Тема 5 Возникновение и эволюция Вселенной Как

Тема 5. Возникновение и эволюция Вселенной • Как получают информацию о звездах? • Из каких объектов состоит Вселенная? • Как устроены галактики и звезды? • Что мы знаем о Солнечной системе? • Космология: происхождение и эволюция Вселенной (гипотеза Большого Взрыва)

Основные понятия • Вселенная — весь видимый материальный мир Возраст Вселенной — около 15 млрд лет Видимый размер — около 20 млрд световых лет • Астрономия – наука о Вселенной и ее объектах, находящихся вне пределов атмосферы Земли • Космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной как целого

Расстояния в астрономии • 1 астрономическая единица = 150 млн км = 8, 3 световых минуты — расстояние от Земли до Солнца • 1 световой год = 10 000 млрд км — расстояние, которое свет проходит за год • 1 парсек = 3 световых года Ближайшая к Солнцу звезда – Проксима Центавра – на расстоянии 4, 3 св. года

Ближайшие соседи

Способы измерения расстояний в астрономии

Как измеряют расстояния до звезд Радиолокация — до Солнца, близких планет Параллакс — до близких звезд (максимум – 1000 парсеков)

Фотометрический способ Установлена связь между мощностью излучения звезды (светимостью) — и температурой поверхности (цветом) На диаграмму Герцшпрунга-Рассела наносятся звезды с известным параллаксом, а для других – находят расстояния

Как измеряют расстояния до других галактик • Цефеиды — переменные звезды, для которых известно соотношение период-светимость • Метод стандартной свечи — сверхгиганты имеют примерно одинаковую светимость, то же самое — вспышки сверхновых • Красное смещение — расстояния до самых удаленных объектов Эффект Доплера + закон Хаббла

Красное смещение (эффект Доплера) Цвет удаляющегося источника света испытывает красное смещение, а приближающегося – синее смещение Закон Хаббла v = H R v – скорость галактики R – расстояние до галактики H – постоянная Хаббла

Из каких объектов состоит Вселенная? Метагалактика 20 млрд св. лет Ячеистая структура — воиды (от англ. void) вдоль стенок – галактики, внутри – относительно пусто 300 млн св. лет Сверхскопления, 10 - 1 млн св. лет скопления, облака галактик, Группы галактик 500 тысяч св. лет Больше всего галактик в узлах, где пересекаются стенки ячеек – сверхскопления галактик числом до 10 тыс отдельных галактик

Из каких объектов состоит Вселенная? Галактики 300 тыс – 3 тыс св. лет Звездные скопления 3000 – 30 св. лет Звезды нормальные (от карликов до сверхгигантов) компактные (белые карлики, нейтронные звезды) 500 млн – 100 тыс км 10 тысяч км – 1 км Планетные системы (наша Солнечная система) 40 а. е. = 6 млрд км Планеты 100 тыс – 1 тыс км Кометы, астероиды, пыль, газ менее 100 км

Млечный Путь Тип – спиральная галактика; 2 рукава – Персея и Стрельца; Солнце – между ними В состав входит примерно 100 млрд. звезд, они вращаются вокруг центра Галактики Солнце занимает нецентральное положение обращается вокруг центра за 250 млн. лет, 250 млн. лет (радиус орбиты – около 30 тыс. св. лет) Ближе к центру звезды расположены в 1000 раз плотнее, чем в районе Солнца Что находится в центре Галактики? – Возможно, гигантская черная дыра

Млечный Путь

Звезды • Источник энергии звезд — термоядерные реакции (реакции синтеза ядер более легких элементов в более тяжелые) • Зависимость от массы — чем больше масса, тем больше гравитационное сжатие и температура, необходимая для поддержания баланса Отношение массы звезды к массе Солнца Ядерные реакции менее 0, 08 отсутствуют до 0, 3 H He до 0, 7 H He C до 5, 0 H He C Ne более 15, 0 все реакции синтеза

Варианты эволюции звезд в зависимости от их массы • 1 - 1, 2 МС – эволюционируют к белому карлику, который остывает и превращается в черный карлик • 1, 5 - 5 МС – к нейтронной звезде • >12 МС – к черной дыре напрямую • >15 МС – неустойчивы, пульсируют, их эволюция может кончится взрывом новой или сверхновой. При взрыве образуются элементы, тяжелее железа. Наши тела состоят из пепла давно угасших звезд Дж. Джинс

Пример: Эволюция красного гиганта с массой, равной 18 массам Солнца Реакция синтеза Температура, К Плотность Срок H He 40 млн 6 г/см 3 10 млн лет He C 190 млн 1, 1 кг/см 3 1 млн лет C Ne, Mg, Na 740 млн 240 кг/см 3 12 тыс лет Ne O 1, 5 млрд 7, 4 тонн/см 3 12 лет O Si, S 2, 1 млрд 16 тонн/см 3 4 года Si Fe 3, 4 млрд 50 тонн/см 3 1 неделя

Солнечная система Солнце Возраст – ок. 5 млрд лет; 3 -4 поколение звезд Радиус – 700 тыс км (в 110 раз больше Земли) Вращается, период разный на экваторе – ок 25 суток у полюсов – до 32 суток Есть магнитное поле Солнечные пятна, солнечные вспышки, солнечный ветер

Эволюция Солнца Фазы • желтый карлик ( 5 + 5 = 10 млрд лет ) – сейчас • красный гигант ( 100 млн лет ) горение водорода в слое вблизи ядра, в центре сжатие, а внешние слои расширяются до размера больше орбиты Земли, затем отделяются и растворяются в Космосе • белый карлик затем коричневый, затем черный карлик

Строение Солнечной системы • Орбиты планет — эллипсы, в одном из фокусов находится Солнце • Орбиты планет лежат почти все в одной плоскости — плоскости эклиптики, и эта плоскость почти совпадает плоскостью экватора Солнца • Планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в котором Солнце вращается вокруг своей оси (есть исключения – Венера, Уран и Плутон, некоторые спутники) • Солнечная система устойчива • Практически все вещество содержится в Солнце (99, 9%)

Планеты Солнечной системы Делятся на две группы: железо-каменные (группа Земли) плотность ок. 5 г/см 3, радиус < радиуса Земли водородо-гелиевые (группа Юпитера) плотность ок. 1 г/см 3, радиус – от 3, 4 до 11 радиусов Земли Закон планетных расстояний (Иоганн Тициус, 1766) n R = 0. 4 + 0. 3*2 , n = - , 0, 1, 2. . .

Характеристики планетарных орбит Расстояние от Солнца (а. е. ) МЕРКУРИЙ 0. 38 Период (годы) 0. 24 Скорость (км/с) 47. 9 ВЕНЕРА 0. 72 0. 62 35. 0 ЗЕМЛЯ 1. 00 29. 8 МАРС 1. 52 1. 88 24. 1 ЮПИТЕР 5. 20 11. 8 13. 1 САТУРН 9. 54 29. 4 9. 7 УРАН 19. 19 84. 0 6. 8 НЕПТУН 30. 06 164 5. 4

Происхождение планет и Солнца • Произошли из одного холодного газо-пылевого облака Сначала 90% вещества собралось в центре и образовалось Солнце Из остатков путем холодного слипания – планеты Холодное слипание проходило через стадию мелких тел • Различие между планетами двух групп объясняется действием Солнца: ближе к Солнцу туманность теплее и больше давление света, и легкие газы улетучиваются

Эволюция Земли Возраст – примерно 4, 56 млрд лет • Рост Земли от 10 км до настоящего размера – около 100 млн лет • Земля нагревалась изнутри при распаде радиоактивных элементов, снаружи при бомбардировке метеоритами. • Накапливается атмосфера и океаны • Возникновение простейших форм жизни – после остывания Земли, примерно 4, 2 - 3, 6 млрд лет назад

Происхождение и эволюция Вселенной • Космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной как целого теоретическая основа – ОТО, квантовая теория эмпирическая основа – внегалактическая астрономия • Космогония – наука о происхождении и развитии небесных тел (планеты, звезды, галактики)

Основные эмпирические факты • однородность и изотропность Вселенной • конечность светового потока • красное смещение в спектрах удаленных галактик • реликтовое излучение • соотношение гелия и водорода (примерно 1 / 3 )

Гипотеза Большого Взрыва (Big Bang) • около 15 млрд лет назад взрыв – флуктуация вакуума • затем – рождение частиц (кварки и лептоны) • потом – частицы соединяются в атомы (сначала водород и гелий) • все это время идет охлаждение и стремительный разлет вещества, • затем – флуктуации в газовых облаках, уплотнения, гравитационная конденсация, образование ядер галактик, звезд

Хронология эволюции Вселенной • 15 млрд лет назад – Большой Взрыв • 3 минуты спустя – образование вещественной основы Вселенной • через несколько сотен тысяч лет – появление атомов (H, He) • 14 -13 млрд лет назад – образование разномасштабных структур (галактик) • 10 млрд лет назад – появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов • 5 млрд лет назад – рождение Солнца • 4. 6 млрд лет назад – образование Земли • 3. 6 млрд лет назад – зарождение жизни • 450 млн лет назад – выход жизни на сушу • 150 млн лет назад – появление млекопитающих • 4 млн лет назад – начало антропогенеза

Варианты эволюции Вселенной • Статическая Вселенная (Эйнштейн, Де Ситтер) • Расширяющаяся Вселенная (Фридман, 1922) • Разновидности нестационарной модели: 1) замкнутая модель (расширение сменится сжатием) 2) открытая модель (расширение бесконечно во времени) • Выбор между моделями зависит от массы вещества во Вселенной Наблюдаемая масса близка к критическому значению. Поэтому роль может сыграть скрытая масса (масса несветящегося вещества, масса нейтрино …)

Внеземные цивилизации • Проблема существования Формула Дрейка A*B*C*D*E*F*G… * Nзвезд = от 0, 001 до 1000 • Проблема поиска Что нужно искать? • Проблема контакта Какие выделяют типы контактов?