Современные астрономические концепции Космология наука о строении

Современные астрономические концепции Космология — наука о строении, происхождении и эволюции Вселенной. Космология основывается на теории гравитации Любая космологическая теория включает в себя три важнейших элемента — пространство, время и материю.

Картина мира Ньютона базировалась на экспериментальных фактах Пространство, время и материя – независимы: • Существует абсолютное, неизменное пространство, являющееся вместилищем всех материальных тел. • Время также абсолютно, оно течет равномерно и независимо ни от чего. • Все материальные тела, наполняющие пространство, взаимодействуют между собой посредством гравитационных сил. Следствия: Если Вселенная конечна, то под действием гравитационных сил материя должна собраться в отдельные сгустки, а затем в единое тело. Только в бесконечном пространстве могут существовать бесконечно долго неограниченное число равноправных центров гравитации, например звезд. Отсюда Ньютон пришел к заключению, что Вселенная бесконечна.

Фотометрический парадокс В бесконечной Вселенной, с бесконечным числом звезд, небо над Землей должно было бы сверкать как поверхность единой звезды. Либо Вселенная конечна, либо конечно количество звезд в ней! Ньютоновская теория гравитации является приближенной теорией, применимой для слабых гравитационных полей. Она справедлива для описания явлений в масштабах Земли и Солнечной системы

Специальная теория относительности (законы движения тел при переходе от одной инерциальной системы к другой) Принцип относительности - законы движения тел остаются неизменными при переходе от одной системы отсчета к другой. Проблема: Скорость света постоянна C C+V ? ? С !!!! V 2 V 1 С+V=C !!!!

Противоречие между двумя точно установленными положениями: — принципом относительности — постоянством скорости распространения света в пустоте относительно всех систем отсчета А. Эйнштейн пересмотрел гипотезы нерелятивистской механики: ? промежуток времени между двумя событиями одинаков во всех системах отсчета; ? расстояние между двумя точками твердого тела одинаково во всех системах отсчета.

Классическая механика рассматривается трехмерное пространство, а время выступает в качестве параметра. Специальная теория относительности 1) Существует связь между временными и пространственными характеристиками событий. Например, при скоростях частиц, приближающихся к скорости света, время жизни увеличивается многократно. Т. е. понятия времени и расстояния в теории относительности становятся относительными. 2) Знаменитое соотношение Эйнштейна. Установление связи энергии с массой. Е = тс2. В результате два независимых закона сохранения — закон сохранения энергии и закон сохранения массы объединились в один закон сохранения энергии.

Общая теория относительности СТО- рассматривала инерциальные системы. особенность гравитационного поля, — оно относительно. поле тяготения может быть исключено из рассмотрения путем перехода в систему отсчета, движущуюся с ускорением!!!!! гравитация это вовсе не поле, а свойство пространства. Тяготеющая масса не создает вокруг себя никакого поля, но искривляет пространство. Движение тела по инерции происходит не по прямой линии, а по геодезической линии.

Общая теория относительности предсказывает целый ряд новых явлений, которые экспериментально наблюдали — замедление хода времени вблизи тяготеющих масс (при удалении от Земли ход часов ускоряется). — искривление траектории распространения света вблизи поверхности звезды.

Современная астрономическая картина мира В 1609 году Г. Галилей первым стал использовать зрительную трубу для наблюдения небесных тел. Современные телескопы: • Оптические телескопы (диаметр зеркала несколько метров) • Радиотелескопов (диаметр антенны - десятки и тысячи метров). • Радиоинтерферометры, объединяющие десятки радиотелескопов в разных уголках Земли и работающие как единое целое. • Космические телескопы: Всеволновой характер: • инфракрасные, • ультрафиолетовые, • рентгеновские и • гамма- обсерватории.

Солнце это самая обычная рядовая звезда, то есть раскаленный газовый шар радиуса R=700 тыс. км с температурой поверхности 5800 К, который излучает электромагнитные волны, как любое нагретое тело. Источником этой энергии являются термоядерные реакции, которые идут в центре Солнца. Н+Н+Н+Н He

Солнечная система состоит из огромного числа больших и малых тел, объединяемых в единую систему гравитационным притяжением Солнца. Традиционно выделяют девять планет, вращающихся почти по круговым орбитам — эллипсам, близким к окружностям имеются малые тела Солнечной системы — астероиды, кометы, метеоры и метеориты. Для измерения расстояний в Солнечной системе используют астрономические единицы. 1 а. е. = 150 млн км — среднее расстояние от Солнца до Земли.

Астероиды, как и планеты вращаются вокруг нашей звезды, отличаются от них только меньшими размерами. Их общее количество составляет много миллионов. Так, например, диаметр Цереры 1003 км, т. е. всего в 2, 3 раза меньше Плутона.

Кометы, точнее их ядра, состоят из льда (воды, углекислоты, метана, аммиака), и они обращаются вокруг Солнца по сильно вытянутым эллипсам. Кометы самые протяженные объекты в Солнечной системе. В 90 -е годы XX века были открыты планетные системы у других звезд.

Звезды — основные объекты видимой Вселенной. Самая близкая к нам звезда Проксима Центавра удалена от нас на 1, 31 парсека. 1 пк ~ 4, 2 св. года. Общее число звезд во Вселенной оценивается в 1022 в них сосредоточена основная часть вещества Вселенной Классификация Звезд: 1) По спектральным классам (по температуре и светимости). Солнце - Белый карлик 2) Одинарные и двойные звезды

Звездные системы. Солнце и ближайшие звезды составляют лишь малую часть гигантской системы звезд и других объектов, которую называют Галактикой. Млечный Путь –часть нашей Галактики. Наша Галактика напоминает тонкий диск диаметром около 30 кпк =30 тыс. пк. Число звезд в галактике 2 1011 Около 10% вещества находится в форме межзвездного газа и пыли Примерно половина звезд входит в состав кратных систем, прежде всего двойных. Наше Солнце находится на периферии Галактики на расстоянии примерно 8, 5 кпк от галактического центра и вращается вокруг него вместе с окружающим веществом со скоростью приблизительно 220 км/с. (Стабильная солнечная система = жизнь)

Классификация основных типов галактик. (Э. Хаббл) Числа указывают приблизительную частоту встречаемости галактик различных типов. Примерно у 70 % всех галактик обнаруживается спиральная структура.

Космический телескоп "Хаббл" • "Хаббл" - это телескоп-рефлектор с зеркалом диаметром 2. 4 м. • Был запущен в космос Шаттлом в апреле 1990 г. • После запуска у Хаббла оказалось слегка деформированным главное зеркало: на 2 микрона с краю относительно центра. (стал подслеповатый) • В 1993 году при полете Шаттла к Хабблу на телескоп была поставлена корректирующая оптика.

Телескоп Хабла

1 ноября 2001 г. Телескоп *Хаббл*, используя ультрафиолетовую съемку, получил изображение галактики NGC 6782, имеющей яркое ядро в центре и окружающие его голубые звезды. Фото: NASA and The Hubble Heritage Team (STSc. I/AURA)

31 мая 2001 г. Спиральная галактика NGC 1512. На ее краю было обнаружено кольцо «новорожденного небесного тела» шириной 2400 световых лет. Фото: NASA, ESA, and D. Maoz (Tel-Aviv University and Columbia University)

5 апреля 2001 г. Центральная часть находящейся недалеко от Млечного пути спиральной галактики, в которой образовывается множество новых ярких звезд. Фото: NASA and The Hubble Heritage Team (STSc. I/AURA)

7 сентября 2000 г. Туманность IC 418, похожая на многогранный драгоценный камень. Данная туманность расположена в 2000 световых лет от Земли. Фото: NASA and The Hubble Heritage Team (STSc. I/AURA)

2 августа 2001 г. Галактика ESO 510 -G 13. Края этой галактики имеют скрученную форму. Фото: NASA and The Hubble Heritage Team (STSc. I/AURA

11 мая 2000 г. Пара галактик NGC 3314 (две перекрывающие друга гигантские галактики). Эта пара галактик расположена в 1, 4 миллиарда световых лет от Земли.

Скопления и сверхскопления галактик. Галактики объединяются в скопления галактик. Местная группа галактик - наша Галактика, Туманность Андромеды со своими спутниками и еще несколько некрупных галактик. Ближайшее крупное скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпс и состоит из 7 гигантских эллиптических галактик, 10 гигантских спиральных галактик. Сверхскопления галактик - скопления концентрируются в сверхскопления. По-видимому наша Местная группа входит в сверхскопление, центральное сгущение находится в созвездии Девы. Наблюдаются скопления галактик, не входящие в сверхскопления.

Крупномасштабная структура Вселенной ячеистая (сотовая) структура. Скопления галактик распределены в стенках гигантских ячеек. Основные объемы Вселенной не содержат вещества.

Существование астрономических структур • молекулярных облаков, • звезд, • планетных систем, • галактик, скоплений галактик, • ячеистой структуры Вселенной обусловлено действием гравитационного притяжения. Любой объем вещества стремится сжаться, самогравитация приводит к неоднородности материи. При сжатии вещество разогревается, увеличивается скорость "частиц", образующих систему. Баланс двух основных факторов — гравитация и движение приводит к существованию разнообразных астрономических систем.

Космологические концепции 1922 г. А. А. Фридман Исследовал уравнения общей теории относительности Вселенная не может быть стационарной. Она либо расширяется, либо сжимается 1929 г. Хаббл По красному смещению излучения галактик установил: чем дальше находится от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Происходит глобальное расширение Вселенной Закон Хаббла - галактики разбегаются со скоростью: V= r H, где V — скорость удаления галактики от нас, r - расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла. где Н = 75 км/(с Мпс). возраст Вселенной: t<1/H

Космологические концепции Закон Хаббла - галактики разбегаются со скоростью: V= r H, где V — скорость удаления галактики от нас, r - расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла. где Н = 75 км/(с Мпс). возраст Вселенной: Полагая, что в начальный момент t 0 скорость равна нулю, то t<1/H~75 млрд. лет Однако в галактике нет звезд старше 13 млрд. лет Оценки показывают, что возраст вселенной ~ 15 млрд. лет

История Вселенной рождение вселенной произошло в результате Большого Взрыва 1 миллион лет 5 млрд. лет назад

Эра великого объединения вещество Вселенной состояло из свободных кварков, антикварков, лептонов и фотонов Адронная эра понижение температуры и кварки начали объединяться, образовав адроны Число частиц ~ числа античастиц Лептонная эра Начался процесс анигиляции: Частица + античастица = фотон На 1 частицу приходится 1 млрд фотонов. Это отношение сохранилось до настоящего времени и представляет собой фундаментальную постоянную современной космологии.

Реликтовое излучение Фотонный газ имеет свою температуру, которая падает при расширении Вселенной. В настоящее время температура фотонного газа – 3 К. Это излучение называется реликтовым. Существование этого излучение было предсказано в 1948 году Г. А. Гамовым и только в 1965 году экспериментально обнаружено американскими радиоастрономами. Максимум такого излучения приходится на сантиметровые волны и в тысячи раз более интенсивно в данном диапазоне, чем излучение звезд и галактик. Наличие реликтового излучения является подтверждением гипотезы Большого Взрыва.

Эра излучения (прошло 100 с после большого взрыва, Т~109 К ) Синтез ядер гелия (100 с – 300 с) Процесс объединения частиц, образуются ядра гелия. He: H=1: 3 Ионизированный газ (300 с – 1 млн. лет) Процесс рекомбинации и образование нейтральных атомов Нейтральное вещество. Галактики. Образование галактик. Рождение звезд в галактиках. Взрывы звезд и образование из их остатков планет и т. д.

Дальнейшая эволюция Вселенной Если масса Вселенной меньше критической – открытая модель Вселенной, Будет расширяться. Если масса Вселенной больше критической этап расширения сменится этапом сжатия — модель закрытой Вселенной. Все закончится «Большим хлопком» .

Концепции звездной и планетной космогонии Межзвездное пространство заполнено газом, хотя и очень малой плотности. имеются области с повышенной плотностью, так называемые газопылевые облака. Их масса в тысячи и даже миллионы раз, превышают массу Солнца Межзвездные облака газа в галактике, расположенной между квазаром и наблюдателем

Образование звезды ØПод действием сил гравитации облака сжимаются и выделяется тепловая энергия. ØНа начальном этапе энергия уносится излучением за пределы облака. С ростом плотности излучение остается в облаке. ØКогда в облаке температура достигнет нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Это момент рождения новой звезды.

Время жизни звезды ØИз облака возникает звезда ØЗвезда стабилизируется, пока весь водород не выгорит. ØДля звезд с массой Солнца горение водорода продолжается примерно 10 миллиардов лет.

Эволюция звезд. • Масса родившейся звезды определяет ее свойства и последующую эволюцию. • Когда происходит выгорание водорода звезда теряет значительную часть массы и превращается в одну из трех возможных форм компактных объектов: — белый карлик, — нейтронная звезда, — черная дыра.

Солнце • Солнце — звезда I типа (бо льшее содержание элементов тяжелее водорода и гелия, в астрономии такие элементы называют «металлами» ). • Старые звёзды II типа (содержали Н и Не) синтезировали более тяжелые элементы

Эволюция Солнца и других звезд массой <1, 5 M Солнца ØСолнце возникло ~ 5 млрд. лет назад. Термоядерный синтез гелия еще 5 млрд. лет. В это времz звезда стабильна. ØКогда весь водород в центре выгорит ядро начнет сжиматься. Во внешних слоях термоядерный синтез продолжается. Размер Солнца увеличится (Земля внутри солнечной атмосферы). Цвет Солнца красный - красный гигант. ~ 100 млн. лет. ØВнешняя оболочка навсегда покинет Солнце, а его ядро, состоящее в основном из гелия, образует белый карлик.

1 февраля 2001 г. Туманность Муравья. Вследствие гибели подобной Солнцу звезды, произошло растяжение небесного тела. Фото: NASA, ESA and The Hubble Heritage Team (STSc. I/AURA)

Эволюция Солнца ØБелый карлик, имеет диаметр не больше 10 тыс. км, в 100 раз меньше Солнца светимость в 10 тыс. раз меньше солнечной. ØБелый карлик остывает и превращается в коричневый карлик, затем потухнет.

Эволюция массивных звезд ØНа конечном этапе температура в центральной части звезды возрастает и начнется термоядерный синтез С, O, Fe. (более тяжелые чем Fe не образуются ) ØЯдро сжимается до 3 -10 км в течение 1 секунды Коллапс звезды Выделяется огромное количество энергии, сброс внешней оболочки. Выглядит как быстрое увеличение яркости звезды, получило название вспышки сверхновой.

24 января 2000 г. Туманность Эскимос NGC 2392. В центре находится гибнущая звезда, излучаемое ей вещество рассеивается вокруг.

Сверхновые , предшественниками которых являются белые карлики,

Солнечная система родилась из газо-пылевого облака. ØВ результате сжатия облака в центральной его части образовалось Солнце ØПериферийная, холодная часть, благодаря вращению сформировалась в дискообразную туманность, состоящую из газа и пыли. ØВ туманности происходило слипание пылинок во все более и более крупные объекты (планетезимали). ØКрупные планетезимали за счет собственного гравитационного поля захватывают мелкие тела.

Солнечная система Формирование планет земной группы завершилось ~ 4, 5 млр. лет назад Чуть позже образовались более далекие планеты-гиганты.

Планета • любое тело на орбите вокруг Солнца, оказавшееся достаточно массивным, чтобы приобрести сферическую форму, но недостаточно массивным для начала термоядерного синтеза, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей. • В Солнечной системе имеется восемь планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон не соответствует этому определению, поскольку не очистил свою орбиту от окружающих объектов

Планеты земной группы Меркурий, Венера, Земля и Марс Состав кислород, кремний, железо, магний, алюминий и другие тяжёлые элементы.

Процесс образования Земли ØПри сжатии планетозимали температура возрастала. ØМолодая Земля имела высокую температуру и ее поверхность - расплавленная магма. ØПо мере остывания, Земля начала накапливать атмосферу, появились материки, океаны. ØОколо 3, 8 миллиардов лет назад на Земле возникла жизнь.

Строение планет земной группы Øядро из железа с примесью никеля. Øмантия, состоит из силикатов. Øкора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии