Всесвіт: відповіді на найвідоміші питання космосу

Що ми знаємо про світобудову, який космос? Всесвіт - це важко осягнутий людським розумом безмежний світ, який здається нереальним і нематеріальним. Насправді нас оточує матерія, безмежна у просторі та в часі, здатна набувати різних форм. Щоб спробувати зрозуміти справжні масштаби космічного простору, як влаштований Всесвіт, будова світобудови та процеси еволюції, нам потрібно переступити поріг власного світовідчуття, поглянути на навколишній світ під іншим ракурсом, зсередини.

Освіта Всесвіту: перші кроки

Космос, який ми спостерігаємо в телескопи, є лише частиною зіркового Всесвіту, так званого Мегагалактикою. Параметри космологічного горизонту Хаббла колосальні – 15-20 млрд світлових років. Ці дані приблизні, оскільки у процесі еволюції Всесвіт постійно розширюється. Розширення Всесвіту відбувається шляхом поширення хімічних елементів та реліктового випромінювання. Структура Всесвіту постійно змінюється. У просторі виникають скупчення галактик, об'єкти і тіла Всесвіту - це мільярди зірок, що формують елементи ближнього космосу - зіркові системи з планетами та супутниками.

А де початок? Як з'явився Всесвіт? Імовірно, вік Всесвіту становить 20 млрд. років. Можливо, джерелом космічної матерії стала гаряча і щільна протовещество, скупчення якого в певний момент вибухнуло. Найдрібніші частинки, що утворилися в результаті вибуху, розлетілися на всі боки, і продовжують віддалятися від епіцентру в наш час. Теорія Великого вибуху, яка зараз домінує у наукових колах, найточніше підходить під описи процесу утворення Всесвіту. Виникла в результаті космічного катаклізму речовина була різнорідною масою, що складається з дрібних нестійких частинок, які стикаючись і розлітаючись, стали взаємодіяти один з одним.

Великий вибух – теорія виникнення Всесвіту, що пояснює її утворення. Відповідно до цієї теорії спочатку існувала деяка кількість речовини, яка в результаті певних процесів вибухнула з колосальною силою, розкидавши в навколишній простір масу матері.

Через деякий час, за космічними мірками — мить, за земним літочисленням — мільйони років, настав етап матеріалізації простору. З чого складається Всесвіт? Розсіяна речовина почала концентруватися в згустках, великих і малих, дома яких згодом стали виникати перші елементи Всесвіту, величезні газові масиви — ясла майбутніх зірок. У більшості випадків процес формування матеріальних об'єктів у Всесвіті пояснюється законами фізики та термодинаміки, однак існує низка моментів, які поки що не піддаються поясненню. Наприклад, чому в одній частині простору речовина, що розширюється, концентрується більше, тоді як в іншій частині світобудови матерія сильно розріджена. Відповіді на ці питання можна буде отримати лише тоді, коли стане зрозумілим механізм утворення космічних об'єктів, великих і малих.

Зараз процес утворення Всесвіту пояснюється дією законів Всесвіту. Гравітаційна нестабільність та енергія у різних ділянках запустили процеси формування протозірок, які у свою чергу під впливом відцентрових сил та гравітації утворили галактики. Іншими словами, коли матерія продовжувала і продовжує розширюватися, під впливом сил тяжіння почалися процеси стиснення. Частинки газових хмар стали концентруватися навколо уявного центру, створюючи у результаті нове ущільнення. Будівельним матеріалом у цій гігантській будові є молекулярний водень та гелій.

Хімічні елементи Всесвіту - первинний будівельний матеріал, з якого йшло згодом формування об'єктів Всесвіту

Далі починає діяти закон термодинаміки, наводяться на дію процеси розпаду та іонізації. Молекули водню і гелію розпадаються на атоми, у тому числі під впливом сил гравітації формується ядро протозірки. Ці процеси є законами Всесвіту і набули форми ланцюгової реакції, що відбуваються у всіх далеких куточках Всесвіту, заповнивши світобудову мільярдами, сотнями мільярдів зірок.

Еволюція Всесвіту: основні моменти

На сьогоднішній день у наукових колах існує гіпотеза про циклічність станів, з яких зіткана історія Всесвіту. Виникнувши внаслідок вибуху проторечовини скупчення газу, стали яслами для зірок, які у свою чергу сформували численні галактики. Проте досягнувши певної фази, матерія у Всесвіті починає прагнути свого первісного, концентрованого стану, тобто. за вибухом і подальшим розширенням речовини в просторі слід стиснення і повернення до надщільного стану, до вихідної точки. Згодом все повторюється, за народженням слідує фінал і так протягом багатьох мільярдів років, до нескінченності.

Початок і кінець світобудови відповідно до циклічності еволюції Всесвіту

Однак, опустивши тему утворення Всесвіту, який залишається відкритим питанням, слід перейти до будови світобудови. Ще в 30-ті роки XX століття стало ясно, що космічний простір поділено на райони - галактики, які є величезними утвореннями, кожне зі своїм зоряним населенням. У цьому галактики є статичними об'єктами. Швидкість розльоту галактик від уявного центру Всесвіту постійно змінюється, що свідчить зближення одних і видалення інших друг від друга.

Всі ці процеси з погляду тривалості земного життя тривають дуже повільно. З погляду науки та цих гіпотез – всі еволюційні процеси відбуваються стрімко. Умовно еволюцію Всесвіту можна поділити на чотири етапи – ери:

адронна ера;
лептонна ера;
фотонна ера;
зіркова ера.

Космічна шкала часу та еволюції Всесвіту, відповідно до якої можна пояснити появу космічних об'єктів

На першому етапі вся речовина була сконцентрована в одній великій ядерній краплі, що складається з частинок та античастинок, об'єднаних у групи – адрони (протони та нейтрони). Співвідношення частинок та античастинок становить приблизно 1:1,1. Далі настає процес анігіляції частинок та античастинок. Протони і нейтрони, що залишилися, є тим будівельним матеріалом, з якого формується Всесвіт. Тривалість адронної ери мізерна, всього 0,0001 секунди - період вибухової реакції.

Далі, за 100 секунд, починається процес синтезу елементів. При температурі мільярд градусів у процесі ядерного синтезу утворюються молекули водню та гелію. Весь цей час речовина продовжує розширюватися у просторі.

З цього моменту починається тривалий, від 300 тис. до 700 тис. років, етап рекомбінації ядер та електронів, що формують атоми водню та гелію. При цьому спостерігається зниження температури речовини, що падає інтенсивність випромінювання. Всесвіт стає прозорим. Водень і гелій, що утворився в колосальних кількостях, під дією сил гравітації перетворює первинний Всесвіт на гігантський будівельний майданчик. Через мільйони років починається зіркова ера - процес утворення протозірок і перших протогалактик.

Такий поділ еволюції на етапи вписується в модель гарячого Всесвіту, яка пояснює багато процесів. Справжні причини Великого вибуху, механізм розширення матерії, залишаються незрозумілими.

Будова та структура Всесвіту

З утворення водневого газу починається зоряна ера еволюції Всесвіту. Водень під впливом гравітації накопичується у великі скупчення, згустки. Маса і щільність таких скупчень колосальні, в сотні тисяч разів перевищують масу галактики, що сформувалася. Нерівномірний розподіл водню, що спостерігалося на початковій стадії формування світобудови, пояснює відмінності в розмірах галактик, що утворилися. Там, де мало існувати максимальне скупчення водневого газу, утворилися мегагалактики. Де концентрація водню була незначною, з'явилися галактики менших розмірів, подібні до нашого зіркового будинку — Чумацького Шляху.

Версія, відповідно до якої Всесвіт є точкою початку-кінця, навколо якої обертаються галактики на різних етапах розвитку

З цього моменту Всесвіт отримує перші утворення з чіткими межами та фізичними параметрами. Це вже не туманності, скупчення зоряного газу та космічного пилу (продукти вибуху), протоскоплення зоряної матерії. Це зоряні країни, площа яких є величезною з погляду людського розуму. Всесвіт стає сповнений цікавих космічних феноменів.

З погляду наукових обґрунтувань та сучасної моделі Всесвіту спочатку формувалися галактики в результаті дії гравітаційних сил. Відбувалося перетворення матерії на колосальний вселенський вир. Відцентрові процеси забезпечили подальшу фрагментацію газових хмар у скупчення, які стали місцем народження перших зірок. Протогалактики зі швидким періодом обертання перетворилися згодом на спіральні галактики. Там, де обертання було повільним, і в основному спостерігався процес стиснення речовини, утворилися неправильні галактики, частіше еліптичні. На цьому фоні у Всесвіті відбувалися грандіозніші процеси — формування надскопивань галактик, які тісно стикаються своїми краями один з одним.

Надскупчення - це численні групи галактик і скупчень галактик у складі великомасштабної структури Всесвіту. У межах 1 млрд. св. років знаходиться близько 100 надскупчень

З цього моменту стало ясно, що Всесвіт є величезною картою, де континентами є скупчення галактик, а країнами — мегагалактики та галактики, що утворилися мільярди років тому. Кожна з утворень складається зі скупчення зірок, туманностей, скупчень міжзоряного газу та пилу. Проте це населення становить лише 1% від загального обсягу всесвітніх утворень. Основну масу і обсяг галактик займає темна матерія, природу якої з'ясувати неможливо.

Різноманітність Всесвіту: класи галактик

Стараннями американського вченого астрофізика Едвіна Хаббла ми тепер маємо межі Всесвіту та чітку класифікацію галактик, що населяють її. В основу класифікації лягли особливості структури цих гігантських утворень. Чому галактики мають різну форму? Відповідь на це та багато інших питань дає класифікація Хаббла, відповідно до якої Всесвіт складається з галактик наступних класів:

спіральні;
еліптичні;
іррегулярні галактики.

До перших відносяться найпоширеніші освіти, якими заповнено світобудову. Характерними рисами спіральних галактик є наявність чітко вираженої спіралі, яка обертається навколо яскравого ядра чи прагне галактичної перемичці. Спіральні галактики з ядром позначаються символами S, тоді як об'єкти з центральною перемичкою позначення вже SB. До цього класу відноситься і наша галактика Чумацький Шлях, в центрі якої ядро розділене перемичкою, що світиться.

Типова спіральна галактика. У центрі чітко видно ядро з перемичкою від кінців якої виходять спіральні рукави.

Подібні освіти розкидані по Всесвіту. Найближча до нас спіральна галактика Андромеда — гігант, який стрімко зближується з Чумацьким Шляхом. Найбільшою з відомих нам представниць цього класу є гігантська галактика NGC 6872. Діаметр галактичного диска цього монстра складає приблизно 522 тисяч світлових років. Знаходиться цей об'єкт на відстані від нашої галактики 212 млн. світлових років.

Наступним, поширеним класом галактичних утворень є еліптичні галактики. Їхнє позначення відповідно до класифікації Хаббла буква Е (elliptical). За формою ці утворення еліпсоїди. Незважаючи на те, що подібних об'єктів у Всесвіті досить багато, еліптичні галактики не відрізнятимуться виразністю. Складаються вони здебільшого з гладких еліпсів, які наповнені зоряними скупченнями. На відміну від галактичних спіралей, еліпси не містять скупчень міжзоряного газу та космічного пилу, які є основними оптичними ефектами візуалізації подібних об'єктів.

Типовий представник цього класу, відомий на сьогоднішній день, — еліптична кільцева туманність у сузір'ї Ліри. Цей об'єкт розташований від Землі на відстані 2100 світлових років.

Вигляд еліптичної галактики Центавр А на телескоп CFHT

Останній клас галактичних об'єктів, якими населений Всесвіт - іррегулярні або неправильні галактики. Позначення класифікації Хаббла – латинський символ I. Основна риса – це неправильна форма. Тобто у таких об'єктів немає чітких симетричних форм і характерного малюнка. За своєю формою така галактика нагадує картину всесвітнього хаосу, де зоряні скупчення чергуються з хмарами газу та космічного пилу. У масштабах Всесвіту іррегулярні галактики явище часто.

У свою чергу неправильні галактики поділяються на два підтипи:

Іррегулярні галактики I підтипу мають складну неправильну форму структуру, високу щільну поверхню, що відрізняється яскравістю. Нерідко така хаотична форма неправильних галактик є наслідком спіралей, що зруйнувалися. Типовий приклад подібної галактики - Велика і Мала Магелланова Хмара;
Іррегулярні, неправильні галактики II підтипу мають низьку поверхню, хаотичну форму і не відрізняються високою яскравістю. Внаслідок зниження яскравості, подібні утворення важко виявити на теренах Всесвіту.

Велика Магелланова Хмара є найближчою до нас неправильною галактикою. Обидві освіти у свою чергу є супутниками Чумацького Шляху і можуть бути незабаром (через 1-2 млрд. років) поглинені більшим об'єктом.

Неправильна галактика Велика Магелланова хмара — супутник нашої галактики Чумацький Шлях

Незважаючи на те, що Едвін Хаббл досить точно розставив галактики за класами, ця класифікація не є ідеальною. Більше результатів ми могли б досягти, включи у процес пізнання Всесвіту теорію відносності Ейнштейна. Всесвіт представлений багатством різноманітних форм та структур, кожна з яких має свої характерні властивості та особливості. Нещодавно астрономи зуміли виявити нові галактичні утворення, які за описом є проміжними об'єктами, між спіральними та еліптичними галактиками.

Чумацький Шлях - найвідоміша нам частина Всесвіту

Дві спіральні гілки, розташовані симетрично навколо центру, складають основне тіло галактики. Спіралі у свою чергу складаються з рукавів, які плавно перетікають один одного. На стику рукавів Стрільця та Лебедя розташувалося наше Сонце, що знаходиться від центру галактики Чумацький Шлях з відривом 2,62·10¹⁷км. Спіралі та рукави спіральних галактик – це скупчення зірок, щільність яких збільшується у міру наближення до галактичного центру. Решту маси та обсяг галактичних спіралей становить темна матерія, і лише мала частина припадає на міжзоряний газ та космічний пил.

Положення Сонця в рукавах Чумацького Шляху, місце нашої галактики у Всесвіті

Товщина спіралей становить приблизно 2 тис. світлових років. Весь цей листковий пиріг знаходиться в постійному русі, обертаючись із величезною швидкістю 200-300 км/с. Чим ближче до центру галактики, тим вища швидкість обертання. Сонцю та нашій Сонячній системі знадобиться 250 млн. років, щоб зробити повний оборот навколо центру Чумацького Шляху.

Наша галактика складається з трильйона зірок, великих і малих, надважких та середньої величини. Найщільніше скупчення зірок Чумацького Шляху – рукав Стрільця. Саме у цій галузі спостерігається максимальна яскравість нашої галактики. Протилежна частина галактичного кола навпаки менш яскрава і погано помітна при візуальному спостереженні.

Центральна частина Чумацького Шляху представлена ядром, розміри якого становлять 1000-2000 парсек. У цій найяскравішій області галактики зосереджено максимальну кількість зірок, які мають різні класи, свої шляхи розвитку та еволюції. В основному це старі надважкі зірки, що знаходяться на фінальній стадії Головної послідовності. Підтвердженням наявності старіючого центру галактики Чумацький Шлях є наявність у цій галузі великої кількості нейтронних зірок та чорних дірок. Справді – центр спірального диска будь-якої спіральної галактики — надмасивна чорна діра, яка наче гігантський пилосос всмоктує небесні об'єкти і реальну матерію.

Надмасивна чорна діра, що знаходиться в центральній частині Чумацького Шляху, – місце загибелі всіх галактичних об'єктів.

Що стосується зоряних скупчень, то вченим сьогодні вдалося класифікувати два види скупчень: кулясті та розсіяні. Крім зоряних скупчень спіралі та рукави Чумацького Шляху, як і будь-якої іншої спіральної галактики, складаються з розсіяної матерії та темної енергії. Будучи наслідком Великого вибуху, матерія перебуває у сильно розрідженому стані, представленому розрідженим міжзоряним газом і частинками пилу. Видима частина матерії є туманності, які у свою чергу діляться на два типи: планетарні та дифузні туманності. Видима частина спектра туманностей пояснюється заломленням світла зірок, які випромінюють світло всередині спіралі з усіх напрямків.

У цьому космічному супі існує наша Сонячна система. Ні, ми не єдині у цьому величезному світі. Як і у Сонця, багато зірок мають свої планетарні системи. Все питання у тому, як виявити далекі планети, якщо відстані навіть у межах нашої галактики перевищують тривалість існування будь-якої розумної цивілізації. Час у Всесвіті вимірюється іншими умовами. Планети зі своїми супутниками, найдрібніші об'єкти у Всесвіті. Кількість таких об'єктів не піддається обчисленню. Кожна з тих зірок, які знаходяться у видимому діапазоні, можуть мати власні зіркові системи. В наших силах побачити лише найближчі до нас існуючі планети. Що відбувається по сусідству, які світи існують в інших рукавах Чумацького Шляху та які планети існують в інших галактиках, залишається загадкою.

Kepler-16 b - екзопланета у подвійної зірки Kepler-16 у сузір'ї Лебідь

Висновок

Маючи лише поверхневе уявлення у тому, як виникла і як еволюціонує Всесвіт, людина зробив лише невеликий крок по дорозі розуміння і осмислення масштабів світобудови. Грандіозні розміри та масштаби, з якими вченим доводиться сьогодні мати справу, свідчать, що людська цивілізація — лише мить у цьому пучку матерії, простору та часу.

Модель Всесвіту відповідно до поняття присутності матерії у просторі з урахуванням часу

Вивчення Всесвіту йде від Коперника і донині. Спочатку вчені відштовхувалися від геліоцентричної моделі. Насправді виявилося, що космос не має реального центру і все обертання, рух та переміщення відбувається за законами Всесвіту. Незважаючи на те, що існує наукове пояснення процесам, що відбуваються, вселенські об'єкти розподілені на класи, види і типи, жодне тіло в космосі не схоже на інше. Розміри небесних тіл приблизні, як і їх маса. Розташування галактик, зірок та планет умовне. Справа в тому, що у Всесвіті немає системи координат. Спостерігаючи за космосом, ми робимо проекцію на весь видимий обрій, вважаючи нашу Землю нульовою точкою відліку. Насправді ми лише мікроскопічна частинка, що загубилася у нескінченних просторах Всесвіту.

Всесвіт – це субстанція, в якій всі об'єкти існують у тісній прив'язці до простору та часу

Аналогічно прив'язки до розмірів, слід розглядати час у Всесвіті як головну складову. Зародження та вік космічних об'єктів дозволяє скласти картину народження світу, виділити етапи еволюції світобудови. Система, з якою маємо справу, тісно пов'язана тимчасовими рамками. Всі процеси, що протікають у космосі, мають цикли - початок, формування, трансформацію та фінал, що супроводжується загибеллю матеріального об'єкта та переходу матерії в інший стан.