Страница 94 из 120
Солнечная система находится далеко от ядра Галактики, на ее периферии, на расстоянии около 30 световых лет от центра Галактики. Возраст Солнечной системы оценивается приблизительно в 5 млрд. лет.
Рис. 46. Солнечная система.
В физике получил широкую известность эффект Доплера, заключающийся в том, что длины воли наблюдаемого источника при удалении источника от наблюдателя увеличиваются, а при приближении источника — уменьшаются. Причем по величине изменения длины волны оказалось возможным судить о скорости, с какой удаляется или приближается источник. Этот экспериментально установленный факт привел к исключительно важному фундаментальному открытию. Изучение спектров галактик показало, что все они (за небольшим числом объяснимых исключений) удаляются от земного наблюдателя, т. е. Вселенная расширяется. Этот на первый взгляд неожиданный и даже удивительный вывод является теперь общепризнанным. К этому вопросу мы еще вернемся. Заметим только сейчас, что скорость расширения Вселенной является очень высокой (десятки и сотни километров в секунду) и все время возрастает.
Заметим также, что еще в 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888–1925) нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой нестационарно расширяющейся Вселенной. Вот что пишет но поводу работ Фридмана известный американский ученый С. Вайнберг: «В 1922 г. советским математиком Александром Фридманом было найдено общее однородное и изотропное решение первоначальных уравнений Эйнштейна. Именно эти фридмановские модели, основанные на исходных уравнениях поля Эйнштейна, а не модели Эйнштейна и де Ситтера обеспечили математический фундамент большинству современных космологических теорий.
Существуют два разных типа моделей Фридмана.
Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.
В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя; Вселенная в этом случае конечна, хотя и неограниченна, вроде поверхности сферы. (Это означает, что, если мы отправимся в путешествие по прямой линии[327], мы не сможем добраться до какого-то угла Вселенной, а просто вернемся туда, откуда начали свой путь.) Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов остановить расширение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности»[328].
Один из главных выводов, к которому пришли астрономия и астрофизика, состоит в том, что Вселенная находится в состоянии непрерывной эволюции. Остановимся в первую очередь на эволюции звезд. В настоящее время общепризнано, что звезды образуются из газопылевой межзвездной среды, главным образом из водорода и гелия, в результате действия сил гравитации (так называемой гравитационной конденсации). Проследить эволюцию звезд в очень большой мерз помогло то обстоятельство, что можно наблюдать звезды практически в любой стадии их развития. Другими словами, во Вселенной существуют звезды всех «возрастов». Более того, образование новых звезд происходит и теперь.
Все более сжимаясь под действием гравитационных сил, звезда становится все более горячей, растет также давление внутри звезды. Когда температура достигает приблизительно 10 млн. К, внутри звезды начинается термоядерная реакция: ядра атомов водорода[329], имеющие высокую энергию, преодолевают электрические силы отталкивания (не будем забывать, что ядра заряжены положительно), сталкиваются между собой, в результате чего происходит образование ядер гелия и выделение огромного количества тепла. Таким образом, термоядерная реакция является реакцией синтеза ядер водорода с образованием ядер гелия и, как уже сказано, выделением огромного количества тепла. 1 г. водорода, рассматриваемого как ядерное горючее, энергетически эквивалентен 10 т условного топлива (сокращенно т у. т.[330])
Теперь для звезды начинается новая стадия эволюции. Гравитационные силы будут по-прежнему стремиться сжать звезду, но вследствие протекания термоядерной реакции давление внутри звезды будет расти и оказывать сопротивление силам гравитации. Настанет момент, когда менаду этими силами будет достигнуто равновесие. В этом состоянии звезда может существовать долгое время, излучая в пространство огромную энергию. Солнце, например, в глубинных слоях которого протекает термоядерная реакция, будет существовать в этом состоянии, по расчетам астрономов, около 13 млрд, лет, из которых истекли приблизительно 5 млрд.
Однако рано или поздно наступает такой момент, когда водород, находящийся в центральной области звезды, там где протекает термоядерная реакция, будет израсходован. Температура внутри звезды начнет уменьшаться, а вместе с ней будет снижаться давление, и оно уже но сможет противостоять гравитационным силам. Наступает новый этап эволюции звезды. Ее ядро, состоящее теперь в основном из гелия (продукта реакции), под действием сил гравитации начинает сжиматься, образуя плотную горячую область. Но термоядерная реакция будет продолжаться, только теперь уже, конечно, не в ядра звезды, а на ее периферии, где еще сохранился водород. В это время, как это следует из расчетов, размер звезды и ее светимость будут увеличиваться. Звезда превратится в так называемый красный гигант. Температура гелиевого ядра будет возрастать, и, когда она достигнет 100–150 млн. К, начнется новая ядерная реакция превращения гелия в углерод.
Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то после того, как завершится термоядерная реакция в периферийных слоях звезды (весь водород «выгорит») и закончится ядерная реакция в ядре звезды (весь гелий превратится в углерод), внешние слои звезды отделятся и рассеются в пространстве, а оставшиеся внутренние слои, звезды, очень горячие и плотные, будут представлять собой так называемый белый карлик. Известный советский астроном и астрофизик И. С. Шкловский пишет следующее: «Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри звезд — красных гигантов и „появляются на свет“ после отделения наружных слоев гигантских звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе, белые карлики, в которых весь водород «выгорел» и ядер-пые реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Логическим выводом отсюда является признание генетической связи между самыми поздними этапами эволюции звезд и белыми карликами. Постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые черные карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд»[331].
Если же масса звезды превышает 1,2 массы Солнца, то ее дальнейшая эволюция имеет другой характер. После прекращения термоядерной реакции в ядре звезды огромные гравитационные силы (тем большие, чем больше масса звезды) приводят к так называемому гравитационному коллапсу — катастрофически быстрому сжатию, в результате которого центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой (ее плотность может достигать 1015 г/см3, т. е. превышать плотность атомных ядер), а периферические сферы звезды сбрасываются, — и это явление может наблюдаться как огромная вспышка, именуемая вспышкой сверхновой звезды.
327
Подразумевается движение по геодезической линии (длина которой между двумя точками равна кратчайшему расстоянию между ними) в искривленном пространстве. Это соответствует прямой линии в евклидовом пространстве. — Примеч. редактора русского перевода. Я. Б. Зельдовича.
328
Вийнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981, с. 38–40.
329
Мы говорим о ядрах, а не об атомах водорода потому, что при такой высокой температуре атомы теряют электронную оболочку и газ превращается в плазму — смесь электронов и ядер атомов.
330
Условным топливом называется такое топливо, теплотворная способность 1 кг которого составляет 7 тыс. ккал.
331
Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. 4-е изд. М., 1976, с. 53–54.