Разумная жизнь во Вселенной

Специалисты возлагают большие надежды на координационные соединения, в которых электроны с заполненной внешней оболочкой инертного газа захватываются на пустые места в незаполненной оболочке активного атома. При обычных температурах такие связи очень слабы. Поэтому они легко разрушаются при колебании молекул или же при столкновениях, которые вызваны тепловыми движениями. Но при температурах –150 °C ситуация кардинально меняется. Движения настолько замедленны, что даже малые силы способны удерживать атомы.

Для биологического растворителя F₂O подходят молекулы трехфтористого аргон-бора. В нем аргон действует как связывающее звено между группами BF₂. Типичное соединение имеет формулу A»–4BF₃. Связь осуществляется и с помощью следующего механизма. Атом инертного газа в присутствии сильного диполя сильно поляризуется. Поэтому он сам начинает действовать как диполь. Ясно, что при этом он действует на первоначальный диполь. Происходит следующее: электроны смещены на одну сторону, а на другой стороне образуется местный избыток положительного заряда. Этот избыточный положительный заряд может притянуть электрон из другого атома. Эта связь является слабой, но для осуществления жизненных функций она и должна быть слабой. При сильной связи молекулы не могут быть лабильными. Таким образом, и в этом плане F2O заслуживает особого внимания. Молекула F2O является сильным диполем. Поэтому она может принимать участие в реакциях такого типа с инертными газами. При этом должны образовываться молекулярные соединения. Ничего в этом неожиданного нет. Хорошо известно, что инертные газы образуют такие соединения с водой, аммиаком и фенолами. В такого рода соединения могут входить HF и HCN, которые являются сильными диполями. Некоторые из этих соединений при низких температурах будут стабильными в той мере, в какой это необходимо для жизни.

Итог этого рассмотрения можно подвести так. В океане жидких F2O и HeНF могут образовываться сложные псевдоорганические вещества, близкие к тем, которые зажгли (а точнее, проявили) жизнь на Земле. При очень низких температурах расход энергии небольшой.

Рассмотрим подробнее аммиачную жизнь. Аммиак остается жидким в диапазоне температур от –77,7 °C до –33,4 °C. Этот диапазон уже, чем в случае земной жизни. И, конечно, весь он в минусе. Некоторую корректировку проведет давление. Если оно отличается от земного, то поплывут и температуры. При очень большом давлении (как на Юпитере) сильно поднимется точка кипения аммиака. Она может достигнуть +132,4 °C. Это выше точки кипения воды в условиях Земли. И это критическая температура, выше которой переход в жидкое состояние при помощи одного только давления становится невозможным. Но давление это немалое — 112 атмосфер.

Скрытая теплота перехода у аммиака сравнима с таковой у воды. Для парообразования у аммиака скрытая теплота равна 332 кал/г. У воды она равна 539 кал/г. Для плавления скрытая теплота аммиака равна 84 кал/г. Для воды она равна 79,9 кал/г. В условиях низких температур наиболее важна скрытая теплота плавления. Поэтому можно сказать, что аммиак по сравнению с водой в этом плане имеет преимущество. Кстати, и теплоемкость его паров, равная 0,520, несколько превышает таковую для водяного пара при постоянном давлении (0,488). Теплоемкость важна для погоды и климата. Климат на Земле стабилизирует гидросфера, и прежде всего океаны. Они создают определенную инерционность в изменении климата. Если бы теплоемкость воды была в 10 раз меньше, то изменения погоды были бы в принципе непредсказуемы. Все менялось бы слишком быстро. Поэтому океаны и моря, состоящие из жидкого аммиака, будут смягчать большие колебания температуры, как это происходит на Земле благодаря гидросфере. У аммиака дипольный момент равен 1,47. У воды он равен 1,85. Диэлектрическая постоянная у аммиака равна 22 (при температуре –34 °C). Для воды диэлектрическая постоянная равна 81,1 (при температуре +18 °C). Это значит, что аммиак примерно в четыре раза хуже как изолятор, чем вода. Он и менее вязок, чем вода. И тоже примерно в четыре раза. Проводимость раствора соли в жидком аммиаке обычно больше, чем проводимость водного раствора той же соли. Биологические преимущества аммиака перед водой заключаются в том, что он обладает большей текучестью и поэтому является эффективным электролитическим растворителем.

Само диссоциация у аммиака почти такая же, что и у воды. Аммиак образует положительный ион NН+, который соответствует иону гидроксония Н₃О+ у воды. Оба эти иона при реакции отдают протон Н+. Аммиак образует отрицательный ион NH₂—, а вода ОН—. Таким образом, аммиачные кислоты характеризуются катионами NH₄+ и H+.

Азот может заменить кислород в смысле увеличения электроотрицательности молекулы. Именно в этом состоит химический смысл процесса «окисления». Поэтому у жизни, которая основана не на воде, а на аммиаке, роль кислорода может вполне перейти к азоту.

Те растворимые соединения, которые дают любой из трех аммиачных анионов, будут вести себя в жидком аммиаке как основания. К таким основаниям относятся амины, амиды металлов, имиды и нитриды.

В жидком аммиаке легко протекают реакции восстановления. Можно полагать, что горные породы в мире с аммиачной гидросферой будут содержать кристаллизационный аммиак, примерно так же как наши горные породы содержат воду. Конечно, различие между двумя растворителями — водой и аммиаком — существует. Раствор-аммиак растворяет щелочные металлы без реакции. При этом образуются так называемые «голубые растворы». Они обладают хорошей электропроводностью. Чистый металл из них можно выделить простым выпариванием. Растворяются, но в меньшей степени, и щелочноземельные металлы. Весьма заметной растворимостью обладают некоторые редкоземельные металлы, а также магний, алюминий, бериллий. Из неметаллов частично растворяются йод, сера, селен и фосфор. При этом в некоторых случаях протекает реакция с растворителем. Многие из указанных элементов играют важную роль в процессах жизни. Значительная часть из них являются катализаторами, то есть ускорителями химических реакций. Катализаторы ускоряют реакции, но при этом не расходуются.

Важнейшей функцией жизненного растворителя является доставка в растворе или суспензии различных составляющих органического вещества. В этом отношении аммиак лучше воды. Это свойство растворителя особенно важно в период зарождения жизни. Растворимость неорганических водных солей в аммиаке существенно зависит от аниона (отрицательного иона) растворителя. Значительно меньше она зависит от катиона — положительного иона. Исключение в этом плане составляют соли аммония, которые обычно растворимы независимо от аниона. Эти соли в жидком аммиаке ведут себя как кислоты. Растворимы также иодиды, перхлораты, нитраты, тиоцианаты, цианиды и нитриты. Нерастворимы фториды, большинство хлоридов (включая поваренную соль NaCl), карбонаты, оксалаты, сульфаты, сульфиды, гидроокиси и окислы.

Имеется растворитель, который является чем-то средним между водой и аммиаком (в смысле свойств). Это гидроксиламин NH₂OH. Он диссоциирует (распадается) на ионы H+ и NHOH—. Плавится он при температуре +33 °C, а кипит при +58 °C. Но это при давлении 22 мм рт. ст. В этих условиях вода кипит при температуре около +24 °C. Значит, температурные пределы жидкой фазы гидроксиламина шире, чем у воды. Он может действовать как водоподобный биологический растворитель в тех условиях, где и вода, и аммиак примерно одинаково распространены. Это при температурах на 30 °C выше верхнего предела существования жидкой воды. На ранних этапах эволюции атмосферы Земли такие условия могли быть.

Но вернемся к аммиаку. Он обладает меньшим диполь-ным моментом, чем вода. Поэтому для соединений, которые сильно поляризованы, он является менее эффективным растворителем, чем вода. Зато для неполярных веществ, а к ним принадлежит большинство органических соединений, он является лучшим растворителем, чем вода. У аммиака наиболее резко выражены свойства основания. Поэтому он особенно эффективен при растворении кислых веществ. Итак, аммиак является растворителем, который в высшей степени пригоден для роли жидкой основы жизни.

Молекулярные цепочки могут образовываться с помощью углерода. Частично он может быть заменен азотом. В земных условиях озонные цепочки обычно коротки и неустойчивы. Однако в некоторых азото-водородных производных может присутствовать подряд до восьми связанных атомов азота. При низких температурах, когда аммиак находится в состоянии жидкости, устойчивость таких структур сильно возрастает. Происходит частичное замещение углерода азотом. Это имеет место в таких органических циклических соединениях, как пурины. А пурины являются жизненно важными соответствующими наших нуклеиновых кислот.

На известных нам планетах аммиак обнаружен вместе с метаном и другими углеводородами. Это в условиях низких температур, когда вода замерзает. Конечно, часть воды сохраняется растворенной в жидком аммиаке. Эта смесь, в которой органические соединения образуются самопроизвольно под действием коротковолнового излучения, радиоактивности и электрических разрядов.

Надо подчеркнуть, что в условиях низких температур не обязательно должна происходить частичная или полная замена углерода другими цепочкообразными элементами. Другое дело, при температурах выше точки кипения воды. Здесь замена углерода может оказаться неизбежной, поскольку многие органические соединения (белки, углероды и их производные) не могут противостоять высоким температурам. Подыскивая замену углероду, необходимо обращать внимание на такие неметаллы, которые образуют летучие водородные соединения. Мы имеем в этом плане весьма ограниченные возможности. Это бор В в III группе, кремний Si и, возможно, германий Ge в IV группе, азот N и фосфор P в V группе. Сюда с некоторой натяжкой можно добавить серу S в VI группе таблицы Менделеева.

Но против бора работают два обстоятельства. Во-первых, его малая распространенность. Так, в земной коре его всего три десятитысячных процента. Дело в том, что под действием космических лучей (заряженных частиц) ядра бора преобразуются в ядра других элементов. Правда, на других планетах в иных условиях бора может быть больше, чем на Земле. Второй аргумент против бора состоит в естественном сродстве бора с азотом и с аммиаком как растворителем. В этом плане бор лучше соответствует органической схеме, приспособленной к условиям умеренно низких температур.

Кремний как заменитель углерода этих изъянов не имеет. Кремний является неметаллом. Он находится в одной группе (IV) с углеродом, кремнием и германием. Все, кроме кремния, являются металлами. В эту группу, естественно, входит и водород. У всех элементов этой группы на валентной оболочке имеется четыре свободных места. Значит, их максимальная валентность и характеристическая ковалентность равны четырем. Это и определяет их химические свойства. Все указанные элементы образуют ряды водородных соединений.

Установлено, что кремневодороды имеют несколько более высокие точки плавления и кипения, чем углеводороды. Но температуры их разложения меньше. Это соответствует меньшим энергиям связей. Несмотря на это они достаточно теплостойки для любой вероятной схемы жизни. При соприкосновении с воздухом или кислородом они самовозгораются. Кроме того, они энергично реагируют с водой в присутствии катализаторов-щелочей. При этом образуются силикаты и высвобождается водород. Чистая вода не действует на кремневодороды в силикатных сосудах. Эта реакция протекает только в сосудах из стекла, поскольку оно содержит щелочные металлы.

В земных условиях кремневодороды, как и углеводороды, существовать не могут. Так, болотный газ, основную часть которого составляет метан, самовозгорается в воздухе. Тем не менее углеводороды являются основными элементами молекулярных цепочек в земной схеме жизни. Важно помнить, что органические соединения строятся не из углеводородов, а из продуктов фотосинтеза. Сами же углеводороды появляются в существующей органической схеме позднее как продукты распада органических веществ.

Имеются кремниевые кислоты органического типа. Достаточно подставить аминогруппу на место начального атома водорода, чтобы превратить их в аминокислоты. Из них могут быть построены кремнебелки через кремниевые аналоги пептидных связей. В этом процессе возникнут более прочные связи, поскольку сродство кремния и кислорода больше.

Но есть одно принципиальное отличие кремния от углерода. Кремний предпочитает соединяться с кислородом. Поэтому он не дает аналогов циклических углеводородов, поскольку образует цепочки — Si — O — Si —. Это можно сделать путем замены кислорода на серу. Она относится также к VI группе таблицы Менделеева. Достаточно давно были получены кремниевые полимеры с азотом, который заменяет кислород. При этом азот служит донором электрона. Полагают, что азот может быть заменен фосфором. Но здесь не все еще изучено.

Если водорода на какой-либо планете мало, его можно заменить галогеном. Существуют длинные цепочки из кремния и хлора, которые подобны кремневодородам. Эти соединения могут быть основой для построения сложной химической системы. Можно утверждать, что кремний вполне может заменить углерод и быть цепочкообразующим элементом органической системы. При этом вместо чисто кремниевых цепочек крупные лабильные молекулы вполне могут быть основаны на связях Si — O — Si или Si — N — Si. При высоких температурах жизнь не требует полного исключения углерода из органических структур. Углерод может присутствовать вместе с кремнием и германием. Собственно, известны некоторые углеродные соединения, в которых присутствует кремний. Таким образом, при высоких температурах может существовать жизнь, основанная на кремнии, сере и фосфоре вместо азота. Условия для этого могут быть на планете малой массы. Такие планеты должны находиться близко к своему солнцу. В нашей планетной системе это Меркурий.

Если температура на планете достигает 300 °C, то в ее атмосфере не могут задерживаться легкие элементы. Они улетучиваются в космос. Тут важны два фактора — температура и сила тяжести.

Условия на планетах во Вселенной могут быть самыми различными. Поэтому специалисты не исключают, что «кремниевая жизнь» возможна при высоких давлениях и температурах свыше 1000 °C. В этих условиях кремниевые соединения станут лабильными. Вообще-то специалисты проработали вопросы существования жизни во Вселенной — на планетах, где условия очень сильно различаются: при изменении температуры от нескольких градусов выше абсолютного нуля (— 273,15 °C) до точки кипения свинца. Рассматривались даже более высокие температуры.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ВСЕЛЕННАЯ

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Около 15 миллиардов лет тому назад произошел Большой Взрыв, охвативший существовавшее в то время вещество, которое было равномерно распределено в небольшом пространстве и имело огромные плотность и температуру. Наиболее плотно вещество упаковано в атомных ядрах. Там плотность его составляет 10–15 г/см3. Сейчас известно, что плотность вещества до Большого Взрыва была во всяком случае больше плотности вещества в атомных ядрах по крайней мере в 10108 раз. Именно такой плотности достигло вещество спустя 10–43 секунды после Большого Взрыва. Но за это время после начала Взрыва вещество успело уменьшить свою плотность. Значит, до Взрыва оно имело бо́льшую плотность.

Горячее вещество, которое в конце концов взорвалось, состояло из большого количества фотонов, имеющих большие энергии, но замурованных в вещество в результате столь огромной его плотности. Кроме того, в нем содержались протоны и нейтроны, которые непрерывно стремились к объединению и образованию дейтерия. Этому препятствовали фотоны, разбивая дейтерий на протон и нейтрон. Этот процесс может идти только при очень высокой температуре.

Известно, что температура вещества до Взрыва и сразу после него превышала десятки тысяч миллиардов градусов по Кельвину (или просто кельвинов). Взрыв разбросал вещество во все стороны, оно стало разбегаться с огромными скоростями, порядка 250 километров в секунду. Так с момента Большого Взрыва начала существовать горячая расширяющаяся Вселенная, в которой мы живем. Горячее вещество до Взрыва не содержало атомов химических элементов и даже всех элементарных частиц. В экстремальных условиях при столь больших плотности и температуре после Большого Взрыва стали протекать ядерные реакции между элементарными частицами, в результате которых образовались другие элементарные частицы (до указанного выше момента после истечения 10-4 секунды после Взрыва), а затем и химические элементы.

Какие именно процессы привели к образованию химических элементов, в настоящее время установлено, поскольку имеется возможность сопоставить результаты расчетов этих процессов с истинным распределением химических элементов в нынешней Вселенной. Поэтому можно считать, что мы знаем, что происходило от 1 секунды после Взрыва и до наших дней, несмотря на то, что этот период занимает 15 миллиардов лет. Имеются некоторые естественные вехи, которые делят весь интервал времени после Взрыва (все время жизни Вселенной, поскольку ее летоисчисление началось с Большого Взрыва) на отдельные периоды. Первый такой период (возможно, состоящий из подпериодов) от начала Взрыва продолжался всего 1 секунду. Но именно в этот период была определена вся дальнейшая «судьба» Вселенной (ее строение, химический состав, эволюция). Правда, этот период не только самый важный, но и менее изученный, чем последующие.

В самые первые моменты после Взрыва из-за огромной температуры, превышающей десятки тысяч миллиардов градусов, взаимодействие частиц приводило к рождению одновременно протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов. Частицы и античастицы не только рождались, но и аннигилировали (взаимно уничтожались). При последнем процессе рождаются фотоны. Так, высокоэнергичные фотоны при столкновении приводят к образованию пар электрон-позитрон, а при аннигиляции рождаются кванты света — фотоны. Минимальная температура, при которой могут проходить описанные выше превращения, должна превышать 10 миллиардов градусов. При меньших температурах фотонам не будет хватать энергии для образования пар электрон-позитрон. Как уже было сказано, для рождения более тяжелых частиц (протонов, антипротонов, нейтронов, антинейтронов, мезонов и т. п.) нужна еще более высокая температура. Чем меньше температура, тем частицы меньшей массы могут порождать фотоны. Поэтому при понижении температуры число тяжелых частиц уменьшается (вначале протонов и антипротонов, а затем и мезонов).

Высокоэнергичные фотоны не могли преодолеть вещества из-за его колоссальной плотности: они поглощались и тут же излучались веществом. При нынешней низкой плотности вещества во Вселенной оно неспособно было бы оказать какое-либо ослабляющее (поглощающее) действие на распространение этих фотонов. В результате поглощения и излучения фотонов их число оставалось неизменным. То же можно сказать и о протонах и нейтронах. Установлено, что в первый период на один протон приходился миллиард фотонов. Можно сказать, что все произошло от света, так как частиц по сравнению с фотонами было ничтожно мало. С течением времени это соотношение остается постоянным. Но меняется соотношение между массой всех фотонов и массой всех протонов, поскольку фотоны становятся все более легкими. Это происходит в результате эффекта Доплера, так как фотоны с течением времени уменьшают свою частоту, а значит, и энергию (массу).

В какое-то время наступает момент, когда вся масса фотонов (в данном объеме) сравнится с массой протонов. Такое условие наступило во Вселенной тогда, когда ее вещество имело плотность 10–20 г/см3 и температуру около 6 тысяч градусов. До этого масса излучения была больше массы вещества. Этот период называют эрой фотонной плазмы. Фотоны в это время представляли собой видимый свет. Позднее их энергия уменьшилась (частота уменьшилась), и они стали радиоволнами.

В первом периоде критическим является достижение момента в 0,3 секунды. С этого момента вещество, уменьшающее свою плотность в результате расширения, начинает быть прозрачным для нейтрино. При больших плотностях и очень высоких температурах нейтрино взаимодействует с веществом: они вместе с антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно. После этого момента, наступившего спустя 0,3 секунды после Большого Взрыва, нейтрино становятся неуловимыми, ведь они больше не взаимодействуют с остальным веществом, которое становится для нейтрино прозрачным. По этой причине число нейтрино, которые вырвались в этот момент из вещества Вселенной, не меняется до наших дней: они только носятся по Вселенной, но не исчезают. Правда, с ними происходит то же самое, что и с фотонами, в результате эффекта Доплера они с течением времени уменьшают свою энергию. Мы узнаем о том, что происходило после Большого Взрыва, по тому излучению, которое доходит до нас с тех времен. Несомненно, что ценную информацию несут с собой и нейтрино, которые вырвались на свободу в момент, наступивший через 0,3 секунды после Взрыва. Но, к сожалению, их пока не удалось поймать. Этому препятствуют очень малая их энергия (она с первоначального момента сильно уменьшилась) и их нежелание взаимодействовать с остальным веществом.

В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль в них играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Но в каждый момент число протонов примерно равно числу нейтронов. Подчеркнем, что температура в это время была не менее ста миллиардов градусов. Но с течением времени температура вследствие расширения Вселенной уменьшается. При этом протонов становится больше, поскольку их масса меньше массы нейтронов и создавать их энергетически выгоднее. Но эти реакции создания избытка протонов останавливаются из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны, а именно, в тот момент, когда нейтроны составляют 15 % от всех тяжелых частиц. И только после того, как температура падает до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра (кроме самого протона, который является ядром атома водорода). Это становится возможным потому, что фотоны и другие частицы из-за «низкой» температуры уже бессильны разбить ядро. Нейтроны захватываются протонами, и образуется дейтерий. Затем реакция продолжается и заканчивается образованием ядер гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Кроме дейтерия образуется совсем немного лития и изотопа гелия–3. Более тяжелые ядра в это время не образуются. Второй период, длящийся от секунды до 5 минут, заканчивается потому, что из-за упавшей ниже одного миллиарда градусов температуры ядерные реакции прекращаются. Собственно, это те реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы.

К концу второго периода, то есть через 5 минут после Большого Взрыва, расширяющееся вещество состоит из ядер атома водорода — 70 % и ядер гелия — 30 %.

Был еще один момент, особый в протекании физических процессов в расширяющейся Вселенной после Большого Взрыва. Электроны и позитроны, рождаемые при высоких температурах в результате столкновения высокоэнергичных частиц, перестали создаваться, так как температура упала до нескольких миллиардов градусов. Энергии сталкивающихся частиц стало недостаточно для их образования. Имеющиеся электроны и позитроны аннигилируют, и при этом образуются фотоны. Таким образом, число фотонов увеличивается. Через какое-то время процесс аннигиляции заканчивается. Так, к концу второго периода в 5 минут заканчиваются процессы в горячей ранней Вселенной. Температура становится ниже одного миллиарда градусов. Вселенная перестает быть горячей. Поэтому наступает период совсем других процессов, который длится триста тысяч лет.

В это время еще нет атомов. Вещество Вселенной представляет собой плазму, то есть одни голые ядра без орбитальных электронов. Эта плазма «нашпигована» фотонами. Поэтому ее называют фотонной плазмой. Она является непрозрачной для фотонов. Свет своим давлением только несколько ее раскачивает, образуя «фотонный звук». Главным дирижером всего происходящего в расширяющейся Вселенной во все три периода является температура. Вселенная не только расширяется, но и одновременно (а точнее, поэтому) охлаждается. Когда температура падает до четырех тысяч градусов, наступает очередной скачок в характере процессов: начинают образовываться нейтральные атомы. Плазма перестает быть полностью ионизованной. Число нейтральных атомов увеличивается. Они образуются в результате обрастания имеющихся в плазме ядер водорода и гелия электронами. Так появляются в расширяющейся Вселенной нейтральный водород и гелий. По мере того как плазма стала превращаться в нейтральный газ, она становилась прозрачной для фотонов. Именно в этот момент, спустя триста тысяч лет после Большого Взрыва, фотоны вырвались из столь длительного плена (названного эрой фотонной плазмы) и устремились в самые удаленные уголки Вселенной. Эти качественные изменения имели далеко идущие последствия. Главное из них, видимо, то, что однородная до этого плазма, превращенная теперь в нейтральный газ, получила возможность собираться в комки. А это первый шаг к образованию галактик и вообще всех небесных тел. Почему это не могло происходить в плазме? Потому, что образованный комок плазмы запирал внутри себя фотоны, которые оказывали на него изнутри огромное давление и разбивали его. Комок не рос дальше, а, наоборот, разрушался. Плазма снова становилась однородной. Но когда фотоны, как пар из лопнувшего шара, были выпущены, ничто не препятствовало нейтральному веществу собираться в комки. Далее надо бы рассмотреть, как все это происходило. Но у читателя возникло много вопросов по тому, что уже было сказано. Поэтому мы вернемся к описанному периоду жизни Вселенной и сделаем необходимые пояснения, а после этого продолжим рассказ о том, как образовались галактики, скопления галактик, звезды и планеты.

Прежде всего возникает естественный вопрос, откуда мы знаем, что Вселенная расширяется. Это отнюдь не очевидно. Наоборот, во все эпохи считалось, что Вселенная является стационарной, то есть один раз запущенной, как часы, и важно было только выяснить, как устроен механизм этих часов. Но оказалось, что механизм Вселенной меняется со временем. Вселенная развивается, эволюционирует, то есть является нестационарной. Первым, кому это пришло в голову, был советский физик А. Фридман, работавший в 1920-е годы в Петрограде. Он строго математически решал уравнения теории тяготения А. Эйнштейна и установил, что Вселенная не может быть стационарной, она должна непрерывно меняться, эволюционировать. Если принять ее стационарность, то под действием сил притяжения она должна постепенно сжиматься. Сжатию под действием сил тяготения могут препятствовать силы, возникающие за счет круговых движений тел по своим орбитам, как это имеет место в Солнечной системе. В эллиптических галактиках вступает в силу другое противодействие — движение тел по очень вытянутым орбитам. Что касается всей Вселенной, то ни то, ни другое объяснение невозможно, так как для уравновешивания действия сил тяготения пришлось бы разгонять ее до скоростей, превышающих скорость света. А это законами физики запрещено. Получается, что силы тяготения во Вселенной уравновесить нечем.

А. Эйнштейн также занимался этой проблемой и нашел выход в том, что модифицировал уравнения теории тяготения (благо, она была им же создана) таким образом, что силы притяжения уравновешивались некими введенными им силами отталкивания, которые должны, по его предположению, действовать между всеми телами во Вселенной (наряду с силами притяжения). Так он несколько незаконно получил статистические решения, описывающие стационарную Вселенную. На опубликованную в конце июня 1922 года в немецком «Физическом журнале» работу Фридмана он опубликовал там же ответ, в котором указал, что он нашел в расчетах А. Фридмана ошибку, а правильные решения дают стационарную Вселенную. Только почти через год (в мае 1923 года) А. Эйнштейна удалось убедить в правоте А. Фридмана, и он публично признал это.

Что же следовало из решения А. Фридмана? Вселенная должна или расширяться, или сжиматься, или же пульсировать. Теперь дело стало за доказательствами, за фактами, за экспериментом. Первыми доказательствами могли служить данные измерений американского астрофизика В. Слайфера, который показал, что большинство галактик удаляется от нас с огромной скоростью. Принцип этих измерений прост. Если движущееся мимо нас тело (например, паровоз) издает звук, то при приближении источника звука к нам частота его колебаний увеличивается (он становится более высоким), а при удалении — уменьшается (звук становится более низким). Это и есть эффект Доплера. То же самое происходит и со светом (а вообще с любыми волнами, в том числе электромагнитными, включая радиоволны, рентген, гамма-излучение и т. д.): при приближении источника света его частота увеличивается, он смещается в сторону голубого цвета, а при удалении свет краснеет. Оказалось, что свет галактик краснеет. Значит, источники света удаляются. Надо иметь в виду, что по эффекту Доплера можно определить только скорость вдоль линии, соединяющей нас с источником света (или звука), то есть по лучу. Поэтому эти скорости и были названы «лучевыми». Но для получения полной картины расширения Вселенной этого мало. Надо знать истинные расстояния до излучающих тел. Этот вопрос решался на основании использования следующего физического закона. Если знать истинную светимость свечи (любого источника света), то при удалении ее на определенное расстояние ее видимый блеск уменьшится как квадрат этого расстояния. Значит, зная светимость источника и его видимый блеск, можно определить расстояние до него. Этот метод так и назван — методом стандартной свечи.

К «стандартной свече» выдвигаются определенные требования. Во-первых, чтобы она не была слабой, иначе мы ее видимого блеска и вовсе не заметим. Во-вторых, чтобы нам была известна ее истинная светимость. Исходя из этих требований вначале использовали переменные звезды цефеиды, которые в тысячу раз ярче Солнца. С помощью цефеид можно промерить Вселенную на расстояние до 15 миллионов световых лет. Но это расстояние недостаточное. На таком расстоянии находятся только ближайшие галактики. Более мощными «свечами» являются ярчайшие шаровые скопления звезд, которые находятся вокруг каждой галактики. Если из всех скоплений выбирать только ярчайшие, то будет обеспечена стандартность свечи, поскольку они для всех галактик имеют одинаковую светимость. С помощью шаровых скоплений можно заглянуть во Вселенную вплоть до шестидесяти миллионов световых лет, то есть до ближайших скоплений галактик. Была открыта и более яркая свеча. Ею могут служить ярчайшие галактики, которые имеют одинаковую светимость. Они позволяют измерить расстояние в миллиарды световых лет. Таким образом измеряют скорости небесных объектов и расстояния до них.

Оказалось, что между этими двумя величинами имеется очень жесткая связь: скорость удаления галактики тем больше, чем дальше она от нас удалена. Этот замечательный закон открыл в 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл. На основании имеющихся данных о расстоянии до галактик и об их лучевых скоростях Э. Хаббл ввел число (коэффициент Хаббла), умножив на которое расстояние до объекта, получаем его скорость удаления. Насколько важно соотношение Хаббла, очевидно: зная расстояние до объекта (галактики), мы тем самым знаем и скорость его удаления. Закон Хаббла сыграл и продолжает играть в астрофизике исключительно важную роль. За 50 лет, прошедших со времени открытия этого закона, постоянная Хаббла несколько раз уточнялась. Только после 1950 года, когда был запущен самый крупный по тем временам 5-метровый телескоп, она была существенно исправлена (расстояния до галактик утроились, а до самых далеких галактик, когда измерения ведутся по ярчайшим звездам, увеличились в шесть — десять раз). Сейчас считается, что галактики, которые удалены на расстояние одного миллиона световых лет, удаляются со скоростью около 75 километров в секунду. Имея эти данные, каждый может определить, когда эта галактика начала свой путь. Для этого надо первое число поделить на второе. Мы получим 13 миллиардов лет. Галактики, которые удалены вдвое дальше, имеют скорость разбегания вдвое больше. Но начальный момент получится тот же. Конечно, этот момент нельзя определить очень точно. Чаще всего в книгах приводят цифру 15, реже — 18 миллиардов световых лет. Если быть осторожным, то можно сказать, что эпоха Большого Взрыва, то есть эпоха рождения Вселенной, была за 10–20 миллиардов лет до нас. Для сравнения приведем отдаленность от нас других эпох: возраст Солнца и Земли составляет около 5 миллиардов лет, а возраст шаровых звездных скоплений в Галактике — 10–14 миллиардов лет.

Касаясь скорости расширения Вселенной, необходимо сделать еще пару замечаний. Во-первых, убегающая галактика испытывает на себе силы тяготения и несколько тормозит свое движение. Но уменьшение ее скорости по этой причине столь ничтожно, что его можно не учитывать. Во-вторых, разбегаются не все тела во Вселенной, а только целые галактики. Внутрь галактик расширения нет, они движутся как целые, неизменные в этом смысле объекты.

Таким образом, мы пришли к заключению, что теория и эксперимент говорят о том, что Вселенная расширяется, и позволяют нам определить начало этого расширения — около 15 миллиардов лет тому назад.

Но откуда мы знаем, что происходило в разные моменты после Взрыва? Прежде всего от самих свидетелей Взрыва. Это высокоэнергичные фотоны. С тех пор как они вырвались из плена фотонной плазмы, они вечно в пути. Но за счет эффекта Доплера энергия этих фотонов постепенно тает. В описываемый нами выше период они еще имели значительную энергию и были видимым светом. В наше время они стали радиоволнами. Так вот, именно эти фотоны являются первыми свидетелями того, что было в начале. Впервые они были зарегистрированы в 1965 году радиоинженерами Р. Вильсоном и А. Пензиасом с помощью 20-футового отражателя. Это была самая современная антенна, и с самым чувствительным радиоприемником она составляла радиотелескоп. Инженеры занимались своими задачами, но оказалось, что при любых ситуациях система принимала какое-то излучение на длине волны 7,35 сантиметра. Излучение, принимаемое антеннами, принято характеризовать величиной температуры. Оказалось, что температура этого излучения была около 3 градусов Кельвина. Это излучение имеется и на других длинах волн, спектр его описывается формулой Планка для излучения тела с определенной температурой. Авторам этого открытия в 1978 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Добавим, что советский астрофизик Шкловский назвал это излучение реликтовым. Реликтовое излучение не задерживается веществом Вселенной и может быть зарегистрировано в любом месте. Так, в каждом кубическом сантиметре пространства имеется около 500 фотонов реликтового излучения. Если все вещество Вселенной равномерно распределить по пространству, как распределено реликтовое излучение, то окажется, что в одном кубическом метре будет только один атом водорода. Вот какое численное преимущество имеет реликтовое излучение: миллиард фотонов на один атом вещества! Но если посчитать энергию, то перевес будет на стороне частиц. Соответствующая энергии масса в кубическом сантиметре (плотность) составляет для частиц около 10–30 граммов, а для реликтовых фотонов только 5·10-34 граммов. О чем нам говорит реликтовое излучение? Прежде всего о том, что в больших масштабах Вселенная очень однородна. На первый взгляд это очень странно. О какой однородности может идти речь, если множество звезд составляют галактики, множество галактик — скопления галактик. Но дело в том, что однородность Вселенной проявляется на более крупных масштабах. Приводят такой пример. Следы на морском песке и другие неровности с большого расстояния не видны, он представляется однородным (в больших масштабах). Таким образом, Вселенная имеет определенную иерархию в структуре только до определенного масштаба. Для больших масштабов, то есть в размерах больше сотен миллионов световых лет, она однородна.

Реликтовое излучение свидетельствует об однородности Вселенной потому, что оно приходит к нам одинаковое со всех направлений. Если бы оно встретило в каком-то направлении значительную неоднородность, имеющую размеры в миллиард световых лет и более, то из этого направления оно приходило бы более покрасневшим, чем из других, ведь в этом направлении излучение преодолевает большее тяготение и на это теряет большую энергию, то есть больше уменьшает свою интенсивность, чем с других направлений, где неоднородностей нет. Самая крупная структурная единица Вселенной — это сверхскопления галактик. Но об этом будет сказано позднее, когда мы узнаем, как образовались галактики и сверхскопления галактик.

Откуда мы знаем о том, какие реакции проходили после Большого Взрыва и в какие периоды? Здесь ключевым является вопрос температуры первоначального вещества. Как постоянно подчеркивалось при описании реакций (процессов), основным их дирижером была температура: при определенном значении температуры одни процессы (реакции) прекращались (для них не хватало энергии частиц) и доминировали другие процессы. Кроме того, мы знаем, что же получилось в результате Большого Взрыва, то есть знаем свойства (химический состав и т. д.) сегодняшней Вселенной. Исходя из этих сведений и решалась задача теоретически, хотя и не сразу.

Так, вначале теоретики рассчитали модель холодной Вселенной. Оказалось, что эта Вселенная, состоящая первоначально из холодных нейтронов, в результате своей эволюции не может дать того, что мы наблюдаем. А модель горячей Вселенной правильно объясняет практически все свойства современной Вселенной, и прежде всего ее нынешний химический состав, который полностью противоречит модели первоначально холодной Вселенной. Реликтовое излучение полностью подтвердило правильность описанной модели первоначально горячей Вселенной.

Теперь мы можем вернуться к рассказу об эволюции Вселенной.

После того как во Вселенной образовались атомы и фотонная плазма превратилась в нейтральное вещество, состоящее из водорода и гелия, а фотоны по истечении 300-тысячелетнего плена вырвались на свободу, началось образование галактик.

Если вещество равномерно распределено в пределах шара, то под действием сил притяжения все вещество с течением времени соберется в центре шара. Если это вещество равномерно распределено в бесконечном пространстве, то оно под действием сил притяжения соберется в отдельные комки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью.

Если бы это произошло с самого начала, когда вещество Вселенной имело огромную плотность, то образовавшиеся при этом комки были бы еще плотнее. Но этого на самом деле нигде во Вселенной нет. Поэтому такой вариант исключается. Средняя плотность вещества образовавшихся галактик очень невелика. Поэтому можно заключить, что они образовались уже тогда, когда вещество Вселенной было разреженным. Это и понятно, поскольку при большой плотности вещества образованию комков мешало давление реликтового излучения, как это было уже описано.

В процессе образования вещества во Вселенной большая роль отводится нейтрино. На первом этапе (в первые секунды после Взрыва) нейтрино выравнивает случайно возникающие неоднородности плотности вещества во Вселенной. Это было возможно потому, что нейтрино имели большие энергии (скорости, близкие к скорости света). Но выравнивание плотности вещества происходит только в малых пространственных масштабах (по космическим понятиям). Однако с течением времени из-за расширения Вселенной нейтрино теряют свою энергию. Примерно спустя 300 световых лет после начала расширения нейтрино, попадающие в сгущение плотности (комок), уже неспособны из него выбраться, у них не хватает для этого энергии. Больше они не препятствуют образованию неоднородностей вещества Вселенной.

ОБРАЗОВАНИЕ СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК

После Большого Взрыва образовалось однородное вещество (состоящее из электрически заряженных частиц и фотонов), которое разбегалось во все стороны от «точки» Взрыва. Выясним, как из этого вещества образовались скопления и сверхскопления галактик и другие космические объекты.

В определенном смысле вещество во Вселенной распределено равномерно и в наше время. Это справедливо в том случае, если мы рассматриваем объемы с размером не менее 100–300 Мпк (мегапарсек). 1 Мпк = 3,2·106 световых лет = 3,086·1019 километров. Масса всего вещества, заключенного в таком объеме, равна массе вещества точно в таком же объеме, который размещен в любой части Вселенной. Но внутри этого объема вещество распределено неравномерно, то есть оно не является однородным. В наше время эта неоднородность очень сильная, ведь в этом объеме содержатся звезды с одной плотностью, межзвездный газ намного меньшей плотности и т. д. Но до того как образовались космические объекты, все вещество в расширяющейся горячей Вселенной было однородным. Тем не менее оно содержало незначительные по величине нерегулярности (то есть отклонения плотности от среднего значения), которые характеризовались большими размерами. Масса вещества в каждой из таких неоднородностей плотности соответствует массе наблюдаемых космических систем (скоплениям и сверхскоплениям галактик). Эта изначальная неоднородность вещества во Вселенной возникла в результате характера Взрыва и превышала ту неоднородность, которая возникает всегда и везде в газе в результате тепловых флуктуаций. Известно, что в результате хаотического блуждания частиц газа при их тепловых движениях в некоторых областях среды плотность частиц случайно повышается, а в других — уменьшается.

Но если образовалась хотя бы самая незначительная неоднородность плотности вещества, то с течением времени она будет увеличиваться. Такое состояние является неустойчивым. Говорят, что вследствие неустойчивости неоднородность среды возрастает все больше и больше. Неустойчивости в природе вообще играют очень важную роль. В качестве примера можно напомнить о различных по своей физической природе неустойчивостях плазмы. В каждом случае неустойчивость возбуждает (и поддерживает) определенный физический процесс, связанный с действием определенной силы. В рассматриваемом здесь случае неустойчивость связана с действием силы притяжения (поэтому эта неустойчивость была названа гравитационной). Ее возникновение легко понять. Пока вещество идеально однородно и распределено в бесконечном объеме, гравитационные силы, действующие на каждую частицу и направленные в разные стороны, уравновешивают друг друга, и частица их не чувствует. Как только появилась неоднородность плотности, баланс сил нарушается и частица ощущает силу притяжения в сторону большей массы, то есть к центру неоднородности с большей плотностью, то есть с большей массой. Другими словами, частицы данной неоднородности (данного уплотнения) будут падать к ее центру, то есть будут еще больше уплотняться. Так уплотнение данной неоднородности будет расти. Но до каких пор? Что может остановить этот процесс? Уплотнение растет до тех пор, пока не будет остановлено давлением, сила которого направлена наружу, то есть противоположно сжимающей силе гравитации. Собственно, по этой причине мы не можем сжать газ до объема меньше определенной величины. Но кроме силы гравитации и давления на вещество данной неоднородности (как и на все вещество Вселенной) действует сила, обусловленная расширением вещества Вселенной. Эта сила разбрасывает частицы вещества, то есть заставляет их разбегаться, при этом объем, занятый веществом данной массы, увеличивается, а плотность вещества падает. Если мы имеем дело с неоднородностью, в которой вещество уплотнено по сравнению со средней величиной, то силе, связанной с расширением, противодействует сила гравитационного сжатия. При определенных условиях (это определяется плотностью среды и ее давлением, которые, в свою очередь, связаны с массой и размерами данной неоднородности, поскольку сила тяготения тем больше, чем больше масса, а значит, и размеры неоднородности) все действующие на частицы данной неоднородности силы (расширения, гравитации и давления) уравновешиваются: данная неоднородность (сгусток) больше не расширяется и не сжимается. Радиус сферы, на границах которой выполняется это условие, называется радиусом Джинса. Американский астрофизик Дж. Джинс в начале нашего века развил идею Ньютона о том, что первоначально однородное вещество (газ), распределенное в бесконечном пространстве, обязательно под действием силы гравитации соберется в комки, сгустки. Джинс учел действие давления и ввел понятие критического радиуса, который и был назван его именем. Правда, в это время еще не было известно, что Вселенная расширяется. Фридман установил это теоретически позднее, а модель горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основании экспериментальных данных, была создана Г. А. Гамовым в 1940-е годы. Поэтому Джинс не мог рассматривать силу, связанную с расширением Вселенной. В его радиус входили только две силы: гравитации и давления. Тем не менее теория гравитационной неустойчивости Джинса является основополагающей в космологии. В 1946 году Е. М. Лифшиц развил ее на основе космологии Фридмана. Реликтовое излучение, предсказанное Г. А. Гамовым, было открыто в 1965 году А. Пензиасоми Р. Вильсоном. Оно органически вписалось в теорию гравитационной неустойчивости Лифшица, которая в настоящее время общепризнана.

Таким образом, слабые первоначальные неоднородности вещества в расширяющейся Вселенной постепенно в результате гравитационной неустойчивости усиливались с течением времени. В результате образовывались сгустки с радиусом Джинса, в пределах которых вещество переставало расширяться. Масса таких сгустков огромная. Кстати, массу вещества, заключенного в сфере с радиусом Джинса, называют джинсовой массой.

Радиус (или длина) Джинса очень большой. Он находится в пределах 100–300 Мпс. Это значит, что Вселенная расширяется только в масштабах, которые больше этого раз-мера. В пределах расстояний 100–300 Мпс расширение Вселенной не чувствуется. Ему не подвержены ни галактики, ни тем более звезды, так же как и планетные системы. Собственно, даже скопления галактик не испытывают расширения. Это очень важно уяснить, поскольку у многих (неспециалистов) вызывает недоумение (а значит, и недоверие), как Вселенная может расширяться со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.

На самом деле, как мы уже видели, эта скорость зависит от удаления космического объекта. Так, если скопление галактик находится от нас на расстоянии тысячи мегапарсек, то скорость его удаления достигает шестой части от скорости света! Таким образом, расширение Вселенной проявляется в том, что скопления галактик удаляются друг от друга с указанными выше огромными скоростями, тогда как внутри скоплений никакого расширения нет.

Радиус Джинса зависит от свойств среды. С течением времени после Большого Взрыва он постепенно увеличивался. В первом приближении можно считать, что он равен произведению скорости света на время, прошедшее от момента Большого Взрыва, то есть на возраст Вселенной. Это значит, что размер областей, которые «отключались» от всеобщего расширения Вселенной, постепенно увеличивался. Значит, увеличивается и масса, заключенная в каждой из этих областей (джинсовая масса). Так, спустя 1 секунду после Большого Взрыва эта масса, в пределах которой не происходит расширение вещества, меньше массы Солнца. Зато спустя один миллион лет она в тысячу раз больше, чем масса самых крупных скоплений галактик. Этот момент в истории Вселенной особый. Именно сейчас, спустя один миллион лет после Большого Взрыва, происходит образование первых во Вселенной атомов. До этого все вещество Вселенной состояло из заряженных частиц (плазмы) и излучения. Но поскольку к этому моменту температура вещества упала до 3 тысяч градусов, электроны и ионы смогли объединиться в нейтральные атомы. Так начался новый период в эволюции Вселенной, в течение которого Вселенная состоит из нейтрального вещества и излучения. До этого момента излучение (свет) было пленником плазмы, оно не могло выйти наружу. С этого момента излучение и вещество становятся независимыми (в определенных рамках) друг от друга. Свет уже не разбивает образовавшиеся сгустки вещества. Под действием гравитационной неустойчивости усиливаются сгустки вещества. Кардинальное изменение физических условий, которое происходит вследствие процессов рекомбинации (образования нейтральных атомов), очень сильно меняет величину массы Джинса. До этого в равновесии сил важную роль играло давление света, запертого в пределах плазмы. После того как свет вырвался на свободу, его давление можно не учитывать и условие равенства противодействующих на вещество сил (гравитации, давления, расширения) выполняется для значительно меньших масс. Другими словами, можно сказать, что масса Джинса после наступления рекомбинации резко уменьшается и составляет «всего» миллион солнечных масс (вместо тысячи масс самых крупных скоплений).

Очень важно иметь в виду, что усиление неоднородности плотности вещества с течением времени происходит только тогда, когда масса вещества возмущенного объема больше критической джинсовой массы. В пределах джинсового радиуса первоначально существующие неоднородности плотности не усиливаются. Это обстоятельство позволяет правильно представить крупномасштабную структуру Вселенной до того, как в ней образовались галактики. Другими словами, вначале создавались крупные образования. Образование более мелких (с размерами меньше радиуса Джинса) тормозилось. Таким образом, вначале во Вселенной происходило образование крупных объектов и только после этого — более мелких. Рассматривалась возможность первоначального образования «мелких» объектов, из которых впоследствии формировались крупные (скопления галактик). Но в настоящее время считается, что в процессе эволюции Вселенной этого не происходило.

Как развивались сгустки вещества с течением времени? Если сгусток имеет в точности размер радиуса Джинса, то он в конце концов примет шарообразную форму. При этом давление точно сбалансировано силой гравитации. Если размер сгустка больше, то есть масса его превышает массу Джинса, то сила гравитации преобладает над давлением (поэтому сгусток продолжает сжиматься). В этом случае не только не образуется шарообразный объект, но если даже он первоначально был таковым, его форма со временем деформируется. Это происходит потому, что свободное гравитационное сжатие, при котором происходит свободное падение частиц к центру сгустка, не может происходить одинаково во всех направлениях. Любое отклонение со временем усиливается, что и определяет окончательную форму объекта. Поэтому образуется объект, имеющий уплощенную форму. Чем больше сгусток сжимается, тем больше давление внутри него, которое противодействует силе гравитации. В какое-то время должно наступить равенство этих сил, и сжатие сгустка (облака) должно остановиться. Но в действительности сжатие облака происходит значительно сложнее. Когда скорости падения частиц под действием силы гравитации превышают скорость звука в данной среде, возникают ударные волны. Они-то и определяют дальнейший характер процесса сжатия облака.

Если рассматривать не одну падающую частицу, а целый их слой, то получится, что скорость этого слоя может превысить скорость звука в этой среде. В результате между внутренним слоем, в котором газ сжат, и внешним слоем падающего газа образуются две ударные волны. Каждая из них имеет свой фронт. Между фронтами этих ударных волн образуется своего рода щель, зазор, который должны преодолеть падающие частицы. Попадая туда, частицы газа испытывают торможение, и одновременно газ сжимается. Часть кинетической энергии падающего газа превращается в тепловую. В результате температура газа в щели между фронтами ударных волн увеличивается. В этой щели, где образуется уплотненный и более горячий слой газа, и происходят очень важные процессы, которые приводят в конце концов к образованию прародителей скоплений галактик — протоскоплений.

Между фронтами ударных волн создаются особые физические условия. Ближе к фронтам газ имеет температуру, достигающую десятков миллионов градусов. Плотность газа здесь очень мала (одна частица на 1000 кубических сантиметров). Между этими пограничными горячими слоями газа имеется слой, в котором температура составляет всего около десяти тысяч градусов. Но концентрация здесь больше (одна частица в одном кубическом сантиметре). В середине этого холодного слоя газа имеется тонкий слой, в котором температура еще ниже, а концентрация больше в десятки раз. Давление в этом узком центральном слое всюду одинаковое. Собственно, этот внутренний центральный плотный слой и является прародителем скопления галактик (протоскопления). В дальнейшем из него образуются отдельные галактики. Горячий газ в прифронтовых зонах остается незадействованным. Таким путем благодаря собственному тяготению вещества скопление галактик составляет стационарную систему, связанную гравитационными силами. Поскольку роль внутреннего давления возрастает, то форма скопления постепенно выравнивается и становится близкой к сферической. Такие скопления галактик называются правильными. Чем ближе к центру скопления, тем концентрация галактик становится больше. Между галактиками в скоплениях находится газ, температура которого достигает десятков миллионов градусов.

Описанный выше процесс образования крупных скоплений галактик и горячего межгалактического газа был исследован Я. Б. Зельдовичем и его учениками. Полученные теоретически результаты соответствуют тому, что наблюдается. Так, с помощью измерения рентгеновских лучей, испускаемых межгалактическим газом, было установлено, что его температура действительно достигает десятков миллионов градусов, как это следует из теории Я. Б. Зельдовича.

ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК

Получив представление о том, как образовались самые крупные скопления галактик, рассмотрим, как образовались сами галактики. С процессом их образования тесно связано их вращение. Известно, что практически все галактики, независимо от своей формы, вращаются, хотя характер этого вращения и различен. Наиболее примечательны в этом смысле спиральные галактики. Диски этих галактик вращаются со скоростью, при которой возникающая центробежная сила уравновешивается силами притяжения галактики. Более быстрое вращение диска невозможно, он под действием центробежных сил разлетелся бы на отдельные звезды. Спиральная галактика кроме диска состоит и из сферической подсистемы, которая вращается в несколько раз медленнее.

Период вращения спиральных галактик находится в пределах от 30 миллионов до миллиарда лет (наиболее часто, около 300 миллионов лет). Таким образом, за время своего существования, измеряемого 10 миллиардами лет, они успели совершить всего несколько десятков оборотов.

Эллиптические и неправильные галактики, которые в сумме составляют около одной третьей всех спиральных галактик, вращаются со значительно меньшими скоростями.

Рождение вихрей, которые в конце концов проявляют себя во вращении галактик, происходит на фронтах ударных волн, поскольку там имеются разрывы в скорости, плотности и давлении среды. Вихри рождаются в том случае, если на фронт ударной волны набегает газ, в котором имеются возмущения, то есть неоднородности плотности (сгущения или разрежения). При этом образуются вихри, которые соизмеримы с этими сгустками. Если массы этих сгустков сравнимы с массами галактик, то из них в конце концов и могут образоваться галактики. Но прежде в результате уплотнения сгустков образуются протогалактики. Вращение протогалактических сгустков рождается при прохождении сгустка через фронт ударной волны. Завихренность, кроме того, возникает и при распространении возмущений (безвихревых) в слое между ударными фронтами. Это происходит из-за неоднородности в распределении плотности и температуры вещества слоя, если движение направлено под углом к плоскому слою.

Таким образом, в газовом протоскоплении возникают и запутанные вихревые движения. Поэтому в метагалактической среде образуются слои с турбулентностью, то есть с внутренними вихревыми, вращательными движениями. В этих слоях газ очень горячий и сильно сжат. Каждый такой вихрь может охватывать массу, сравнимую с массой отдельной галактики. В дальнейшем такой вихрь обособляется и под действием силы гравитации конденсируется. В результате из него возникает быстро вращающаяся спиральная галактика.

Возникают не просто отдельные вихри, а определенная их иерархия: вихревые ядра (наиболее крупные вихри) поддерживают и снабжают энергией вихри меньших масштабов. Энергия передается каскадным путем от немногих крупных вихрей к большому числу вихрей с меньшими размерами. В конце концов самые мелкие вихри расходуют свою энергию на преодоление вязкого трения. Оно переходит в энергию тепловых движений частиц.

Таким образом, быстрое вращение галактик, обусловленное внутренними турбулентными вихрями в протоскоплениях, возникает в результате тех же движений, которые создают сами облака — протоскопления. Это логично. Описанную выше теорию происхождения вращения галактик разработал советский астрофизик А. Д. Чернин. В рамках этой теории находит объяснение и разный характер вращения разных галактик. Так, считается, что обособившиеся вихревые ядра образовали гигантские спирали, а вихри турбулентного каскада породили спиральные галактики меньших масс, то есть неправильные галактики, имеющие клочковатую структуру. У них отсутствует какая-либо правильная видимая структура.

Правильные скопления, которые имеют форму сферы или эллипсоидов, произошли от «блинов», которые были описаны ранее и теоретически разрабатывались Я. Б. Зельдовичем. Их внутренние движения поэтому спокойнее, там отсутствует мощная внутренняя турбулентность. В правильных скоплениях преобладают эллиптические галактики, вращение которых гораздо слабее, чем спиральных.

Что собой представляют спирали (рукава) галактик? В 1964 году астрофизики Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу установили, что спираль галактики представляет собой волну, которая распространяется по диску галактики. Эта волна при своем распространении переходит от одних частиц (под частицами мы понимаем и звезды) к другим, при этом вызывает их уплотнение. Таким образом, спирали (рукаву) в одно время принадлежат одни звезды, а в другое — другие, так как в каждом месте, где находится волна, происходит уплотнение тех звезд, которые там находятся. В спиральных рукавах галактик сосредоточены самые яркие и молодые звезды. Их образование происходит непрерывно и не прекратилось и в наши дни.

Волна, распространяющаяся в спиральной галактике, имеет вид не окружности (как волна на поверхности воды от брошенного камня), а спирали, потому что вся галактика вращается. Если вся вода вращается (воронка на воде), то и волна на ней имеет форму не окружности, а спирали. Такое представление о физической природе спиральных рукавов галактик хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, было установлено, что спиральный рукав находится в однородном вращении, то есть он вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью. Это несмотря на то, что различные части галактики вращаются с разными угловыми скоростями (дифференциально): внутренняя область галактики вращается как твердое тело, то есть с постоянной угловой скоростью, а за ее пределами по мере приближения к краю галактики угловая скорость вращения уменьшается. Тем не менее скорость вращения спирального рукава постоянна везде. Она создается распространяющейся волной. Может создаться впечатление, что эта волна очень мощная, если судить по светимости спиральных рукавов. На самом деле здесь важную роль играет тот факт, что в спиральном рукаве находятся яркие, молодые звезды, и поэтому, несмотря на то, что волна уплотняет их всего на 10 процентов, спиральные рукава хорошо видны даже в далеких спиральных галактиках. Но почему в спиральных рукавах сосредоточены молодые, яркие звезды? Да потому, что они там рождаются. Распространяющаяся волна уплотняет не только звезды, но и межзвездный газ. В результате он конденсируется в звезды, которые, пока молоды, светят очень ярко. Поэтому они сильно выделяются среди других звезд диска галактики и благодаря им хорошо просматриваются спиральные рукава. Наблюдения подтвердили, что спиральную форму имеют не только области, занятые звездами, но и области, занятые нейтральным водородом в диске нашей Галактики. Рукава, заполненные нейтральным водородом, очерчены молодыми звездами. Такая картина может иметь место только в том случае, если из этого газа достаточно быстро образовались звезды и если яркая стадия образованных звезд не очень длительная. Ясно, что в противном случае границы рукавов для газа и звезд не совпадали бы, так как рукава (волна) находятся в движении.

Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа. Остается еще ответить на вопрос: откуда взялась волна, производящая уплотнение газа и звезд? Однозначного ответа пока нет. Имеются две возможности. Волна может возбуждаться другой галактикой — спутником данной галактики или же значительным сгущением, которое находится на периферии. Поле тяготения этого периферийного объекта может вызывать возмущения в общем поле тяготения диска галактики, которые будут проявляться в диске в виде спиральной волны. При этом волна будет распространяться от периферии к центру галактики. Описанная возможность возбуждения спиральных волн весьма реальна и не противоречит наблюдениям. Ведь многие галактики имеют на концах своих спиральных ветвей необходимые для этого сгущения.

Тем не менее возможен и другой вариант: источник волны расположен в центре галактики. Таким источником могла бы быть гидродинамическая неустойчивость в центре диска галактики, которая возникает вследствие особого характера вращения в центре. Возможным генератором волны могло бы быть вращение некоторого несимметричного образования, которое должно вызывать возмущение поля тяготения диска галактики. Окончательно этот вопрос разрешит время.

Различные типы спиральных галактик показаны на рисунке 5.

ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИКИ

Вначале было газовое облако, размеры которого в десятки раз превышали размеры впоследствии образованной из него Галактики. Под действием собственной гравитации облако постепенно сжималось (коллапсировало). Плотность вещества при этом увеличивалась. Когда она достигла некоторой критической величины, началось дробление (фрагментация) единого облака. Фрагментация может начаться по одной из двух причин. Первая — гравитационная неустойчивость или, другими словами, неустойчивость Джинса. Смысл ее состоит в следующем. По мере того как облако гравитационными силами сжимается, оно должно за счет гравитационной энергии нагреваться. Но эта энергия превращается в излучение и таким образом покидает сжимающееся облако. Поэтому его температура не увеличивается, оно не нагревается. То есть сжатие происходит при постоянной температуре (изотермично). Поэтому этот процесс называют изотермическим коллапсом. При таком сжатии облака, а значит, при увеличении плотности вещества без увеличения температуры, уменьшается масса Джинса. Это обстоятельство является решающим, поскольку при этом незначительные неоднородности (флуктуации) плотности могут начать сжиматься под действием собственной гравитации. Произойдет дробление (фрагментация) первоначального облака. Этот процесс дробления под действием силы гравитации происходит в результате гравитационной неустойчивости. Если процесс образования новых облаков из единого первоначального будет происходить достаточно быстро, то они сформируются в отдельные объекты. Каждое из так образуемых облаков при соответствующих условиях может точно так же распасться на отдельные облака. Так образуется целая иерархия облаков, которые гравитационно связаны друг с другом.

Рис. 5. Различные типы спиральных галактик, расположенные в последовательности от S0 — переходного к эллиптическим до Sc — открытых спиралей

Дробление первоначального единого облака может произойти и по другой причине. Первоначальная, затравочная неоднородность его возникает в результате тепловых процессов, а точнее, тепловой неустойчивости. Такие условия возникают, когда с увеличением плотности вещества давление уменьшается или, наоборот, когда с уменьшением плотности вещества его давление увеличивается. Такое состояние является неустойчивым (естественной является ситуация, когда с увеличением плотности вещества увеличивается его давление). Поэтому начнется дробление первоначального облака. Чтобы такой процесс начался, надо, чтобы плотность вещества достигла определенной величины. Таким образом облако дробится более быстро, чем при гравитационной неустойчивости. В реальных условиях один из этих двух путей дробления первоначального облака эффективнее другого.

Например, при определенной плотности вещества может начаться гравитационная фрагментация, но еще не может происходить тепловая фрагментация. Дробление может начаться вследствие гравитационной неустойчивости и в последующем продолжиться путем тепловой неустойчивости.

Первоначальное облако фрагментировало на отдельные облака меньших размеров. Каждое из этих новых облаков в будущем сжимается и из него может образоваться звезда. Если быть точным, то не каждое. Дальнейшему сжатию облака могут воспрепятствовать некоторые силы и процессы.

То, что основной характеристикой, от которой зависит фрагментация первоначального облака, является плотность вещества, установлено. Несмотря на то, что массы и размеры галактик отличаются в сотни и тысячи раз, их плотности одинаковы. Это говорит о том, что галактики образовались тогда, когда плотность вещества в первоначальном облаке достигла определенной критической величины.

Если радиус облака уменьшится в два раза, плотность вещества увеличится в 8 раз (23 = 8). Первоначальное облако, из которого в будущем образуется Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные облака, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.

Облака — протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 К. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон-протонные реакции), протозвезда перестает сжиматься. Протозвезда превращается в звезду.

Энергия звезды, благодаря которой поддерживается высокая температура в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть массы превращается в энергию. Можно рассчитать, какое количество энергии должно выделиться в реакциях образования альфа-частиц из протонов. Это можно сделать так. Масса одного протона равна 1,008 атомной единицы. Масса альфа-частицы равна 4,0039 атомной единицы. При превращении четырех протонов в одну альфа-частицу «исчезает» масса величиной 0,007 атомной единицы. Точнее, она не исчезает, а превращается в энергию, ядерную энергию. Можно оценить запасы ядерной энергии звезды.

Эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Естественно, чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций. Другими словами, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Так, если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз! Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так. например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но, если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!

Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились, поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 миллионов градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается, так как в нее вносит вклад и выделение энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды. Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это происходит, звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. Судьба ядра звезды после этого зависит от ее массы. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Образованная таким путем звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Таким образом, до того, как звезда превратится в белого карлика, она на некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и превращается в черного карлика, то есть тело не излучающее а поэтому и невидимое. И. С. Шкловский назвал его «трупом» звезды. Если масса первоначальной зашлакованной звезды превышает критическую величину в 1,2 массы Солнца, то силы упругости сверхплотного (вырожденного) газа не в состоянии справиться с силами гравитационного сжатия.