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
Размеры Вселенной в световых годах масштаб 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*1011 до 4*1011 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
Пространственные масштабы вселенной определяется
Космология – учение о Вселенной в целом, основанное на результатах исследований, доступных для астрономических наблюдений.
Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Вселенная безгранична, но не бесконечна.
Метагалактика – часть Вселенной, доступная для астрономических наблюдений (т.е. те галактики, скорость «убегания» от нас которых меньше скорости света)
Вселенная существует около 15 млрд лет.
Существующие знания о Вселенной основаны на астрономических наблюдениях и на предположении о том, что законы природы, установленные на Земле, могут быть применены ко всей Вселенной.
Систематические целенаправленные наблюдения за Вселенной ведутся с момента появления первых телескопов (1609-1610 годы. Галилей).
Начиная с 1931 года, для изучения Вселенной используют также методы радиолокации – по отраженному радиосигналу определяют положение и скорость движения космического объекта.
Строение и масштабы Вселенной
Наиболее распространённым типом небесных тел являются звезды.
Невооружённым глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3 тыс. звёзд.
В настоящее время астрономы определили положения нескольких миллионов звезд и составили их каталоги.
Около 240 звезд имеют собственные имена (Вега, Альтаир, Сириус, Полярная и пр.)
Звезды распределены на небе не равномерно, а отдельными компактными группами – созвездиями. Под созвездиями понимают область неба в пределах некоторых установленных границ. Это сделано для удобства ориентировки на небесной сфере и обозначения звезд. Всё небо разделено на 88 созвездий.
Группы звёзд в созвездиях имеют устойчивую конфигурацию, т.е. взаимное расположение звезд в созвездии не изменяется с течением времени.
Есть три группы созвездий по происхождению их названий:
1. Связанные с древнегреческой мифологией
2. Связанные с предметами, на которые похожи фигуры, образуемые яркими звездами созвездий (Стрела, Треугольник, Весы, Лев, Рак, Скорпион, Большая медведица и др.)
Иногда в созвездии выделяют группу звезд с названием, отличным от названия созвездия – астеризм (например, Ковш в созвездии Малая Медведица).
Гигантские звёздные системы, состоящие из сотен миллиардов звёзд образуют галактику.
Солнечная система и окружающие её звезды составляют ничтожную часть нашей Галактики – Млечный Путь.
Ближайшие соседи нашей Галактики – Туманность Андромеды, Большие Магеллановы облака и Малые Магеллановы облака.
Кроме звёзд в состав галактик входят туманности – газопылевые скопления (межзвёздный газ, состоящий из атомарного водорода, и космическая пыль)
Американский астрофизик Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:
Эллиптические галактики имеют форму сплюснутых сфероидов. Состоят в основном из старых звезд.
Спиральные галактики имеют форму спирали (Млечный Путь, Туманность Андромеды). В рукавах спиральных галактик находятся молодые звезды, идут процессы образования новых звезд.
Галактики неправильной формы (Магеллановы облака). Имеют разнообразную форму.
Млечный Путь относится к типу спиральных галактик, содержит около 150 миллиардов звезд (Солнцу около 4-4,5 млрд лет). 95% массы Галактики расположено около галактической плоскости. Поэтому если смотреть с торца, млечный Путь сосредоточен почти в одной плоскости. Экваториальная плоскость окружена звёздными скоплениями, которые называют «шаровыми скоплениями».
Пространство между галактиками и звездами внутри галактик заполнено очень разреженным веществом: межзвёздным газом, космической пылью, элементарными частицами, а также электромагнитным излучением.
В каждом кубическом сантиметре межзвездноо пространства в среднем находится один атом вещества. Для сравнения, в воздухе при нормальных условиях около 10 19 молекул в 1 см 3 .
При самом высоком вакууме, который может быть получен в лабораторных условиях (порядка 10 -12 мм. рт. ст.) в 1 см 3 содержится сто тысяч молекул.
Расстояния между звездами внутри галактик значительно больше размеров самих звезд.
Расстояния между галактиками сравнимы с размерами самих галактик.
Масштабы Вселенной столь велики, что использовать единицы длины, принятые в СИ, неудобно. Например, размеры нашей Галактики таковы, что луч света, распространяясь со скоростью 300000 км/с проходит расстояние от одного ее края до другого за сто тысяч лет.
В старой научной литературе:
Астрономическая единица (1 а.е.) – средний радиус орбиты Земли при её обращении вокруг Солнца.
1 а.е. = 150 млн км (расстояние от Солнца до Земли)
Наиболее удалённая от Солнца планета, Плутон, отстоит от него на расстоянии 40 а.е. Это размер Солнечной системы.
В популярной литературе:
Световой год – расстояние, которое свет проходит за одни земной год.
1 с.г. = 10000 млрд км = 10 трлн. км.
В современной научной литературе:
Парсек (пк) – параллакс-секунда.
Секунда – единица измерения угла.
Параллакс – видимое изменение положения предмета вследствие перемещения точки наблюдения.
В астрономии различают:
· Вековой параллакс (оборот Солнца относительно ядра галактики)
По параллаксу небесных светил методами тригонометрии определяют расстояние до этих светил.
Парсек – расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну угловую секунду.
1 пк = 206265 а.е. = 3,3 с.г. = 33 мрлн км.
Самая близкая к Солнцу звезда – Проксима Центавра удалена от него на 1,3 пк.
Солнце удалено от центра нашей Галактики на расстояние 8000 пк.
Диаметр Млечного Пути составляет 40000 пк.
Самая близкая звезда в созвездии Андромеды находится на удалении 720000 пк.
Средняя плотность галактик в наблюдаемой части Вселенной – около 8-10 тысяч на один кубический миллион парсеков.
Типичная скорость относительного движения галактик – коло 1000 км/с
Оценочное время вероятного столкновения галактик составляет около 10 13 лет, что больше времени существования Вселенной в 1400 раз.
Пример Редже (итальянский физик; книга «Этюды о Вселенной»).
Пошаговое путешествие во Вселенной.
Следующий шаг больше предыдущего в 10000 раз. Сколько шагов до края Вселенной?
1й шаг – 4 м, потолок; 2й – 40 км, стратосфера; 3й – 400000 км, луна; 4й – 40 млрд км, граница Солнечной системы; 5й – 4,3 с.г., Альфа-Центавра; 6й – 40000 с.л., ядро Галактики; 7й – 400 млн с.л., центр космоса; 8й не получится – 40 млрд с.л. – но Вселенная родилась лишь 15 млрд лет назад.
Источник