Строение Вселенной Темы 1 Происхождение Вселенной 2

Строение Вселенной

Темы: 1. Происхождение Вселенной; 2. Строение и эволюция звезд; 3. Солнце – ближайшая звезда; 4. Происхождение и эволюция планет.

Египет Греция Вавилон Индия

1. Происхождение Вселенной Первая релятивистская модель Вселенной, основанная на новой теории тяготения, была предложена А. Эйнштейном в 1917 году. Модель эта описывала статическую Вселенную. В 1922 -1924 годах математиком А. Фридманом, а позже и другими учеными были предложены общие уравнения для описания всей Вселенной, меняющейся с течением времени. Из них следовало, что звездные системы не могут находиться на неизменных расстояниях друг от друга. Они должны либо удаляться, либо сближаться – это результат сил тяготения, которые главенствуют в космических масштабах. 1929 г. Э. Хаббл установил, что свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра. Это явление получило название «явления красного смещения» . Оно свидетельствует об удалении (разбегании) галактик от наблюдателя.

Согласно современной концепции «горячей Вселенной» , «вещественная» Вселенная появилась из физического вакуума в результате «Большого взрыва» около 13 млрд. 700 млн. лет назад. В первоначальный момент своего существования Вселенная находилась в состоянии «ядерной капли» , размеры которой были сопоставимы с размером атомного ядра, а плотность ее была равной 1093 г/см 3 – эра хаоса (от 0 до 10 -33 с). Вещество Вселенной начало быстро расширяться и остывать. Нуклоны получили возможность связываться, образуя атомные ядра – наступила адронная эра (от10 -33 с до 10 -5 с). Через доли секунды после ее начала все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия и дейтерия. Вселенная продолжала расширяться и остывать. Еще через некоторое время температура Вселенной снизилась до 3000 К. Электроны теперь смогли прочно соединиться с ядрами. Образовались атомы водорода и гелия – это была так называемая лептонная эра (10 -5 до 10 с).

Свободные электроны во вселенной быстро исчезли, прекратилось их взаимодействие с фотонами. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали «реликтовым излучением» – началась радиационная эра (фотонная) – 10 с до 1 млн. лет. Реликтовое излучение экспериментально было обнаружено в 1964 г. Это было выдающееся открытие и серьезное подтверждение концепции горячей Вселенной. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые сближались, сливались, образуя громадные звездные комплексы – галактики. Это современная – звездная эра.

Современная Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы, в нем можно совершать «кругосветные» путешествия: обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком-либо направлении (световой или радио) сигнал, со временем обнаружить, что этот сигнал вернулся к нему с противоположной стороны, обойдя всю Вселенную. Как и многие другие абстрактные понятия современной физики и астрономии, идея замкнутой, конечной, но неограниченной вселенной трудно представима в наглядных образах. Структура Вселенной — 1 600 000 галактик = 1080 грамм В нашей Галактике Млечного пути приблизительно 150 000 000 звезд.

Галактика Андромеды

Что же за границей Вселенной? Этот вопрос не имеет смысла для трехмерных существ, т. е. в пространственно-временной метрике нашего мира. При создании модели Вселенной А. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели пространство однородно и изотропно, т. е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании своих расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

Объем такой Вселенной может быть выражен, хотя и очень большим, но конечным числом кубометров. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит ограниченное число звезд и звездных систем. В то же время над Вселенной Эйнштейна тяготеет призрак тепловой смерти. Вечность ей не присуща. Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку на статичность мира.

В ясную безлунную ночь человек с нормальным зрением видит невооруженным глазом звезды до 6 -й звездной величины Что такое звезды На небе можно видеть около 4, 5 тысяч звезд. Половина из них - в Северном полушарии

Вид в телескоп Звездное небо

Звездное небо Все звезды движутся по небосводу. Но одна звезда почти неподвижна

Звездное небо Все звезды движутся по небосводу. Но одна звезда почти неподвижна – Полярная звезда

Звездное небо 26 февраля 2016 года Северная часть горизонта

Движение звезд

Что такое звезды? Звезды - раскаленные газовые шары. Некоторые ближайшие к Земле звезды Солнце Проксима Сириус Центавра Процион

Солнце Расстояние до Земли: 149, 6 млн. км = Астрономическая единица Луч=500 секунд (8 минут 20 секунд).

Проксима Центавра Созвездие: Центавр Расстояние до Земли: 4, 3 свет. лет. Процион Созвездие: Малый Пёс Расстояние до Земли: 11, 3 свет. лет.

Двойная звезда Сириус – белый карлик Созвездие: Большой Пёс Расстояние до Земли: 8, 6 св. лет. Название произошло от греческого Σείριος, что означает «яркий» . Сириус называли еще Пёсьей звездой (как и Процион). Процион и Сириус издавна считались «собачьими» звёздами, так как по мифу в них превратились собаки Ориона. У древних греков Сириус ассоциировался с летней жарой, когда звезда сияет ослепительно ярко. Латинское название звезды – «Каникула» , что означает «маленькая собачка» (от лат. canis). Период жары в Древнем Риме совпадал с началом появления Сириуса утром, эти дни так и называли «собачьи дни» (dies caniculares), отсюда произошли «каникулы»

Цвет звёзд Цвет звезды зависит от ее температуры:

Типы звезд Звезды главной последовательности Гиганты и сверхгиганты Белые карлики Новые звезды Сверхновые звезды Нейтронные звезды Черные дыры

Строение звезд главной последовательности Большинство звезд находится в стационарном состоянии (т. е. без изменений физических характеристик)

Звезды-сверхгиганты Это звезды, масса которых больше солнечной в 10 раз. Как правило, из-за большой массы эти звезды взрываются и превращаются в сверх-новые звезды

Цефеиды Переменные звезды-гиганты или сверх-гиганты с пульсирующей яркостью Цефеиды – пульсирующие переменные звезды, блеск которых периодически плавно изменяется. К цефеидам относится и Полярная звезда.

Белые карлики – компактные звездообразные остатки красных гигантов, взорвавшихся и сбросивших в ходе эволюции свою оболочку. Название “белые карлики” связано с малыми размерами и белым цветом. В их недрах не идут термоядерные реакции. Они составляют до 10% всех звезд Галактики. Белый карлик - Сириус

Новые звезды – звёзды, блеск которых внезапно увеличивается в тысячи и даже миллионы раз. Обязательно – двойные. В таких системах происходит перетекание вещества внешних слоёв звезды-компаньона на белый карлик Остаток новой звезды в Малом Магеллановом Облаке – галактике-спутнике Млечного пути.

Сверхновые звезды Это сильные взрывы, в результате которых сверх-гиганты почти полностью уничтожаются.

Нейтронные звезды Это очень маленькие плотные тела с массой, превышающей солнечную. В основном состоят из нейтронов. Из-за высокой температуры вещество в ядре ионизировано. 1 – твердая кора; 2 – плотная плазменная оболочка; 3 – сверхтекучая и сверхпроводящая жидкость; 4 – ядро Крабовидная туманность, в центре которой – пульсар – нейтронная звезда – источник периодических (пульсирующих) импульсов электромагнитного поля.

Черные дыры Это область вокруг сжимающейся звезды, масса которой настолько велика, что ничто не может преодолеть её силу тяготения. Чёрные дыры невидимы, поскольку лучи света не могут вырваться из них. Они превосходят по массе все небесные тела и космические объекты. За счёт своего большого веса они создают вокруг себя колоссальное гравитационное поле. Своей гравитацией чёрная дыра притягивает ближайшие космические тела и «съедает» их. Две черные дыры могут слиться в одну большую, но одна черная дыра не может распасться на две более мелкие. Слияние 2 галактик с Черными дырами Получается 1 галактика с одной Черной дырой

Состав Черных дыр 92, 10% 7, 80% 0, 1% Прочие: Кислород, Углерод, Азот, Неон, Железо, Кремний, Магний, Сера.

Образование звезд Процесс образования звезд идет непрерывно, он происходит и сейчас. 1 этап – гравитационное сжатие (молодые звезды образуются в результате гравитационной конденсации вещества из межзвездной среды). • Под действием гравитации протозвезда сжимается и разогревается. Начинается термоядерная реакция превращения Н в Не. Возрастает давление. • Наступает гидростатическое равновесие между действием гравитационных сил и внутренним давлением. • Когда почти весь Н израсходован, Т снижается. • Размер звезды и ее светимость увеличиваются, она превращается в красный гигант.

2 этап - дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы: если масса (звезды) 1, 4 массы Солнца Внешние слои звезды отделяются и рассеиваются в пространстве. Внутренние - (плотные и горячие) образуют белый карлик. Звезда остывает, излучает все меньше и переходит в желтый, красный, а затем в невидимый черный карлик. если масса (звезды) 1, 4 массы Солнца 1. После прекращения термоядерной реакции в ядре, огромные силы гравитации приводят к гравитационному коллапсу – очень быстрому сжатию. 2. Центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, электроны вдавливаются в протоны с образованием нейтронов (t = 1 млрд С), а периферические сферы звезды сбрасываются под действием внутреннего давления. Происходит вспышка сверхновой звезды. Выделяется чудовищная энергия, на месте вспышки остается газовая туманность. Если центральная область звезды будет сжата до величины гравитационного радиуса r = 2 GM / c 2 (для Солнца – 3 км, для Земли – 0, 9 см), то образуется черная дыра – область, в которой огромное поле тяготения не позволяет выйти из нее ни частицам, ни излучению (превышение скорости света, искривление пространства, замедление времени).

Эволюция звезд

3. Солнце - центральное тело Солнечной системы - представляет собою горячий газовый шар. Оно в 750 раз превосходит по массе все остальные тела Солнечной системы вместе взятые. Солнце – ближайшая к Земле звезда.

Основные характеристики Солнца Масса в массах Земли Радиус в радиусах Земли Средняя плотность Период вращения на экваторе Период вращения на полюсах Температура поверхности Светимость Абсолютная звездная величина Относительная звездная величина Предположительный возраст 333. 000 109 1. 410 кг/м 3 25, 4 сут 36 сут 5800 -6000 К 3, 8∙ 1026 Вт +4, 8 -26, 8 4, 6 млрд. лет

Структура Температура

Фотосфера – видимая поверхность с температурой около 5. 800ºK. Солнечные пятна образованы магнитными полями на фотосфере. Их температура на 2. 000 К ниже и поэтому они меньше излучают света. Тень и полутень. Внутренняя часть пятна окруженная менее темной областью. Хромосфера – самый низкий слой солнечной атмосферы. Ее температура около 10. 000 К. Солнечные вспышки – взрывы на солнечной поверхности. Протуберанцы – выбросы огромных масс горячей плазмы, поддерживаемые магнитным полем. Корона. Внешняя атмосфера с температурой свыше 1. 000 К и с малой плотностью. Хорошо наблюдается во время затмений. Количество солнечных пятен изменяется с ходом цикла солнечной активности. Каждые 11 лет магнитная полярность Солнца меняется, так что реальный цикл составляет 22 года.

Пятна на Солнце в год минимума активности Fig. 10 -2, p. 202

Солнечные пятна Размер Земли

Циклы солнечной активности Индикатором солнечной активности является усредненное (за день, за месяц, или за год) число пятен (или их общая площадь). Чем больше пятен, тем жарче и суше на Земле, и наоборот. Во второй половине XVII века на Земле наблюдалось общее похолодание – Малый Ледниковый период. Динамика солнечной активности за 1600 -2000 гг.

Динамика Солнечной активности за последние 11 тысяч лет

Солнечные затмения Человечество издавна испытывало ужасы, наблюдая затмения

Орбиты Земли и Луны слегка эллиптичны Апогей = положение с наибольшим удалением от Земли Перигелий = положение ближайшее к Солнцу Земля Луна Солнце Перигелий= положение ближайшее к Земле Апогей = положение с наибольшим удалением от Солнца (Эсцентриситеты преувеличены для наглядности)

Полное затмение Кольцевое затмение

Протуберанцы Корональные петли в активной области Источник магнитных бурь и Полярных сияний на Земле Fig. 10 -15, p. 208

4. Происхождение и эволюция планет Существуют различные гипотезы происхождения Солнечной системы (гипотезы Канта, Лапласа, Шмидта) В настоящее время превалирует идея холодного, а не горячего начального состояния планет, возникших из частиц газово-пылевого облака (идея гетерогенной аккреции). Предполагается, что планеты возникли одновременно с Солнцем около 4, 6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности с молодым Солнцем в центре. Произошла конденсация облака межзвездного вещества в силу его гравитационной неустойчивости. По некоторым данным, уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды, ускорившей процесс конденсации и повысившей содержание тяжелых элементов в составе газовой туманности. Протопланетное облако было неустойчивым, плоским, в форме диска из газовых колец, которые превратились в 9 планет.

Астероиды, кометы, метеориты, вероятно, являются остатками протопланетного вещества (астероиды движутся между орбитами Марса и Юпитера, некоторые присоединились к планетам, некоторые - разрушились). Происхождение систем регулярных спутников (т. е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам Юпитера, Сатурна, Урана) объясняется повторением процесса образования планет Солнечной системы в малом масштабе. Происхождение иррегулярных спутников (т. е. обладающих обратным движением) объясняются их захватом планетами. Происхождение Луны: - образование из ряда крупных спутников на околоземной орбите , - захват Землей уже готовой Луны, - отделение Луны от Земли.

Солнечная система 1781 1930 1846

Газо-пылевое облако

Время существования Земли делится на два различных периода: ранняя история и геологическая история. I. Ранняя история Земли разделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу первичной коры (лунную фазу). Фаза рождения продолжалась 100 млн. лет. На Землю падало много крупных тел. Вместе с ними на Землю падали и планетезимали — зародыши "неудавшихся" планет. Их размеры составляли многие километры. В фазу рождения Земля приобрела около 95% массы. Фаза расплавления продолжалась 400 млн. лет. Во время аккреции Земля долго оставалась холодным телом. Но в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло разогревание и расплавление вещества внешней зоны, а потом и внутренней области планеты. Наступила фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в центре Земли концентрировались тяжелые элементы (железо, никель и др. ), из которых образовалось ядро, а из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования земной коры, в т. ч. континентов, а самые легкие химические соединения (водород, гелий, метан, аммиак, водяной пар) образовали океаны и атмосферу Земли. Со временем водород и гелий улетучились.

Лунная фаза продолжалась 400 млн. лет от 4, 2 до 3, 8 млрд лет назад. Остывание расплавленного вещества привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В это же время происходило формирование гранитного слоя материковой коры. Континенты сложены в основном гранитами и гнейсами. Ложе океанов выстилается базальтами. Таким образом, континенты оказываются построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35 -40 км), чем кора океанов (5 -7 км). Благодаря этому континенты минимум на 5 -6 км возвышаются над ложем океанов. II. Геологическая история — это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры и природной среды. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая стала колыбелью жизни на Земле.

Спасибо за внимание!