Вселенная и ее эволюция «Эволюцию мира

Вселенная и ее эволюция

«Эволюцию мира можно сравнить со зрелищем фейерверка, который мы застали в момент, когда он уже кончается: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров» . Ж. Леметр.

Метагалактика – часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований Космический телескоп «Хаббл» на орбите вокруг Земли

Схема Галактики (вид с ребра) M 83 Наша Галактика (Млечный Путь) состоит приблизительно из 200 млрд. звезд. Это спиральная галактика, имеет форму линзы диаметром около 100 тысяч световых лет и толщиной около 30 тысяч световых лет. Солнце находится вблизи плоскости симметрии галактического диска на расстоянии около 27 тысяч световых лет от центра Галактики на окраине рукава Ориона – одного из спиральных рукавов Млечного Пути. Световой год - путь, который свет проходит за год, т. е. 9, 46× 1012 км.

Схема Млечного пути Три основных компонента Галактики: диск, в пределах него находится и солнечная система, центральный балдж в ядре (сплюснутый сфероид), и расположенное вокруг гало. Диск состоит из 4 спиральных рукавов, его M 83 составляют в основном молодые звезды (возраст 1 млн. - 10 млрд. лет). Балдж - область высокой плотности звезд, - это более старые звезды в возрасте около Солнце Ядерный Диск 10 млрд. лет. Гало - диффузная балдж сферическая область, окружающая диск. В нем с низкой плотностью располагаются старые звезды в виде шаровых скоплений. Шаровые Гало скопления

Для земного наблюдателя звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, сливаются в видимую картину Млечного Пути. Bидимое небо во инфракрасных Видимое небо лучах

Центр Галактики: инфракрасное Центр Галактики в видимом свете изображение Инфракрасное изображение ядра центральной области Млечного пути

Галактики – скопления звезд Спиральные: M 100, NGC 1365 Неправильные: Млечный путь, Андромеды Большое Магелланово облако Спиральные галактики характеризуются спиральными рукавами и присутствием газа в диске, что означает активное образование молодых звезд. Спиральные галактики чаще обнаруживают в областях с низкой плотностью галактик, где они могут избежать разрушающего влияния приливных сил от соседних галактик. Неправильные галактики -маленькие, не имеющие балджа.

Галактики – скопления звезд Эллиптические: Гигантская Линзообразные: Галактика эллиптическая галактика M 87 сомбреро NGC 4549 Эллиптические галактики обладают однородной светимостью и похожи на балдж в спиральных галактиках, только без диска. Звезды в таких галактиках старые. Эллиптические галактики обычно находят в областях высокой плотности, в центре скоплений галактик. Линзообразные галактики, хотя и обладают балджем и диском, не имеют спиральных рукавов. Все звезды также являются старыми. По-видимому, эти галактики занимают промежуточное положение.

Скопления галактик Скопление Девы Скопление Кома Регулярные скопления имеют концентрированное центральное ядро и сферическую структуру. Нерегулярные скопления не имеют строго определенного центра. Наша группа галактик состоит из Млечного пути, более крупной спиральной галактики Андромеда (M 31) и нескольких малых галактик, включая Большое и Малое Магеллановы облака. Галактики входят в сверхскопления, состоящие обычно из цепочек примерно десятка скоплений. Система сверхскоплений образует опутывающие пространство сети, в которых располагается около 90% всех галактик.

Глубокое исследование красных смещений выявило, что галактики входят преимущественно в листовые и волокнистые структуры. Доминирующей чертой такой структуры являются пустоты.

Радиоизображение близкого квазара 3 С 273. Видна струя излучающего вещества длиной около 150 тысяч световых лет и центральный компактный объект (слева вверху). Условные цвета соответствуют интенсивности радиоизлучения. Запечатленное излучение было испущено квазаром приблизительно 1, 5 млрд. лет назад (расстояние до квазара приблизительно 1, 5 млрд. световых лет).

Эволюция звезд

Рождение звезды

Рождение звезд начинается в холодных гигантских молекулярных облаках (ГМО). В нашей галактике их около 20 тыс. Под действие гравитации ГМО постепенно сжимаются в обособленные сгустки газа – протозвезды. Во время сжатия протозвезды нагреваются. С ростом температуры газ в недрах протозвезды превращается в плазму, а при нескольких миллионах градусов начинаются термоядерные реакции. Сжатие прекращается и протозвезда становится звездой-карликом. На этой стадии звезды-карлики в зависимости от температуры бывают желтыми, оранжевыми, красными. Во время термоядерных реакций в них водород превращается в гелий. Наше Солнце – желтый карлик.

Судьба звезды определяется ее первоначальной массой. 1) Если масса звезды- карлика меньше половины солнечной, то он сожмется в белый гелиевый карлик с водородной оболочкой. В белых карликах нет термоядерных реакций, и их излучение вызвано только тепловым движением атомов. Со временем белые карлики остывают, теряют энергию, и, в конце концов, становятся черными. 2) При большой массе карлика по мере исчерпания водорода ядро продолжает сжиматься, выделяя энергию. Эта энергия нагревает внешние слои звезды и она начинает расширяться до гигантских размеров. Карлик становится гигантом и сверхгигантом.

Сверхновые звезды образуются в результате стремительного сжатия (коллапса) гигантов и сверхгигантов. В самом ядре по мере сжатия протоны сливаются с электронами, образуя нейтроны. Если масса ядра меньше 2, 7 солнечных, то давление нейтронов уравновешивает гравитацию и образуется нейтронная звезда в первой стадии развития – пульсар. При больших массах сверхновые продолжают неограниченно сжиматься и превращаются в черные дыры. Черные дыры – конечный этап эволюции массивных звезд, результат гравитационного коллапса. Вещество и излучение проваливаются в них и не могут выйти обратно. Черные дыры можно обнаружить только по рентгеновскому излучению, исходящему от вещества, с огромным ускорением падающего на их поверхность. Такие источники излучения в настоящее время обнаружены в центрах Галактик.

NGC 4696 in the Centaurus Galaxy Cluster: Black Holes Found To Be Green By NASA's Chandra По мере того, как вещество из нормальной звезды падает к черной дыре, оно выдает рентгеновское излучение

Модель расширяющейся Вселенной Фридман А. А. Хаббл Эдвин Гамов Г. А. (1888 -1925) (1889 -1953) (1904 -1968) В 1922 г. Александром Фридман – отказался от постулата о стационарности Вселенной. В 1929 г. Эдвин Хаббл - представил доказательства расширения Вселенной ( «далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем выше ее скорость» ). В 1946 -48 Гамов разработал модель «горячей Вселенной» , в которой обосновал существование реликтового излучения. В 1965 реликтовое излучение было зарегистрировано А. Пензиасом и Р. Вильсоном.

А А Б С Б С Б С Время прошлое настоящее

Плутон Солнечная Нептун система – планетарная система Солнца. Уран К Солнечной Солнце системе относятся Сатурн все обращающиеся вокруг Солнца тела, включая планеты, их Юпитер спутники, Марс астероиды, Венера кометы. Меркурий Земля Солнце, сопровождаемое свитой планет и сопровождающих их тел, совершает один оборот вокруг центра нашей Галактики за 226 млн лет, двигаясь со скоростью 220 км/сек. Этот промежуток времени называется галактическим годом. Помимо кругового движения по орбите, Солнечная система совершает вертикальные колебания относительно галактической плоскости, пересекая её каждые 30— 35 млн. лет и оказываясь то в северном, то в южном галактическом полушарии.

Расположение планет в направлении от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) близки по размерам и химическому составу, средняя плотность их вещества от 5, 52 до 3, 97 г/см 3; у планет- гигантов Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна средняя плотность вещества 1, 4 г/см 3, т. е. близка к солнечной. Все планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам в одном направлении.

Приблизительное соотношение размеров планет и Солнца Основная масса солнечной системы (99. 8%) приходится на ее единственную звезду – СОЛНЦЕ, которое удерживает своим тяготением планеты и прочие принадлежащие Солнечной системе тела. Суммарная масса планет составляет 0. 13% от общей. На остальные тела системы приходится только 0. 0003% массы. Средняя плотность Солнца — 1, 4 г/см 3, хотя в центре Солнца она достигает 150 г/см 3. Радиус Солнца составляет 700 тыс. км, что в 109 раз превышает радиус Земли. Соответственно, объём Солнца превышает земной в 1, 3 миллиона раз. Масса Солнца равна 2 × 1030 кг, в 330 000 раз больше массы Земли.

Внутреннее строение и состав Солнца Ядро Корона Фотосфера Протуберанцы Солнечное пятно и грануляция фотосферы. Структура Солнца: ядро и атмосфера. Слои атмосферы снизу вверх: фотосфера (слой, излучающий свет), хромосфера, солнечная корона. Преобладающими элементами на Солнце являются водород и гелий. Водород составляет 92 % по числу атомов и 70 % по массе, гелий - 7, 8 % и 29 % соответственно. Остальные элементы - менее 1% массы Солнца. Источник солнечной энергии — термоядерные реакции превращения водорода в гелий в центральной области Солнца.

Изображение Солнца, полученное в 1997 г. с борта космической обсерватории SONO Европейского космического агенства и NASA. Видны хромосфера и плотная часть солнечной короны. Первый нейтринный портрет Солнца, полученный японским нейтринным детектором в 1998 г. Нейтрино выходят из горячего ядра Солнца.

Солнечная корона – внешняя часть солнечной атмосферы, состоит из высокоионизированной плазмы. Солнечный ветер – истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, прослеживается до расстояний в несколько десятков радиусов Солнца, постепенно рассеиваясь.

Гипотеза образования солнечной системы Солнечная система образовалась около 5 млрд. лет назад из газопылевого облака. При сжатии облака температура повышалась. Когда в центральной области запустилась термоядерная реакция горения водорода, протозвезда превратилась в звезду (4, 5 млрд. лет назад ). Во внешней области диска первоначальные крупные сгущения образовали планеты. Протопланетное облако содержало не только первичные водород и гелий, но и тяжёлые элементы (металлы). В центре облака - преобладали железо- никелевые частицы, на периферии - кальций-алюминиевые. Химическая неоднородность планет является следствием такой зональности.

Соотношение массы планет относительно Земли Меркурий Венера Земля Марс 0, 06 0, 82 1, 00 0, 11 6 х1024 кг Юпитер Сатурн Уран Нептун 318 95 14, 6 17, 2

Сравнительная таблица основных параметров планет Все параметры ниже указаны относительно их значений для Земли: Экваториальный Орбитальный Масса Сутки Планета диаметр радиус период Спутники (земных масс) (земных суток) (земных диаметров) (а. е. ) (лет) Меркурий 0, 382 0, 06 0, 38 0, 241 58, 6 нет Венера 0, 949 0, 82 0, 72 0, 615 − 243** нет 1, 00 (149, 6 млн Земля* 1, 00 (6378 км) 1, 00 (6 х1024 кг) 1, 00 1 км) Марс 0, 53 0, 11 1, 52 1, 88 1, 03 2 Юпитер 11, 2 318 5, 20 11, 86 0, 414 63 Сатурн 9, 41 95 9, 54 29, 46 0, 426 49 Уран 3, 98 14, 6 19, 22 84, 01 − 0, 718** 27 Нептун 3, 81 17, 2 30, 06 164, 79 0, 671 13 Плутон*** 0, 24 0, 0017 39, 5 248, 5 − 6. 5** 3 * Абсолютные значения приведены в статье Земля. ** Отрицательное значение продолжительности суток означает вращение планеты вокруг своей оси в противоположную, по сравнению с орбитальным движением, сторону. *** Вскоре после открытия в 1930 году, Плутон был классифицирован как планета Международным Астрономическим Союзом. Однако, основываясь на сделанных впоследствии открытиях, Плутон лишён этого статуса.

ВЕНЕРА Радиолокационное изображение поверхности Венеры, переданное американским космическим аппаратом «Магеллан» . Видна гора Гула – кратер поперечником несколько сот км и высотой 3 км. Преобладающую долю атмосферы составляет углекислый газ (~ 97%); азота — около 3%; водяного пара — менее десятой доли процента, кислорода — тысячные доли процента. Облака Венеры состоят в основном из 75 -80 -процентной серной кислоты. Благодаря парниковому эффекту возле поверхности Венеры исключено всякое существование жидкой воды.

МАРС Южная полярная шапка льда из Участок поверхности со следами углекислого газа и обычного льда водной эрозии Атмосфера на Марсе разрежена (давление порядка сотых и даже тысячных долей атмосферы), и состоит, в основном, из углекислого газа (95%) с примесью азота (3%), аргона (1, 5%) и кислорода (0, 15%). Концентрация водяного пара невелика.

Юпитер Снимок атмосферы Юпитера. Большое красное пятно – гигантский Верхний слой облаков состоит в устойчивый антициклон в атмосфере основном из кристаллов аммиака Юпитера. Природа его до конца неясна Как и другие планеты-гиганты, Юпитер существенно отличается по химическому составу от планет земной группы. Доминирующими здесь являются водород и гелий в пропорции 3, 4 : 1, но в центре планеты согласно существующим моделям имеется жидкое ядро из расплавленных металлов и силикатов, окруженное водно-аммиачной жидкой оболочкой.

Сатурн Кольца Сатурна состоят из сотен колечек, Фотография Сатурна сделана с (ледяные или силикатные образований). расстояния 7, 8 млн. км. от планеты, Фотография сделана в 2005 г. с расстояния 2004 г. АМС «Кассини» . 780 тыс. км. от планеты АМС «Кассини» . По внутреннему строению и составу Сатурн сильно напоминает Юпитер. На две трети Сатурн состоит из водорода. На глубине водород переходит в металлическую фазу.

Уран Нептун Темные кольца Урана на фоне светлых Две фотографии, сделанные в 1989 г. облаков. Фотография сделана в 1986 г. АМС «Вояджер-2» с расстояния 230 АМС «Вояджер-2» с расстояния 630 тыс км. , показывают систему колец тыс. км. от планеты Атмосфера Урана в основном состоит из водорода, гелия и метана, Теоретическая модель строения Урана: поверхностный слой представляет собой газожидкую оболочку, под которой находится ледяная мантия (смесь водяного и аммиачного льда), еще глубже — ядро из твердых пород. На Нептуне преобладают водород и гелий примерно в таком же соотношении, как и на Солнце: на один атом гелия приходится около 20 атомов водорода. Имеется протяженная ледяная оболочка как на Уране. По теоретическим оценкам, имеется и мантия, и ядро.

Плутон Церера Астероид - небольшое планетоподобное тело Солнечной системы (малая планета). Самый большой из них Церера, имеющий 932 км в поперечнике. Астероиды по размерам сильно различаются, самые маленькие из них не отличаются от частиц пыли. Однако общая масса всех астероидов меньше одной тысячной массы Земли. Большинство орбит астероидов сконцентрировано в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера.

Голова кометы представляет собой ледянистое тело, смесь замерзших газов и частиц пыли. Хвост кометы состоит из улетучивающихся из ядра под действием солнечных лучей молекул (ионов) газов и частиц пыли, диаметр ядра может достигать 0. 5 -20 км, а длина хвоста - десятков млн. км. Кометы движутся по сильно вытянутым орбитам. Земля подвергается постоянной бомбардировке метеоритами. По оценкам специалистов, в течение года Земля захватывает больше 200 млн. кг метеорного вещества, а в сутки вспыхивает порядка одного млн. метеоров. Десятая часть их массы достигает поверхности в форме метеоритов и микрометеоритов. Остальная часть сгорает в атмосфере, порождая метеорные следы.

Комета Галлея в 1986 г. Комета Галлея была исследована отечественными космическими аппаратами «Вега-1» , «Вега-2» и европейским «Джотто» . Ядро кометы Галлея состоит в основном из обычного льда (с небольшими включениями углекислых и метановых льдов), а также пылевых частиц. Именно они образуют оболочку кометы, а с приближением её к Солнцу часть из них — под давлением солнечных лучей и солнечного ветра — переходит в хвост. Размеры ядра кометы Галлея - 14 км в длину, 7, 5 км - в поперечном направлении. Период появления кометы Галлея – 76 лет.

Комета Хейла—Боппа. 1997 г. Частицы, из которых состоят кометы, обладают неодинаковым составом и свойствами и по- разному отзываются на световое давление. Таким образом, пути этих частиц в пространстве «расходятся» , и хвосты комет приобретают разные формы. Предположительно, долгопериодические кометы залетают к нам из Облака Оорта (большого скопления комет, окружающего Солнечную систему и простирающегося почти на световой год). Обнаружено также примерно 200 короткопериодических комет, которые регулярно приближаются к Солнцу. Многие из них образуют семейства. Так, 50 самых короткопериодических комет (их полный оборот вокруг Солнца 3— 10 лет) образуют семейство Юпитера. Немного малочисленнее семейства Сатурна, Урана и Нептуна (к последнему относится знаменитая комета Галлея).