Загальна характеристика Всесвіту

Основна характеристика Всесвіту. Згідно з загальноприйнятим уявленням, що було доведено близько 50 років тому, Всесвіт — нестаціонарна система, тобто стан його залежить від часу. Панує теорія розширення Всесвіту, що дістала цілу низку експериментальних доказів. Сутність її полягає в тому, що Галактики віддаляються одна від одної. За теорією еволюція Всесвіту мала початок, а межа спостережуваного Всесвіту непостійна в часі — вона зростає зі швидкістю, що відповідає рівнянню Хаббла. Вік Всесвіту визначають від 13 до 18 млрд років.

Існують такі докази розширення Всесвіту.

1. Червоне зміщення спектральних ліній. Спектр більшості галактик нагадує сонячний. Як і сонячний, він містить лінії поглинання (фаренгоферові лінії), які відповідають різним хімічним елементам.

Якщо простежити положення лінії поглинання, властиве певному елементу в спектрі будь-якої галактики, то можна визначити її зміщення щодо еталонного положення. Як відомо, у фізиці подібне явище називають ефектом Доплера і пояснюють його єдиною причиною — переміщенням джерела випромінення відносно спостерігача. При цьому значення зміщення лінії поглинання пропорційне швидкості зміни віддалення відносно спостерігача даної галактики. Якщо ця відстань збільшується, лінія спектра зміщується в бік довгих хвиль спектра і зміщення називають червоним. Випромінення усіх галактик характеризуються червоним зміщенням.

2. Залежність швидкості розбігання галактик від відстані між ними. Галактики віддаляються від нашої Галактики закономірно: швидкість розбігання тим більша, чим віддаленіша спостережувана галактика. Ця залежність швидкості розбігання від відстані до галактики описується законом Хаббла: ν=HR, де ν – швидкість розбігання; R – відстань; H – константа (постійна Хаббла), що залежить від часу t, тобто віку Всесвіту t = 1/H.

3. Еволюція радіоактивних речовин. Оскільки радіоактивні речовини на Землі (та й у Сонячній системі) не утворюються за звичайних умов, їх наявність свідчить про те, що первинна речовина, з якої утворились планети (в тому числі й Земля), початкове перебувала в умовах, коли міг відбуватися синтез подібних речовин. Вважають, що це пов’язане з початковим (сингулярним) станом Всесвіту та великим вибухом.

Густина речовини у Всесвіті.У середньому в 1 м³ у Всесвіті міститься всього 1 атом водню (тобто 1 протон та 1 електрон), окрім того, в тому самому об’ємі — ще 4,108 фотонів (квантів радіохвиль реліктового випромінення, масою яких можна знехтувати порівняно з масою атома водню).

Густина речовини в окремих частинах Всесвіту різниться більш ніж на 30 порядків. Найвища щільність (якщо не брати до уваги мікросвіт, наприклад атомне ядро) притаманна нейтронним зіркам (близько 10¹⁴ г/см³); найнижча — 10^-24 г/см³ — у Галактиці в цілому.

Хімічний склад речовини у Всесвіті.Із загальної маси речовини Всесвіту лише близько 1/10 є видимою, решта — невидима, розпорошена, темна. Остання утворює так звану «приховану масу» Всесвіту.

Видима речовина, про склад якої можна з упевненістю робити висновок за характером спектра випромінення, складається переважно з водню (70...80 % за масою) та гелію (решта 20...30 %). Інших хімічних елементів у масі видимої речовини настільки мало, що при подібних наближених оцінках ними можна знехтувати.

Відповідно до нинішньої концепції космохімії речовина Всесвіту до утворення зірок відповідала водню та гелію в наведеній пропорції з домішкою літію, а решта важчих елементів утворилася в зірках внаслідок нуклеосинтезу. У Всесвіті не виявлено значної кількості антиречовини, за винятком малої частки антипротонів у космічних променях.

Реліктове випромінювання.Всесвіт заповнений електромагнітним випромінюванням, яке за походженням називають реліктовим, а за фізичною природою — мікрохвильовим фоновим, що відповідає за довжиною хвилі температурі випромінювача 2,7 К (точка кипіння води дорівнює 273 К). Реліктове випромінювання лишилося від ранніх стадій еволюції Всесвіту.

Реліктове випромінювання є ізотропним: його температура не залежить від напрямку. Водночас спостерігають певну дипольну складову (дипольну анізотропію) цього випромінювання, яку пов’язують із рухом Сонячної системи в Галактиці зі швидкістю близько 400 км/с.

Слід зазначити структурованість Всесвіту; в ньому намічається комірчасто-сітчаста структура, утворена групами та скупченнями галактик, які прив’язуються до свого роду витягнутих «ниток»; ці останні, перетинаючись, утворюють тривимірну комірчасту структуру, в її вузлах скупчені галактики; а в просторах — дірках — їх майже немає.

Галактикою називають скупчення зірок, що має певну структуру та обертається навколо загального центра. Однією з галактик є Галактика Чумацького Шляху.

Дискретними елементами галактик є космічні тіла, насамперед зірки. У комплексі вони утворюють зоряні системи різного рангу. Кожна галактика характеризується локалізацією просторового положення (тобто вона відділена значними відстанями від таких самих галактик), спільністю руху (звичайно обертання навколо загального центра), морфологією скупчення (спіральні, еліптичні тощо) та місцем у ієрархії, тобто відносно однопорядкових великих скупчень. Низка галактик утворює скупчення галактик — Метагалактику.

Наша Галактика Чумацького Шляху складається з 1011 зір, об’єднаних в еліптичну систему, яка містить, поряд із зірками, також міжзоряне середовище: магнітні поля, частинки високих енергій. Галактика належить до спіральних систем, що мають площину симетрії (площина диска) та вісь симетрії (обертання).

У галактичній площині розташовані специфічні утворення ‑ галактичні рукави, що мають вигляд спіралей. У цих рукавах скупчена переважна частина гарячих зірок високого ступеня світіння.

Сонце розташоване майже в площині галактичного диска на відстані однієї третини радіуса Галактики від її центра та належить до рукава Оріона.

Більшість зірок Галактики входять до складу подвійних зір та кратних зоряних систем, а також розсіяних та кульових зоряних скупчень.

Розсіяні зоряні скупчення достатньо рівномірно розподілені вздовж радіуса галактичного диска, але явно прагнуть до його площини, тому в міру наближення до неї їхня кількість зростає. Кожне подібне скупчення охоплює десятки чи сотні зірок; вважають, що таких скупчень є близько 10⁴.

Кульові зоряні скупчення, що охоплюють десятки та сотні тисяч зірок у кожному, слабко концентруються в галактичній площині, але помітно тяжіють до центра Галактики. Вважають, що в Галактиці Чумацького Шляху існує приблизно 500 кульових скупчень (130 відкритих).

Істотна сплющеність диска Галактики, що її спостерігаємо візуально, свідчить про високу швидкість її обертання навколо осі, що відбувається з різною кутовою швидкістю залежно від радіуса обертання. Вважають, що лінійна швидкість об’єктів Галактики при обертанні є сталою (близько 220...250 км/с).

Період обертання Сонця навколо центра Галактики становить 240...250 млн років і називається галактичним роком. Галактичний рік — важлива складова геохронологічної шкали (вона відповідає геологічній ері). Можливо, тривалість галактичного року є чинником тектонічної ритмічності і глобальних процесів, визначаючи основні епохи орогенезу, тобто утворення планетарних складчастих гірських споруд каледонського, герцинського, тихоокеанського та альпійського етапів.