Общая геология Лекция 2 Вселенная, галактики,

Общая геология Лекция 2 Вселенная, галактики, звезды

В С Е Л Е Н Н А Я - это мы и все что нас окружает: воздух, звезды, пыль, пространство, различные виды излучения и т. д.

Вселенная образовалась в результате Большого взрыва 12 - 15 миллиардов лет. До Большого взрыва не было ничего и говорить о Вселенной до Большого взрыва не имеет смысла

Хроника после Большого взрыва 10 -43 сек – время Планка. Образование пространства времени, фундаментальных законов 10 -35 сек – образование фундаментальных частиц (лептонов), неделимых (например электронов, нейтрино и др. ). Работает гравитация. 10 -27 сек – расширение Вселенной (инфляция) 10 -6 сек - образование протонов и нейтронов 3 сек – столкновение протонов и нейтронов с образованием ядер дейтерия и гелия. Температура около 1 млрд. град. Соотношение гелия и водорода во Вселенной зафиксировалось

Хроника после Большого взрыва до 300 000 лет – расширяется и остывает, но не меняет своего состояния. Это «затуманенная» Вселенная. Температура упала до 30000 С. после 300 000 лет - электроны объединяются с ядрами дейтерия и гелия. Образуются атомы дейтерия и гелия. Вселенная становится прозрачной для излучения. 1 -2 млрд. лет - водород и гелий собираются в облака, из которых потом образуются звезды 2 млрд. лет – настоящее время - образование , жизнь и смерть звезд, расширение Вселенной

ВСЕЛЕННАЯ Главные составляющие Вселенной: 1. Звезды 2. Скопления межзвездного газа 3. Пустое пространство между скоплениями звезд и межзвездного газа

Миллиарды звезд в созвездии Стрельца Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Звездное скопление в созвездии Скорпион Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Гигантское газо-пылевое облако – колыбель звезд Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Колонны плотного холодного газа в туманности Орла Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Темная газово-пылевая туманность в созвездии Орион Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Темные холодные облака туманности Замочная скважина Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

СОСТАВ ГАЗО- ПЫЛЕВЫХ ОБЛАКОВ (МЕЖЗВЕЗДНОГО ГАЗА) Водород -75% Гелий – 23% На остальные 2% приходятся: углерод, кислород, железо, мышьяк, золото, олово и др. Углерод – основной элемент пыли, довольно много железа и азота. Все элементы тяжелее гелия образуются в звездах и выбрасываются в космос, особенно при взрыве гигантов.

ГАЗОВО-ПЫЛЕВЫЕ ОБЛАКА ПРЕВРАЩАЮТСЯ В МОЛЕКУЛЯРНЫЕ За счет гравитации газово-пылевые облака уплотняются, атомы объединяются в молекулы. Температура таких молекулярных облаков -260 С. В молекулярных облаках обнаружены молекулы водорода, воды, аммиака, глицина, метанола. Глицин – это аминокислота, а из аминокислот возможен синтез белка. Облака могут быть темными и их трудно заметить. Ближайшие к нам темные облака, которые можно видеть невооруженным взглядом - Просвет Лебедя в созвездии Лебедя и Угольный мешок в созвездии Южный Крест. Самая известная туманность – Голова Лошади в созвездии Орион.

РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗД Из молекулярных облаков рождаются звезды. Механизмом запуска могут быть взрывы сверхновых, столкновение облаков между собой, давление со стороны окружающих галактик. За счет сил гравитации вещество сжимается и разбивается на участки, где происходит коллапс. Центральные части участков притягивают к себе окружающие молекулы. Они ускоряются за счет сил гравитации , приобретают кинетическую энергию, а при ударе в центр их кинетическая энергия переходит в тепловую, тем самым разогревая центральную часть участка молекулярной туманности. Так возникает протозвезда. По мере аккреции вещество протозвезы разогреваются до миллионов градусов, давление в центре тоже достигает миллионов атмосфер. В этих условиях начинаются термоядерные реакции, которые выражаются в соединении атомов водорода с образованием гелия и происходит выбросом энергии в виде излучения. Звезда начинает жить. Разогрев звезды приводит к ее расширению до тех пор, пока силы расширения не уравновесятся силами гравитационного сжатия. В таком положении звезды находятся миллионы и миллиарды лет.

Зарождение звезд в столбе газа в созвездии Единорога

Звезды изучаются с помощью наземных телескопов. Большой телескоп Крымской обсерватории

Звезды изучаются с помощью орбитальных (космических) телескопов. Точная копия орбитального телескопа АСТРОН. Храниться в Крымской обсерватории

РАЗМЕР ЗВЕЗД Звезды меньшие, чем Солнце примерно в 10 раз не могут создать условия для термоядерного синтеза и поэтому светят тусклым коричневым цветом. Бывают звезды и значительно более массивные, чем Солнце, но есть предел и их размеру. Звезды не могут превышать Солнце более чем в 50 раз. Из-за большого количества энергии их бы разорвало на стадии протозвезды.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗВЕЗД ПО СВЕТИМОСТИ Масса звезд определяет и их температуру. У маленьких звезд она около 3000 С, для вдвое большей массы, как Солнце – 6000 С, для гигантов – до 30000 С. Крупные звезды самые яркие, а маленькие – тусклые. Яркость звезд по отношению к Солнцу получила название светимостью. Цвет зависит от температуры. Самые холодные – красные карлики, горячие светятся голубовато- белым цветом. Астрономы разделили звезды на 10 спектральных классов: O, B, A, F, G, K, M, R, N, S. О и В – самые горячие, а S – самые холодные.

ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ ЗВЕЗД У звезд два источника энергии, которые противоборствуют между собой: 1. Силы гравитации, которые сжимают вещество звезды. За счет гравитационного сжатия вещество в ядре звезды нагревается. 2. Термоядерные реакции, которые осуществляются при слиянии ядер элементов (водорода, гелия, углерода и др. ). Они приводят к выделению большого количества энергии. Эта энергия препятствует сжатию звезды, она уравновешивает гравитационные силы.

ЭВОЛЮЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА 1. Во всех звездах в начале их жизни идут термоядерные реакции превращения ядер водорода в ядра гелия. Такие реакции идут сейчас на Солнце. 2. После выгорания водорода после гравитационного сжатия, приводящего к повышению температуры и давления в ядре звезды загорается гелий. В результате соединения ядер гелия образуются ядра бериллия, углерода, кислорода ( в зависимости от того, сколько ядер гелия соединятся вместе). Когда весь гелий сгорит, то наступает смерть звезд с массой меньшей 1. 4 массы Солнца 3. В звездах массой более 1. 4 массы Солнца силы гравитации дальше сжимают ядро и доводят температуру и давление до значений, когда поджигаются углерод и кислород. Ядерная топка работает по-прежнему. Образуются такие элементы как неон, магний, сера, кремний. Заканчиваются термоядерные реакции на железе. Железо – конечный член продуктов термоядерного синтеза. В массивных звездах скорость расхода топлива очень большая – водород сгорает за миллионы лет, углерод за тысячу лет, кислород за год, кремний преобразуется в железо за несколько дней.

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ ЗВЕЗД Чем больше масса звезды, тем быстрее она заканчивает свою жизнь. Массивные звезды горят ярко и недолго. Время их жизни - миллионы лет, по сравнению с миллиардами лет для маленьких звезд. В зависимости от своей массы, звезды умирая превращаются в черные карлики, нейтронные звезды и черные дыры

КОНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД Путь первый После того, как топливо для термоядерных реакций у звезды заканчивается, в зависимости от массы она может превратиться: 1. При массе меньшей 1. 4 массы Солнца звезды превращаются в черные карлики и исчезают из обозримой Вселенной. Вещество в них представлено нейтронами и прижатыми к ним электронами. Силы электростатического отталкивания между электронами не дают веществу далее сжиматься. Такое состояние вещества называют электронно-переродившимся

КОНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД Путь второй 2. Масса звезд находится в интервале 1. 4 – 3. 0 масс Солнца. После исчерпания запасов топлива силы гравитации сильно сжимают ядро и разогревают оболочку звезды. Происходит взрыв оболочки – взрыв сверхновой звезды. Вещество ядра звезды сильно сжато, оно представлено нейтронами. Поскольку нейтроны относятся к барионам, то форма такого вещества названа барионной. Звезды излучают пульсирующие радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи. Такие звезды получили название пульсаров. Размер таких звезд около 20 км, весят они в три раза больше, чем Солнце

КОНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД Путь третий Если после взрыва масса сверхновой звезды остается более 3 солнечных масс, то она становится черной дырой. Гравитационные силы сжимают даже нейтроны. Притяжение черной дыры становится таким большим, что его не может преодолеть даже свет. Черная дыра исчезает из видимой вселенной. Окружность, соответствующая краю черной дыры получила название сферой Шварцшильда, а радиус этой окружности – радиусом Шварцшильда. Установить черную дыру можно по рентгеновскому излучению. Если возле черной дыры есть другая звезда, то черная дыра притягивает ее вещество и оно ускоряясь и разогреваясь падает на черную дыру излучая при этом рентгеновский спектр.

ГАЛАКТИКИ Галактики – это крупные скопления звезд (сотни и тысячи миллиардов), занимающие большие пространства (сотни тысяч световых лет) По форме галактики бывают: - эллиптическими - спиралевидными - неправильными

Спиралевидная галактика М 31 в созвездии Андромеды Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Спиралевидная галактика М 83, которая имеет массу и светимость как Млечный Путь Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Ближайшая к нам галактика Андромеды Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

Спиралевидная галактика Гончих Псов Робин Керрод Вселенная. Взгляд с космического телескопа Хаббл.

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ Наша галактика имеет форму спирали с огромным сферическим выступом в центре. Длинные рукава начинаются в этом центре и закручиваются по спирали. Диаметр галактики 100 000 световых лет, толщина ядра около 6 000 световых лет. Солнце располагается рукаве в Орион на расстоянии 25 000 световых лет от центра. Считают, что в центре галактики находится сверхмассивная черная дыра (2. 5 млн. солнечных масс). Галактика образована закрученными двумя рукавами: Стрельцом и Персеем. Третий рукав Ориона образует своеобразный мост между Стрельцом и Персеем.

МЕСТНЫЕ ГРУППЫ ГАЛАКТИК Местная группа галактик, куда входит Млечный путь, объединяется еще 30 галактик. Млечный путь и Андромеда – самые крупные галактики нашей группы. Андромеда больше Млечного Пути примерно в 1. 5 раза, звезд содержит тоже больше (около 400). Местная Группа занимает пространство равное 5 млн. световых лет. Мелкие галактики, собирающиеся вокруг крупных, получили название спутниковых. Такими являются два Магеллановых Облака (Большое и Малое). Астрофизики не исключают, что в будущем Андромеда поглотит Млечный Путь.

СВЕРХСКОПЛЕНИЕ ГАЛАКТИК Сверхскопления галактик – это самые крупные образования Вселенной, они располагаются неравномерно в пространстве. Наша Местная Группа входит в состав сверхскопления в созвездии Девы, его размер в диаметре 100 млн. световых лет. Всего обнаружено 50 сверхскоплений. Самое большое сверхскопление – Великая Стена, она в виде ленты размером 750 х 250 млн. световых лет.

СЦЕНАРИИ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ Дальнейшая эволюция вселенной зависит от плотности ее вещества (от соотношения плотности фактической к критической - Ω (омега) ) Критическая плотность – это расчетная плотность вещества вселенной, при которой гравитационные силы должны уравновесить энергию расширения вселенной.

Постоянная Вселенная Если фактическая плотность вещества Вселенной равна критической (Ω=1) , то расширение через неопределенный период времени остановиться. Вселенная будет постоянно существовать. Такая модель развития получила название постоянной Вселенной.

Замыкающаяся Вселенная Если отношение Ω больше 1, то Вселенная по истечение какого-то времени замедлит и прекратит расширение, а затем начнет сжиматься. Такая модель получила название замыкающейся вселенной.

Открытая Вселенная Если отношение Ω меньше 1, то расширение Вселенной будет продолжаться всегда. Галактики и звезды погаснут, черные дыры улетят в даль. Холодная и обширная Вселенная закончит свое существование в виде океана субатомных частиц. Такая модель получила название открытой вселенной. В настоящее время больше сторонников открытой Вселенной, так как скорость расширения Вселенной продолжает увеличиваться.