Урок астрономии Тема: Происхождение и эволюция галактик и звезд
Урок астрономии Тема: Происхождение и эволюция галактик и звезд
1. Новый материал.
Космогония — раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел. Космология развивается исходя из гипотез, подтверждаемых наблюдаемыми фактами и позволяющие предсказать новые открытия. Эволюция — изменения объекта, происходящие в течение жизни: от рождение до стадии угасания.
1. Происхождение и эволюция галактик.
Известные нам законы физики начали действовать с момента tв= 10 -43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка ћ и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли Rв= 10 -31 м при плотности материи r в=10 74 –10 94 г/см 3 с температурой Тв = 1,3 × 10 32 К.
При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = — р× с 2 породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума. Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, «раздвигало» ее границы. Энергия распада «ложного вакуума» к моменту tв = 10 -36 с полностью выделилась в форме рождения частиц; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась.
Сверхраскаленный «пузырь» Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей — метагалактик. По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10 9 К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция («вымирание») электронно-позитронных пар.
Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых «возмущений плотности», а старые сгустки продолжали рассасываться. Через сотни тысяч лет уцелели лишь те сгустки, чья начальная масса была больше 10 5 — 10 6 М ¤
Через 10 12 с после Большого Взрыва началась эпоха рекомбинации — разделения вещества и излучения. Свидетель той поры — реликтовое излучение. За миллиарды лет расширения Метагалактики его температура понизилась с 4000 К до 2,725 К.
«Блины» массой до 10 14 М ¤ стали зародышами протогалактических скоплений. В их недрах происходили разнообразные тепловые и гидродинамические процессы, приводившие к распаду («дроблению») «блинов» на мелкие, отдельные, плотные облака газа массой 10 10 -10 12 М ¤ , из которых образовались протогалактики, преобразовавшиеся в галактики на протяжении последующего миллиарда лет. Подробнее Образование галактик
2. Эволюция звезд
Эволюция — изменения, происходящие в течение жизни звезды, включая ее рождение в межзвездной среде, истощение годного к использованию ядерного топлива и конечную стадию угасания.
Горение водорода в ядре продолжается до тех пор, пока не истощатся запасы топлива. В течение этой фазы звезда находится на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. Здесь масштабы времени резко уменьшаются с увеличением массы. Для Солнца время жизни на главной последовательности составляет 10 млрд. лет (около половины которого уже прошло). Когда при исчерпании всего топлива горение водорода в ядре прекращается, в структуре звезды происходят фундаментальные изменения, связанные с потерей источника энергии. Звезда уходит с главной последовательности в область красных гигантов. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых может (в зависимости от массы) активироваться новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов. При температурах порядка 10 8 K кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be 8 : He 4 + He 4 = Be 8 .Большая часть Be 8 снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be 8 с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C 12 : Be 8 + He 4 = C 12 + 7,3 МэВ.
По современным представлениям в звездах главной последовательности с массой больше 10 M ¤ термоядерные реакции проходят в невырожденных условиях вплоть до образования самых устойчивых элементов железного пика. Масса эволюционирующего ядра слабо зависит от полной массы звезды и составляет 2–2,5 M ¤ .
Сброс оболочки звезды объясняют взаимодействием нейтрино с веществом. Распад ядер требует значительных затрат энергии, т.к. представляет собой как бы всю цепочку термоядерных реакций синтеза водорода в железо, но идущую в обратном порядке, не с выделением, а с поглощением энергии. Вещество теряет упругость, ядро сжимается, температура возрастает, но все же не так быстро, чтобы приостановить сжатие. Большая часть выделяемой при сжатии энергии уносится нейтрино. Таким образом, в результате нейтронизации вещества и диссоциации ядер происходит как бы взрыв звезды внутрь – имплозия. Вещество центральной области звезды падает к центру со скоростью свободного падения. Образующаяся при этом гидродинамическая волна разрежения втягивает последовательно в режим падения все более удаленные от центра слои звезды.
Начавшийся коллапс может остановиться упругостью вещества, достигшего ядерной плотности и состоящего в основном из вырожденных нейтронов (нейтронная жидкость). При этом образуется нейтронная звезда . Оболочка звезды приобретает огромный импульс (скорее всего, передающийся нейтрино) и сбрасывается в межзвездное пространство со скоростью 10 000 км/с. Такие остатки вспышек сверхновых при расширении взаимодействуют с межзвездной средой и заметно светятся.
Вспышки сверхновых типа Iа, по-видимому, вызваны коллапсом белого карлика входящего в состав двойной звездной системы, при достижении им массы, близкой к пределу Чандрасекара, в процессе перетекания вещества с расширившейся в ходе эволюции соседней звезды. В таблице приведены этапы эволюции звезды массой 25 M ¤ .
Источник
Происхождение и эволюция галактик и звезд. Эволюция Вселенной
Урок 58. Физика 11 класс
Конспект урока «Происхождение и эволюция галактик и звезд. Эволюция Вселенной»
«Все изменяется, ничто не исчезает»
В данной теме разговор пойдёт о том, как рождаются, живут и умирают звезды, как изменяется Вселенная.
Солнце имеет свой жизненный цикл. Оно образовалось в результате гравитационного сжатия плотного газопылевого облака. По мере сжатия температура и плотность облака возрастает, и оно испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра. Облако в этом состоянии называется протозвездой. Температура в недрах протозвезды постепенно возрастает, и когда она достигает нескольких миллионов кельвинов, начинается термоядерная реакция, в результате которой из водорода синтезируется гелий. Протозвезда превращается в обычную звезду главной последовательности. Как уже говорилось, Солнце относится к главной последовательности, а его возраст составляет примерно 4,5 миллиарда лет. После того, как водород на Солнце закончится, оно начнет раздуваться, превращаясь в красный гигант. Размеры Солнца возрастут в десятки раз, оно поглотит Меркурий и Венеру, и уничтожит жизнь на Земле. Это произойдет приблизительно через 5 миллиардов лет. Температура ядра станет настолько высока, что начнет происходить реакция превращения гелия в углерод. Раздувшаяся оболочка Солнца будет уже слишком слабо притягиваться ядром и постепенно рассеется, образовав так называемую планетарную туманность. После того, как оболочка окончательно рассеется, останется только ядро – белый карлик. Этот белый карлик будет очень медленно остывать, постепенно превращаясь в черный карлик.
Следует заметить, что есть и другие варианты эволюции звезд, в зависимости от их массы. Итак, основные стадии эволюции звезд таковы: сначала образуется плотное газопылевое облако, которое под действием собственной гравитации коллапсирует в протозвезду. После начала термоядерной реакции в горячем ядре, протозвезда превращается в звезду главной последовательности. Когда в звезде заканчивается водород, она начинает раздуваться, превращаясь в красного гиганта или сверхгиганта. А вот после этого есть несколько вариантов развития событий. Один из них был только что рассмотрен – это превращение звезды в белый карлик, а затем и в черный карлик. Такой путь развития характерен для звезд, масса которых не превышает две солнечные массы. Ядра более массивных звезд могут колоссально сжаться под действием собственной гравитации, что приведет к превращению протонов в нейтроны. Этот объект будет называться нейтронной звездой.
Для сверхмассивных звезд возможен несколько иной вариант развития событий: ядро сверхгиганта начинает сжиматься, в результате чего, вновь увеличивается плотность и температура. Это приводит к новой последовательности термоядерных реакций, в процессе которых синтезируются все более тяжелые элементы. В конечном итоге, синтезируется железо 56 (Fe-56), обладающее самым большим дефектом масс, поэтому дальнейшее образование других веществ с выделением энергии уже невозможно. Когда железное ядро достигает определенных размеров, вновь происходит коллапс ядра. Буквально через несколько секунд после этого происходит взрыв сверхновой звезды. На сегодняшний день еще неизвестно, что именно приводит к взрыву, но этот взрыв выносит значительную часть накопленного материала вместе со струями нейтрино в межзвездное пространство. Выброшенное вещество может послужить материалом для образования новых звезд. От начальной звезды остается нейтронная звезда. Но если звезда обладала достаточно большой массой, то коллапс может продолжаться даже после образования нейтронной звезды. Тогда звезда становится черной дырой. Согласно общей теории относительности, черные дыры могут искажать пространство и замедлять время в непосредственной близости от себя. На данный момент, многие вопросы о сверхновых, нейтронных звездах и черных дырах остаются открытыми.
Во Вселенной существует множество галактик, которые, как выяснилось, разбегаются. Это косвенно подтверждает модель расширяющейся Вселенной. Исходя из этой модели и из расстояния до галактик, удалось определить радиус наблюдаемой Вселенной с помощью закона Хаббла. Также, с помощью этого закона был вычислен примерный возраст наблюдаемой Вселенной. Но как образовалась Вселенная? Конечно, на сегодняшний день никто не может дать точный ответ на этот вопрос. Разбегание галактик напоминает разлет вещества при взрыве, поэтому, теория, описывающая расширяющуюся Вселенную, получила называние теории Большого взрыва.
Большой взрыв – это общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной (то есть, начало её расширения). Ветвь астрономии, изучающая вопросы, связанные с эволюцией Вселенной, называется космологией. Существует еще одна важная космологическая модель – это модель горячей Вселенной. Эта модель описывает ранние этапы развития Вселенной. Плотность и температура Вселенной спустя несколько секунд после Большого взрыва были настолько огромны, что ни о каких галактиках и звездах не могло быть и речи. По мере расширения Вселенной, её температура и плотность уменьшались, начали образовываться первые звезды, а спустя некоторое время – галактики.
Конечно, можно задать резонный вопрос: если вся Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, тогда что взорвалось? В сложности ответа на этот вопрос, пожалуй, и состоит основная проблема космологии. На сегодняшний день, Большой взрыв объясняется возникновением, так называемой, космологической сингулярности – гравитационной сингулярности, характеризующейся бесконечной плотностью и температурой. Сегодня ученые не могут с уверенностью объяснить происхождение этой сингулярности, да и вообще, не совсем ясно, что собой представляет гравитационная сингулярность. Считается, что ответы на эти вопросы сможет дать теория квантовой гравитации.
Исходя из наблюдаемых процессов, происходящих во Вселенной, существует еще одно довольно интересное предположение. Известно, что звезды рано или поздно умирают, превращаясь в белые, а затем и черные карлики. Некоторые звезды могут превратиться в нейтронную звезду или в черную дыру. Одновременно с этим из газовых облаков образуются всё новые и новые звезды. Но, когда-нибудь галактики исчерпают всю энергию, и строительный материал для звезд закончится. Все существующие звезды дойдут до последних стадий эволюции: останутся только белые и черные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Скопления галактик начнут сливаться в одну большую галактику. Черные дыры, находившиеся в центрах галактик, начнут поглощать все больше и больше вещества, постепенно разрастаясь и сливаясь друг с другом. В конце концов, скопления черных дыр образуют гигантскую черную дыру с невообразимо мощным гравитационным полем. Возможно, столь мощное гравитационное поле заставит эту черную дыру сжаться в ту самую гравитационную сингулярность, о которой говорилось. В этом случае, всё вернётся к начальной точке – то есть, произойдет еще один Большой взрыв.
Помимо того, что происходило с Вселенной до нынешнего момента, не менее интересно и её будущее. На этот счет есть несколько точек зрения, в зависимости от массы, энергии, плотности Вселенной, а также, скорости её расширения. По современным оценкам, критическое значение плотности вещества вычисляется по формуле
Подставив все константы в данное выражение, получим, что критическая плотность Вселенной равна
Считается, что если средняя плотность Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием. То есть, Вселенная вновь сожмется в одну точку и, вероятно, вновь произойдет Большой взрыв. Если же плотность Вселенной меньше критической, то она не перестанет расширяться. По сегодняшним оценкам, плотность Вселенной примерно в 5 раз меньше критической плотности, что отбрасывает теорию о Большом сжатии. Но спешить с такими выводами, всё же, не стоит. Есть основания полагать, что существует так называемая скрытая масса, которая может изменить современную оценку плотности Вселенной. Например, основываясь на современных данных, не удается объяснить аномально большую скорость вращения внешних областей галактик. Считается, что, возможно, это поможет объяснить существование темной материи – гипотетической материи, не испускающей электромагнитного излучения и не взаимодействующей с ним. Прямое наблюдение такой материи невозможно, но существует несколько косвенных признаков её существования – например, гравитационные эффекты, создаваемые некоторыми астрофизическими объектами.
Также, не так давно было введено понятие тёмной энергии, без которой не удавалось объяснить наблюдаемое расширение Вселенной с ускорением. Под темной энергией подразумевается космологическая константа, то есть, постоянная энергетическая плотность, которая равномерно заполняет Вселенную. Иными словами, существование тёмной энергии говорит нам о том, что полного вакуума не существует. На сегодняшний день, ни одно из надежных наблюдательных данных не противоречит существованию темной энергии.
Конечно, в данной теме немного вышли за рамки школьной физики, но, всё же, рассмотрим основные этапы развития Вселенной и сегодняшние представления человечества о ней. Поскольку Вселенная расширяется с момента Большого взрыва, этапы развития Вселенной разделены на этапы расширения. Первый этап называется Планковской эпохой – период с того момента, когда начинают работать законы современной физики до инфляционной стадии (гравитационное взаимодействие отделяется от остальных видов взаимодействий). Инфляционная стадия – это стадия резкого увеличения и сильного нагрева Вселенной. После этого наступает стадия радиационного доминирования – основная стадия развития ранней Вселенной. На этой стадии появляются некоторые виды излучения, понижается температура, начинают выделяться остальные виды взаимодействий, энергия переходит в массу, образуя кварки – то есть, начинает появляться материя. Образуются известные нам сегодня химические элементы. После этого наступает эпоха доминирования вещества: электромагнитное излучение отделяется от вещества, начинают формироваться звезды и галактики. И, наконец, Вселенная переходит в стадию доминирования темной энергии – это является текущей эпохой.
Как видно, многие вопросы до сих пор остаются открытыми, и неизвестно, можно ли вообще понять, как образовалась Вселенная, находясь внутри неё. Тем не менее, сегодня были рассмотрены основные этапы эволюции звезд. В результате коллапса газопылевого облака под действием гравитационных сил, образуется протозвезда. Когда температура ядра протозвезды становится достаточно высока, начинается термоядерная реакция, и протозвезда становится звездой главной последовательности. Когда в звезде заканчивается водород, из гелия начинают синтезироваться более тяжелые элементы. Звезда расширяется и становится красным гигантом или сверхгигантом. После этого, возможны несколько вариантов развития событий, в зависимости от массы звезды. Либо после того, как оболочка звезды рассеивается, она образует планетарную туманность, а потом оставшееся ядро становится белым карликом, либо звезда превращается в нейтронную звезду или черную дыру.
Сегодня эволюция Вселенной описывается теорией Большого взрыва и моделью горячей Вселенной. Также, на сегодняшний день, наблюдения говорят о том, что Вселенная расширяется с ускорением. О будущем Вселенной существует множество теорий, ни одна из которых, на данном этапе развития науки, не может быть доказана.
Источник