ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.01.2020
Просмотров: 2120
Скачиваний: 5
4. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕГАМИРЕ
4.1 Происхождение и общие представления о Вселенной
Небо как объект познания привлекало человека с древнейших времен, поэтому астрономию можно считать первой наукой о природе.
Астрономия (от греч. astron – звезда и nomos – закон) - наука о движении, строении и развитии небесных тел и их систем, вплоть до Вселенной в целом.
Космология – раздел астрономии, в котором изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части.
Вселенная — весь материальный мир, безграничный в пространстве, развивающийся во времени, окружающий нас и познаваемый нами. Ту часть Вселенной, которая доступна для наблюдения называют Метагалактикой. Границы Метагалактики все время расширяются
Космос (от греч. kosmos — вселенная, мир) — синоним астрономического определения Вселенной. Выделяют ближний космос — межпланетную и околоземную среду, исследуемую при помощи космических летательных аппаратов, а также дальний космос — мир звезд и галактик.
4.1.1 Происхождение Вселенной
Современные космологи оценивают возраст Вселенной в интервале 12-20 млрд. лет. В 40-е годы ХХ века для объяснения происхождения Вселенной физиком Г.Гамовым была предложена гипотеза Большого взрыва (по англ. — Big Bang). Гипотезу Большого взрыва называют также моделью горячей Вселенной или стандартной моделью. Согласно этой гипотезе, Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности. Материя была сконцентрирована в необычайно малой точке (сингулярной точке) с радиусом 10-12 см, и имела огромную плотность 1093 г/см3 при температуре 1032К. В этом состоянии Вселенная представляла собой микрообъект, по размерам близкий к электрону.
Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого Взрыва и объяснения сингулярности физиком А.Гутом была предложена инфляционная гипотеза. Первоначальное состояние Вселенной – физический вакуум. Это особая форма материи, характеризующаяся высокой активностью. Вакуум «кипит», в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. В процессе порождения и отталкивания виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая приводит к раздуванию «пузырей» - зародышей вселенных. Раздувание, или быстрое расширение, было названо инфляцией. На фазе инфляции (10-43 – 10-34 с) формируются пространственно-временные характеристики Вселенной. Наша Вселенная характеризуется собственными значениями фундаментальных физических констант (см. приложение).
Во время фазы инфляции Вселенная «раздулась» до размера намного большего, чем размер наблюдаемой сейчас Метагалактики. При этом неустойчивый вакуум распадается, а энергия, которая выделилась при его распаде, была использована на мгновенный нагрев Вселенной.
Силы космического отталкивания уменьшались, и во Вселенной начинают действовать силы гравитационного притяжения. Однако, поскольку первоначальный импульс расширения был очень сильным, Вселенная продолжает расширятся и сейчас, однако значительно медленнее.
Эволюция Вселенной происходила поэтапно. Этапы эволюции называют эрами.
Адронная эра: длительность 10-7 с, температура Вселенной 1032 К. Вселенная представляет собой разогретую плазму, материя существует в виде элементарных частиц, между которыми существует сильное взаимодействие.
Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 1015 К. Образуются лептоны (электроны, позитроны и др.)
Эра излучения: длительность 1 млн. лет, температура во Вселенной 103 К. Вещество ионизировано, во Вселенной преобладает излучение. Возникают ядра атомов водорода и гелия.
Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной. В ней образуется первичное вещество, состоящее из водорода (75%) и гелия (25%), возникают протозвезды, протогалактики. Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной главным образом в недрах звезд. Ионизирующее излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться во Вселенной. Эти фотоны, остывшие до 3 К, мы наблюдаем сейчас в виде реликтового излучения.
Реликтовое излучение – слабое радиоизлучение, которое сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально существование этого излучения было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим «красным смещением», реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Космологическое красное смещение связано с расширением пространства.
4.1.2 Общие представления о Вселенной
Вселенная представляет собой упорядоченную систему взаимосвязанных элементов различного порядка. Это: небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.
Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела.
Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезд.
Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет.
Астероиды (малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 до 1 км и обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся большие планеты. В Солнечной системе свыше 100 тыс. астероидов.
Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет имеют маленькие размеры – несколько км. У ярких комет при приближении к Солнцу появляется хвост в виде светящейся полосы, длина которого может достигать десятков миллионов километров.
Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд. звезд, обращающихся вокруг ее центра . Галактика образована звездами и межзвездной средой.
Метагалактика – грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.
Кроме галактик, во Вселенной присутствует реликтовое электромагнитное излучение, небольшое количество очень разреженного межгалактического вещества и неизвестное количество субстанции, которую называют скрытой массой и скрытой энергией.
При изучении объектов космического пространства приходится сталкиваться с весьма большими расстояниями, которые в астрономии принято выражать в специальных единицах.
Астрономическая единица (а.е.) соответствует расстоянию от Земли до Солнца. 1 а.е. = 149,6 млн км. Эта единица применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы. Например, расстояние от Солнца до Плутона – 40 а.е.
Световой год (с.г.) – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, проходит за один год. 1 с. г. = 1013 км; 1 а.е. = 8,3 световой минуты. В световых годах определяют расстояние до звезд и других космических объектов за пределами Солнечной системы.
Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 светового года. 1 пк = 3,3 с.г. Эту единицу используют для измерения расстояний внутри звездных систем и между ними.
Звезды. Самыми распространенными объектами Вселенной являются звезды. Звезды – раскаленные космические объекты, состоящие из ионизированного газа. В недрах звезд протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате которых выделяется огромная энергия. В звездах сосредоточено от 97 до 99,9% вещества галактик. Предполагается, что общее количество звезд во Вселенной около 1022 , из них мы можем наблюдать только 2 млрд.
Звезды имеют разную величину – сверхгиганты, их размеры в сотни раз больше Солнца, и карлики, их размеры даже меньше Земли. Наше Солнце – звезда со средними размерами. Ближайшая к Солнцу Звезда – альфа-Центавра – находится на расстоянии 4 световых лет. Предполагают, что большинство звезд имеют собственные планетные системы, подобные солнечным.
Звезды могут образовывать звездные системы – несколько звезд, вращающихся вокруг общего центра; звездные скопления – сотни – миллионы звезд; галактики – миллиарды звезд.
В зависимости от того, меняет звезда свои характеристики или нет, различают стационарные и нестационарные (переменные) звезды. Стационарность звезды обеспечивается за счет равновесия между давлением газа внутри звезды и силами тяготения. К нестационарным относятся новые и сверхновые звезды, на которых происходят вспышки.
Процессы образования и исчезновения звезд происходит постоянно. Звезды образуются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Гравитационное сжатие разогревает центральную часть молодой звезды и «запускает» термоядерную реакцию синтеза гелия из водорода. Когда ядерная реакция не может поддерживать устойчивость, гелиевое ядро сжимается, а внешняя оболочка расширяется и выбрасывается в космическое пространство. Звезда превращается в красный гигант. При этом цвет звезды меняется с желтого на красный. Например, Солнце превратится в красного гиганта примерно через 8 млрд лет.
Если звезда имеет небольшую массу (менее 1,4 массы Солнца), то в процессе дальнейшего остывания она превращается в белого карлика. Белые карлики представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд, в которых весь водород «выгорает», а ядерные реакции прекращаются. Постепенно звезда превращается в холодное темное тело - черного карлика. Размеры таких мертвых звезд сравнимы с размерами Земли, масса – с массой Солнца, а плотность составляет сотни тонн на один кубический сантиметр.
Если масса звезды больше 1,4 массы Солнца, то такая звезда не может перейти в стационарное состояние, так как внутренне давление не уравновешивает силы тяготения. В результате возникает гравитационный коллапс, т.е. неограниченное падение вещества к центру, который сопровождается взрывом и выбросом огромного количества вещества и энергии. Такой взрыв называют вспышкой сверхновой звезды. Считается, что со времени образования нашей Галактики в ней вспыхнуло около миллиарда сверхновых.
Звезда вспыхивает в виде сверхновой и превращается в черную дыру. Черная дыра (ЧД) — это объект, у которого такое сильное гравитационное поле, что он ничего (в том числе и излучение) от себя не отпускает. Внутри черной дыры пространство сильно искривлено, а время бесконечно замедленно. Для того чтобы преодолеть тяготение черной дыры необходимо развить скорость большую, чем скорость света.
Не смотря на то, что ЧД не выпускает из себя никакого излучения, ее можно обнаружить, так как гравитационное поле вблизи поверхности ЧД излучает частицы разных видов. Предполагается, что ЧД находятся в центрах некоторых галактик. Так в центре нашей галактики находится сильный источник излучения - Стрелец А. Считают, что Стрелец А является черной дырой с массой, равной миллиону солнечных масс.
Появилось предположение, что ЧД могут являться областями перехода от одного пространства к другому пространству, в другую Вселенную, которая отличается от нашей физическими свойствами и имеет другие физические константы.
Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде нейтронной звезды или пульсара. Нейтронные звезды представляют собой сгустки нейтронов. Они быстро остывают, для них характерно интенсивное излучение в виде повторяющихся импульсов.
Звезды, масса которых составляет от 10 до 40 масс Солнца, превращаются в нейтронные звезды, а звезды, чья масса больше – в черные дыры.
Галактики. Галактики – гигантские скопления звезд, пыли и газа. Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений или сверхскоплений (тысячи галактик). Самой исследованной является Местная группа галактик. В нее входит наша галактика (Млечный Путь) и ближайшие к нам галактики (туманность в созвездии Андромеды и Магеллановы Облака).
Галактики отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостям, внешним видом. По внешнему виду галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы. На первоначальной стадии формирования галактики имеют неправильную форму. Из них развиваются спиральные галактики, имеющие ясно выраженную форму вращения. И, наконец, на третьей стадии появляются эллиптические галактики, имеющие сфероидальную форму.
Наша галактика Млечный путь принадлежит к числу спиральных. Это наиболее распространенный тип галактик. Она имеет форму диска с выпуклостью в центре – ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Диск вращается вокруг центра.
Диаметр нашей галактики 100 тыс. световых лет, диаметр ядра 4 тыс. световых лет, общая масса галактики составляет около 150 миллиардов солнечных масс, возраст около 15 млрд. лет.
Пространство между галактиками заполнено межзвездным газом, пылью и излучениями разного рода. Считается, что межзвездный газ состоит на 67% из водорода, на 28% из гелия и 5% приходится на остальные элементы (кислород, углерод, азот и др.).
Метагалактика – это доступная наблюдениям часть Вселенной. Современные возможности наблюдения – это расстояния в 1500 Мпк. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик. Современные астрономические данные свидетельствуют о том, что Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т. е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий – как бы по границам ячеек сетки.
В 1929 г. американским астрономом Эдвином Хабблом был экспериментально установлен факт, что система галактик не является статичной, а расширяется, «разбегается». Это значит, что Вселенная нестационарна, она находиться в состоянии постоянного расширения. На основании этого был сформулирован закон (закон Хаббла): чем дальше Галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они «разбегаются». Это значит, что для любой пары Галактик скорость их удаления друг от друга пропорциональна расстоянию между ними:
,
где
V — скорость разбегания галактик, R — расстояние между галактиками, H - коэффициент пропорциональности, который называется постоянной (параметром) Хаббла. Современное среднее значение постоянной Хаббла составляет Н = 74,2 ± 3,6 км/с на один Мпк (мегапарсек). Оценка величины постоянной Хаббла позволяет оценить возраст Вселенной (Метагалактики).
Представление о нестационарности Вселенной было впервые введено А. А. Фридманом еще до экспериментального доказательства явления "разбегания" галактик. Расстояния до галактик измеряются миллионами и миллиардами световых лет. Это значит, что мы видим их не такими, какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад. По существу, мы видим прошлые эпохи Вселенной.