Строение вселенной методы изучения

Методы изучения Вселенной

Современная наука значительно расширила возможности по­знания Вселенной, существенно увеличилась и техническая осна­щенность, что позволяет комплексно изучать космическое про­странство.

Изучение метеоритов. Метеориты являются вели­колепным материалом для изучения Вселенной, так как по их составу можно судить об ее веществе. Исследование метеоритов показало, что они состоят из тех же самых элементов, что и Земля. Этот факт служит ярким подтверждением единства материи во Вселенной.

Изучение метеоритов раздвигает границы наших познаний о внутреннем строении Земли, поскольку они являются обломками разных частей космических тел. Метеориты несут весьма ценную» информацию об истории возникновения планет Солнечной системы. По данным ядерной хронологии, их возраст, равный примерно 4,5—4,6 млрд. лет, почти совпадает с возрастом Земли.

Изучение космического пространства с помощью телескопов и радиотелескопов. Мощные телескопы дают возможность фотографировать космиче-

ские тела и отдельные участки неба, в комплексе с различными приборами позволяют определять светимость, температуру, рельеф космических тел и т. п. С помощью телескопов изучают спектры светил, их изменение, а по характеру спектра делают вы­воды о движении космических тел, химическом составе их вещества, типе реакций, протекающих на них. Значительно расширило возможности познания Вселенной применение радиотелескопов.

Изучение космического пространства с помощью искусственных спутников, кос­мических станций и кораблей. Начало этому виду изучения космического пространства было положено 4 ок­тября 1957 г., когда в Советском Союзе впервые в мире на около­земную орбиту был выведен искусственный спутник Земли. 12 ап­реля 1961 г. гражданин Советского Союза Ю. Гагарин первым совершил космический полет вокруг Земли на пилотируемом ко­рабле «Восток». Еще через несколько лет советский космонавт А. Леонов впервые вышел в открытый космос.

В Советском Союзе впервые в мировой практике были успешно осуществлены полет автоматического космического аппарата «Луна-16» на другое небесное тело и возвращение его на Землю. Долгое время на Луне работал автоматический аппарат «Луно­ход-1», который позволил установить общий тип пород, слага­ющих поверхность лунного моря, исследовать характер распро­страненности мелких кратеров и камней. В результате успешной работы автоматической станции «Луна-20» решена задача взятия грунта из труднодоступного материкового района Луны.

С помощью советских автоматических станций получены цен­ные сведения об атмосфере Венеры. Впервые осуществлена мягкая посадка космического аппарата на поверхность Марса, а станции «Марс-2» и «Марс-3» стали искусственными спутниками Марса. За время полета по орбитам они передали большой объем ин­формации о физических особенностях планеты и окружающего ее космического пространства.

Особо ценную информацию дал лунный грунт, доставленный на Землю советскими автоматическими станциями и американ­скими космонавтами. Материал поверхности Луны несет на себе отпечатки как первичных процессов, приведших к образованию материнских горных пород, так и последующих воздействий, многие из которых отсутствуют на поверхности Земли. Однако вследствие своих особенностей Луна во многих отношениях ока­залась «законсервированной» в течение длительного геологиче­ского времени, поэтому можно ожидать, что на Луне найдут отра­жение процессы, сходные с процессами, происходившими на ран­них этапах формирования Земли.

Новой страницей в изучении Космоса и Земли явились бес­примерные исследования советских космонавтов на космических станциях типа «Салют». Фотографирование различных районов нашей страны с помощью многофокусных аппаратов позволило

внести коррективы в тектоническое районирование, наметить перспективные участки для поисков полезных ископаемых, из­учить с помощью снимков характер созревания хлебов, сохран­ность лесонасаждений и т. п. Наши космонавты проводили иссле­дования по выращиванию кристаллов, характеризующихся уни­кальными свойствами; проводили эксперименты по пайке мате­риалов, не поддающихся этому процессу в земных условиях; вели наблюдения за жизнедеятельностью организмов в условиях невесомости; осуществляли с помощью специальных аппаратов астрономические наблюдения и т. п. Стыковка с «Салютом-6» транспортных кораблей, дозаправка его двигателей и своевремен­ная коррекция орбиты позволили создать на орбите прототип космической станции по изучению Космоса.

Гипотеза образования планет Солнечной системы

С давних пор проблема образования Земли и Солнечной си­стемы в целом привлекала к себе внимание выдающихся ученых. Решением ее занимались И. Кант, П. Лаплас, Д. Джине, совет­ские ученые —- академики О. Ю. Шмидт, В. Г. Фесенков, А. П. Ви­ноградов и др. Предложенные ими гипотезы отражали достигну­тый к тому времени уровень знаний, однако окончательного реше­ния этой проблемы не получено до сих пор. В свете современных научных достижений гипотеза образования Солнечной системы сводится к следующему.

В пределах нашей Галактики, вблизи ее экваториальной пло­скости, располагался неоднородный газо-пылевой диск, состо­ящий из медленно вращающихся газо-пылевых облаков. В состав облаков входили преимущественно атомы водорода, за счет уве­личения плотности которых и могло происходить их образование. Плотность атомов водорода в таком облаке достигает 1000 атом/см 3 , что в 10 000 раз превышает их плотность в нормальном межзвезд­ном пространстве Галактики. Наряду с водородом в состав облака могли входить углерод, азот, кислород, микронные пылевидные частицы. Внутри облаков происходит хаотическое, турбулентное движение вещества.

С увеличением размера и плотности облако под действием сил тяготения начинает сжиматься. Гравитационное сжатие почти всей массы первично холодного облака (—220 °С) ведет к уплот­нению его до состояния Протосолнца. В центре последнего стано­вятся возможными термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением в виде взрыва огромного количества энергии и веще­ства. По мнению акад. А. П. Виноградова, из выброшенного около 5,5 млрд. лет назад взрывами вещества вокруг Протосолнца образовалось горячее плазменное облако (протопланетное облако). На первом этапе формирования планет происходило охлаждение протопланетного облака, потеря газов в космическое пространство и конденсация части его вещества в твердые частицы. Первыми конденсировались наиболее тугоплавкие химические элементы: 10

вольфрам, титан, молибден, платина и др., а также их окислы. Таким образом, раскаленное газовое вещество вновь превращалось в холодное газо-пылевое облако. Протопланетное облако с тече­нием времени теряло энергию в результате столкновения «пыли­нок». Происходило его уплощение, движение вещества в нем упорядочивалось, становилось близким к круговому. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который распадался на отдельные холодные кучности вещества — рои твердых частиц газа. Они взаимодействовали друг с другом, смешивались, соударялись, сращивались, подвергаясь косми­ческому облучению. Происходило образование отдельных фаз вещества, главным образом силикатов, железо-никелевого метал­лического сплава, сульфидов и т. п. В результате агломерации этих фаз возникли каменные и другие метеориты. Этот же процесс стяжения холодного вещества протопланетного облака привел к образованию и протопланет Солнечной системы около 5 млрд. лет назад, Сформировавшись как геологическое тело, Протоземля еще не стала планетой. Она являлась холодным скоплением космического вещества, однако именно с этого времени начинается ее догеологическая эволюция.

Под влиянием таких факторов, как удары метеоритных тел, гравитационное уплотнение и выделение тепла радиоактивными элементами, начался разогрев верхних частей Протоземли. Сна­чала плавилось железо, затем силикаты. Это привело к возникно­вению здесь пояса жидкого железа. Вследствие дифференциации вещества более легкий силикатный материал должен был всплыть наверх, а тяжелый металл сконцентрироваться в центре планеты. Вязкие, преимущественно силикатные массы образовали первич­ную мантию Земли, а металлические массы — ее ядро. Так, по-ви­димому, около 4,6 млрд. лет назад сформировалась планета Земля.

Внутренние планеты, расположенные ближе к Солнцу, обра­зовались путем конденсации высокотемпературной фракции, бога­той железом. Чем дальше от Солнца, тем меньше у планет содер­жание металлического материала. Так, Меркурий на 2 /₃ состоит из металлического железа, а Марс — на ‘/₄. В астероидальном кольце формировались преимущественно хондритовые астероиды, в которых возрастало содержание низкотемпературной фракции. И, наконец, главной составной частью внешних планет являются газы, почти целиком состоящие из неразделенного солнечного вещества.

Источник

Строение и эволюция Вселенной

Вселенная — это необъятные просторы, в которых находиться черная материя, триллионы галактик и звездных скоплений. У нее нет границ ни в пространстве, ни во времени. Огромные космические просторы таят в себе много тайн, для разгадки которых важно определить принципы эволюции и строение Вселенной.

Совокупность наблюдаемых галактик всех типов и их скоплений, а также межгалактической среды, образует Вселенную.

Эволюция Вселенной

Самым главным свойством Вселенной является её постоянное расширение. Впервые гипотезу о расширении Вселенной выдвинул Альберт Эйнштейн, однако строгих расчётов им предложено не было.

В 1920 году русский учёный Александр Александрович Фридман занялся анализом десяти сложнейших уравнений теории относительности и пришёл к фундаментальному выводу: ни при каких условиях их решение не может быть единственным. Это означало, что невозможно точно ответить на вопрос о том, какой формой обладает Вселенная, каков её радиус кривизны и вообще, стационарна она или нет.

Но тем не менее Фридманом было получено три возможные модели нестационарной Вселенной: две из них описывали монотонно расширяющуюся Вселенную. А третья модель предполагала периодичность Вселенной, то есть радиус кривизны её пространства сначала возрастает от нуля до некоторого значения, а затем вновь уменьшается до нуля.

Всё это говорило о том, что Вселенная не может находится в стационарном состоянии, она должна расширяться и сжиматься под действием гравитационных сил.

Но почему же Вселенная расширяется?

Ответ на этот вопрос впервые предложили бельгийский священник Жорж Леметр и советско-американский физик Георгий Антонович Гамов. Итак, согласно их теории, Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор непрерывно расширяется, и охлаждается.

До взрыва не было ничего: ни материи, ни пространства, ни времени. Четыре фундаментальных взаимодействия объединены в одно. А сама Вселенная представляла собой некую субстанцию с бесконечно малым объёмом и бесконечно большой плотностью.

Такое состояние материи принято называть сингулярностью.

Этапы формирования Вселенной

Теория Большого взрыва позволила ученым создать точную модель эволюции Мироздания. И сегодня мы неплохо знаем, какие процессы происходили в молодой Вселенной. Исключение составляет лишь самый ранний этап творения, который по-прежнему остается предметом яростных обсуждений и споров.

В настоящее время наукой выделяются следующие этапы после Большого взрыва:

1. Самый ранний из известных нам периодов называется Планковской эрой, он занимает отрезок от 0 до 10-43 секунд. В это время вся материя и энергия Вселенной была собрана в одной точке, а четыре основных взаимодействия были едины;
2. Эпоха Великого объединения (с 10−43 по 10−36 секунд). Она характеризуется появлением кварков и разделением основных видов взаимодействий. Главным событием этого периода считается выделение гравитационной силы. В эту эру начали формироваться законы Вселенной. Сегодня мы имеем возможность для подробного описания физических процессов этой эпохи;
3. Третий этап творения называется Эпохой инфляции (с 10−36 по 10−32). В это время началось стремительное движение Вселенной со скоростью, значительно превосходящей световую. Она становится больше, чем современная видимая Вселенная. Начинается охлаждение. В данный период окончательно разделяются фундаментальные силы мироздания;
4. В период с 10−32по 10−12 секунды появляются «экзотические» частицы типа бозона Хиггса, пространство заполнила кварк-глюонная плазма. Промежуток с 10−12 по 10−6 секунды называется эпохой кварков, с 10−6 по1 секунду – адронов, в 1 секунду после Большого взрыва начинается эра лептонов;
5. Фаза нуклеосинтеза. Она длилась примерно до третьей минуты от начала событий. В этот период во Вселенной из частиц возникают атомы гелия, дейтерия, водорода. Продолжается охлаждение, пространство становится прозрачным для фотонов;
6. Через три минуты после Большого взрыва начинается эра Первичной рекомбинации. В этот период появилось реликтовое излучение, которое астрономы изучают до сих пор;
7. Период 380 тыс. – 550 млн лет называют Темными веками. Вселенная в это время заполнена водородом, гелием, различными видами излучения. Источников света во Вселенной не было;
8. Через 550 млн лет после Сотворения появляются звезды, галактики и прочие чудеса Вселенной. Первые звезды взрываются, освобождая материю для образования планетных систем. Данный период называется Эрой реионизации;
9. В возрасте 800 млн лет во Вселенной начинают образовываться первые звездные системы с планетами. Наступает Эра вещества. Вселенная стала похожа на то, что мы видим сейчас. В этот период формируется и наша родная планета.

Недостатки теории Большого взрыва

Некоторые ученые отмечают в теории Большого взрыва слабые места. Если бы мироздание образовалось мгновенно из одной небольшой точки, то должно было существовать неоднородное распределение вещества, чего мы не наблюдаем. Также данная модель не может объяснить, куда подевалась антиматерия, количество которой в «момент творения» не должно было уступать обычной барионной материи. Однако сейчас число античастиц во Вселенной мизерно. Но самый весомый недостаток данной теории – ее неспособность объяснить феномен Большого взрыва, он просто воспринимается как свершившийся факт. Мы не знаем, как выглядела Вселенная до момента сингулярности.

Предпринимались попытки улучшить существующую теорию Большого взрыва. Например, существует гипотеза о цикличности Вселенной, согласно которой, рождение из сингулярности – не более чем ее переход из одного состояния в другое. Правда, такой подход противоречит второму закону термодинамики.

Существуют и другие гипотезы зарождения и дальнейшей эволюции мироздания. Долгие годы была популярна модель стационарной Вселенной. Ряд ученых придерживались мнения, что в результате квантовых флуктуаций она возникла из вакуума. В их числе был и знаменитый Стивен Хокинг.

Ли Смолин выдвинул теорию о том, что наша, как и другие Вселенные, образовались внутри черных дыр.

Строение Вселенной

Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и неизменной. Эта точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов нашего века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики. Пути могут рождаться и умирать, Галактика все равно остается все той же, как неизменным остается лес, в котором поколение за поколением сменяются деревья.

Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 — 1924 годах работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир — это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определённым законам.

Общие представления о строении Вселенной складывались на протяжении всей истории астрономии. Однако только в нашем веке смогла появиться современная наука о строении и эволюции Вселенной — космология.

Структура Вселенной довольно сложна и имеет несколько уровней организации, которые мы можем классифицировать в соответствии с масштабом объектов:

• Астрономические тела во Вселенной обычно группируются в системы. Звезды нередко образуют пары или входят в состав скоплений, которые содержат десятки, а то и сотни светил. В этом отношении наше Солнце довольно нетипично, так как оно не имеет «двойника»;
• Следующей ступенью организации являются галактики. Они могут быть спиральными, эллиптическими, линзовидными, неправильными. Ученые пока не до конца понимают, почему галактики обладают разной формой. На этом уровне мы обнаруживаем такие чудеса Вселенной, как черные дыры, темную материю, межзвездный газ, двойные звезды. Кроме звезд, в их состав входит пыль, газ, электромагнитное излучение. В известной Вселенной обнаружено несколько сотен миллиардов галактик.
• Несколько галактик образуют Местную группу. В нашу, кроме Млечного пути, входит Туманность Треугольника, Туманность Андромеды и еще 31 система. Скопления галактик – самые крупные из известных устойчивых структур Вселенной, их удерживает воедино гравитационная сила и еще какой-то фактор. Ученые подсчитали, что одного лишь притяжения явно недостаточно для поддержания стабильности этих объектов. Научного обоснования данного феномена пока не существует;
• Следующим уровнем структуры Вселенной являются сверхскопления галактик, каждая из которых содержит десятки, а то и сотни галактик и скоплений. Однако тяготение их уже не удерживает, поэтому они следуют за расширяющейся Вселенной;
• Последним уровнем организации мироздания являются ячейки или пузыри, стенки которых формируют сверхскопления галактик. Между ними находятся пустотные области, именуемые войдами. Эти структуры Вселенной имеют масштабы около 100 Мпк. На этом ярусе наиболее заметны процессы расширения Вселенной, также с ним связано реликтовое излучение – отголосок Большого взрыва.

Каждый из вселенских объектов — это уникальное формирование с таинственной структурой.

Сегодня мы гораздо лучше понимаем устройство Вселенной, но каждое полученное знание лишь рождает новые вопросы. Исследование атомных частиц в коллайдере, наблюдение за жизнью в дикой природе, высадку межпланетного зонда на астероиде также можно назвать изучением Вселенной, ибо данные объекты входят в ее состав. Человек тоже часть нашей прекрасной звездной Вселенной. Изучая Солнечную систему или далекие галактики, мы больше узнаем о самих себе.

Размеры Вселенной

Говоря о размерах Вселенной, мы имеем ввиду ее видимую часть, называемую еще Метагалактикой. Чем больше результатов наблюдений мы получаем, тем дальше раздвигаются границы Вселенной. Причем происходит это одновременно по всем направлениям, что доказывает ее сферическую форму.

Космическая карта Вселенной

Наш мир появился около 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва – события, породившего звезды, планеты, галактики и другие объекты. Эта цифра является реальным возрастом Вселенной.

Исходя из скорости света можно предположить, что ее размеры также составляют 13,8 млрд световых лет. Однако на самом деле они больше, ибо с момента рождения Вселенная непрерывно расширяется. Часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего значительное количество объектов во Вселенной останутся невидимыми навеки. Данный предел называются сферой или горизонтом Хаббла.

Диаметр Метагалактики составляет 93 млрд световых лет. Мы не знаем, что находится за пределами известной Вселенной. Может быть, существуют и более далекие объекты, недоступные сегодня для астрономических наблюдений. Значительная часть ученых верит в бесконечность Вселенной.

Возраст Вселенной неоднократно проверялся с использованием различных методик и научных инструментов. Последний раз его подтвердили с помощью орбитального телескопа «Планк». Имеющиеся данные полностью соответствуют современным моделям расширения Вселенной.

Будущее Вселенной

Наше мироздание началось с маленькой точки. Быстрое развитие и расширение границ привело к образованию необъятных космических просторов. Но, будет ли остановлено расширение? Возможен ли обратный вариант развития, то есть сжатия в ту же исходную плотную точку?

Модели будущего Вселенной

В 1990-х годах, специалисты пришли к выводу, что реальны два варианта будущего Вселенной.

“Сжатие” космических просторов возможно! При достижении максимальных размеров, она может разрушиться. Плотность черной материи может достичь критических показателей, из-за чего будет сжиматься.

Также, существует предположение, что причиной разрушения мироздания могут стать черные дыры. Все звездные скопления могут прекратить передачу энергии и преобразоваться в черные дыры. Если температура космического пространства приблизиться к нулю, возможно их испарение. В результате чего, все разрушиться и наступит логичный конец.

Интересные факты о Вселенной

10.От минус 270 градусов по Цельсию До 50 миллионов градусов по Цельсию.

В космосе буквально везде встречаются довольно экстремальные условия. Температура сверхновой может достигать более 50 миллионов градусов по Цельсию, т. е. в пять раз выше температуры ядерного взрыва. С другой же стороны, в открытом космосе температура составляет минус 270 градусов по Цельсию.

9.Наши тела состоят из звезд

Ваше и любое другое тело во Вселенной состоит из звезд, точнее, мертвых звезд. В самом начале существовали только простые элементы, такие как водород и гелий. Потом эти элементы соединились и сформировали первые звезды, которые в свою очередь образовали новые элементы, такие как железо и золото. Через какое-то время первые звезды погибли, и их взрывы сформировали новые элементы. Наши тела состоят из практически всех элементов, которые есть во Вселенной – конечно, большую часть составляют элементы вроде водорода и кислорода, но в нас также содержатся небольшие порции таких элементов, как золото!

8. Когда вы смотрите на небо, вы смотрите в прошлое

Звезды, которые вы видите – вовсе не звезды, а свет, который они излучали много лет назад. Из-за того, что свету требуется определенное время, чтобы достичь нас, мы видим его таким, каким он был какое-то время назад. Один световой год – это расстояние, которое свет преодолевает за год. Так что, если вы смотрите на звезду, которая находится на расстоянии 1000 световых лет, вы видите ее такой, какой она выглядела 1000 лет назад.

7.Парадокс Ферми.Инопланетная жизнь.

Ученые настолько заинтересованы инопланетной жизнью, что придумали десятки различных интересных техник, направленных на ее поиск. Например, проект SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), чтобы ускорить обнаружение инопланетян, использует свои методы для поиска космического мусора, ближайших звезд, искусственных объектов, радиоволн и радиации.

Вселенная настолько огромная и старая, что есть очень большие шансы на обнаружение других планет, похожих на Землю. Однако, согласно парадоксу Ферми, высокая вероятность внеземной жизни в космосе противоречит отсутствию видимых доказательств, подтверждающих это. На данный момент люди даже не уверены, что страшней: тот факт, что они не одиноки во Вселенной или то, что рядом есть кто-то еще.

6. Во Вселенной как минимум 10 миллиардов триллионов звезд

Хотя ученые не могут прийти к единому согласию в этом вопросе, самой достоверной цифрой в нашем распоряжении является 10 миллиардов триллионов. Каждая звезда отличается по размеру и может быть в сотни раз меньше или больше нашего Солнца. Вдобавок, каждую звезду окружают звездные тела, вроде планет, которых может быть от 4 до 12.

5. Вселенных может быть больше

Да, наша Вселенная может быть лишь одной из многих других, отличных от нашей. Малейшие изменения в принципах науки могут превратить другие Вселенные в нечто, о чем мы даже не мечтали. Все зависит от того факта, может ли большой взрыв, который положил начало нашей Вселенной, произойти в других местах. Если так, то существование бесчисленного количества других миров действительно возможно.

4. Черные дыры тоже умирают

Черные дыры – тела различных размеров, которые мы не можем видеть. Они обладают немыслимой силой притяжения, которую не способен преодолеть даже свет, и они питаются пойманным светом, чтобы выжить.

Однако Стивен Хокинг утверждает, что если черные дыры «голодают» слишком долго, через какое-то время они могут умереть.

3. Вселенная растет

До 1920-х люди считали, что Вселенная стоит на месте, но астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что она расширяется. Многие годы люди ошибались, исходя из предположения, что гравитация замедляет Вселенную, но такой факт был бы верен только в том случае, если бы гравитация была сильнее. Более того, в 1998 году телескоп «Хаббл» зафиксировал, что сверхновые звезды в прошлом расширялись медленнее, чем сейчас, что только подтверждает теорию Хаббла.

2. Вселенная полна невидимых вещей

Существует мнение, что мы видим и знаем только 4% Вселенной, так как 96% может состоять из темной материи и темной энергии, которые мы все еще не можем обнаружить. Эти неизвестные сущности предположительно расталкивают видимую материю, что приводит к расширению Вселенной и другим возможным эффектам, которые пока нам неизвестны.

1. Наши предки знали о Вселенной больше, чем мы знаем сейчас

Наши предки были куда умнее, чем думают многие. Хотя они не строили небоскребы и не создавали компьютеры, они много знали о растениях и травах, географии и астрономии. Не будем забывать о Стоунхендже, пирамидах Гизы, линиях Наски и сотнях других известных мест, которые наши предки предположительно использовали для наблюдения за небом. Они полагали, что изменения в небе играли большую роль в их жизни, поэтому делали точные космологические расчеты. Полученная информация помогала им определять, когда лучше всего было выращивать еду, путешествовать в опасные земли, заключать союзы и принимать важные решения.

Видео

Источник