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
Вопрос 51: Наша Галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной. Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов.
Галактика Млечный Путь, называемая также просто Галактика (с заглавной буквы) — гигантская звёздная система, в которой находится Солнечная система, все видимые невооружённым глазом отдельные звёзды, а также огромное количество звёзд, сливающихся вместе и наблюдаемых в виде млечного пути.
Другие галактики: Млечный Путь — одна из многочисленных галактик Вселенной. Является спиральной галактикой с перемычкой типа SBbc по классификации Хаббла, и вместе с галактикой Андромеды (M31) и галактикой Треугольника (М33), а также несколькими меньшими галактиками-спутниками образует Местную группу, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.
Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной:
Астрофизич. наблюдения показывают, что в масштабах, превышающих сотни Мпк (самые крупные скопления галактик имеют размеры 
10-20 Мпк), распределение материи можно считать однородным, а все направления во Вселенной равноправными.
Модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной даёт возможность предположить, что пространственная однородность Вселенной, вызванная экспоненциальным расширением, сглаживающим все неоднородности, простирается на расстояния, намного превышающие размеры охваченной наблюдениями области Вселенной, но всё же на конечные масштабы. На границах этой области однородности, возможно, имеются экзо-тич. образования, предсказываемые теоретич. физикой,- доменные стенки, магнитные монополи и др., а за границей — др. области Вселенной (иногда их наз. «другими вселенными «) с иными свойствами, чем та область, к-рая доступна наблюдениям.
Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов:
Для объяснения природы космических объектов используется:
Эффект Доплера. Спектроскопия. Абсолютно черное тело. Тригонометрия. Закон сохранения момента количества движения. Закон сохранения импульса. Закон уменьшения / увеличения освещённости.
Вопр52.Красное смещение в спектрах галактик. Современные взгляды на строение и эволюцию вселенной
Красное смещение — наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т.е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. В теории относительности доплеровское красное смещение рассматривается как совместный результат движения источника относительно приёмника, и замедления течения времени в движущейся системе отсчёта
Современные взгляды на строение и эволюцию вселенной
Мир, Земля, Космос, Вселенная… Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир. Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами звезд, с незапамятных звезд волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле и зачарованного любующегося торжественной и чудной картиной, по выражению Лермонтова. Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания? Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений. Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Вселенная — это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений в-ва звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную, точнее, тем или иначе её стороны. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама вселенная или “Вселенная как целое” . Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система. В составе которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой. Число звезд в галактике порядка 10^12 (триллиона) и т п
Источник
Пространственный масштаб наблюдаемой вселенной физика
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