенная конечна и ограничена сферой неподвижных звезд. Этой точки  зрения придерживались даже Н.Коперник и Т.Браге.

     С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в  окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 – 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается  в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям – в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.

     Большое значение для развития современных  представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А.Эйнштейном (1879 – 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.

     Одним из значительных следствий общей теории относительности является вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной – нестационарности Вселенной. Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А.Фридманом (1888 – 1925). Он показал, что в зависимости от средней плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них – вывод, подтвержденный Хабблом открытием красного смещения в спектрах галактик.

     Критическое значение средней плотности вещества, от которой зависит характер его  движения,

     где G – гравитационная постоянная, а H=75 км/с*Мпк – постоянная Хаббла.

     Подставляя  нужные значения, получаем, что критическое  значение средней плотности вещества г/см³.

     Если  средняя плотность вещества во Вселенной  больше критической, то в будущем  расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической расширение не прекратится. Конечно, мы не знаем средней плотности вещество во всей Вселенной, но можем подсчитать эту плотность в доступной нашему изучению части Вселенной, т.е. в Метагалактике. Она равна 2,6*10^-30 г/см³, что примерно в 4 раза меньше критической плотности. Но делать выводы о бесконечно расширяющейся Вселенной пока преждевременно, т.к. некоторые астрономы высказываются предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.

     Современная космология считает, что в далеком  прошлом, около 13 млрд. лет назад, все  вещество Метагалактики было сосредоточено  в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества, и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

     Общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Метагалактики  можно получить из анализа химического состава вещества. Одним из самых важных следствий этого анализа стало открытие реликтового изучения.  

     Реликтовое  излучение

     Основным  достоинством любой теории является ее предсказательная сила. В космологии до середины 60-х гг. существовало две конкурирующие теории: модель "горячей" Вселенной и модель "холодной" Вселенной. Первая из них была разработана выдающимся ученым Г.Гамовым (нельзя сказать "выдающимся физиком", т.к., хотя физика была его основной специальностью, он внес большой вклад и в астрофизику, и в биологию) и его сотрудниками.

     В этой модели предполагается, что на ранних стадиях эволюции Вселенной  была крайне высока не только плотность  вещества, но и его температура. Теория разрабатывалась в первую очередь  для объяснения химического состава Вселенной, и эта цель была достигнута. Самым важным предсказанием теории было существование излучения с тепловым спектром. Это излучение дошло до нас от той далекой эпохи, когда Вселенная была очень плотной и горячей, правда, за долгие миллиарды лет это излучение должно было заметно "остыть". Это остывание связано с расширением Вселенной, в ходе которого температура уменьшалась по адиабатическому закону.

     Но, как иногда бывает, этот реликт ранней Вселенной был открыт не в результате планомерных исследований, а практически случайно. Это открытие сделали в 1965 г. А.Пензиас и Р.Вилсон, а в 1978 г. за обнаружение реликтового излучения им была вручена Нобелевская премия по физике.

     Реликтовое, или микроволновое фоновое, излучение  имеет тепловой спектр, соответствующий температуре 2.7 К. Это соответствует температуре 4000 К, при которой произошла рекомбинация, с учетом красного смещения z=1500 (электроны и ионы объединились в атомы, т.е. рекомбинировали спустя 100 000 лет после начала расширения).

     Когда говорят, что реликтовое излучение имеет тепловой спектр, то это означает, что спектр выглядит так, как будто на огромном расстоянии находится непрозрачная стенка, нагретая до температуры 2.7 градусов по шкале Кельвина.

     Реликтовые  фотоны чрезвычайно многочисленны. В одном кубическом сантиметре содержится примерно 500 таких фотонов. Это в миллиард раз больше концентрации барионов, т.е. "обычного" вещества. Окружающие нас предметы состоят из атомов, основная масса которых сосредоточена в ядре. Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Такие частицы и называют барионами. Поэтому все окружающее нас вещество, а также вещество планет, звезд называют барионным веществом. Но из-за малой энергии фотонов их вклад в плотность Вселенной сейчас невелик (в 1000 раз меньше вклада "обычного", барионного, вещества). Однако, раньше ситуация была иной. В эпоху, когда температура излучения была гораздо выше, именно излучение играло основную роль во Вселенной.

     И сейчас реликтовое излучение влияет на некоторые космические процессы. Например, еще в 1941 г. было обнаружено, что нижние энергетические уровни молекулы CN возбуждены так, как будто они находятся в поле излучения с температурой в несколько градусов кельвина. Это обусловлено влиянием микроволнового фонового излучения, и оно могло быть открыто таким образом почти на 25 лет раньше.

     Реликтовые  фотоны также могут в результате столкновений с частицами космических  лучей образовывать новые частицы, "выедая" таким образом частицы  с большими энергиями (Е>10²⁰ eV).

     Микроволновое фоновое излучение обладает большой  изотропией, т.е. после учета поправок за счет движения наблюдателя (вращение Земли вокруг Солнца, вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение самой Галактики) его температура, измеренная в различных участках неба, с высокой степенью точности одинакова.

     Из  теории следует, что небольшая анизотропия  все-таки должна существовать. Ведь вещество распределено равномерно только в масштабах  порядка миллиарда световых лет. Неоднородности, связанные с образованием скоплений и сверхскоплений галактик, не могли не отразиться на реликтовом излучении. Поэтому и в распределении температуры реликтового излучения на небе должна существовать анизотропия, т.е. dT, разность температур, не равна нулю. И в 1992 г. такая анизотропия была обнаружена! Это удалось сделать с помощью наблюдений на спутниках COBE и Реликт-1.

     Небольшие обнаруженные неоднородности (флуктуации), ответственные за образование скоплений  галактик с размерами в десятки  мегапарсек, пришли к нам из той эпохи, когда Вселенной было всего 10^-35 сек. и она находилась на стадии инфляции.

     Обнаружение и изучение реликтового излучения  позволили сделать большой шаг  в понимании структуры Вселенной  и ее эволюции. Продолжаются новые  исследования в этом направлении.  
 
 
 
 

ЭЛЕМЕНТЫ  КОСМОГОНИИ 
 

     Раздел  астрономии, изучающий происхождение  и развитие (эволюцию) галактик, звезд  и Солнечной системы, называется космогонией (от греч. «космос» – мир  и «гонос» – происхождение).

     Астрономические наблюдения доказывают, что материя во Вселенной находится в непрерывном развитии, в самых разнообразных формах и состояниях – от газа и пыли ничтожно малой плотности до сверхплотных объектов, от карликовых до сверхгигантских звезд резко различных размеров и светимостей, от сравнительно небольших звездных группировок до колоссальных по размерам и многообразию форм галактик, тоже находящихся на разных этапах своего развития. Раз меняются формы существования материи, то, следовательно, различные и разнообразные объекты Вселенной не могли возникнуть все одновременно, а формировались в разные эпохи и поэтому имеет своей определенный возраст, отсчитываемый от начала их зарождения.

     Раскрытие закономерностей зарождения и эволюции различных объектов Вселенной входит в задачи космогонии. Эти задачи она решает путем разработки научных предположений (гипотез), основанных на астрономических наблюдениях и их теоретическом обобщении, с использованием достижений всех отраслей естествознания. Поэтому в процессе развития естествознания, по мере его обогащения научными открытиями, разрабатываются новые космогонические гипотезы, объясняющие вновь открытые факты, а прежние, не удовлетворяющие им, отвергаются.

     Современная космогония в своих обобщениях опирается  на достижения смежных с ней отраслей естествознания – физики, математики, химии, геологии. 

Формирование  звезд и галактик

     Научные основы космогонии были заложены еще  Н.Ньютоном, который показал, что  равномерное распределение вещества в пространстве является неустойчивым и под действием собственной гравитации должно разделиться на сжимающиеся сгустки. Теория образования сгустков вещества, из которых формируются звезды, была развита в 1902 г. английским астрофизиком Дж.Джинсом (1877 – 1946). Эта теория объясняет и процесс образования галактик. Джинс доказал, что в первоначально однородной газовой среде с постоянной плотностью и температурой может возникнуть уплотнение. Если сила взаимного тяготения в нем превысит силу газового давления, то среда перестанет сжиматься, а если превалирует газовое давление, то вещество рассеется в пространстве.

     Эта теория в общих чертах подтверждается наблюдениями. Так, в Галактике межзвездная  среда (газ и пыль) неоднородна  и имеет клочковатую структуру. В сравнительно небольших газовых  облаках с массой, близкой к массе Солнца, сила газового давления уравновешивается силой гравитации, и облака не сжимаются. В крупных газопылевых туманностях, подобных Большой туманности Ориона и называемых газопылевыми комплексами, размерами 10 – 100 пк и массой в несколько тысяч солнечных масс, сила гравитации преобладает над силой газового давления. Поэтому в таких облаках возникают сгустки вещества, температура внутри которых при сжатии повышается, и они постепенно преобразуются в звезды. Следовательно, в газопылевых комплексах звезды формируются группами, образуя звездные скопления и ассоциации. На формирование звезд группами даже в нашу эпоху впервые указал еще в 1947 г. советский астрофизик В.А.Амбарцумян.

     Подобным  образом можно объяснить и  возникновение галактик, для формирования которых условия были  благоприятными на ранних этапах расширения Метагалактики, когда температура вещества была близка к 10⁶ К. Образовывались колоссальные по своим размерам сгущения с массами порядка сотен миллиардов солнечных масс, именуемые протогалактиками. По мере их дальнейшего сжатия в них возникали условия для формирования звезд, т.е. образовывались звездные системы – галактики.

     Исходя  из факта расширения Метагалактики, некоторые специалисты в области  космологии оценивают ее возраст  величиной, обратной постоянной Хаббла, т.е. 1,3*10¹⁰ лет. Учитывая, что принятое сейчас значение постоянной Хаббла известно с небольшой точностью, считают возраст Метагалактики близким к 13 – 15 млрд. лет. Этот возраст не противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд и шаровых звездных скоплений в нашей Галактике. 

Эволюция  звезд

     Возникшие в газопылевой среде Галактики  сгущения, продолжающие сжиматься под  действием собственного тяготения, получили название протозвезд. По мере сжатия плотность и температура  протозвезды повышается, и она начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра. Длительность стадии сжатия протозвезд различна: при массе меньше солнечной – сотни миллионов лет, а у массивных – всего лишь сотни тысяч лет. Когда температура в недрах протозвезды повышается до нескольких миллионов кельвинов, в них начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. При этом выделяется огромная энергия, препятствующая дальнейшему сжатию и разогревающая вещество до самосвечения – протозвезда превращается в обычную звезду.

     После выгорания водорода в недрах звезды образуется гелиевое ядро, а термоядерные реакции превращения водорода в  гелий начинают происходить в  тонком слое у границы ядра.  В  самом гелиевом ядре при создавшейся  температуре ядерные реакции происходить не могут, и оно резко сжимается до плотности свыше 4*10⁶ кг/м³. Вследствие сжатия температура в ядре возрастает. Рост температуры зависит от массы. Для звезд типа Солнца температура ядра остается всегда меньше 80  млн. кельвинов. Поэтому его сжатие приводит только к более бурному выделению ядерной энергии в тонком слое у границы ядра. У более массивных звезд температура ядра при сжатии становится выше 80 млн. кельвинов, и в нем начинаются термоядерные реакции превращения гелия в углерод, а потом и в другие более тяжелые химические элементы. Выходящая из ядра и его окрестностей энергия вызывает повышение газового давления,  под действием которого фотосфера звезды расширяется. Энергия, приходящая к фотосфере из недр звезды, распространяется теперь на большую площадь, чем раньше. В связи с этим температура фотосферы понижается. Звезда постепенно превращается в красного гиганта или сверхгиганта в зависимости от массы, и становится старой звездой. Проходя стадию желтого сверхгиганта, звезда может оказаться пульсирующей, т.е. физической переменной звездой, и остаться в такой стадии красного сверхгиганта.

     Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы  уже слабо притягивается ее ядром  и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность. После окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды – белый карлик.

     Эволюция  массивных звезд происходит более  бурно. В конце своей жизни  такая звезда может взорваться сверхновой звездой, а ее ядро, резко сжавшись, превратится в сверхплотный объект – нейтронную звезду или даже черную дыру. Сброшенная оболочка, обогащенная гелием и другими образовавшимися в недрах звезды химическими элементами, рассеивается в пространстве и служит материалом для формирования звезд нового поколения. Следовательно, некоторые характерные различия в содержании тяжелых химических элементов в звездах тоже могут служить признаком их формирования и возраста. В частности, есть основания полагать, что Солнце – звезда второго поколения, в которой есть примеси вещества в свое время прошедшего через горячие недра звезд первого поколения.

Происхождение Солнечной системы

Космогония  по Лапласу

     Знать прошлое Земли практически важно  для понимания строения и изменения  ее недр, а последнее важно при  поисках полезных ископаемых и для возможности предвидеть землетрясения.

     При установлении истории развития многолетних  организмов мы можем сопоставлять разные экземпляры их. Дубы и дубочки, сгнившие деревья говорят нам о жизненном  пути вековых деревьев, из которых  ин одно не завершает его целиком на наших глазах. Можно сравнивать друг с другом планеты в их современном состоянии и пытаться судить по ним об эволюции Земли. Но нашу Солнечную систему нам сравнивать  не с чем, ибо других, подобных ей, мы не знаем.

     Философ Кант в середине XVIII века четко высказывал идею об эволюции мировых тел и, опередив ученых-астрономов, набросал мыслимую картину возникновения Солнечной системы из обширной туманности. Он рисовал ее в соответствии с тем, что тогда было известно науке о строении Солнечной системы, планет и туманностей, о законах природы.

     Кант  смело отверг идею творения и нарисовал  развитие миров происходящим в силу естественных законов природы.

     Независимо  от Канта математик, механик и  астроном Лаплас разработал подобную же картину происхождения Солнечной системы. Его рассуждения были строже и научнее. Мировоззренческое значение этих работ Канта и Лапласа было очень велико. Современники были потрясены величественной картиной мироздания, развернутой Лапласом.

     Эти работы, а также разработка идеи эволюции, в частности в области геологии, великим русским ученым М.В.Ломоносовым способствовали тому, что позднее ученые и других областей науки убедились в существовании развития в природе. Понятие об эволюции постепенно вошло и в другие науки.

     Лаплас, как и Кант, правильно подметил основные, известные в то время характерные черты Солнечной системы, которые должна объяснить теория их происхождения. Эти черты следующие:

1. Подавляющая часть массы системы сосредоточена в Солнце.
2. Планеты обращаются по почти круговым орбитам почти в одной  и той же плоскости.
3. Все планеты обращаются в одну и ту же сторону; в ту же сторону обращаются вокруг планет их спутники и сами планеты вращаются вокруг своей оси.

     Во  времена Лапласа уже отдавали себе отчет в том, что из совершенно хаотического движения частиц правильное вращение возникнуть не может, вопреки предположению Канта. Поэтому Лаплас начинает рассмотрение развития Солнечной системы с гигантской газовой туманности, уже вращающейся вокруг своей оси, хотя и очень медленно.

     Она вращалась как твердое тело и  в центре имела сгусток  - зародыш  будущего Солнца. Притяжение к центру частиц туманности, простиравшейся сначала  за орбиту наиболее далекой из планет, заставляло ее сжиматься. Уменьшение размеров по законам механики должно было вести к ускорению вращения. Наступал момент, когда на экваторе туманности, где линейные скорости частиц при вращении больше всего, центробежная сила уравнивалась с тяготением к центру. В этот момент вдоль  экватора туманности отслаивалось газовое кольцо, вращавшееся в ту же сторону, в какую вращалась туманность. Продолжавшееся сжатие и ускорение вращения приводили к отслоению кольца за кольцом. В силу неизбежной неоднородности каждого кольца какой-либо сгусток в нем притягивал к себе остальное вещество кольца, и образовывался один газовый клубок – будущая планета. Наружные части кольца, а впоследствии сгустка, при обращении забегали как бы вперед и приводили его во вращение вокруг оси в ту же сторону, куда двигался зародыш планеты.

     При сжатии сгустков вследствие тяготения они сами могли отслаивать кольца и порождать себе спутников. Если же в подобном кольце не было резко преобладающего сгустка, «пожирающего» остальные, то оно разбивалось на множество мелких тел; так, например, образовалось кольцо Сатурна. Охлаждаясь, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в современные планеты, а центральный сгусток породил Солнце.