Процес еволюції Всесвіту відбувається дуже повільно. Адже Всесвіт у багато разів старше астрономії і взагалі людської культури. Зародження і еволюція життя на землі є лише нікчемним ланкою в еволюції Всесвіту. І все ж дослідження проведені в нашому столітті, відкрили завісу, що закриває від нас далеке минуле.
Сучасні астрономічні спостереження свідчать про те, що початком Всесвіту, приблизно десять мільярдів років тому, був гігантський вогненна куля, розпечений і щільний. Його склад дуже простий. Цей вогненна куля був на стільки розжарений, що складався лише з вільних елементарних частинок, які стрімко рухалися, стикаючись один з одним.
Протягом десяти мільярдів років після "великого вибуху" найпростіше безформне речовина поступово перетворювалося на атоми, молекули, кристали, породи, планети. Народжувалися зірки, системи, що складаються з величезної кількості елементарних частинок з дуже простої організацією. На деяких планетах могли виникнути форми життя.
Всесвіт постійно розширюється. Той момент з якого Всесвіт початку розширяться, прийнято вважати її початком. Тоді почалася перша і повна драматизму ера в історії всесвіту, її називають "великим вибухом" або англійським терміном Big Bang.
Під розширенням Всесвіту мається на увазі такий процес, коли те ж саме кількість елементарних частинок і фотонів займають постійно зростаючий обсяг. Середня щільність Всесвіту в результаті розширення поступово знижується. З цього випливає, що в минулому Щільність Всесвіту була більше, ніж в даний час. Можна припустити, що в далекій давнині (приблизно десять мільярдів років тому) щільність Всесвіту була дуже великою. Крім того високої повинна була бути і температура, настільки високою, що щільність випромінювання перевищувала щільність речовини. Інакше кажучи енергія всіх фотонів що містяться в 1 куб. см була більше суми загальної енергії частинок, що містяться в 1 куб. см. На самому ранньому етапі, в перші миті "великого вибуху" вся матерія була сильно розпеченій і густий сумішшю часток, античастинок і високоенергічних гамма-фотонів. Частинки при зіткненні з відповідними античастинками аннигилировали, але виникають гамма-фотони моментально матеріалізувалися в частинки і античастинки.
Народження сверхгалактік і скупчень галактик
З виникненням атомів водню починається зоряна ера - ера частинок, точніше кажучи, ера протонів і електронів.
Всесвіт вступає в зоряну еру у формі водневого газу з величезною кількістю світлових і ультрафіолетових фотонів. Водневий газ розширювався в різних частинах Всесвіту з різною швидкістю. Неоднаковою була також і його щільність. Він утворював величезні згустки, у багато мільйонів світлових років. Маса таких космічних водневих згустків була в сотні тисяч, а то і в мільйони разів більше, ніж маса нашої теперішньої Галактики. Розширення газу всередині згустків йшло повільніше, ніж розширення розрідженого водню між самими згущені. Пізніше з окремих ділянок за допомогою власного тяжіння утворилися сверхгалактики і скупчення галактик. Отже, найбільші структурні одиниці Всесвіту - сверхгалактики - є результатом нерівномірного розподілу водню, яке відбувалося на ранніх етапах історії Всесвіту.
Колосальні водневі згущення - зародки понад галактик і скупчень галактик - повільно оберталися. Всередині їх утворювалися вихори, схожі на вири. Їх діаметр сягав приблизно ста тисяч світлових років. Ми називаємо ці системи протогалактиками, тобто зародками галактик. Незважаючи на свої неймовірні розміри, вихори протогалактик були всього лише незначною частиною сверхгалактік і за розміром не перевищували одну тисячну сверхгалактики. Сила гравітації утворювала з цих вихорів системи зірок, які ми називаємо галактиками. Деякі з галактик досі нагадують нам гігантське завихрення.
Астрономічні дослідження показують, що швидкість обертання завихрення визначила форму галактики, що народилася з цього вихору. Висловлюючись науковою мовою, швидкість осьового обертання визначає тип майбутньої галактики. З повільно обертаються вихорів виникли еліптичні галактики, в той час як з швидко обертаються народилися сплющені спіральні галактики.
В результаті сили тяжіння дуже повільно обертається вихор стискався в кулю або кілька сплюнути еліпсоїд. Розміри такого правильного гігантського водневого хмари були від декількох десятків до декількох сотень тисяч світлових років. Неважко визначити, які з водневих атомів увійшли до складу народжується еліптичної, точніше кажучи еліпсоїдальної галактики, а які залишилися в космічному просторі поза неї. Якщо енергія зв'язку сил гравітації атома на периферії перевищувала його кінетичну енергію, атом ставав складовою частиною галактики. Ця умова називається критерієм Джинса. З його допомогою можна визначити, в якій мірі залежала маса і величина протогалактики від щільності і температури водневого газу.
Протогалактіка, яка взагалі не оберталася, ставала родоначальницею кульової галактики. Сплющені еліптичні галактики народжувалися з повільно обертаються протогалактік. Через недостатню відцентрової сили переважала сила гравітаційна. Протогалактіка стискалася і щільність водню в ній зростала. Як тільки щільність досягала певного рівня, почали виділятися і стискається згустки водню. Народжувалися протозвезди, які пізніше еволюціонували в зірки. Народження всіх зірок у кульовий або злегка плескатої галактиці відбувалося майже одночасно. Цей процес тривав відносно недовго, приблизно сто мільйонів років. Це означає, що в еліптичних галактиках всі зірки приблизно однакового віку, тобто дуже старі. В еліптичних галактиках весь водень було вичерпано відразу ж на самому початку, приблизно в першу соту існування галактики. Протягом наступних 99 сотих цього періоду зірки вже не могли виникати. Таким чином, в еліптичних галактиках кількість міжзоряного речовини мізерно.
Спіральні галактики, в тому числі і наша, складаються з дуже старої сферичної складової (в цьому вони схожі на еліптичні галактики) і з більш молодий плоскої складової, що знаходиться в спіральних рукавах. Між цими складовими існує кілька перехідних компонентів різного рівня сплюснутости, різного віку і швидкості обертання. Будова спіральних галактик, таким чином, складніше і різноманітніше, ніж будова еліптичних. Спіральні галактики крім цього обертаються значно швидше, ніж галактики еліптичні. Не слід забувати, що вони утворилися з швидко обертаються вихорів сверхгалактики. Тому в створенні спіральних галактик брали участь і гравітаційна і відцентрова сили.
Якби з нашої галактики через сто мільйонів років після її виникнення (цей час формування сферичної складової) вивітрився весь міжзоряний водень, нові зірки не змогли б народжуватися, і наша галактика стала б еліптичної.
Але міжзоряний газ в ті далекі часи не зник, і, таким чином гравітація і обертання могли продовжувати будівництво нашої та інших спіральних галактик. На кожен атом міжзоряного газу діяли дві сили - гравітація, притягає його до центру галактики і відцентрова сила, що виштовхує його у напрямку від осі обертання. В кінцевому підсумку газ стискався у напрямку до галактичної площини. В даний час міжзоряний газ сконцентрований до галактичної площини в дуже тонкий шар. Він зосереджений насамперед у спіральних рукавах і являє собою плоску або проміжну складову, названу зоряним населенням другого типу.
На кожному етапі сплющивания міжзоряного газу в усе більш тоншає диск народжувалися зірки. Тому в нашій галактиці можна знайти, як старі, що виникли приблизно десять мільярдів років тому, так і зірки народжені нещодавно в спіральних рукавах, в так званих асоціаціях і розсіяних скупченнях. Можна сказати, що чим більше сплющена система, в якій народилися зірки, тим вони молодші.
Всесвіт розвивається і в наш час. У спіральних галактиках народжуються і вмирають зірки. Всесвіт продовжує розширюватися.
Газово-пилові комплекси - колиска зірок
Звідки ж беруться в нашій Галактиці молоді і "сверхмолодие" зірки? З давніх-давен, за усталеною традицією, висхідною до гіпотези Канта і Лапласа про походження Сонячної системи, астрономи припускали, що зірки утворюються з розсіяною дифузної газово-пилової середовища. Було тільки одне суворе теоретичну підставу такого переконання - гравітаційна нестійкість спочатку однорідної дифузної середовища. Справа в тому, що в такому середовищі неминучі малі обурення щільності, тобто відхилення від строгої однорідності. в подальшому, однак, якщо маси цих конденсації перевершують деякий межа, під впливом сили всесвітнього тяжіння малі обурення наростатимуть і спочатку однорідне середовище розіб'ється на кілька конденсації. Під дією сили гравітації ці конденсації будуть продовжувати скорочуватися і, як можна вважати, врешті-решт перетворяться на зірки.
Характерне час стиснення хмари до розмірів протозірки можна оцінити по простій формулі механіки, яка описує вільне падіння тіла під впливом деякого прискорення. Так, наприклад, хмара з масою, рівною сонячною, стиснеться за мільйон років.
У процесі тільки що описаної першої стадії конденсації газово-пилової хмари в зірку, яка називається "стадією вільного падіння", звільняється певна кількість гравітаційної енергії. Половина що звільнилася при стисненні хмари енергії має залишити хмара у вигляді інфрачервоного випромінювання, а половина піти на нагрів речовини.
Як тільки стискається хмара стане непрозорим для свого інфрачервоного випромінювання, світність його різко впаде. Воно буде продовжувати стискатися, але вже не за законом вільного падіння, а набагато повільніше. Температура його внутрішніх областей. після того як процес дисоціації молекулярного водню закінчиться, буде неодмінно підвищуватися, так як половина що звільняється при стисненні гравітаційної енергії буде йти на нагрів хмари. Втім, такий об'єкт назвати хмарою вже не можна. Це вже справжнісінька протозвезда.
Таким чином, з простих законів фізики слід очікувати, що може мати місце єдиний і закономірний процес еволюції газово-пилових комплексів спочатку в протозірки, а потім і в зірки. Однак можливість - це ще не є дійсність. Найпершим завданням спостережної астрономії є, по-перше, вивчити реальні хмари міжзоряного середовища і проаналізувати, чи здатні вони стискатися під дією власної гравітації. Для цього треба знати їх розміри, щільність і температуру. По-друге, дуже важливо отримати додаткові аргументи на користь "генетичної близькості хмар і зірок (наприклад, тонкі деталі їх хімічного і навіть ізотопного складу, генетичний зв'язок зірок і хмар і інше). По-третє, дуже важливо отримати з спостережень неспростовні свідоцтва існування найраніших етапів розвитку протозвезд (наприклад, спалахи інфрачервоного випромінювання в кінці стадії вільного падіння). Крім того, тут можуть спостерігатися, і, мабуть, спостерігаються абсолютно несподівані явища. Нарешті, слід дет ально вивчати протозірки. Але для цього насамперед треба вміти відрізняти їх від "нормальних" зірок.
Емпіричним підтвердженням процесу утворення зірок з хмар міжзоряного середовища є те давно відоме обставина, що масивні зірки класів Про і В розподілені в Галактиці не є однорідним, а групуються в окремі обширні скупчення, які пізніше отримали назву "асоціації". Але такі зірки повинні бути молодими об'єктами. Таким чином, сама практика астрономічних спостережень підказувала, що зірки народжуються не поодинці, а як би гніздами, що якісно узгоджується з уявленнями теорії гравітаційної нестійкості. Молоді асоціації зірок (що складаються не тільки з одних гарячих масивних гігантів, а й з інших примітних, свідомо молодих об'єктів) тісно пов'язані з великими газово-пиловими комплексами міжзоряного середовища. Природно вважати, що такий зв'язок має бути генетичної, тобто ці зірки утворюються шляхом конденсації хмар газово-пилової середовища.
Процес народження зірок, як правило, не помітний, тому що приховано від нас пеленою поглинає світло космічного пилу. Тільки радіоастромонія, як можна тепер з великою впевненістю вважати, внесла радикальна зміна в проблему вивчення народження зірок. По-перше, міжзоряне пил не поглинає радіохвилі. По-друге, радіоастрономія відкрила зовсім несподівані явища в газово-пилових комплексах межзвездой середовища, які мають пряме відношення до процесу зореутворення.
І. С. Шкловський. Зірки: їх народження, життя і смерть
П. І. Бакулін. Курс загальної астрономії
Ю. М. Єфремов. У глибини Всесвіту