Образование Вселенной и Солнечной системы

     ЛЕКЦИЯ 1 

     Наша  Земля - одна из девяти планет Солнечной  системы, а Солнце это рядовая звезда - желтый карлик, находящаяся в Галактике Млечного Пути, одной из сотен миллионов Галактик в наблюдаемой части Вселенной. Несмотря на то, что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т.к. все они находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства и будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная. 

Образование Вселенной. и Солнечной системы 

     Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 9/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 18 - 20 млрд. лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать. Такое состояние вещества называется “сингулярным”. Теорию расширяющейся Вселенной или “Большого Взрыва” (Big Bang, англ.), впервые была создана А.А.Фридманом в России в 1922 г. Талантливый ученый, А.А.Фридман, скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С какого-то момента, отстоящего от нас на 20 млрд лет вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которые в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Вечно возникающий вопрос “ А что же было до Большого Взрыва”, по мнению известного английского физика С.Хогинса, носит метафизический характер, т.к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.

     Современная теоретическая физика достоверно описывает  процессы “Большого Взрыва”, но только после 1/100 секунды с момента его начала. Так, температура в 1032 К была достигнута через 10-43 сек, 101о К – через 1 сек., 109 К - через 1 минуту, 104 К - через 100 тыс. лет, а 103 К - через 1 миллион лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим. Теорию не только первоначально очень плотной, но и очень горячей Вселенной в конце 40-х годов развивал знаменитый физик Георгий Гамов. Первичный нуклеосинтез стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн. лет и формирование атомов (рис. 1.1). С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней и галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение “всех от всех” в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов. 1. “Разбегание “ галактик и скоплений галактик. Доказательство этого явления связано с эффектом Допплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону, а приближающегося - в голубую1. Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд, смещение происходит в красную сторону, причем, чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше (рис. 1. 2 ).

     Рис. 1.1. Эффект Доплера. При удалении объекта  от наблюдателя спектральные линии

смещаются в сторону красного цвета (“красные смещения”) 

     Все галактики и звезды удаляются  от нас и самые далекие из них  удаляются с большей скоростью. Это - закон Хаббла - астронома, открытый им в 1929 г.: V=HR, где V - скорость удаления, R - расстояние до космического объекта, а Н - коффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, Н = 15 км/сек / 10 6 свет. лет ( 1 световой год = 9,6·1012 км или 6,3·104 А.Е.). Например, скопление галактик в созвездии Девы (расстояние 78 млн. св.лет) удаляется от нас со скоростью 1200 км/ сек., а галактики в созвездии Гидры (расстояние 3 млрд. 960 млн.св.лет) - со скоростью 61000 км/сек. Следует подчеркнуть, что все галактики разбегаются от всех, а не от нас, как центра наблюдения, а Галактика Млечного Пути, в которой находится Солнечная система - это самая рядовая галактика среди миллионов. 

     2. “Реликтовое излучение”. В 1964 г.  американские астрономы Арно  Пензиас и Роберт Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы “Белл телефон” в штате Нью Джерси, обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с Т . 2,75 К. За это выдающееся открытие ХХ века авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обнаружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано физиками-теоретиками.

     Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала “Большого Взрыва”. С тех пор эффективная температура от многих миллионов упала до трех градусов Кельвина.

     3. Наблюдаемый химический состав  Вселенной составляет по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций “зажглись” звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.

     Что может ожидать Вселенную в  будущем? Ответ на это вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной и от величины уже упоминавшейся выше постоянной Хаббла. Современное значение плотности равно 10 -29 г/см3, что составляет 10-5 атомных единиц массы в 1 см 3. Чтобы представить такую плотность надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40000 км! Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию.

     Спустя  примерно 1 млрд. лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре “сгустка” начинаются ядерные реакции, т.е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

     Обнаруженные  в наши дни слабые вариации реликтового  излучения в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности вещества во Вселенной. Вероятно, что это первичное различие в плотности и послужило как бы “затравкой” для возникновения в будущем скоплений галактик и галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а, следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование галактик. Только 200 лет назад В.Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. были обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше Солнечной массы.

     Галактика Млечного Пути (ГМП) - одна из 100 000 миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной, обладает формой уплощенного диска, с диаметром около 100000 свет.лет и толщиной в 20000 свет.лет. В разрезе в центре наблюдается утолщение (балдж), которое состоит из старых звезд и ядро, скрытое облаками плотного газа (рис. 1.3 ). Не исключено, что в центре ГМП существует “черная дыра”, как в ядрах других спиральных галактик. Интересно, что ГМП окружена темным облаком ненаблюдаемого вещества, масса которого в 10 или более раз превышает массу всех звезд и газа в ГМП. Молодые звезды в осевой части диска окружены огромной сферической областью - гало, в которой находятся старые звезды. 

Рис. 1.2. Строение Галактики Млечного пути. Центральная  часть Галактики

характеризуется утолщением 

     Где же наше место в ГМП? Солнце, представляющее собой небольшую звезду среднего возраста типа желтого карлика, располагается в 3/5 от центра галактики в пределах главного диска. То, что оно принадлежит ГМП было установлено всего лишь 65 лет назад шведом Б.Линдбладом и голландцем Я.Оортом.

     С Земли, как одной из 9 планет, вращающихся  вокруг Солнца, мы видим звезды Млечного пути в виде арки, пересекающей небосвод, т.к. мы смотрим на край ГМП из ее срединной области. В 1610 г. Галилей насчитал в Млечном Пути всего 6000 звезд. Ближайшая к нам звезда, не считая Солнца, Альфа Центавра - 4 световых года. Все звезды ГМП медленно вращаются вокруг галактического центра. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра ГМП за 250 млн. лет со скоростью 240 км/сек. Галактический год играет важную роль в периодизации геологической истории Земли.

     Чтобы попытаться более наглядно представить  шкалу времени, в рамках которой мы оперируем космическими терминами, воспользуемся шкалой Мейерса (1986).

Если 15 млрд лет = 24 часа = 1 сутки

Это время, прошедшее после начала Большого Взрыва ( по современным представлениям - 20 млрд. лет).

         1) Спустя 4 сек. в полночь - образование  устойчивых атомов

         2) 4-5 часов - возникновение галактик  и звезд

         3) 18 часов - образование Солнечной  системы

         4) 20 часов - первые формы жизни

         5) 22 часа 30 минут - первые позвоночные  вышли на сушу

         6) 22 часа 30 минут - 23 часа 56 минут - существование  динозавров

         7) За 10 сек. до полуночи - первые  человекообразные

         8) За 0,001 сек. до полуночи - “промышленная  революция”.

  Солнечная система

     В центре нашей планетной системы  находится звезда - Солнце, в котором сосредоточено 99,866 % всей массы системы. На все 9 планет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества системы. В тоже время 98 % момента количества движения, т.е. произведения массы на скорость и радиус вращения сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100000 астероидов или малых планет и около 1011 комет, а также огромное количество мелких обломков - метеоритов.

  Солнце и его параметры.

     Солнце - это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в ГМП. Солнце имеет диаметр . 1,4 млн.км (1 391 980 км), массу, равную 1,98·1033 км и плотность 1,4 г/см3, хотя в центре она может достигать 160 г/см3. В структуре Солнца различают внутреннюю часть или гелиевое ядро с Т.15 млн.К (0 ОС=273 К), далее располагается зона лучистого равновесия - фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т от 800 К на глубине 300 км и до 4000 К в верхних слоях, а самую внешнюю часть Солнечного диска составляет хромосфера, мощностью 10-15 тыс.км с Т.20000 К (рис. 1.4.).

Рис. 1.3. Внутренняя структура Солнца 

     Гранулярная структура фотосферы обусловлена  всплыванием более высокотемпературных потоков газа и погружением относительно более холодных. Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нашу планету. Локальные, очень сильные магнитные поля, возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме - хорошему проводнику, перемещаться поперек линий магнитной индукции. В подобных участках и возникает темное пятно, т.к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Солнечные протуберанцы - это грандиозные выбросы хромосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей Солнца. Хромосферные вспышки, факелы, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца.

     Выше  хромосферы и фотосферы располагается  Солнечная корона мощностью 12- 13 млн. км и с Т. 1,5 млн. К, хорошо наблюдаемая во время полных Солнечных затмений. Вещество, располагающееся внутри Солнца, под давлением внешних слоев, сжимается и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается и температура, и когда она достигает 15 млн. К - происходит идет термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, хотя радиус ядра всего 25% от радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного переноса.

В составе  Солнца господствует Н, составляющий 73% по массе и Не - 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, также как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца - ядерный синтез, слияние 4-х ядер Н-протонов, образует одно ядро Не с выделением огромного количества энергии. 1 грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции выделяет 6·1011 Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м3 от 0О до точки кипения. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т.к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания Солнечной активности, когда формируются Солнечные пятна с диаметром в среднем 66000 км. Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы - протоны и электроны, с альфа-частицами и ионизированными атомами С, О и других более тяжелых элементов. Скорость Солнечного ветра вблизи Земли достигает 400-500 и даже 1000 км/сек.