Размер Вселенной
Размеры Вселенной для нас непостижимо велики. Все, что нас окружает, да и мы сами – это лишь крупинки этого всеобъемлющего понятия. Да и само оно имеет не сколько астрономический, сколько философский подтекст.
К философской части вселенной относится весь существующий в природе материальный мир, который не имеет границ во времени и пространстве. Он представлен разными формами и состояниями, принимаемыми материей в результате своего развития.
Астрономической частью вселенной ученые считают все, что существует: пространство, материя, время, энергия. В нее так же входят планеты, звезды, другие все возможные космические тела. Размер Вселенной ученые могут осознать лишь частично. Да и подобрать ей точное и емкое определение исследователи не могут. Возможно, она эквивалентна Богу или иным проявлениям Высшего Разума.
Масштабы Вселенной
Чтобы хотя бы немного приблизиться к ответу на вопрос, каковы размеры Вселенной, необходимо оценить масштабы отдельных ее частей. Для человека обогнуть земной шар задача сложная, но вполне выполнимая. А теперь представьте, что наша планета по сравнению с Сатурном, как монетка в сравнении с баскетбольным мячом. А по отношению к Солнцу Земля вообще выглядит как маленькое зернышко.
Вся Солнечная система также не обладает значительной протяженностью в масштабе Вселенной. Если рассматривать пределом системы границу гелиосферы, ее протяженность составляет около 120 астрономических единиц. При этом за одну а.е. принимают расстояние, равное
150 млрд. км. А теперь представьте, что диаметр всей галактики Млечный путь, частью которой является Солнце с окружающими его планетами, равен 1 квинтиллиону километров. Это число в 18 нулями. А само скопление разных небесных тел содержит, по разным подсчетам, от 2*10 11 до 4*10 11 звезд, большинство из которых превосходят по размерам наше небесное светило.
И ведь Млечный путь – не единственная галактика во всем космическом пространстве. На звездном небе Земли невооруженным глазом можно рассмотреть соседние звездные скопления: Андромеду, Большое и Малое Магеллановы облака. Расстояния до них измеряется в мегапарсеках — в миллионах световых лет. И каждая из них также простирается на немыслимые для человеческого разума расстояния.
Все скопления звезд группируются в крупномасштабные объединения – группы галактик. К примеру, Млечный путь и соседние формирования входят в Местную группу диаметром около 1 мегапарсека. Представьте, для того, чтобы лучу света пройти ее из одного конца в другой, понадобится 3,2 млн. лет.
Но и эта величина не является самой большой. Группы галактик, в свою очередь, объединены в сверхскопления или суперкластер. Эти крупномасштабные вселенские структуры содержат сотни и тысячи галактических групп и миллионы звездных формирований. Так, в Суперкластере Девы, куда входит Млечный путь, расположено более 100 групп галактик. Протяженность этой структуры составляет более 200 млн. световых лет и эта лишь часть гигантского формирования Ланиакея.
Центр тяжести Ланиакеи – сверхскопление Великий аттрактор, притягивает к себе все остальные структуры этой части космического пространства. Его можно смело назвать центром Вселенной, с оговоркой, что это лишь сердцевина познанного нами космоса. Вся же Ланиакея имеет диаметр более 500 млн. световых лет. И, чтобы в окончательно осознали масштабы Вселенной, представьте, что это гигантское образование – всего лишь та малая часть космоса, которую смог обозреть и представить человек.
Видимая Вселенная и ее размеры
Видимая, или Наблюдаемая Вселенная – очень сложное понятие. По теории советского геофизика Фридмана, все космическое пространство находится сейчас в стадии расширения. При этом все его элементы отдаляются друг от друга со сверхсветовой скоростью. Относительно Земли, видимая часть вселенских просторов – это та область безграничного пространства, откуда до нас может поступать излучение. При этом сам объект, испускающий сигнал, уже мог приобрести сверхсветовую скорость удаления от нашей галактики, но излучение от него мы все еще регистрируем.
Каковы размеры Видимой Вселенной? Границей наблюдаемой части космоса является космологический горизонт. Все вселенские структуры, находящиеся за пределами этой области, испускают излучение, которое не доходит до Солнечной системы. Однако точные размеры видимой части Вселенной установить очень трудно из-за ее постоянно ускоряющегося расширения.
Если принять нашу звездную систему за центр наблюдаемой части космоса, а поверхность последнего рассеяния реликтового излучения за космологический горизонт, то вся эта сфера в диаметре будет составлять 93 млрд. световых лет. Ее составной структурой является Метагалактика — область космического пространства, доступная для изучения современными астрономическими приборами. Метагалактика однородна и изотропна, а исследователи до сих пор спорят, является ли она всей Вселенной или только ее маленькой частицей. Ее протяженность постоянно меняется из-за совершенствования технологий, использующихся астрономами.
Что такое космос и каковы его размеры
Рассказывая про размеры Вселенной, нельзя не упомянуть про понятие «космос». Под этим термином понимают часть вселенских просторов, заполненную пустотой, лежащую за пределами атмосфер и оболочек небесных тел. Космос не пустой или полый. Он заполнен межзвездным веществом, состоящим из молекул водорода, кислорода, а также ионизирующего и электромагнитного излучения. Кроме того, присутствует темная материя, о которой уже несколько веков спорят ученые. Многие из них выдвигают гипотезу о том, что эта скрытая масса — связующее звено космического пространства.
Современные астрономы, принимая за точку отсчета нашу планету, различают:
- Ближний космос. Для человека он начинается на высоте порядка 19 километров. Это линия Армстронга, где происходит закипание воды при температуре человеческого тела. У человека, находящегося на этой высоте без скафандра, начинает закипать слюна и слезы. Высота всего в 100 километров считается международным официальным рубежом, после которого начинается космическое пространство.
- Околоземный космос – считается таковым до высоты около 260 тысяч километров. Это высота, до которой сила притяжения Земли превосходит притяжение Солнца. В диапазоне этих высот совершают орбитальные полеты наши космонавты и летают различные спутники.
- Межпланетная область. На этих высотах, а точнее удалениях от Земли совершает свой полет вокруг нашей планеты ее естественный спутник –Луна. На эти расстояния летали только автоматические космические станции и астронавты НАСА при высадке на Луну в 1970 году.
- Межзвездное пространство – удаление от Земли меряется уже в миллиардах километров.
- Межгалактическое пространство, где величины удаления составляют около 5 квинтиллионов километров. Все это ничтожно учитывая размер мироздания.
Насколько огромен мир?
После всего прочитанного стоит задуматься, насколько огромен мир, в котором мы живем. Люди всего лишь микробы по сравнению только с нашей Солнечной системой, не говоря уже о галактиках и космосе. При этом размер Вселенной не мыслим. И вряд ли мы сможем когда-нибудь познать его.
Источник
11 класс
§ 78. Пространственно-временные масштабы наблюдаемой Вселенной
Расстояния до галактик.
Одной из важнейших задач астрономии, в том числе внегалактической, является определение расстояний до различных космических объектов. Это необходимо для исследования других характеристик объектов. В частности, как было показано в предыдущем параграфе, это позволяет определять физические размеры и массы галактик.
Одним из методов, позволивших измерить расстояния до галактик, было использование цефеид. Известно, что их период пульсаций связан со светимостью звезды. Сравнивая светимость и видимую яркость объекта, можно определить расстояние до него. Расстояние до видимой невооружённым глазом Туманности Андромеды составляет примерно 0,7 Мпк (2,5 млн св. лет). Большое и Малое Магеллановы Облака находятся от нас ещё ближе: 50 и 60 кпк (160 и 200 000 св. лет) соответственно.
Млечный Путь, Туманность Андромеды, галактика Треугольника (М33) и несколько десятков карликов образуют гравитационно-связанную Местную Группу. Кроме групп галактик, во Вселенной встречаются и более крупные скопления галактик, насчитывающие десятки тысяч галактик. Всё скопление при этом является гравитационно-связанным, т. е. галактики в нём движутся по замкнутым орбитам. Массы скоплений достигают 10 l5 масс Солнца. На рисунке 12.30 приведён снимок далёкой Вселенной, полученный с помощью космического телескопа им. Хаббла. При этом видно большое количество галактик, расстояния до большинства из них превышают миллиард световых лет.
Современными средствами удаётся наблюдать цефеиды на расстоянии до 20 Мпк. Расстояния до более далёких галактик определяются другими методами, например с помощью сверхновых типа Іа, для которых известно соотношение между длительностью свечения и светимостью. Сверхновые гораздо ярче цефеид, поэтому они заметны на расстояниях более 1000 Мпк. Однако метод сверхновых опирается на расстояния, измеренные по цефеидам. Для того чтобы использовать соотношение между длительностью свечения и светимостью сверхновых, необходимо измерить светимости нескольких сверхновых. Сделать это возможно, только зная расстояния до них. Наблюдение сверхновых в близких галактиках, до которых можно измерить расстояния по цефеидам, позволило пересчитать видимую яркость этих сверхновых в их светимость.
Закон Хаббла.
В спектрах удалённых галактик, находящихся за пределами Местной Группы, имеется важная особенность: все их спектральные линии смещены в красную сторону (в сторону больших длин волн) на величину ∆λ:
где λ — длина волны спектральной линии в лаборатории на Земле; λн — наблюдаемая длина волны линии от галактики, z — красное смещение, различное для каждой галактики. Если интерпретировать красное смещение как результат движения галактик, то
z = υ / с (1)
где υ — скорость галактики; с — скорость света.
В начале XX в. Хаббл измерил расстояния до нескольких галактик с помощью цефеид и обнаружил, что красное смещение галактик примерно пропорционально расстоянию до них:
υ = Hr (2)
Чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется и тем больше её красное смещение.
Это утверждение стали называть законом Хаббла.
Источник
Наша галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной.
Наша галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной.
Данная статья написана для подготовки к ЕГЭ по физике, в статье разобраны темы галактик и масштабов Вселенной. Такие задания могут встречаться в вариантах КИМов ЕГЭ по физике базового уровня, итак, перейдём подробнее к рассмотрению данной темы.
Понятие галактики
Галактикой являются большие скопления звёзд, пыли, а также газа. Они находятся друг с другом в соответствии с гравитационными силами. Галактики различают по формам и размеру. В состав галактик входят следующие объекты:
Солнце территориально принадлежит звёздам, находящимся в галактике Млечный путь. Если ночью наблюдать за небом, можно заметить длинную полосу звёзд. Их скопление и назвали галактикой.
При просмотре с применением астрономических инструментов можно рассмотреть овальный шар, он располагает более ста пятидесяти миллиардов звёзд. Наша галактика немыслимого размера, её центром является ядро с большими спиралями, в которых расположены звёзды. Расстояние между ядром Галактики и Солнцем – тридцать тысяч световых лет. Солнечная система располагается по краю с Млечным путём.
Следует учитывать, что звёзды, находящиеся в Галактике попадаются крайне редко. Например, расстояние, находящееся между звёздами в несколько миллионов больше их диаметров. Неверно думать, что звёзды находятся в хаотичном порядке. Расположение звёзд напрямую связано с гравитационными силами. Благодаря им звёзды расположены в определённом месте. Галактиками считаю звёзды и поля гравитации. Также в составе галактике содержатся пыль и газ.
Состав галактики
Рассмотрим конкретный состав галактики:
— Тёмная материя составляет двадцать два процента;
— Тёмная энергия – семьдесят четыре процента;
— Газ составляет три целых шесть десятых процентов;
— Звёзды и прочие объекты занимают лишь нуль целых четыре десятых процента галактики.
Темы, касающиеся галактик, часто встречаются в КИМах ЕГЭ по физике, поэтому рассмотрим её более подробно.
Во Вселенной находятся множество других галактик. Самыми близкими по отношению к нам считают галактики, расположенные в ста пятидесяти тысяч световых лет. На небе их можно увидеть в южном полушарии, они представляют собой небольшие туманные пятна. Их описал Пигафетт во время Магеллановой экспедиции. После это им присвоили название Больших и Малых облаков.
Классификация галактик
Ближайшей галактикой является Туманность Андромеды, её можно разглядеть в бинокль, так как она сравнительно больших размеров. В хорошую погоду можно увидеть даже без бинокля. Галактика похожа на выпуклую спираль. Солнечная система расположена на одном из её рукавов. Всем объектам галактик свойственно кружиться вокруг ядра, называемого центральным в соответствии с силами гравитации. В 1962 году Эдвин Хоббл классифицировал галактики в соответствии с их формой. Он разделил их на:
— Галактики, содержащие перемычку.
Итак, перейдём к рассмотрению спиральных галактик. Они являются галактиками с формой, которая напоминает диск с расположенным в центре ядром. Млечный путь является спиралевидной галактикой. Такие галактики обозначают буквой S, а также другими дополнительными буквами (это могут быть a, b, c). В таких измерениях галактики являются сплющенными и представляют собой линзу. Некоторые спиральные галактики содержат перемычку, она проходит через область, расположенную внутри галактики.
При составлении карты неба астрономы обнаружили большое количество близко расположенных галактик. В большинстве случаев путь галактик проходит через центр другой галактики, за счёт чего газ и облака звёзд поднимаются вверх. Таким образом, они ярко светят, так как в облаках их газа появляются новые звёзды. Эти звёзды находятся в саже, некоторые светят красным цветом, так из-за пыли закат становится более красным.
Интересным зрелищем является слияние галактик. Но несмотря на это, их строение является не до конца изученным. Астрономы рассматривают немногие галактики, находящиеся в промежуточных состояниях. Галактика содержит в себе триллионы звёзд. Эллиптические галактики включают в себя преимущественно старые звёзды. Они располагаются на наклонённых орбитах. При этом, диски спиральных галактик содержат голубые звёзды. Они находятся в спиральных рукавах. Когда рукав проходит газовые облака, начинают формироваться звёзды. В спиральных дисках содержится большое количество газа, в основном это водород. Мало газа содержат эллиптические галактики. Из-за этого в них образуется малое число новых звёзд. Также в дисках нашли материю, являющуюся тёмной. Края спиралей выполняют движение с большой скоростью, из этого следует, что существует определённая форма материи. Она представляет собой экзотические единицы, их очень трудно заметить.
Гало галактикой называют образования, расположенные вокруг галактики.
Основные типы галактик существуют во Вселенной. В 1995 году с помощью телескопа, называемого Хабблом, смотрели за полосой на небе. Наблюдения длились десять дней. С помощью него выявили более далекие галактики. Оба типа галактик и спиралевидные и эллиптические были сформированы много лет назад. Считается, что неправильные и маленькие голубые галактики составляют наибольшее число по сравнению с другими галактиками. Известно, что несколько миллиардов лет назад формирование звёзд происходило в десять раз быстрее, чем сейчас.
При группировании галактики образуют скопление. Наибольшие объекты во Вселенной соединяются воедино с помощью силы тяготения. Такие скопления включают в себя темную материю и горячий газ, которые, в свою очередь, разбрасываются между скоплениями.
Силы тяготения удерживают скопления галактик. Например, звёздам свойственно двигаться по орбитам галактик, а галактикам – по траекториям вокруг скопления.
Горячий газ является межкластерным носителем информации. Практически таким же образом тёмная материя собирается в колодце из скоплений. Скопления представляют в виде свалок в Космосе, так как в них попадаются другие объекты Вселенной.
Рассмотрим галактики неправильного вида. Они делятся на два класса: IO и Im. Большее распространение имеют галактики второго класса. Первый класс представляет собой галактики различной формы.
Следует запомнить, что галактики относятся к определённым группам, которые в свою очередь имеют название кластеров. Например, млечный быть относится к группе кластеров, он содержит в себе примерно сорок галактик, которые уже разведали. В процессе группировки подобные кластеры составляют сверхскопления. В состав кластеров входит более двух тысяч галактик. После обрисовки примерной карты, отображающей размещение галактик, скопления стали определённых форм. Большое количество скоплений окружают пустоты. Неизвестно что находится в центре данных пустот. Для раскрытия этого учёным понадобится большое количество времени.
Таким образом, в разделе астрофизики ЕГЭ по физике тема галактик является одной из часто встречающихся. При подготовке к ЕГЭ по физике рекомендует также изучить справочный материал, так как он поможет более углублённо изучить раздел астрофизики.
Источник