Единство химического состава человека земли вселенной. Химический состав вселенной

Все многочисленные тела как живой, так и неживой природы состоят из мельчайших материальных частичек-атомов различных химических элементов. Число этих химических элементов и их единство определяются великим законом природы - периодическим законом Д. И. Менделеева. Но возникает ещё вопрос, требующий ответа. Из какого вещества, из каких элементов состоят небесные тела, звёзды и планеты? Справедлив ли закон Менделеева и для Вселенной? Да, справедлив.

Уже издавна люди наблюдали падение на землю «небесных камней» - метеоритов. В прежние времена таким камням нередко даже поклонялись, как «посланцам богов». В настоящее время мы знаем, что метеориты - это обломки других небесных тел Вселенной.

Естественно, что очень интересно выяснить, из каких химических элементов состоят «небесные камни». Многочисленные анализы метеоритов, как каменных, так и железных, показали, что осколки вещества, попадающие к нам из глубин Вселенной, состоят из тех же химических элементов, которые объединяет таблица Менделеева. Ни одного нового, неизвестного на земле элемента в составе метеоритов нет. Определён теперь и состав раскалённых небесных тел - солнца и звёзд. Об этом человеку рассказали лучи света, приходящие на Землю от далёких звёзд.

В середине прошлого века философ О. Конт, пытаясь доказать, что наше познание природы ограничено, приводил такой пример: человек никогда не узнает, из чего состоят звёзды и солнце, какова температура этих небесных тел и т. д. Ведь солнце и звёзды - это раскалённые небесные тела. Если даже предположить, что в отдалённом будущем люди построят межпланетные летательные аппараты, они всё равно не смогут приблизиться к поверхности солнца и звёзд, так как температура этих небесных тел очень высока. Наука опровергла ложные доводы этого философа. Всего несколько лет спустя после этого высказывания Конта был открыт новый плодотворный способ исследования небесных тел - спектральный анализ.

Сущность этого способа, коротко говоря, состоит в следующем: белый свет, который мы наблюдаем в жизни, при определённых условиях разлагается на цветные лучи. В этом можно убедиться при помощи очень простого опыта. Поставьте на пути луча света кусок стекла, имеющий вид клина, так называемую трёхгранную призму. Проходя через такую призму, свет меняет своё прямолинейное направление или, как говорят, преломляется в ней и одновременно разлагается на составляющие его цветные лучи. Образуется так называемый спектр цветных лучей. В спектре принято выделять семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый, переходящие друг в друга. Объясняется это явление тем, что лучи разных цветов по-разному преломляются в трёхгранном куске стекла - менее других отклоняются в призме красные лучи, более всех других лучей - фиолетовые.

Изучая спектры света от различных источников, учёные обнаружили одну замечательную их особенность. Свет, который исходит от раскалённых твёрдых и жидких тел, даёт всегда сплошной спектр, т. е. цветные лучи-полоски следуют в нём друг за другом и всегда в одном и том же порядке.

Совсем иной спектр получается, если свет испускают раскалённые пары какого-либо вещества. Этот спектр состоит из тонких цветных линий, разделённых тёмными полосками. Такой спектр называется линейчатым.

И вот оказывается, что каждый химический элемент имеет свой, отличный от других линейчатый спектр. Например, раскалённые пары натрия дают спектр, состоящий из двойной жёлтой линии; в спектре паров элемента лития имеются характерные - одна красная и одна оранжевая-линии; раскалённые пары калия показывают две характерные линии - красную и фиолетовую и т.д.

Открытие этой замечательной особенности - способности веществ давать свой, отличный от других спектр излучения, когда они находятся в состоянии раскалённых газов, и явилось основой необычайно чувствительного спектрального анализа*). С помощью этого способа исследования в первые же годы его применения было крыто несколько новых, ранее неизвестных химических элементов (в том числе упомянутый ранее галлий). Содержание этих элементов в земле очень рассеяно, поэтому ранее они ускользали от внимания исследователя. Способ спектрального исследования тел природы позволил обнаруживать миллионные и миллиардные доли грамма вещества.

Каждое новое простое тело давало о себе знать новым сочетанием цветных линий в спектре, новым линейчатым спектром. Спектральное исследование лучей света, идущих от небесных тел, и позволило определить, из каких элементов состоят звёзды.

Ещё до открытия линейчатых спектров было замечено, что спектр солнечных лучей, который долгое время считали сплошным, на самом деле не сплошной, а пересекается множеством тонких тёмных линий.

Разгадка этих линий была найдена после открытия спектрального анализа. Оказывается, тёмные линии образуются в спектре потому, что свет на своём пути проходит через несветящиеся пары некоторых элементов. Так, например, если свет проходит через охлаждённые пары калия, то в сплошном спектре, в местах, где располагаются цветные линии этого элемента-красная и фиолетовая, - появятся соответственно две тёмные линии. Такие спектры, состоящие из тёмных линий на фоне цветных полос, называют спектрами поглощения. Спектры поглощения и помогли узнать состав небесных тел.

Изучение спектра поглощения солнечных лучей показало, что солнечный свет проходит на своём пути через более холодные пары очень многих химических элементов - железа, водорода, гелия, натрия, кальция, кремния и других.

Где же находятся эти пары? Дать на него ответ не представляло трудности. Известно, что в атмосфере Земли нет паров всех тех элементов, о которых говорит солнечный свет. Не могут эти элементы находиться также в межзвёздном пространстве, и вот по какой причине. Спектры поглощения света, идущего от разных звёзд, различны. Значит, свет разных звёзд встречает на своём пути к Земле разные химические элементы (в виде охлаждённых, несветящихся паров). Отсюда ясно, что все те химические элементы, о которых говорят солнечный свет и свет звёзд, находятся в виде паров у самого Солнца, у самой звезды в их внешних, более холодных слоях. Обнаруженные исследованием элементы должны, следовательно, входить в состав этих небесных тел.

Изучение спектров солнечного света показало, что на Солнце больше всего водорода, а затем гелия. Открыто там много и других химических элементов (кислород, кальций, железо, магний, натрий и др.), но все вместо они составляют очень малую долю по сравнению с водородом. На Солнце не обнаружено никаких химических элементов, помимо тех, которые имеются на Земле. Это указывает на то, что небесные тела состоят из тех же веществ, что и Земля. Но на разных небесных телах вещество может находиться в самых различных состояньях.

Корона во внутренней части представляет собой чрезвычайно разреженное облако легких частичек, главным образом частичек электричества - электронов, выделяющихся из нижележащих слоев. Все они быстро движутся в разных направлениях, но преимущественно в сторону от Солнца. Скорость их так же велика, как у газа при температуре до миллиона градусов. Во внешней части короны к ним примешаны и частички пыли, которая носится в межпланетном пространстве.

Астрономы много сделали для изучения различных явлений на Солнце, в особенности во время полных солнечных затмении. Ведь те несколько минут, в течение которых происходит полное солнечное затмение, являются лучшим временем для наблюдения солнечной короны, хромосферы, протуберанцев и многих других явлений, происходящих на Солнце.

Изучение спектров небесных тел с неопровержимой убедительностью доказало материальное единство Вселенной. Многочисленные спектры Солнца, звёзд, туманностей показали, что ни на одном из небесных тел нет таких элементов, которые были бы неизвестны нам, жителям Земли, нет элементов, которые не входят в периодическую таблицу элементов Д. И. Менделеева. Так, в настоящее время на Солнце найдено уже более 60 химических элементов и все они известны нам по таблице Менделеева.

Состав нейтронных звёзд

Нейтронные звезды – это одни из наиболее интересных небесных тел в космосе. Несмотря на крайне малый размер (не более 20км в диаметре) они обладают невероятно высокой плотностью. Вследствие этого, щепотка вещества с этой звезды будет весить более 500 млн. тонн. Из-за гравитации электроны вдавливаются в протоны, переходя в нейтроны, что и послужило названием для этих звезд.

Исследуя нейтронные звезды, физики-теоретики разработали модели поведения материи в условиях высокой плотности. Итогом стала гипотеза о существовании сверхтекучей жидкости. Подобная жидкость создавалась в лабораторных условиях. Отличительными свойствами является способность течь вверх и утекать из герметично закрытых контейнеров.

Нейтронные звезды образуются в результате взрыва сверхновых и представляют собой конечный этап жизни светила. Они состоят из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля. Размер таких небесных тел очень мал - около 20-30 километров в диаметре. Зато плотность чрезвычайно высока.

Когда были обнаружены нейтронные звезды, ученые предположили, что материя, из которой состоят их ядра, может переходить в сверхтекучее состояние - при этом ее вязкость становится равной нулю и отсутствие трения позволяет веществу, к примеру, с легкостью просачиваться через узкие отверстия… Под воздействием высоких давлений и температур происходят процессы образования нейтрино, способствующих охлаждению звезды. Одним из свойств таких объектов является изменение их температуры и магнитного поля. Однако до недавних пор все эти предположения существовали лишь в теории и не подтверждались фактическими доказательствами.

В земных лабораториях сверхпроводимость теряет свою силу при температурах свыше 100-200С ниже нуля. Но, при высоком давлении внутри нейтронной звезды, свойства сохраняются при миллиарде градусов. Для того чтобы получить сверхтекучую жидкость, гелий охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Но, в нейтронных звездах она может появляться при миллиарде градусов, вследствие того, что частицы при такой температуре влияют друг на друга с помощью мощного ядерного взаимодействия. В результате, кварки удерживаются внутри частиц, а нейтроны и протоны остаются внутри атомного ядра. Достаточно долго ученые не могли определить значение критической температуры, но теперь она известна и составляет от 500 миллионов до миллиарда градусов Цельсия.

Итак, ядро нейтронной звезды состоит из сверхтекучей нейтронной жидкости, вырожденных протонов и сверхпроводящих протонов, а верхний слой из твердой коры железа. Изначально температура составляет около миллиарда градусов, но звезда достаточно быстро остывает, теряя свою светимость. Но, они достаточно сильно излучают радиоволны в направлении магнитной оси.

Недавно астрофизики обратили внимание на то, что звезда Кассиопея А быстро охлаждается. Ученые смогли определить параметры падения температуры, однако у них не хватало данных наблюдений, чтобы уточнить, при какой температуре происходит переход в жидкую форму. Позже выяснилось что с 1999 года, когда была обнаружена Кассиопея А, ее температура снизилась на 4%.

Химический состав

«По химическому составу звезды, как правило, представляют собой водородные и гелиевые плазмы. Остальные элементы присутствуют в виде сравнительно незначительных «загрязнений». Средний химический состав наружных слоев звезды выглядит примерно следующим образом. На 10 тыс. атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, один атом углерода, 0.3 атома железа.
Существуют звезды, имеющие повышенное содержание того или иного элемента. Так, известны звезды с по повышенным содержанием кремния (кремниевые звезды), звезды, в которых много железа (железные звезды), марганца (марганцевые), углерода (углеродные) и т. п. Звезды с аномальным составом элементов довольно разнообразны. В молодых звездах типа красных гигантов обнаружено повышенное содержание тяжелых элементов. В одной из них найдено повышенное содержание молибдена, в 26 раз превышающее его содержание в Солнце. Вообще говоря, содержание элементов, атомы которых имеют массу, большую массы атома гелия, постепенно уменьшается по мере старения звезды. Вместе с тем, химический состав звезды зависит и от местонахождения звезды в галактике. В старых звездах сферической части галактики содержится немного атомов тяжелых элементов, а в той части, которая образует своеобразные периферические спиральные « рукава » галактики, и в ее плоской части имеются звезды, относительно богатые тяжелыми элементами. Именно в этих частях и возникают новые звезды. Поэтому можно связать наличие тяжелых элементов с особенностями химической эволюции, характеризующей жизнь звезды.
Очень интересны углеродные звезды. Это звезды относительно холодные - гиганты и сверхгиганты. Их поверхностные температуры лежат обычно в пределах 2500 - 6000С. При температурах выше 3500С при равных количествах кислорода и углерода в атмосфере большая часть этих элементов существует в форме оксида углерода CO. Некоторые типы звезд характеризуются повышенным содержанием металлов, расположенных в одном столбце периодической системы с цирконием; в этих звездах имеется неустойчивый элемент технеций 4399Тс. Ядра технеция могли образоваться из 98Мо в результате захвата нейтрона с выбрасыванием электрона из ядра молибдена или при фотопроцессе из 97Мо. Во всяком случае наличие нестабильного ядра - убедительное доказательство развития ядерных реакций в звездах».

Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы

Вопросами происхождения планет Солнечной системы занимается космогония. Полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос наука не дает. Пока нет возможности проверить выводы современных теорий применительно к какой-либо другой планетной системы. Рассмотрим наиболее известные космогонические гипотезы.

Гипотеза Канта-Лапласа. Кант предположил, что Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса». Формируясь из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежными силами. Интересно, что Кант изложил эти идеи в трактате, посвященном доказательству бытия Божия. По мнению Канта «Бог вложил в силы природы тайное искусство самостоятельно развиваться из хаоса в совершенное мироздание». У Канта, таким образом, образование планет происходило из холодного газопылевого облака.

Идею Канта поддержал Лаплас, однако, согласно его гипотезе планеты образовались в результате отделения от раскаленного протосолнца газовых колец, их охлаждения и конденсации. Кольца разделялись на несколько масс, образовавших затем разные планеты.

Эта гипотеза получила название небулярной (от лат. nebula – туманность) гипотезы Канта-Лапласа. Поскольку формирование колец и планет происходило в условиях вращения туманности и действия центробежных сил, эта гипотеза называется еще и ротационной (лат. rotatio – вращение).

Гипотеза Джинса. Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить также и тот факт, что момент количества движения (кинетический момент) планет приблизительно в 29 раз больше момента количества движения Солнца, а это противоречит закону сохранения кинетического момента. Для разрешения этого противоречия появились так называемые «катастрофические гипотезы», к которым относится гипотеза Джинса. Согласно ей некая звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала мощные приливы на нем, принявшие форму газовых струй, из которых впоследствии образовались планеты. Из этой гипотезы следовал вывод об уникальности Солнечной системы.

Гипотеза О.Ю. Шмидта. Советский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956) предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, могло захватить материю, обладающую достаточным моментом количества движения. Расчеты Шмидта, в частности, показали, что начальный период обращения Солнца был очень большим, а затем должен был уменьшиться до 20 суток. В действительности он равен 25 суткам, и такое совпадение считается хорошим.

Ожидается, что новый свет на загадку образования Солнечной системы прольют дальнейшие исследования планет земной группы и планет-гигантов с помощью автоматических космических станций.

Первые космогонические гипотезы

Эти гипотезы появились значительно раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Значение пер­вых космогонических гипотез состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел. Такой, например, оказалась гипотеза, предложенная немецким философом И. Кантом в середине XVIII в. Кант высказал догадку о том, что Солнечная система образовалась из облака пыли.

Подробнее картина образования Солнечной системы вырисовывалась в гипотезе, предложенной в конце XVIII в. французским ученым П. Лапласом. Лаплас рассматривал большую, медленно вращающуюся туманность, состоящую из разреженного горячего газа. При сжатии туманности скорость ее вращения возрастала, туманность сплющивалась. Из ее центральной части образовалось Солнце. По мере сжатия первичного Солнца угловая скорость его вращения вокруг оси увеличивалась (в силу закона сохранения момента количества движения) и в плоскости экватора Солнца стали отделяться газовые кольца. Из концентрической системы этих колец возникли планеты.

Картина получалась настолько наглядной, что очень долгое время гипотеза Лапласа была самой популярной. Однако в XX в. от гипотезы Лапласа пришлось отказаться, так как выяснилось, что она не может объяснить, например, распределение момента количества движения в Солнечной системе.

Современные представления о происхождении планет

На первый взгляд может показаться, что по сравнению с грандиозными проблемами космологии и звездной космогонии проблема происхождения Солнечной системы не очень трудна. На самом деле это не так. Проблема происхождения планет - очень сложная и далеко еще не решенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и многих других естественных наук (прежде всего наук о Земле). Дело в том, что пока можно исследовать только единственную планетную систему, окружающую наше Солнце. Как выглядят более молодые и более старые системы, вероятно, существующие вокруг других звезд, неизвестно. Чтобы правильно объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовались Солнце и другие звезды, потому что планетные системы возникают вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи. И все-таки, несмотря на трудности, ученые убеждены в том, что правильное объяснение будет найдено. Знать, как произошла наша планета, очень важно для дальнейшего развития геофизики, геохимии, геологии и других наук о Земле.

Проблемами планетной космогонии в настоящее время занимаются ученые разных стран.В формирование современной планетной космогонии значительный вклад внесли отечественные ученые. Так, например, на протяжении полувека проблемами планетной космогонии занимался академик В. Г. Фесенков (1889-1972), всегда подчеркивавший, что должна существовать тесная связь между процессом формирования Солнца и процессом формирования планет. В начале 40-х гг. с космогонической гипотезой выступил академикО. Ю. Шмидт (1891-1956).

Наиболее важные выводы планетной космогонии сводятся к следующему:

а) Планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце. Эту туманность часто называют «допланетным» или «протопланетным» облаком. Считается, что Солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неясно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от «протосолнца».

Важнейшие этапы формирования планет

б) Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманности, ее удаление от протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение и т. д. Изменялась температура вещества туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем». Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (там, где сейчас планеты-гиганты). Теория, учитывающая все эти процессы, позволяет объяснить многие закономерности в Солнечной системе.

в) Спутники планет (а значит, и наша Луна) возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, т. е. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманности. Пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты.

Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.

Земля как планета в основном сформировалась за время порядка 100 млн. лет и вначале тоже была холодной. Последующий разогрев Земли происходил в результате ударов крупных тел (размером с астероиды), гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и некоторых других физических процессов. Постепенно в процессе гравитационной дифференциации вещества (т. е. в процессе разделения вещества, состоящего из тяжелых и легких химических элементов) в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро нашей планеты. Из более легких химических элементов и их соединений возникла мантия Земли.

Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородсодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились, а с появлением растений, способных «выдыхать» кислород, земная атмосфера начала обогащаться кислородом, наличие которого представляет одно из необходимых условий существования животного мира.

А.Г.Иванов

Геология

Конспект лекций

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

Раздел 1 (мод. 1). ГЕОЛОГИЯ И ЕЕ СВЯЗЬ С ДРУГИМИ НАУКАМИ

Лекция 1. Введение

Вопросы лекции:

1. Связь геологии и литологии с другими науками.

2. Краткая история геологии и литологии.

Геология – наука о Земле (греч. Ge - Земля, logos –учение). В недалёком прошлом, до конца 19 века, геология представляла единую науку о происхождении Земли и её твердых наружных оболочек, их составе, историческом развитии, внутреннем строении и об органическом мире. Громадный интерес к Земле, связанный с необходимостью поисков сырья для бурно развивающейся промышленности, привёл к быстрому росту геологических знаний. В геологии стали обособляться, а затем превратились в самостоятельные науки разделы о составе Земли, её истории, рельефе, органическом мире и другие. Перечислим эти науки.

Литология – наука о составе, структуре, текстуре и происхождении осадочных пород. Современная литология состоит из трёх частей. Первая – охватывает методы и приёмы полевых и лабораторных исследований. Вторая – в объёме петрографии осадочных горных пород изучает минеральный и химический состав, структуру и текстуру пород. Третья часть, седиментологическая, анализирует общий ход и закономерности осадочного процесса.

Геохимия – наука о химическом составе Земли, законах распространенности и распределения в ней химических элементов и их миграция.

Минералогия – наука о минералах, химических соединениях элементов, образующих основу твёрдой оболочки Земли.

Кристаллография – наука о кристаллической форме минералов. Эта наука неразрывно связана с минералогией.

Петрография – наука, которая изучает горные породы, образовавшиеся в геологических процессах внутри Земли.

Геофизика – наука о физических свойствах Земли и веществ, их которых она состоит.

Инженерная геология – отрасль геологии, изучающая физические свойства горных пород в связи с инженерной деятельностью человека.

Геология полезных ископаемых – раздел геологии, изучающий условия образования и закономерности распространения месторождений полезных ископаемых.

Гидрогеология – наука о подземных водах, их качестве, распространении, передвижениях и местах возможной добычи.

Геотектоника – наука о строении, движениях деформациях и развитии твёрдых наружных оболочек Земли в связи с её развитием в целом.

Структурная геология - наука о формах залегания горных работ, причинах их возникновения и истории развития.

Палеонтология – наука, изучающая по ископаемым остаткам животный и растительный мир прошлых геологических эпох.

Все перечисленные геологические науки теснейшим образом связаны с естественными – химией, физикой, биологией и математикой.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИИ

Многовековая история геологии началась вместе с появление человека.

Первые понятия о геологии возникли в глубокой древности, с тех пор когда человек впервые взял в руки камень, сделал первый каменный топор, наконечник к метательному оружию…

Несмотря на то, что геология была вначале своего пути, уже тогда определились направления во взглядах на развитие Земли.

1. Катастрофизм – система взглядов, по которым развитие Земли представляет ряд катастроф. Это извержение вулканов, землетрясения, падение метеоритов, наводнения – всё это главные события, которые меняют облик Земли.

2. Нептунизм – (Нептун – бог моря древних греков) – учение, по которому всё на Земле образовалось из воды.

3. Плутонизм – (Плутон в греческой мифологии – бог подземного царства) - направление во взглядах на развитие Земли, связанное исключительно с её недрами.

Однако временем возникновения геологии как науки принято считать вторую половину 18 века – период зарождения и бурного развития горнодобывающей промышленности.

В России это выразилось в интенсивном накоплении геологических знаний прикладного значения по месторождениям железных и медных руд, серебро-свинцовых месторождений на Урале, Алтае и в Забайкалье, самородной серы на Украине, цветных камней на Урале.

Основоположником обобщения геологических знаний в России стал М. Ломоносов, а в Западной Европе – Д. Геттон и А.Г. Вернер.

М. Ломоносов, обобщая разрозненные знания по минералогии, горному делу, физики и химии природных явлений выдвинул идеи формирования земной поверхности за счёт взаимодействия внутренних и внешних сил, рассчитал мощность земной коры, объяснил происхождение минералов и горных пород.

Наблюдения за палеонтологическими остатками в коллекциях, поступивших с территории Европейской России позволили заложить основы метода актуализма (все явления прошлого протекали так же, как протекают аналогичные явления сейчас) «О слоях земных». В этой работе он заложил основные идеи эволюционной теории, которые позднее были развиты английским учёным Ч. Лайелем. Великий М.Ломоносов своими трудами заложил фундамент геологического учения, на котором в дальнейшем росло здание геологической науки.

Академические исследования впервые выявили первостепенную роль тщательных полевых исследований. Таким образом, был решён в пользу «плутонистов» спор о первопричине геологических процессов. На отрицании идей «катастрофистов» геологи-эволюционоисты на рубеже 18-19 веков подготовили почву для развития исторической и динамической геологии.

Российский академик П.С. Паллас, саксонец А.Г. Вернер, немецкий учёный Л. Бух, англичанин Р.И. Мурчисон в результате сбора и анализа большого количества материала к 1850 году создали предпосылки для возникновения науки геотектоники. Учение о «мобильных» геосинклиналях и «стабильных» платформах развивалось в то время Дж.Холлом, Дж. Дэном, А.П. Карпинским и др.

В это же время в геологии широкое применение находят методы физики, оптики, математики.

Г.Сорби и Г.Розенбуш применили оптический микроскоп для изучения горных пород. Е.С. Фёдоров изобрёл универсальный столик для измерения оптических свойств минералов. Д. Пратт и Дж. Эри положили начало использованию геофизических данных. Они разработали теорию изостазии (1855), согласно которой земная кора почти повсюду находится в гравитационном равновесии.

Успехи геологического картирования во второй половине 19 века создали предпосылки для геологических обобщений по отдельным районам, странам и континентам. В 1875 году была создана международная организация геологов – Международный геологический конгресс (МГК), где на сессиях обсуждались итоги геологического исследования, разрабатывались принципы международного сотрудничества по унификации геологических карт, номенклатуре горных пород, стратиграфических подразделений и др.

В России 1882 году был создан Геологический комитет, планирующий и руководивший геологическими исследованиями на территории России. Возглавлял этот комитет А.П. Карпинский.

С именем И. Мушкетова связаны исследования Средней Азии. В.А. Обручев изучал Центральную Азию и Восточную Сибирь. Значительное место в изучении геохимии, систематизации минералов занимают такие известные учёные, как А.Е. Ферсман и В.И. Вернадский.

Огромное значение в истории геологии нефти и газа имеют работы И.М. Губкина. Им была дана положительная оценка перспектив нефтегазоносности Северного Кавказа, Урало-Поволжья и Западной Сибири.

Международные геологические конгрессы 1937 и 1984 годов в СССР свидетельствуют о росте авторитета Советской геологической науки.

Большую роль в геологических исследованиях сыграли Виноградов, Хаин, Страхов, Шатский и другие учёные.

Контрольные вопросы:

1. Перечислить основные направления во взглядах на развитие Земли.

2. В каком году была создана международная организация геологов – Международный геологический конгресс (МГК)?

3. В каком году в России был создан Геологический комитет?

Лекция 2. СТРОЕНИЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.

СТРОЕНИЕ НАШЕЙ ГАЛАКТИКИ

Вопросы к лекции:

1. Образование Вселенной.

2. Химический состав Вселенной.

3. Земля как планета солнечной системы.

4. Форма и размер Земли.

5. Строение Земли. Земная поверхность.

6. Методы изучения внутреннего строения Земли.

7. Внешние и внутренние геосферы Земли.

8. Возникновение земной коры.

Объектом изучения геологии является планета Земля. Для изучения её необходимы знания и о других планетах, звёздах, галактиках, так как все они находятся в определённом взаимодействии начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства.

ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Вселенная возникла около 18-20 млрд. лет назад. До этого времени всё её вещество находилось в условиях больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать. Такое состояние вещества называется «сингулярным». Теория расширяющейся Вселенной, или «Большого Взрыва», впервые была создана в России А.А. Фридманом в 1922 году. Суть теории: вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которое в общих чертах можно уподобить взрыву. Вечно возникающий вопрос « А что же было до Большого взрыва», по мнению английского физика С. Хогинса, носит метафизический характер. Предыдущее состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ

Химический состав Вселенной составляет по массе ¾ водорода и ¼ гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. Тяжёлые элементы возникли во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звёзды, а при взрывах сверхновых звёзд они оказались выброшены в космическое пространство.

Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной. Современное значение плотности равно 10 -29 г/см 3 , что составляет 10 -5 атомных единиц массы в 1 см 3 . Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс.км!

Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности , Вселенная будет только расширяться, если же средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнёт сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию.

Спустя примерно 1 млрд. лет после Большого взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков стали формироваться звёзды и галактики – скопления миллионов звёзд. Любая звезда формируются в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведёт к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т.е. превращение водорода в гелий с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда светится. Гелий впоследствии превращается в углерод.

ЗЕМЛЯ КАК ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Земля – часть Вселенной и наша Солнечная система одна их 100 млд. звезд в звездной Галактике, имеющей возраст около 12 млд. лет. Возраст Солнечной системы, к которой принадлежит Земля около 6 млд. лет.

Планет в солнечной системе девять. К планетам земного типа относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, к внешним планетам – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Радиус Солнечной системы 5,917 млрд. км (от Земли до Солнца 149, 509 млн. км).

Планеты земного типа относительно плотные, но обладают сравнительно небольшими размерами и массой. Меркурий лишён атмосферы, на остальных планетах этого типа она есть, причём на Марсе атмосфера близка земной.

Внешние планеты имеют огромные размеры и массу, но отличаются сравнительно небольшой плотностью. Атмосферы этих планет состоят, главным образом, из метана и аммиака.

И так Солнце. Его масса 99.87% от массы системы. Крупнейшая из планет Юпитер имеет массу 0,1% от массы системы. Солнце – плазменный шар (водород 90% и гелий 10%) с температурой поверхности около 5600 0 . Все тела Системы связаны с Солнцем силой гравитационного притяжения и поэтому оказывают влияние друг на друга. Громадная масса Солнца и лучистая энергия его оказывает большое влияния на многие геологические процессы как на внутреннее ядро, так и на каменную оболочку Земли.

Вопросы происхождения Солнечной системы и Земли в процессе развития геологической мысли оставались в центре внимания ученых. Согласно воззрениям немецкого философа И.Канта образование звезд и Солнца произошло под воздействием сил притяжения. П.Лаплас развил его теорию, обогатив ее вращательным движением частиц материи в разреженной и раскаленной газообразной туманности. По гипотезе Канта – Лапласа сгустки материи образовали зародыши планет. Постепенно охлаждаясь планеты, как и Земля охлаждалась и деформировалась. Эта достаточно прогрессивная идея с развитием астрономических исследований позднее оказалась неудовлетворительной.

Но это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и эта эволюция, сравнительно медленная сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва , дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментально параметра - средней плотности вещества в современной Вселенной. Если меньше некоторого (известного из теории) критического значения , Вселенная будет расширяться вечно; если же > , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа - порядка сотой доли секунды от "начала мира". Для теории важно, что эта неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

Закончив на этом общее введение, переходим к более подробному изложению теории Большого Взрыва и порождаемых ею проблем. Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла .

Открытие в 1964 году Р. Пензиасом и А. Вильсоном космического фона "реликтового излучения ", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3 K (градусы Кельвина).

Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.

Для описания эволюции после первой сотой доли секунды используются следующие разделы теоретической физики:

равновесная статфизика, главным образом ее основные принципы и теория релятивистского идеального газа;

Что мы знаем о мироздании, каков космос? Вселенная – это трудно постижимый человеческим разумом безграничный мир, который кажется нереальным и нематериальным. На самом деле нас окружает материя, безграничная в пространстве и во времени, способная принимать различные формы. Чтобы попытаться понять истинные масштабы космического пространства, как устроена Вселенная, строение мироздания и процессы эволюции, нам потребуется переступить порог собственного мироощущения, взглянуть на окружающий нас мир под другим ракурсом, изнутри.

Образование Вселенной: первые шаги

Космос, который мы наблюдаем в телескопы, является только частью звездной Вселенной, так называемой Мегагалактикой. Параметры космологического горизонта Хаббла колоссальные – 15-20 млрд. световых лет. Эти данные приблизительны, так как в процессе эволюции Вселенная постоянно расширяется. Расширение Вселенной происходит путем распространения химических элементов и реликтового излучения. Структура Вселенной постоянно меняется. В пространстве возникают скопления галактик, объекты и тела Вселенной — это миллиарды звезд, формирующие элементы ближнего космоса — звездные системы с планетами и со спутниками.

А где начало? Как появилась Вселенная? Предположительно возраст Вселенной составляет 20 млрд. лет. Возможно, источником космической материи стало горячее и плотное протовещество, скопление которого в определенный момент взорвалось. Образовавшиеся в результате взрыва мельчайшие частицы разлетелись во все стороны, и продолжают удаляться от эпицентра в наше время. Теория Большого взрыва, которая сейчас доминирует в научных кругах, наиболее точно подходит под описания процесса образования Вселенной. Возникшее в результате космического катаклизма вещество представляло собой разнородную массу, состоящую из мельчайших неустойчивых частиц, которые сталкиваясь и разлетаясь, стали взаимодействовать друг с другом.

Большой взрыв – теория возникновения Вселенной, объясняющая ее образование. Согласно этой теории изначально существовало некоторое количество вещества, которое в результате определенных процессов взорвалось с колоссальной силой, разбросав в окружающее пространство массу матери.

Спустя некоторое время, по космическим меркам — мгновение, по земному летоисчислению — миллионы лет, наступил этап материализации пространства. Из чего состоит Вселенная? Рассеянное вещество стало концентрироваться в сгустки, большие и малые, на месте которых впоследствии стали возникать первые элементы Вселенной, огромные газовые массивы — ясли будущих звезд. В большинстве случаев процесс формирования материальных объектов во Вселенной объясняется законами физики и термодинамики, однако существует ряд моментов, которые пока не поддаются объяснению. К примеру, почему в одной части пространства расширяющееся вещество концентрируется больше, тогда как в другой части мироздания материя сильно разрежена. Ответы на эти вопросы можно будет получить только тогда, когда станет понятен механизм образования космических объектов, больших и малых.

Сейчас же процесс образования Вселенной объясняется действием законов Вселенной. Гравитационная нестабильность и энергия в разных участках запустили процессы формирования протозвезд, которые в свою очередь под воздействием центробежных сил и гравитации образовали галактики. Другими словами, в то время как материя продолжала и продолжает расширяться, под воздействием сил тяготения начались процессы сжатия. Частицы газовых облаков стали концентрироваться вокруг мнимого центра, образуя в итоге новое уплотнение. Строительным материалом в этой гигантской стройке является молекулярный водород и гелий.

Химические элементы Вселенной — первичный строительный материал, из которого шло впоследствии формирование объектов Вселенной

Дальше начинает действовать закон термодинамики, приводятся в действие процессы распада и ионизации. Молекулы водорода и гелия распадаются на атомы, из которых под действием сил гравитации формируется ядро протозвезды. Эти процессы являются законами Вселенной и приняли форму цепной реакции, происходят во всех далеких уголках Вселенной, заполнив мироздание миллиардами, сотнями миллиардов звезд.

Эволюция Вселенной: основные моменты

На сегодняшний день в научных кругах бытует гипотеза о цикличности состояний, из которых соткана история Вселенной. Возникнув в результате взрыва протовещества скопления газа, стали яслями для звезд, которые в свою очередь сформировали многочисленные галактики. Однако достигнув определенной фазы, материя во Вселенной начинает стремиться к своему изначальному, концентрированному состоянию, т.е. за взрывом и последующим расширением вещества в пространстве следует сжатие и возврат к сверхплотному состоянию, к исходной точке. Впоследствии все повторяется, за рождением следует финал и так на протяжении многих миллиардов лет, до бесконечности.

Начало и конец мироздания в соответствии с цикличностью эволюции Вселенной

Однако опустив тему образования Вселенной, которая остается открытым вопросом, следует перейти к строению мироздания. Еще в 30-е годы XX века стало ясно, что космическое пространство поделено на районы – галактики, которые являются огромными образованиями, каждое со своим звездным населением. При этом галактики не являются статическими объектами. Скорость разлета галактик от мнимого центра Вселенной постоянно меняется, о чем свидетельствует сближение одних и удаление других друг от друга.

Все перечисленные процессы с точки зрения продолжительности земной жизни длятся очень медленно. С точки зрения науки и этих гипотез — все эволюционные процессы происходят стремительно. Условно эволюцию Вселенной можно разделить на четыре этапа – эры:

• адронная эра;
• лептонная эра;
• фотонная эра;
• звездная эра.

Космическая шкала времени и эволюции Вселенной, в соответствии с которой можно объяснить появление космических объектов

На первом этапе все вещество было сконцентрировано в одной большой ядерной капле, состоящей из частиц и античастиц, объединенных в группы – адроны (протоны и нейтроны). Соотношение частиц и античастиц составляет примерно 1:1,1. Далее наступает процесс аннигиляции частиц и античастиц. Оставшиеся протоны и нейтроны являются тем строительным материалом, из которого формируется Вселенная. Продолжительность адронной эры ничтожна, всего 0,0001 секунды — период взрывной реакции.

Далее, спустя 100 секунд, начинается процесс синтеза элементов. При температуре миллиард градусов в процессе ядерного синтеза образуются молекулы водорода и гелия. Все это время вещество продолжает расширяться в пространстве.

С этого момента начинается длительный, от 300 тыс. до 700 тыс. лет, этап рекомбинации ядер и электронов, формирующих атомы водорода и гелия. При этом наблюдается снижение температуры вещества, падает интенсивность излучения. Вселенная становится прозрачной. Образовавшийся в колоссальных количествах водород и гелий под действием сил гравитации превращает первичную Вселенную в гигантскую строительную площадку. Через миллионы лет начинается звездная эра – представляющая собой процесс образования протозвезд и первых протогалактик.

Такое деление эволюции на этапы вписывается в модель горячей Вселенной, которая объясняет многие процессы. Истинные причины Большого взрыва, механизм расширения материи остаются необъяснимыми.

Строение и структура Вселенной

С образования водородного газа начинается звездная эра эволюции Вселенной. Водород под действием гравитации скапливается в огромные скопления, сгустки. Масса и плотность таких скоплений колоссальны, в сотни тысяч раз превышают массу самой сформировавшейся галактики. Неравномерное распределение водорода, наблюдавшееся на начальной стадии формирования мироздания, объясняет различия в размерах образовавшихся галактик. Там, где должно было существовать максимальное скопление водородного газа, образовались мегагалактики. Где концентрация водорода была незначительной, появились галактики меньших размеров, подобные нашему звездному дому — Млечному Пути.

Версия, в соответствии с которой Вселенная представляет собой точку начала-конца, вокруг которой вращаются галактики на разных этапах развития

С этого момента Вселенная получает первые образования с четкими границами и физическими параметрами. Это уже не туманности, скопления звездного газа и космической пыли (продукты взрыва), протоскопления звездной материи. Это звездные страны, площадь которых огромна с точки зрения человеческого разума. Вселенная становится полна интересных космических феноменов.

С точки зрения научных обоснований и современной модели Вселенной, сначала формировались галактики в результате действия гравитационных сил. Происходило превращение материи в колоссальный вселенский водоворот. Центростремительные процессы обеспечили последующую фрагментацию газовых облаков в скопления, которые стали местом рождения первых звезд. Протогалактики с быстрым периодом вращения превратились со временем в спиральные галактики. Там, где вращение было медленным, и в основном наблюдался процесс сжатия вещества, образовались неправильные галактик, чаще эллиптические. На этом фоне во Вселенной происходили более грандиозные процессы — формирование сверхскоплений галактик, которые тесно соприкасаются своими краями друг с другом.

Сверхскопления — это многочисленные группы галактик и скоплений галактик в составе крупномасштабной структуры Вселенной. В пределах 1 млрд св. лет находится около 100 сверхскоплений

С этого момента стало ясно, что Вселенная представляет собой огромную карту, где континентами являются скопления галактик, а странами — мегагалактики и галактики, образовавшиеся миллиарды лет назад. Каждое из образований состоит из скопления звезд, туманностей, скоплений межзвездного газа и пыли. Однако все это население составляет лишь 1% от общего объема вселенских образований. Основную массу и объем галактик занимает темная материя, природу которой выяснить не представляется возможным.

Разнообразие Вселенной: классы галактик

Стараниями американского ученого астрофизика Эдвина Хаббла мы теперь имеем границы Вселенной и четкую классификацию галактик, населяющих ее. В основу классификации легли особенности структуры этих гигантских образований. Почему галактики имеют разную форму? Ответ на этот и многие другие вопросы дает классификация Хаббла, в соответствии с которой Вселенная состоит из галактик следующих классов:

• спиральные;
• эллиптические;
• иррегулярные галактики.

К первым относятся наиболее распространенные образования, которыми заполнено мироздание. Характерными чертами спиральных галактик является наличие четко выраженной спирали, которая вращается вокруг яркого ядра либо стремится к галактической перемычке. Спиральные галактики с ядром обозначаются символами S, тогда как у объектов с центральной перемычкой обозначение уже SB. К этому классу относится и наша галактика Млечный Путь , в центре которой ядро разделено светящейся перемычкой.

Типичная спиральная галактика. В центре отчетливо видны ядро с перемычкой от концов которой исходят спиральные рукава.

Подобные образования разбросаны по Вселенной. Ближайшая к нам спиральная галактика Андромеда — гигант, который стремительно сближается с Млечным Путем. Наибольшей из известных нам представительниц этого класса является гигантская галактика NGC 6872. Диаметр галактического диска этого монстра составляет примерно 522 тысячи световых лет. Находится этот объект на расстоянии от нашей галактики в 212 млн. световых лет.

Следующим, распространенным классом галактических образований являются эллиптические галактики. Их обозначение в соответствии с классификацией Хаббла буква Е (elliptical). По форме эти образования эллипсоиды. Несмотря на то, что подобных объектов во Вселенной достаточно много, эллиптические галактики не отличатся выразительностью. Состоят они в основном из гладких эллипсов, которые наполнены звездными скоплениями. В отличие от галактических спиралей, эллипсы не содержат скоплений межзвездного газа и космической пыли, которые являются основными оптическими эффектами визуализации подобных объектов.

Типичный представитель этого класса, известный на сегодняшний день — эллиптическая кольцевая туманность в созвездии Лиры. Этот объект расположен от Земли на расстоянии 2100 световых лет.

Вид эллиптической галактики Центавр А в телескоп CFHT

Последний класс галактических объектов, которыми населена Вселенная — иррегулярные или неправильные галактики. Обозначение по классификации Хаббла – латинский символ I. Основная черта – это неправильная форма. Другими словами у подобных объектов нет четких симметричных форм и характерного рисунка. По своей форме такая галактика напоминает картину вселенского хаоса, где звездные скопления чередуются с облаками газа и космической пыли. В масштабах Вселенной иррегулярные галактики — явление частое.

В свою очередь неправильные галактики делятся на два подтипа:

• иррегулярные галактики I подтипа имеют сложную неправильной формы структуру, высокую плотную поверхность, отличающуюся яркостью. Нередко такая хаотическая форма неправильных галактик является следствием разрушившихся спиралей. Типичный пример подобной галактики — Большое и Малое Магелланово Облако;
• иррегулярные, неправильные галактики II подтипа имеют низкую поверхность, хаотическую форму и не отличаются высокой яркостью. Вследствие снижения яркости, подобные образования трудно обнаружить на просторах Вселенной.

Большое Магелланово Облако является самой ближайшей к нам неправильной галактикой. Оба образования в свою очередь являются спутниками Млечного Пути и могут быть в скором времени(через 1-2 млрд. лет) поглощены более крупным объектом.

Неправильная галактика Большое Магелланово облако — спутник нашей галактики Млечный Путь

Несмотря на то, что Эдвин Хаббл достаточно точно расставил галактики по классам, данная классификация не является идеальной. Больше результатов мы могли бы достичь, включи в процесс познания Вселенной теорию относительности Эйнштейна. Вселенная представлена богатством разнообразных форм и структур, каждая из которых имеет свои характерные свойства и особенности. Недавно астрономы сумели обнаружить новые галактические образования, которые по описанию являются промежуточными объектами, между спиральными и эллиптическими галактиками.

Млечный Путь — самая известная нам часть Вселенной

Две спиральные ветви, симметрично расположенные вокруг центра, составляют основное тело галактики. Спирали в свою очередь состоят из рукавов, которые плавно перетекают друг в друга. На стыке рукавов Стрельца и Лебедя расположилось наше Солнце, находящееся от центра галактики Млечный Путь на расстоянии 2,62·10¹⁷км. Спирали и рукава спиральных галактик – это скопления звезд, плотность которых увеличивается по мере приближения к галактическому центру. Остальную массу и объем галактических спиралей составляет темная материя, и только малая часть приходится на межзвездный газ и космическую пыль.

Положение Солнца в рукавах Млечного Пути, место нашей галактики во Вселенной

Толщина спиралей составляет примерно 2 тыс. световых лет. Весь это слоеный пирог находится в постоянном движении, вращаясь с огромной скоростью 200-300 км/с. Чем ближе к центру галактики, тем выше скорость вращения. Солнцу и нашей Солнечной системе потребуется 250 млн. лет, чтобы совершить полный оборот вокруг центра Млечного Пути.

Наша галактика состоит из триллиона звезд, больших и малых, сверхтяжелых и средней величины. Самое плотное скопление звезд Млечного Пути — рукав Стрельца. Именно в этой области наблюдается максимальная яркость нашей галактики. Противоположная часть галактического круга наоборот, менее яркая и плохо различима при визуальном наблюдении.

Центральная часть Млечного Пути представлена ядром, размеры которого предположительно составляют 1000-2000 парсек. В этой самой яркой области галактики сосредоточено максимальное количество звезд, которые имеют различные классы, свои пути развития и эволюции. В основном это старые сверхтяжелые звезды, находящиеся на финальной стадии Главной последовательности. Подтверждением наличия стареющего центра галактики Млечный Путь является наличие в этой области большого числа нейтронных звезд и черные дыры. Действительно – центр спирального диска любой спиральной галактики — сверхмассивная черная дыра, которая словно гигантский пылесос всасывает в себя небесные объекты и реальную материю.

Сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центральной части Млечного Пути – место гибели всех галактических объектов

Что касается звездных скоплений, то ученым сегодня удалось классифицировать два вида скоплений: шарообразные и рассеянные. Помимо звездных скоплений спирали и рукава Млечного Пути, как и любой другой спиральной галактики, состоят из рассеянной материи и темной энергии. Являясь последствием Большого взрыва, материя пребывает в сильно разреженном состоянии, которое представлено разреженным межзвездным газом и частицами пыли. Видимая часть материи представляет собой туманности, которые в свою очередь делятся на два типа: планетарные и диффузные туманности. Видимая часть спектра туманностей объясняется преломлением света звезд, которые излучают свет внутри спирали по всем направлениями.

В этом космическом супе и существует наша Солнечная система. Нет, мы не единственные в этом огромном мире. Как и у Солнца , многие звезды имеют свои планетарные системы. Весь вопрос в том, как обнаружить далекие планеты, если расстояния даже в пределах нашей галактики превышают продолжительность существования любой разумной цивилизации. Время во Вселенной измеряется другими критериями. Планеты со своими спутниками, самые мелкие объекты во Вселенной. Количество подобных объектов не поддается исчислению. Каждая из тех звезд, которые находятся в видимом диапазоне, могут иметь собственные звездные системы. В наших силах увидеть только самые ближайшие к нам существующие планеты. Что происходит по соседству, какие миры существуют в других рукавах Млечного Пути и какие планеты существуют в других галактиках, остается загадкой.

Kepler-16 b - экзопланета у двойной звезды Kepler-16 в созвездии Лебедь

Заключение

Имея только поверхностное представление о том, как появилась и как эволюционирует Вселенная, человек сделал лишь маленький шаг на пути постижения и осмысливания масштабов мироздания. Грандиозные размеры и масштабы, с которыми ученым приходится сегодня иметь дело, говорят о том, что человеческая цивилизация — лишь мгновение в этом пучке материи, пространства и времени.

Модель Вселенной в соответствии с понятием присутствия материи в пространстве с учетом времени

Изучение Вселенной идет от Коперника и до наших дней. Сначала ученые отталкивались от гелиоцентрической модели. На деле оказалось, что космос не имеет реального центра и все вращение, движение и перемещение происходит по законам Вселенной. Несмотря на то, что существует научное объяснение происходящим процессам, вселенские объекты распределены на классы, виды и типы, ни одно тело в космосе не похоже на другое. Размеры небесных тел примерны, так же как и их масса. Расположение галактик, звезд и планет условно. Все дело в том, что во Вселенной нет системы координат. Наблюдая за космосом, мы делаем проекцию на весь видимый горизонт, считая нашу Землю нулевой точкой отсчета. На самом деле мы только микроскопическая частичка, затерявшаяся в бесконечных просторах Вселенной.

Вселенная – это субстанция, в которой все объекты существуют в тесной привязке к пространству и времени

Аналогично привязки к размерам, следует рассматривать время во Вселенной, как главную составляющую. Зарождение и возраст космических объектов позволяет составить картину рождения мира, выделить этапы эволюции мироздания. Система, с которой мы имеем дело, тесно связана временными рамками. Все процессы, протекающие в космосе, имеют циклы — начало, формирование, трансформацию и финал, сопровождающийся гибелью материального объекта и перехода материи в другое состояние.

1. Эволюция и химический состав вселенной

1.1 Теория Большого Взрыва

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 10108раз. 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 большую 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.