Структурная самоорганизация Вселенной

Начало зарождения крупномасштабных структур

После того, как произошел Большой взрыв, образовавшееся при этом вещество и возникшее электромагнитное поле рассеялись и представляли собой газопылевое облако и электромагнитный фон. Через миллиард лет с момента образования Вселенной стали возникать первые галактики и звезды. Вещество к этому моменту уже охладилось, что позволило возникнуть стабильным флуктуациям плотности, которые постепенно равномерно заполняли космос. В этой сформировавшейся материальной среде возникали и развивались случайные уплотнения вещества.

Проявление силы гравитации внутри этих уплотнений проявлялось гораздо ярче, чем за его пределами. Этим объясняется то, что невзирая на общее расширение Вселенной, вещество в этих уплотнениях замедляется, и плотность постепенно начинает увеличиваться. Продолжая процесс сжатия и расходуя в этот момент энергию на излучение, уплотнившееся вещество в ходе своей эволюции превращается в галактики. Таким образом, началом зарождения крупномасштабных структур, таких как галактики и звезды, стало появление уплотнений вещества.

Рождение и эволюция галактик

Мысль о том, что условием возникновения галактик во Вселенной явилось появление случайных скоплений вещества, выразил Исаак Ньютон. Он утверждал, что в случае, если бы вещество рассеялось по пространству равномерно, оно не собралось б в единую массу, так как собиралось бы частями и в разных областях бесконечного пространства. Эта идея легла в основу современной космогонии.

Вторым условием рождения галактик является присутствие небольших возмущений, флуктуаций, которые ведут к отклонению от изотропности и однородности пространства. Именно флуктуации привели к возникновению более крупных уплотнений вещества.

В результате расчетов, проведенных в середине ХХ века, было доказано, что участки среды с большей плотностью в расширяющейся Вселенной расширяются гораздо медленнее, чем вся Вселенная. Постепенно эти медленно расширяющиеся области отстают в расширении от остальной Вселенной и в конце концов перестают расширяться. Такие изолированные участки имеют большую массу, которая в среднем равна $10^{15}$ массам Солнца. Эти массы в силу действия гравитации начинают анизотропно сжиматься. Изначально объекты имеют кубическую форму, а в процессе сжатия превращаются в пластинку, напоминающую блин. Такие изначально изолированные друг от друга пластинки в скором времени образуют достаточно плотные слои, которые пересекаются, и в результате их взаимодействия создается ячеисто-сетчатая структура. Стенками пустот в такой структуре служат эти самые «блины». Отдельно взятая пластинка представляет из себя сверхскопление галактик, имеет уплощенную форму. Эти сформировавшиеся первичные сгустки продолжают процесс сжимания, и в результате становятся сферически симметричными. Одновременно, внутри себя они делятся на звезды.

Есть предположения, которые объясняют то, почему спиральные галактики встречаются чаще остальных – эллиптических и неправильных. Согласно этому предположению, спиральные галактики формируются в результате соединения протогалактик в скоплениях. Изначально формируется объект, имеющий неправильную форму, затем в течение сотен миллионов лет эти неровности сглаживаются и в результате возникает эллиптическая галактика. В результате вращения эллиптической галактики постепенно может сформироваться дискообразная структура, которая, в свою очередь, постепенно будет приобретать спиральную форму. Это предположение подтверждает наличие галактик переходного типа, которые являются промежуточным между спиральными и эллиптическими галактиками.

Рождение звезд и их эволюция

В результате конденсации космического вещества под действием магнитных, гравитационных и иных сил возникают звезды. В результате влияния сил всемирного тяготения из газового облака образуется протозвезда, имеющая форму шара. Эволюция протозвезды проходит три стадии:

• Обособление и уплотнение космического вещества.
• Сжатие протозвезды. На этом этапе в какой-то момент времени с момента стремительного сжатия внутри протозвезды возрастает давление газа, что способствует замедлению процесса ее сжатия, но температура внутри недостаточна для термоядерной реакции.
• Образование звезды. На данном этапе продолжается процесс сжатия протозвезды, и наблюдается увеличение температуры, что в итоге приводит к термоядерной реакции. Давление вытекающего из звезды газа уравновешивается силой притяжения и в результате шар перестает сжиматься, формируется равновесный объект – звезда.

Звезда является саморегулирующейся системой: если внутри нее увеличивается температура, она расширяется, если температура снижается, звезда сжимается, что приводит к увеличению температуры и ускорению ядерной реакции, и в результате температурный баланс восстанавливается. Процесс эволюции протозвезды в звезду занимает сотни миллиардов лет, что в масштабах космоса является небольшим промежутком времени.

Самые старые звезды находятся в шаровых скоплениях. Источником собственного свечения звезд является термоядерная реакция. С начала термоядерной реакции звезда типа Солнца переходит на главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться главные характеристики звезд, такие как:

• температура
• радиус
• светимость
• химический состав
• масса.

После того, как водород выгорает, в центре звезды образуется гелиевое ядро. Водородные реакции продолжают протекать, ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка, напротив, расширяться, разбухая до огромных размеров, звезда переходит в стадию красного гиганта. Этот момент ознаменует завершающий этап жизни звезды. По подсчетам ученых, с Солнцем это произойдет приблизительно через 8 миллиардов лет. Размеры Солнца при этом увеличатся, возможно, до орбиты Земли, и от планет земной группы останутся только оплавленные камни.