Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Модуль 2 - файл n1.doc

приобрести
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Модуль 2
скачать (619 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc619kb.26.08.2012 19:55скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

МОДУЛЬ 2

Естествознание: эволюция материи

На основе обобщения материала модуля 1 выстраивается историческая последовательность этапов эволюции материальной Вселенной от ее рождения до современного уровня эволюции разума.

СОДЕРЖАНИЕ

БАЗОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ

НАУЧНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

СОДЕРЖАНИЯ МОДУЛЯ

1. Концепции космологической эволюции

1.1. Расширяющаяся Вселенная

1.2. Концепция «Большого взрыва»

1.3. Структурная организация Вселенной

1.4. Нуклеосинтез

1.5. Эволюция звезд

1.6. Эволюция Солнечной системы

1.7. Концепции современной геофизики

1.8. Структура Метагалактики

2. Концепции химической эволюции

2.1. Систематизация химических элементов

2.2. Многообразие химических соединений

2.3. Управление химическими процессами

2.4. Явление биокатализа и развитие эволюционной химии

2.5. Особая роль органогенов в биохимической эволюции

2.6. Самоорганизация химических систем

3. Концепции возникновения живой материи и эволюции живых систем

3.1. Развитие биологических знаний

3.2. Феномен живой материи

3.3. Уровни организации живой материи

3.4. Механизм биологической наследственности

3.5. Живая клетка – первокирпичик жизни

3.6. Возникновение жизни – случайность или закономерность?

3.7. Образование органических веществ и зарождение клетки

3.8. Альтернативные гипотезы возникновения жизни

3.9. Концепции биологической эволюции

3.10. Теория биологической эволюции: современный взгляд

4. Концепция биосферы и экология

4.1. Взаимосвязь живой и неживой природы

4.2. Антропогенное воздействие на биосферу

4.3. Нарастание кризисной ситуации в биосфере

4.4. Концепция ноосферы

4.5. Феномен человека

4.6. Антропогенез – биологическая эволюция человека

4.7. Социальная эволюция человека

5. Концепции самоорганизации систем

5.1. Глобальный эволюционизм

5.2. Синергетика – объединяющая концепция современной научной картины мира

5.3. Механизм самоорганизации

5.4. Концепция системности в естествознании

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

ЛИТЕРАТУРА

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

БАЗОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ

Основное содержание модуля связано с объяснением восходящего процесса самоорганизации материи Вселенной, начало которому, согласно современным концепциям естествознания, было положено так называемым Большим взрывом. В исторической и логической последовательности рассмотрены важнейшие эволюционные скачки упорядоченности материальных структур, в ходе которых возникли реликтовые фотоны, ядра и атомы химических элементов, образовались звезды и планетные системы, сформировалась Земля, ставшая впоследствии колыбелью жизни и разума.

Изложение материала модуля опирается на использование системного подхода и принципа глобального эволюционизма, что обеспечивает единство рассмотрения физической, химической, органической, биологической эволюции и, наконец, антропогенеза.

НАУЧНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

СОДЕРЖАНИЯ МОДУЛЯ

1. КОНЦЕПЦИИ КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

1.1. Расширяющаяся Вселенная

Развитие концепций естествознания ХХ в. связано с распространением процесса активного познания на области микромира и мегамира. Теория относительности и квантовая физика знаменуют собой принципиально новый подход к изучению природы, решительный прорыв в область непознанного за счет отказа от традиционных представлений классической физики.

Становление и динамичный прогресс этих двух фундаментальных теорий оказались во многом связаны с изучением природы света. При желании в этом можно усмотреть определенную символику, поскольку свет (электромагнитное излучение) для человека является основным носителем информации, в том числе об удаленных от Земли мирах.

Неудивительно поэтому, что концепции относительности и квантовой природы материи объединились на пути построения космологических теорий, проливая свет на, казалось бы, недоступные для человеческого познания объекты мегамира.

Современная космология представляет собой учение о Вселенной как едином целом и о Метагалактике (всей охваченной астрономическими и астрофизическими наблюдениями области Вселенной) как части целого. Согласно основному философскому постулату космологии считается, что законы природы, установленные при изучении весьма ограниченной области Вселенной (как правило, вблизи нашей планеты), могут быть распространены (экстраполированы) на области значительно большие и в конечном счете – на всю Вселенную.

Возникновение современной космологии непосредственно связано с разработкой А. Эйнштейном общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), а также с зарождением внегалактической астрономии, которое относится к 20-м гг. нашего столетия. Естественно, что релятивистская космология началась с модели стационарной Вселенной, разработанной самим А. Эйнштейном. Отбросив ньютоновские постулаты об абсолютности пространства и времени, он ввел новые, согласно которым мировое пространство однородно и изотропно, материя в нем распределена в среднем равномерно, а гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием, что обеспечивает стационарность Вселенной. Положения об однородности и изотропности Вселенной в наши дни часто называют космологическим постулатом.

Вскоре, однако, российский математик А. А. Фридман теоретически показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной. Отказавшись от постулата о стационарности Вселенной, он предложил решение проблемы, которое остается общепринятым и в наше время. Работы А. А. Фридмана датируются 1922–1924 гг., а уже в 1929 г. принципиально новые результаты его исследований получили подтверждение благодаря открытию американским астрономом Эдвином Хабблом космологического красного смещения (эффекта «разбегания» галактик). Подробнее влияние этого открытия на развитие космологии будет рассмотрено ниже.

Из уравнений Эйнштейна следует, как известно, кривизна пространства-времени и связь этой кривизны с плотностью тяготеющих масс. Если, придерживаясь космологического постулата, считать, что во Вселенной отсутствуют гипотетические силы, противодействующие тяготению (такие силы, естественно, должны возрастать с расстоянием), то космологические уравнения приобретают простой вид, и из них следуют две возможных модели.

В случае если плотность вещества и излучения во Вселенной меньше определенной критической величины, то она неограниченно расширяется (открытая модель). Если, наоборот, эта плотность больше критической, то расширение на некотором этапе сменяется бесконечным сжатием до точечного состояния (замкнутая модель).

В ходе эволюции Вселенной кривизна ее пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется: в открытой модели она отрицательна и в пределе равна нулю (геометрия Лобачевского), в замкнутой модели кривизна положительная (риманово пространство). Начальная стадия эволюции, согласно обеим моделям, должна быть одной и той же. Речь идет об особом, уникальном начальном состоянии материи, называемом сингулярностью (от лат. – singularis – особый, отдельный). Начиная с определенного момента такая сингулярность претерпевает взрывоподобное расширение, которое со временем замедляется.

Общий характер эволюции Вселенной иллюстрирует рис. 1, на котором по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – масштабный фактор, например расстояние между двумя удаленными галактиками. Жирные линии показывают зависимость масштабного фактора от времени, тонкие – изменение кривизны пространства со временем. Видно, что для замкнутой модели возрастание расстояния между галактиками с определенного момента времени сменяется его сокращением. При этом кривизна вначале уменьшается, а затем, достигнув минимального значения, начинает расти. Для открытой модели масштабный фактор неограниченно возрастает (с замедлением), а кривизна стремится к нулю.



Рис. 1

Открытие Э. Хабблом космологического красного смещения, состоящего в смещении длин волн электромагнитного излучения галактик в сторону красного участка спектра вследствие их удаления от наблюдателя, служит важным экспериментальным подтверждением нестационарности Вселенной. Согласно установленному им закону относительное изменение расстояний между «разбегающимися» галактиками 1/R.dR/dt = H представляет собой существенный параметр. Величина, обратная этому параметру (называемому постоянной Хаббла), определяет время, истекшее с момента начала разбегания галактик при условии постоянной скорости этого разбегания. В настоящее время значение Н составляет, по оценкам, 50–100 км/c на мегапарсек (парсек – единица длины, применяемая в астрономии и составляющая примерно 3.1016 м). Следовательно, если бы расширение происходило с постоянной скоростью, то, положив Н равным 75 (км/с)/Мпс*, получаем для времени t, истекшего с момента начального «взрыва», значение t0 » 13 млрд. лет.

________________________
* Мпс – мегаперсек, или 106 парсек.

Из космологических уравнений следует, что при заданном Н трехмерное пространство может иметь нулевую кривизну исключительно при строго определенной (критической) плотности массы ?кр = 3с2Н2/G, где
G – гравитационная постоянная, с – скорость света. Если ? > ?кр, то справедлива замкнутая модель, при ? ? ?кр мир является открытым.

Отсюда становится ясным, что проблема определения плотности вещества во Вселенной имеет фундаментальный характер. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, однако не исключено, что определенная часть материи, существенная для величины этой плотности, остается необнаруженной. Речь идет о так называемом скрытом (невидимом) веществе, а также о возможной плотности нейтрино (если масса нейтрино не является нулевой). Гипотеза о наличии скрытого вещества выдвинута для объяснения того факта, что галактики не расширяются, хотя гравитационного поля, создаваемого видимым веществом, для этого явно недостаточно. В принципе допускается, что суммарная плотность может быть на два порядка больше средней плотности звездного вещества. Поэтому пока нельзя отдать предпочтение ни одной из двух возможных моделей Вселенной.

Эта неопределенность, однако, никоим образом не сказывается на характере «поведения» Вселенной, продолжающей расширяться. Она влияет на точность определения возраста Вселенной, о котором можно судить по длительности ее расширения. Последнее, согласно обеим моделям, идет с замедлением, но не одинаковым, что, естественно, приводит к различным оценкам времени, истекшего с момента начала расширения.

Позволяя судить об общем характере эволюции Вселенной, рассмотренные модели оставляют открытым вопрос о характеристиках ее начального состояния. Задание этих характеристик представляет собой независимое положение релятивистской космологии. В конце 40-х гг. известный американский физик русского происхождения Джордж (Георгий) Гамов выдвинул гипотезу «горячей» Вселенной, которая с 60-х гг. стала общепринятой и называется теперь стандартной моделью Вселенной. В ней основное внимание уделяется физическим процессам, идущим на разных этапах расширения Вселенной, в том числе на самой ранней, наиболее необычной стадии. Благодаря существенному прогрессу в области физики элементарных частиц и атомного ядра общие физические законы надежно проверены при ядерных плотностях, составляющих ~1014 г/см3. Такую плотность Вселенная имеет спустя 10–4 с после начала расширения, которое получило название «Большой взрыв». Следовательно, физические свойства эволюционирующей Вселенной поддаются изучению начиная с этого момента.

1.2. Концепция «Большого взрыва»

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что в момент перед «Большим взрывом» температура Т в сингулярности превышала 1013 градусов по шкале Кельвина, начало отсчета которой соответствует абсолютному нулю, или – 273 градуса по шкале Цельсия. Плотность материи должна была составлять не менее 1093 г/см3. В таких условиях не могли существовать не только молекулы и атомы, но и атомные ядра. Материя представляла собой равновесную смесь различных элементарных частиц, включая фотоны. Физика элементарных частиц позволяет рассчитать состав такой смеси при разных температурах, соответствующих различным стадиям эволюции.

Поскольку сразу после «Большого взрыва» расширение происходило с очень высокой скоростью, температура и плотность быстро понижались. Так, уже через ~0,01 с от состояния сингулярности плотность должна была упасть до ~1010 г/см3. В этот момент материя должна была представлять собой совокупность фотонов, электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, а также относительно небольшого количества нуклонов. При этом пары электронов и позитронов непрерывно аннигилировали, образуя фотоны, а те, в свою очередь, превращались опять в электрон-позитронные пары. Имеются основания предполагать, что уже на этой стадии произошло нарушение симметрии между веществом и антивеществом. Речь может идти о весьма незначительной флуктуации, состоящей в превышении количества частиц над числом античастиц (один лишний электрон на миллиард аннигилирующих пар).

Примерно через 3 минуты после состояния сингулярности в результате известных превращений из нуклонов образуются ядра двух первых элементов – водорода (75% по массе) и гелия (25%): происходит первичный нуклеосинтез. Объединение протона с одним или двумя нейтронами создает ядра изотопов водорода – дейтерия и трития. Образование ядер гелия происходит в результате нерезонансного захвата нейтрона протоном. В процессе такого захвата нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино и к двум протонам присоединяются еще один или два свободных нейтрона, образуя ядра двух изотопов гелия. На этом, однако, процесс нуклеосинтеза замедляется. Дело в том, что любая комбинация нуклонов с образованием ядра с массовым числом А = 5 неизбежно распадается, не успев сформироваться. Поэтому на стадии первичного нуклеосинтеза невозможно получение ядер с А > 4. Это препятствие на пути дальнейшего нуклеосинтеза получило название «щель массы».

Судя по всему, в барионном веществе Вселенной на этой стадии имело место заметное преобладание протонов над нейтронами. Когда все нейтроны оказались связанными с протонами, образовав ядра гелия, то таких ядер оказалось около 20%, остальную же часть составили протоны, т. е. ядра водорода. Поскольку температура в это время (~300 000 К) была всё еще высокой, время для образования атомов еще не наступило. Возникшая смесь ядер гелия и водорода получила название дозвездного вещества. Образование из него остальных химических элементов произойдет намного позднее, в процессе термоядерных реакций в недрах звезд.

Пока же к моменту t ~ 106 лет, когда температура снизилась до ~3000 К, в результате рекомбинации нуклонов и электронов образуются нейтральные атомы гелия и водорода. В этот момент нарушилось термодинамическое равновесие между веществом, находившимся в состоянии горячей плазмы и излучением, поскольку кванты излучения уже не обладали достаточной для ионизации вещества энергией. Это означает, что электрон-позитронные пары перестали образовываться и только незначительное число электронов, для которых «не нашлось» позитронов, остались в составе вещественной составляющей. Аналогичная ситуация сложилась и для протонов. Поэтому вещество стало прозрачным для фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в виде реликтового излучения теряющих энергию фотонов.

Действительно, в 1965 г. американские астрофизики Арно Аллан Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили реликтовое излучение, причем его свойства находились в хорошем согласии с предсказаниями теории. В частности, его температура в результате постепенного снижения с того времени, как и ожидалось, оказалась равной ~3 К. Изотропность реликтового излучения свидетельствует о том, что в период рекомбинации отсутствовали значительные неоднородности плотности, способные привести к образованию галактик.

Интересно, что изотропность реликтового излучения и независимость его температуры от направления наблюдения позволили обнаружить движение Солнечной системы относительно него как фона. Оказалось, что Солнце движется в направлении созвездия Льва со скоростью
390 ± 60 км/с. Это позволяет рассматривать реликтовое излучение как определенным образом выделенную систему координат во Вселенной, связанную с локальностью «Большого взрыва».

1.3. Структурная организация Вселенной

После завершения рекомбинации возникла так называемая водородно-гелиевая Вселенная. Она содержала смесь трех почти не взаимодействовавших структур: барионного вещества (атомы водорода и гелия), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и фотонов (реликтовое излучение). Дальнейшее нарастание сложности вещества в этих условиях уже не могло обеспечить ни одно из фундаментальных взаимодействий. Казалось бы, наступил кризис развития и остался один путь – назад, к состоянию термодинамического равновесия.

Однако этого не произошло, Вселенная скачкообразно перешла в качественно новое состояние. Вследствие флуктуаций плотности и проявления гравитационной неустойчивости произошло образование локальных сгустков вещества, находящегося в неравновесном состоянии по отношению к окружающей среде. С точки зрения теории самоорганизации Вселенная на рубеже рекомбинации обладала необходимыми признаками неравновесности, способными в определенных условиях привести к ее неустойчивости. Нарушение симметрии между веществом и антивеществом, веществом и излучением подготовило условия для начала нового этапа эволюции. Важную роль на этой стадии сыграло также нарушение симметрии между различными физическими взаимодействиями. Считается, что нарушение существовавшей симметрии между гравитационным и сильным взаимодействиями, приведшее к освобождению гравитационных сил, обеспечило образование крупномасштабных космических структур – галактик и их скоплений. Нарушение же симметрии между электромагнитным и слабым взаимодействиями стало условием так называемой микроэволюции Вселенной, т. е. дальнейшего нуклеосинтеза, химической, а затем и биологической эволюции.

Таким образом, за стадией рекомбинации последовал период структурной организации Вселенной. Согласно «горячей» модели, галактики образовались из гигантских газовых облаков, в которых происходило интенсивное движение потоков вещества, в том числе со сверхзвуковыми скоростями. Сталкиваясь, эти потоки создавали ударные волны (скачки уплотнения). Кроме того, ударные волны возникали в результате мощных электрических разрядов. При взаимодействии с ударными волнами газовые потоки приобретали вихревой характер, что в конечном итоге определило спиралевидную структуру большинства образовавшихся галактик. Такой газодинамический механизм вихреобразования позволяет объяснить феномен формирования спиралевидных структур, а проведенные на его основе расчеты скорости вращения захваченного вихрем вещества хорошо согласуются с наблюдаемыми скоростями вращения спиральных галактик вокруг своих центров масс, которые имеют порядок 100 км/с.

Наряду с гравитационными силами и газодинамическими процессами в формировании крупномасштабных структур участвовали также электромагнитные и магнитогидродинамические процессы. Поэтому речь следует вести о комбинированном воздействии всех этих факторов. Образовавшиеся локальные области протогалактик (огромное газовое облако)с повышенной плотностью вещества под действием своего гравитационного поля продолжали сжиматься, теряя при этом энергию. В центре области формировалось уплотненное ядро, состоящее из водорода и гелия. Продолжающееся возрастание плотности и температуры в нем приводило к ионизации атомов и возникновению условий для протекания термоядерных реакций.

Этот процесс, начавшийся примерно через 500 миллионов лет после «Большого взрыва», продолжался около 100 миллионов лет. Затем последовал этап образования звезд следующего поколения, длившийся около миллиарда лет.

1.4. Нуклеосинтез

Согласно современным представлениям, происхождение химических элементов связано с их синтезом на звездной стадии эволюции Вселенной Поэтому очевидно, что любая теория происхождения химических элементов, а также образования и эволюции звезд должна объяснять закономерности распространения элементов в природе. Распространенность химических элементов в природе весьма неоднородна (рис. 2). Это достоверно установлено на основе опытных данных о составе земной коры, метеоритного вещества, атмосфер Солнца и звезд, космических лучей.

Наиболее распространены в природе следующие элементы: водород (Н), гелий (Не), углерод (С), кислород (О), азот (N), неон (Ne), магний (Мg), кремний (Si), сера (S), серебро (Ar) и железо (Fe). При этом на долю только водорода и гелия (первых двух элементов таблицы Менделеева) приходится около 99,9% вещества (по массе). Распространенность элементов достаточно резко падает до циркония (Zr), элемента с атомным номером 40, и затем уменьшается постепенно. Заметим, что логарифмический масштаб рисунка скрадывает резкие изменения этой зависимости.



Рис. 2

Интересно, что ядра с четными номерами количественно преобладают, в частности ядра с числом нуклонов, равным 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 и 126 (так называемые магические ядра), распространены примерно в 10 раз больше, чем соседние с ними. Кроме того, имеется область «железного пика» (железо и соседние с ним элементы) и так называемые обойденные ядра, имеющие распространенность на два порядка меньшую, чем соседние ядра.

Термоядерные реакции, т. е. ядерные реакции, протекающие между легкими атомными ядрами при температурах порядка 108 К, во Вселенной играют двоякую роль. С одной стороны, это основной источник энергии звезд, с другой – механизм звездного нуклеосинтеза, т. е. образования химических элементов, более «тяжелых», чем водород и гелий.

Для звезд типа нашего Cолнца основным процессом ядерного синтеза является «выгорание» водорода, т. е. превращение четырех протонов в ядро гелия 4Не (с образованием двух позитронов и двух нейтрино). Это так называемый водородный цикл, протекающий при температурах порядка 10 млн. К. Дальнейший нуклеосинтез, т. е. образование тяжелых элементов, происходит в несколько этапов.

Согласно современным воззрениям, тяжелые элементы возникают в звездах-гигантах с массой, в несколько раз превышающей солнечную, и с температурой в центре порядка нескольких сотен миллионов градусов.

В ядрах таких звезд водород быстро выгорает, превращаясь в гелий. Основная реакция так называемого гелиевого цикла состоит в превращении трех ядер гелия в ядро углерода и проходит через промежуточное ядро бериллия. Запись этой реакции, называемой процессом Солпитера, выглядит следующим образом:

34Н ? 12С + ?1 + ?2 + 7,3 МэВ.

Интересно, что возможность такого процесса, а следовательно, и возможность нуклеосинтеза вообще связана с таким в общем-то случайным обстоятельством, как наличие подходящего дискретного уровня энергии у ядра бериллия 8Ве. Дело в том, что указанный процесс является единственным, позволяющим преодолеть «щель массы».

Далее всё обстоит уже проще: образовавшийся углерод может реагировать вновь с гелием, образуя кислород: 12С + 4Не ? 16О, кислород – с гелием, образуя неон 20N, и так далее вплоть до кремния 28Si. По мере выгорания гелия ядро звезды сжимается и повышается его температура. При температурах порядка нескольких миллиардов градусов аналогичным образом происходит образование железа и соседних с ним элементов (область «железного пика»). Здесь проходит своеобразная граница: образование более тяжелых элементов по такой схеме
(с участием только заряженных частиц) оказывается невозможным, необходимы другие условия протекания термоядерных реакций.

Синтез тяжелых элементов происходит под действием нейтронов, причем сами нейтроны являются продуктом других ядерных процессов.
Как показали расчеты, малая распространенность некоторых элементов как раз и может быть объяснена нехваткой нейтронов,
нужных для их синтеза.

Элементы вплоть до висмута (209Bi) образуются в выгоревших ядрах звезд-гигантов за счет медленного захвата нейтронов ядрами. Еще более тяжелые элементы синтезируются в реакциях с быстрым захватом нейтронов, которые протекают при плотности потока нейтронов свыше 1024 на 1 см2 в секунду. Такие плотности возможны только при вспышке сверхновой звезды, когда в межзвездное пространство выбрасываются большие массы вещества, содержащего элементы из области «железного пика» и возникают нейтроны высоких энергий. В результате такого рода процессов образуются наиболее тяжелые элементы с массовыми числами до 270.

Особое место занимают «пропущенные» реакцией 34Не ? 12С легкие элементы между гелием и углеродом: литий, бериллий и бор. Предполагается, что они образуются в реакциях «скалывания», в которых частицы космических лучей при столкновении с тяжелыми ядрами выбивают из них ядра Li, Be, B в виде легких осколков.

Таким образом, предполагаемые механизмы звездного нуклеосинтеза удовлетворительно объясняют наблюдаемые закономерности распространенности элементов. Однако прямое подтверждение теории нуклеосинтеза остается за нейтринной астрономией, поскольку по потокам нейтрино из недр Солнца и других звезд можно судить о характере происходящих в них термоядерных реакций. В начале 70-х гг. непосредственное измерение потока солнечных нейтрино показало величину, значительно меньшую теоретически ожидаемой, что породило сомнения относительно термоядерного механизма генерации солнечной энергии и нуклеосинтеза. Хотя последующие измерения заметно уменьшили это расхождение и в основном эти сомнения развеяли, полной уверенности в этом вопросе пока нет. Это, впрочем, относится практически ко всем космологическим и космогоническим теориям, которые носят характер в большей или меньшей степени достоверных гипотез.

1.5. Эволюция звезд

Возникновение звезд происходит в результате конденсации межзвездных пыли и газа, состоящего в основном из водорода. Далее следует длительный период термоядерных реакций с превращением водорода в гелий в центральной области (ядре) звезды. Принято говорить, что на этой стадии звезда находится в главной последовательности. Звезда в это время находится в равновесии, поскольку ее собственное гравитационное поле уравновешивается внутренним давлением термоядерной реакции. Чем массивнее звезда, тем более высокую температуру должна развивать термоядерная реакция для обеспечения равновесия. Поэтому массивные звезды быстрее исчерпывают свое ядерное топливо. После того как водород оказывается исчерпанным, гелиевое ядро звезды сжимается и нагревается, поэтому равновесие нарушается в сторону расширения. Хотя излучаемая энергия при этом увеличивается, плотность энергии в силу быстрого расширения падает. Поэтому температура поверхности значительно уменьшается и звезда становится красным гигантом. В его горячем ядре продолжаются реакции термоядерного синтеза с участием гелия и более тяжелых элементов, сопровождающиеся в ряде случаев сбросом водородной оболочки и образованием так называемой планетарной туманности. В этом случае оставшаяся часть звезды переходит в стадию белого карлика. Теперь уже гравитационное сжатие интенсивно разогревает звезду, во внешних слоях которой начинается водородный синтез, вызывающий ее яркое свечение. При большой начальной массе звезда может закончить свою эволюцию взрывом сверхновой.

В случае, если звезда сохранила достаточную массу вплоть до исчерпания ядерного горючего, она испытывает гравитационный коллапс, в результате чего рождается нейтронная звезда. Силы тяготения настолько сжимают вещество звезды, что атомы не просто разрушаются, но электроны «вдавливаются» в протоны. У наиболее массивных звезд гравитационный коллапс не останавливается на стадии нейтронной звезды, переходя в релятивистский гравитационный коллапс с образованием черной дыры. Гравитационный коллапс происходит при достижении в центре звезды высоких значений плотности (до 1010 г/см3) и температуры (109–1010 К), когда силы тяготения при сжатии нарастают быстрее сил внутреннего давления. Процесс сжатия развивается катастрофическим образом со скоростями, близкими к скорости свободного падения. Это связано с потерями энергии на расщепление ядер, а также на рождение и излучение огромного количества нейтрино.

Нейтронные звезды имеют плотность вещества порядка плотности ядер атомов, поскольку состоят из нейтронов с малой примесью электронов, протонов и сверхтяжелых атомных ядер. Число нейтронов в них в 10–100 раз выше числа протонов вследствие нейтронизации вещества (превращения протонов в нейтроны). Открыты нейтронные звезды были в 1967 г. в виде пульсаров – источников импульсного радиоизлучения с очень высокой регулярностью повторения импульсов. Согласно современным представлениям, пульсары представляют собой нейтронные звезды, имеющие при массе порядка массы Солнца диаметры всего около 20 км и вращающиеся с периодом ~0,01 с.

Позднее, в 1975 г., было установлено, что нейтронные звезды проявляют себя еще и как рентгеновские пульсары, или барстеры, – источники импульсного излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах электромагнитных волн. Предполагается, что барстер – это нейтронная звезда, являющаяся компонентом двойной звезды, второй компонент которой (красный гигант) интенсивно отдает ей свое вещество (явление аккреции). Торможение падающего (аккрецирующего) вещества у поверхности нейтронной звезды порождает направленное рентгеновское излучение, воспринимаемое наблюдателем вследствие вращения звезды в виде регулярных импульсов.

Явление вспышек сверхновых звезд теория связывает с окончанием эволюции звезд с массой, в несколько раз превышающей массу Солнца. После окончания термоядерных реакций горения водорода и гелия у них образуется углеродно-кислородное ядро. При относительно больших массах этого СО-ядра в звезде продолжается термоядерное горение углерода и более тяжелых элементов, приводящее к образованию у нее железного ядра. В конце концов дело доходит до гравитационного коллапса с возникновением нейтронной звезды или черной дыры (опять-таки в зависимости от массы на этот период).

В звездах с относительно малыми массами СО-ядра (менее примерно полутора солнечных масс) либо происходит термоядерный углеродный взрыв, приводящий к полному разлету звезды, либо развивается гравитационный коллапс, сопровождающийся образованием нейтронной звезды и сбросом оболочки. Термоядерный взрыв и сброс оболочки теория рассматривает в качестве двух механизмов вспышек сверхновых звезд двух типов.

При вспышках сверхновых звезд, особенно происходящих с полным разлетом вещества звезды, в межзвездное пространство выбрасывается большое количество углерода, кислорода и элементов «железного пика», которые в присутствии свободных нейтронов включаются в процесс нуклеосинтеза.

Образование во Вселенной всей совокупности химических элементов запустило очередной этап ее эволюции. Началось объединение атомов в молекулы, сложность которых, как известно, может быть весьма высокой. С учетом неравновесности открытых систем, строящихся из молекул, это открыло путь к микроэволюции Вселенной.

Появление тяжелых элементов обеспечило и продолжение процесса структурообразования. Это означает, в том числе, возможность образования около звезд второго и последующих поколений
  1   2   3   4   5   6


КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации