Астрономия
План урока:
Структура Вселенной и ее размеры
На протяжении многих тысячелетий человечество считало, что Вселенная вечна и неизменна. Данная теория господствовала во всем в мире вплоть до начала ХХ столетия. Колоссальный переворот в науке о космическом пространстве произошел в 20-е годы прошлого века, благодаря таким ученым как Эйнштейн, Фридман и Хаббл. Именно они выдвинули предположения и доказали, что Вселенная – это целая система, которая живет своей жизнью и способна изменяться во времени, то есть расширяться или сжиматься.
В структуре Вселенной выделяют несколько уровней организации, каждый из которых отличается масштабом объектов:
Практически все космические тела в необъятной Вселенной формируют группы. Звезды группируются парами или входят в звездные скопления. В таких скоплениях могут содержаться десятки или даже сотни таких светил. Исключением считается Солнце, так как у него нет «двойника».
- Следующий уровень – галактики. Они бывают неправильной, линзовидной, спиральной и эллиптической формы. Вот только почему существует такая классификация, ученые еще не нашли ответ. В пределах одного галактического пространства есть черные дыры, межзвездный газ, темная материя, двойные звезды, пыль, электромагнитное излучение. Астрономы предполагают, что во Вселенной существуют сотни миллионов галактик.
- Небольшое скопление галактик формируют Местную группу. Данный уровень организации считается одной из самых крупных и устойчивых структур. Все объекты в системе скопления галактик удерживаются гравитационной силой и еще каким-то фактором. Что это за фактор ученые пока не знают, но уверенны, что одной лишь силы гравитации для поддержания стабильности недостаточно. Скопление, в которое входит Млечный путь, Треугольник и Андромеда, включает еще 31 галактическую систему.
Скопление галактик в Персее Источник
- Сверхскопление галактик – в составе такой структуры десятки или даже сотни галактических систем или их скоплений. Гравитационные силы здесь уже не такие сильные, поэтому сверхскопления движутся вместе с расширяющейся Вселенной.
- На последнем уровне во Вселенной находятся ячейки, или пузыри. Их границы образуют сверхскопления галактик. Между этими структурами расположены пустотные области, которые получили название войды. Изучение войд, как и самых отдаленных частей Вселенной, происходит с помощью современных телескопов, одним из которых является телескоп Хаббла. В течение длительного времени, астрономы наблюдают за процессами, происходящими в космосе, изучают скопления и расположение звезд, после чего делаются определенные расчеты, строятся модели Вселенной, звездные карты и т.д.
Все структуры Вселенной являются уникальными и таинственными. Человечество уже гораздо лучше понимает, как устроено космическое пространство. Но с каждым новым открытием у ученых появляются и новые вопросы, ответы на которое порой не так легко найти.
Изучая размеры Вселенной, астрономы могут говорить только о ее видимой части, которую научно называют Метагалактикой. Чем больше сведений и знаний ученые получают о ней, тем больше становятся ее границы, причем они расширяются абсолютно во всех направлениях. Это говорит о сферической форме Вселенной.
Принято считать, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд. лет. Именно столько времени прошло с момента Большого Взрыва. Однако это только предположения, полученные в результате многолетней работы специалистов. Они основаны на наблюдениях и расчетах, но утверждать со 100% уверенностью, что Взрыв действительно был, нельзя. На сегодняшний день теория Большого Взрыва является общепринятой, так как именно она объясняет многие процессы, происходящие в космическом пространстве.Учитывая скорость света, ученые предполагают, что размеры Вселенной составляют также 13,8 млрд. световых лет. Скорей всего эта цифра не совсем точная, так как с момента зарождения пространство Вселенной все время расширяется. Некоторая его часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего многие объекты навсегда останутся вне зоны видимости человека.
Математическая модель Вселенной Источник
Мир галактик
Итак, как уже было отмечено, галактика – это одна из главнейших структур в составе Вселенной. Образование галактических систем является естественным процессом, на который уходит много времени. Все началось с появления протоскоплений – облаков, состоящих из газа и пыли, из которых образуются звездные скопления. Динамические процессы в них способствовали выделению галактических групп. Известно, что галактики могут иметь различные формы. Это объясняется отличием первостепенных условий их формирования.
Абсолютно в каждой галактической системе выделяют два поколения звезд. Первое – гелиево-водородные объекты, в составе которых также содержится незначительное количество тяжелых металлов. Иными словами – это самые старые звезды. К другому поколению относят объекты, обогащенные тяжелыми металлами. Такие звезды формируются из межзвездного газа.
Образование звезд происходит при сжатии галактической системы. Как правило, для данного процесса необходимо 3 млрд. лет. За это время облако газа превращается в звездную систему. В результате гравитационной силы газовое облако сжимается. В тот момент, когда в его центральной части плотность и температура достигают определенных показателей, происходит термоядерный взрыв и появляется новая звезда.
Процесс образования звезды из газопылевого облака Источник
Мир галактик настолько велик, что ученые до сих пор затрудняются ответить, сколько же таких структур существует во Вселенной. Принято считать, что их около 100 млрд., а в пространстве они располагаются неравномерно. Практически 95% из них сливаются в группы, образуя скопления и сверхскопления галактик. В каждом таком скоплении имеется главная эллиптическая или спиралевидная галактика. Ее гравитационные силы настолько мощные, что она притягивает к себе остальных «спутников», тем самым разрушая их поле гравитации.
В космическом пространстве наблюдается постоянное перемещение и взаимодействие галактических систем между собой. Иногда происходит их столкновение и тогда одна галактика поглощает другую, а в космос выбрасывается огромное количество энергии. Бывает, что галактики проходят рядом друг с другом и только слегка меняют свою структуру.
Скопления и сверхскопления галактик
Под скоплением галактик понимают гравитационно-связанную систему, которая считается крупнейшей структурой во Вселенной. Ее размер может достигать от 6 до 60 миллионов световых лет. В составе одного скопления 100-1000 галактик. Интересным является факт, что в одном скоплении, сами галактические системы занимают всего 1%, около 9% — это межгалактический газ, а все остальное приходится на темную материю и энергию. В космосе существует два типа скоплений галактик:
- регулярные – для этого типа характерна правильная сферическая форма. Основную часть составляют линзовидные и эллиптические галактики, имеют яркую центральную часть. Пример скопления – Волос Вероники;
Скопление галактик в Волосах Вероники
- иррегулярные – форма неопределенная, количество галактик в составе гораздо меньше, чем у регулярного типа. Пример – скопление Девы.
Скопление галактик в Деве
Сверхскопления – структура, в состав которой входят скопления галактик и несколько отдельных галактических систем. Как правило, в одном сверхскоплении их насчитывается от 2 до 20, располагаются они в галактических нитях, или же в узлах их пересечения.
Размеры сверхскоплений галактик во Вселенной достигают сотен млн. световых лет. Это настолько много, что объекты не способны удерживаться между собой гравитационными силами. Самые известные сверхскопления:
- Стена Скульптора – находится недалеко от Млечного Пути. Его длина 300 млн. световых лет, ширина – 210 млн. световых лет;
- Девы – Местное сверхскопление галактик, в состав которого входит Млечный путь;
- Шепли – это одно из самых больших сверхскоплений во Вселенной. Его масса в 10 тыс. раз больше массы Млечного пути.
Квазары
В масштабах всей Вселенной квазары являются самыми интересными и таинственными объектами. Их яркое сияние способно затмить целые галактические системы. Само слово «квазар» переводится как «радиоисточник, похожий на звезду». Астрономы предполагают, что квазары – это активные ядра галактики. Такие виды галактических систем не входят в традиционную классификацию.
По другой версии, квазары представляют собой огромные черные дыры, которые активно поглощают все, что находится в округе. По мере приближения к ним вещества, его скорость растет, а само вещество разогревается. Магнитное поле черной дыры собирает мельчайшие частички в пучки, которые в дальнейшем разлетается от ее полюсов. Третья версия гласит, что квазары – это начальная стадия жизни галактики, то есть человечество видит их фактическое формирование. Какая из этих теорий является максимально правдивой никому не известно, но каждая из них имеет право на существование.
Мощность излучения квазара просто огромна. Она в сотни раз превышает мощность излучения всех звезд в одной галактике. Сложно представить, что объект отдален от человека на несколько миллиардов световых лет, но при этом его можно увидеть в обычный телескоп. За одну единицу времени квазар производи в 10 триллионов раз больше энергии, чем Солнце. А его размер можно сравнить с размером Солнечной системы.
Расстояние до квазаров исчисляются миллиардами световых лет. Для них характерно красное смещение, то есть эти объекты удаляются от Земли. Причем скорость этого удаления достигает фантастических показателей. Ученые предполагают, что скорость квазара 3С196- 200 тыс. км/с (это 2/3 скорости света), а расстояние с ним составляет 12 млрд. световых лет. Для сравнения максимальная скорость движения галактических систем всего несколько десятков тыс. км/с.
Еще одна интересная особенность квазаров – их переменность. Они постоянно меняют свою светимость, что совершенно нехарактерно для галактик. Был зафиксирован случай, когда блеск объекта за один час сменился 25 раз. Исходя из последних наблюдений, выяснилось, что многие квазары находятся около центров огромных эллиптических галактик.
Самый первый квазар был открыт в 1960 г благодаря Мэтью Сэндиджу. Он получил название 3с273. В современном мире квазары во Вселенной определяют по красному смещению их спектра. Если обнаружено такое смещение и при этом объект выделяет огромное количество энергии, его смело начинают именовать квазаром. Сейчас в космическом пространстве их обнаружено около 2-х тысяч. Эти космические объекты изучаются с помощью телескопа Хаббла. Расстояние между Землей и ближайшим квазаром составляет 800 млн. световых лет.
Вид квазара в телескопе Источник
Понятие темной энергии
В астрономии понятие темное энергии включает в себя энергию (существующую в теории), которая была введена в математическую модель Вселенной, чтобы объяснить ее расширение с ускорением. Ученые предполагают, что эта энергия не способна собираться в сгустки (в отличие от темной материи), а равномерно распределяется по всем просторам Вселенной. Темная энергия присутствует в галактиках, в галактических скоплениях, а также за их пределами. Интересным является тот факт, что она действует против гравитационных сил, то есть испытывает антигравитацию.
С помощью современных астрономических технологий ученые способны не только измерить скорость расширения Вселенной, но и проанализировать, как этот процесс изменялся со временем. Дело в том, что ускорение расширения Вселенной только растет, что позволяет говорить об антигравитационных силах. Если бы в космическом пространстве гравитация была стандартной, то со временем отдаление галактик друг от друга замедлялось бы.
Астрономы предполагают, что темной энергией может выступать вакуум. Его плотность не изменяется во время расширения Вселенной, что может означать его отрицательное давление. Также есть мнение, что темная энергия – это сверхслабое поле, которое пронизывает все пространство Вселенной, научно его называют «квинтэссенция».
К сожалению, на сегодняшний день не существует возможности в земных условиях экспериментально исследовать темную энергию. Но это не означает, что в будущем человечество не сможет объяснить природу данного явления или выяснить другие причины, способствующие такому быстрому ускорению расширения Вселенной.
Источник
Видимая Вселенная
Портал Kvant.Space – это информационный ресурс, на котором Вы сможете получить много полезных и интересных знаний, связанных с Космосом. В первую очередь речь пойдет о нашей и других Вселенных, о небесных телах, черных дырах и явлениях в недрах космического пространства.
Совокупность всего существующего, материи, отдельных частиц и пространства между этими частицами называют Вселенной. По представлениям ученых и астрологов, возраст Вселенной составляет примерно 14 миллиардов лет. По размерам видимая часть Вселенной занимает около 14 млрд световых лет. А некоторые утверждают, что Вселенная простирается на 90 миллиардов световых лет. Для большего удобства в подсчетах подобных расстояний принято применять величину парсек. Один парсек равен 3,2616 световых лет, то есть парсек – это расстояние, по которому средний радиус орбиты Земли просматривается под углом одной угловой секунды.
Вооружившись данными показателями, можно подсчитать космическое расстояние от одного объекта к другому. К примеру, расстояние от нашей планеты до Луны составляет 300000 км, или 1 световая секунда. Следовательно, до Солнца это расстояние увеличивается до 8,31 световых минут.
Всю свою историю люди пытались разгадать загадки, связанные с Космосом и Вселенной. В статьях портала Kvant.Space Вы сможете узнать не только о Вселенной, но и о современных научных подходах к ее изучению. Весь материал опирается на самые передовые теории и факты.
Следует заметить, что во Вселенную входит большое число известных людям различных объектов. Самые широко известные среди них – это планеты, звезды, спутники, черные дыры, астероиды и кометы. О планетах на данный момент понятно больше всего, поскольку на одной из них мы живем. У некоторых планет есть собственные спутники. Так, у Земли есть свой спутник – Луна. Помимо нашей планеты, есть еще 8, которые вращаются вокруг Солнца.
В Космосе много звезд, но каждая из них не похожа друг на друга. Они имеют разные температуры, размеры и яркость. Поскольку все звезды разнятся, их классифицируют следующим образом:
Самое плотное известное нам вещество – это свинец. В некоторых планетах плотность их же вещества может в тысячи раз превосходить плотность свинца, что ставит перед учеными много вопросов.
Все планеты вращаются вокруг Солнца, но оно также не стоит на месте. Звезды могут собираться в скопления, которые, в свою очередь, также вращаются вокруг пока не известного нам центра. Эти скопления называются галактиками. Наша галактика называется Млечный путь. Все проведенные исследования на данный момент говорят, что большая часть материи, которую создают галактики, пока что для человека невидима. Из-за этого ее назвали темной материей.
Самыми интересными считаются центры галактик. Некоторые астрономы считают, что возможным центром галактики является Черная дыра. Это уникальное явление, образовавшееся в результате эволюции звезды. Но пока все это лишь теории. Проведение экспериментов или исследование подобных явлений пока что невозможно.
Помимо галактик, во Вселенной присутствуют туманности (состоящие из газа, пыли и плазмы межзвездные облака), реликтовое излучение, которые пронизывают все пространство Вселенной, и многие другие малоизвестные и даже неизвестные вообще объекты.
Кругооборот эфира Вселенной
Симметрия и равновесие материальных явлений – это главный принцип структурной организации и взаимодействия в природе. Причем во всех формах: звездной плазмы и вещества, мирового и высвобожденного эфиров. Вся суть таких явлений состоит в их взаимодействиях и превращениях, большинство из которых представлены невидимым эфиром. Его еще именуют реликтовым излучением. Это микроволновое космическое фоновое излучение, имеющее температуру 2,7 К. Бытует мнение, что именно этот колеблющийся эфир и является первоосновой для всего наполняющего Вселенную. Анизотропия распределения эфира связана с направлениями и интенсивностью его перемещения в разных областях невидимого и видимого пространства. Вся трудность изучения и исследования вполне сопоставима с трудностями изучения турбулентных процессов в газах, плазмах и жидкостях материй.
Почему многие ученые считают, что Вселенная многомерная?
После проведения экспериментов в лабораториях и в самом Космосе были получены данные, из которых можно предположить, что мы живем во Вселенной, в которой размещение любого объекта можно охарактеризовать временем и тремя пространственными координатами. Из-за этого возникает предположение, что Вселенная четырехмерная. Однако некоторые ученые, разрабатывая теории элементарных частиц и квантовой гравитации, возможно, придут к мнению, что существование большого количества измерений просто необходимо. Некоторые модели Вселенной не исключают такого их количества, как 11 измерений.
Следует учесть, что существование многомерной Вселенной возможно при высокоэнергетических явлениях – черные дыры, большой взрыв, барстеры. По крайней мере, это одна из идей ведущих космологов.
Модель расширяющейся Вселенной базируется на общей теории относительности. Ее предложили для адекватного объяснения структуры красного смещения. Расширение началось в одно время с Большим взрывом. Ее состояние иллюстрирует поверхность надутого резинового шарика, на который нанесли точки – внегалактические объекты. Когда такой шарик надувается, все его точки удаляются друг от друга независимо от положения. По теории Вселенная может либо расширяться бесконечно, либо сжаться.
Барионная асимметрия Вселенной
Наблюдаемое во Вселенной значительное увеличение количества элементарных частиц над всем числом античастиц называется барионной асимметрией. К барионам относят нейтроны, протоны и еще некоторые короткоживущие элементарные частицы. Данная диспропорция получилась в эру аннигиляции, а именно через три секунды после Большого взрыва. До этого момента количество барионов и антибарионов соответствовало друг другу. Во время массовой аннигиляции элементарных античастиц и частиц большая их часть объединилась в пары и исчезла, тем самым породив электромагнитное излучение.
Возраст Вселенной на портале Kvant.Space
Ученые современности считают, что нашей Вселенной примерно 16 миллиардов лет. По подсчетам минимальный возраст может быть 12-15 миллиардов лет. Минимум отталкивается от самых старых в нашей Галактике звезд. Реальный ее возраст определить можно, только лишь при помощи закона Хаббла, но реальный не значит точный.
Горизонт видимости
Сфера с равным расстоянию радиусом, которое свет проходит за все время существования Вселенной, называется его горизонтом видимости. Существование горизонта прямо пропорционально связано с расширением и сжатием Вселенной. Согласно космологической модели Фридмана, расширяться Вселенная начала от сингулярного расстояния примерно 15-20 миллиардов лет назад. За все время свет проходит в расширяющейся Вселенной остаточное расстояние, а именно 109 световых лет. Из-за этого каждый наблюдатель момента t0 после начала процесса расширения может обозревать лишь небольшую часть, ограниченную сферой, имеющую именно в этот момент радиус I. Те тела и объекты, которые в этот момент находятся за этой границей, в принципе, не наблюдаемы. Отбиваемый от них свет попросту не успевает добраться до наблюдателя. Это невозможно, даже если свет вышел в момент начала процесса расширения.
Из-за поглощения и рассеивания в ранней Вселенной, с учетом большой плотности, фотоны не могли распространяться в свободном направлении. Поэтому наблюдатель способен зафиксировать только то излучение, которое появилось в эпоху прозрачной для излучения Вселенной. Данная эпоха определяется временем т»300 000 лет, плотностью вещества r»10-20 г/см3 и моментом рекомбинации водорода. Из всего вышесказанного следует, что чем ближе в галактике находится источник, тем большим для него будет значение красного смещения.
Большой взрыв
Момент возникновения Вселенной называют Большим взрывом. Данная концепция стоит на том, что изначально была точка (точка сингулярности), в которой присутствовала вся энергия и все вещество. Основой характеристики принято считать большую плотность материи. Что было до этой сингулярности – неизвестно.
Относительно событий и условий, которые происходили к наступлению момента 5*10-44 секунды (момент окончания 1-го кванта времени), никакой точной информации нет. В физическом отношении той эры можно лишь предположить, что тогда температура составляла примерно 1,3*1032 градуса с плотностью материи примерно 1096 кг/м 3 . Эти значения предельны для применения существующих идей. Они появляются благодаря соотношению гравитационной постоянной, скорости света, постоянных Больцмана и Планка и именуются как «планковские».
Те события, которые связаны с 5*10-44 по 10-36 секунды, отражают модель «инфляционной Вселенной». Момент 10-36 секунды относят к модели «горячей Вселенной».
В период с 1-3 по 100-120 секунд образовались ядра гелия и небольшое количество ядер остальных легких химических элементов. С этого момента в газе начало устанавливаться соотношение – водорода 78%, гелия 22%. До одного миллиона лет температура во Вселенной начала понижаться до 3000-45000 К, началась эра рекомбинации. Прежде свободные электроны начали объединяться с легкими протонами и атомными ядрами. Начали появляться атомы гелия, водорода и малое количество атомов лития. Стало прозрачным вещество, а излучение, которое наблюдается до сих пор, отсоединилось от него.
Следующий миллиард лет существования Вселенной отметился понижением температуры от 3000-45000 К до показателя в 300 К. Этот период для Вселенной ученые назвали «Темным возрастом» из-за того, что еще не появилось никаких источников электромагнитного излучения. В этот же период неоднородности смеси первоначальных газов уплотнялись благодаря воздействию гравитационных сил. Смоделировав на компьютере эти процессы, астрономы увидели, что это необратимо приводило к появлению звезд-гигантов, превышающих массу Солнца в миллионы раз. По причине такой большой массы эти звезды нагревались до немыслимо высоких температур и эволюционировали за период десятков миллионов лет, после чего они взрывались как сверхновые. Нагреваясь до больших температур, поверхности таких звезд создавали сильные потоки ультрафиолетового излучения. Таким образом, наступил период переионизации. Плазма, которая образовалась в результате таких явлений, начинала сильно рассеивать электромагнитное излучение в его спектральных коротковолновых диапазонах. В некотором смысле Вселенная начала погружаться в густой туман.
Эти огромные звезды стали первыми во Вселенной источниками химических элементов, которые намного тяжелее за литий. Начали формироваться космические объекты 2-го поколения, в которых содержались ядра этих атомов. Эти звезды начали создаваться из смесей тяжелых атомов. Произошла повторного типа рекомбинация большей части атомов межгалактического и межзвездного газов, что, в свою очередь, привело к новой прозрачности пространства для электромагнитного излучения. Вселенная стала именно такой, которую мы можем наблюдать сейчас.
Наблюдаемая структура Вселенной на портале Kvant.Space
Наблюдаемая часть пространственно неоднородна. Большинство скоплений галактик и отдельных галактик формируют ее ячеистую или сотовую структуру. Они конструируют стенки ячеек, которые имеют толщину в пару мегапарсек. Эти ячейки называют «войдами». Они характеризуются большим размером, в десятки мегапарсек, и при этом в них нет вещества с электромагнитным излучением. На долю «войд» припадает около 50% всего объема Вселенной.
Источник