Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Солнечная система в мире галактик

 

Вся информация, накопленная человечеством о Вселенной основана на наблюдениях и математических расчетах. Только в XX и XXI веках человеку стали доступны другие методы исследования космоса, например запуски искусственных спутников, спектроскопический анализ и др.

Основа астрономических знаний формировалась мыслителями древнего мира. Особенно необходимо отметить страны Древнего Востока – Египет, Вавилонию (современный Иран), Индию, Китай, ученые которых научились наблюдать астрономические явления и делать предсказания относительно движения небесных тел. В период развития Древнегреческой науки эти знания были позаимствованы греческими учеными.

Идея геоцентрического строения Вселенной была выдвинута в VI веке до н.э. великим ученым Древней Греции Аристотелем, который считал, что Земля и другие планеты шарообразны, а небесная сфера замыкает Вселенную. Таким образом была представлена первая научная картина мира: Земля – неподвижный центр Вселенной, имеющей конечные размеры. Несмотря на то, что в последующие столетия высказывались другие представления о строении мира, во II веке окончательно утвердилась геоцентрическая модель. Сторонником которой, являлся александрийский астроном Птолемей. Эта теория в значительной степени соответствовала теологическим представлениям о мире и просуществовала вплоть до XIV столетия, когда наступившая эпоха Возрождения дала возможность развиваться альтернативным теориям и взглядам.

По сути дела, существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления о строении мира можно считать космологическими теориями соответствующей эпохи. Геоцентрическая система Аристотеля-Птолемея стала первой научно обоснованной космологической моделью Вселенной. Спустя 1500 лет ее сменила новая космологическая модель - гелиоцентрическая система, предложенная Коперником.



Группа из девяти планет вместе с Солнцем составляют Солнечную систему (по современным данным американских исследователей существует десятая планета солнечной системы – Седна). Планеты гораздо меньше по размерам и имеют более низкие температуры, чем Солнце, вокруг которого они обращаются. В солнечную систему кроме планет входят их спутники, астероиды, кометы и метеорные тела. Планеты Солнечной системы расположены по отношению к Земле следующим образом: две внутренние планеты (Меркурий и Венера), шесть внешних планет (Марс, имеющий два спутника; Юпитер, имеющий четырнадцать спутников; Сатурн, имеющий шестнадцать спутников; Уран, имеющий пять спутников; Нептун, имеющий два спутника; Плутон с одним спутником). Спутники планет совершают сложное движение, вращаясь не только по отношению к своей оси и планете, но и по отношению к Солнцу вместе с планетой. Детальное изучение планет и их спутников стало возможным на основе использования космических кораблей, систематические запуски которых начались с 1962 г. Наиболее активно изучаются такие планеты как Меркурий и Венера, поскольку они ближайшие соседи Земли. Получены образцы грунта этих планет, а также спутника Земли Луна и осуществлен анализ их химического сотава. В настоящее время получены фотографические снимки практически всех планет и спутников Солнечной системы.

Планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земной группы – Земля, Меркурий, Венера и Марс; планеты гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. О планете Плутон недостаточно сведений для определенной классификации. В Солнечной системе расположено более 3500 астероидов, представляющих собой малые планеты. В основном астероиды расположены между орбитами Марса и Юпитера. Самым крупным из известных астероидов является Цецера, размеры которого оцениваются в 1000 км. Температура астероидов не превышает 100 С, атмосфера отсутствует, а размеры в основном составляют сотни метров. В системе небесных тел особенное место занимают кометы, обращающиеся вокруг Солнца и состоящие в основном изо льда и отдельных вкраплений разных материалов. Движение комет можно наблюдать невооруженным взглядом, они представляют удивительное явление природы.

Межпланетное пространство заполнено множеством мельчайших частиц вещества, которые получили название метеорных тел. Причина их возникновения связана с разрушением астероидов и комет. В отдельных случаях большие метеорные тела достигают поверхности Земли, проникая сквозь ее атмосферу и выпадая в виде метеоритов, состоящих в основном из железа.

Планетные системы входят в состав галактик – гигантских звездных систем. Галактики представляют наблюдаемую область Вселенной и дают информацию о состоянии Вселенной в прошлом. Свет идет от них к Земле миллионы лет, поэтому сложно представить настоящее состояние галактик и их скоплений.

Галактики могут существовать как отдельно, так и в виде скоплений. Поэтому в науке используются различные подходы к их классификации: по размерам; по форме.

По размерам выделяют галактики-карлики (до нескольких десятков световых лет) и галактики-великаны ( от десятков до миллионов световых лет).

Американский астроном Э. Хаббл предложил разделять галактики на три основных типа в зависимости от внешней формы: эллиплические, имеющие эллиптическую или круглую формы; спиральные галактики, имеющие одну или несколько спиралей; неправильные галактики, строение которых имеет клочковатую форму.

Наиболее исследованной в настоящее время является наша галактика, имеющая название Млечный путь, и галактика в виде туманности под названием Андромеда. В состав Млечного пути входят четырнадцать карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и несколько неправильных галактик, наиболее известной из которых является галактика под названием Магеллановы облака. Андромеда относится к спиральным галактикам и включает одну спиральную и несколько эллиптических галактик. Образование галактик связывают с процессом эволюции Вселенной, считая, что 15 млрд. лет назад произошло выделение групп протогалактик, развитие которых определялось гравитационными взаимодействиями составляющего их вещества. С галактиками тесным образом увязывается проблема возникновения звезд. Наша галактика – Млечный путь – это огромная система звезд, количество которых считается равным более чем 200 млрд. Главной звездой является Солнце. Млечный путь включает также пыль и газ, огромное множество электромагнитных полей и космических лучей. Наша галактика имеет форму правильного диска с шарообразным утолщением в центре. Диаметр ее равен 105 световых лет. Центр самой галактики лежит в направлении созвездия Стрельца, Солнечная система обращается вокруг этого центра со скоростью около 220 км/с. Только за 250 млн. лет Солнечная система совершает один оборот вокруг центра Млечного пути. В свою очередь наша галактика вращается вокруг центра Местной системы галактик.

Ближайшее скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпк (мегапарсек). Известно более 50 сверхскоплений галактик. Расположение галактик и скоплений галактик в пространстве Вселенной не является равномерным, а скорее имеет сетчатую (зернистую) структуру. Наблюдаемая часть Вселенной получила название Метагалактики.

В итоге структуру Вселенной можно представить с точки зрения земного наблюдателя как систему Земля-Луна – Солнечная система – наша Галактика (Млечный путь) – скопление галактик-сверхскопления галактик – сетчатая структура Вселенной.

Модель Большого взрыва

 

Изучение состава близких к нам галактик показало, что они, как и наша Галактика, состоят из таких же объектов — звезд, звездных скоплений, туманностей. Это подтверждает вывод, что в «малых» масштабах физические законы, управляющие развитием звезд и звездных систем, в наблюдаемой части Вселенной одинаковы. К тому же, на каждом этапе своего развития, наука просто не может обойтись без определенных «рабочих» моделей (которые всегда подлежат уточнению и заменам), независимо от того, идет ли речь о Вселенной, квазарах или обычных звездах.

Общие закономерности развития и структуры Вселенной изучаются путем построения космологических моделей. Это делается на основании общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1915 г., основные принципы (постулаты) и положения которой были рассмотрены нами в п. 4.2. Впрочем, позже было установлено, что основные характеристики космологических моделей можно получить, исходя из ньютоновых классических представлений (это в наше время показали космологи Э. Милн и В. Маккри).

Построить или создать космологическую модель Вселенной, полагая, что это некоторое геометрическое размерное пространство, — значит получить зависимость для так называемого масштабного фактора от времени, т. е. выяснить, как зависит от времени расстояние (масштаб) между двумя его точками (например, между галактиками). При постановке этой задачи обычно исходят из предположения, что свойства Вселенной для каждого заданного момента времени одинаковы во всех ее точках (свойство однородности пространства) и во всех направлениях (свойство изотропии пространства). Этот космологический принцип однородности и изотропии Вселенной подтверждается наблюдениями: в сверхбольших масштабах в распределении сверхскоплений галактик и в самом деле не обнаружено отклонений от однородности и изотропии. Итак, в начале прошлого века, после того как Эйнштейн создал теорию тяготения, родилась современная космология, первым автором которой безоговорочно признается наш великий соотечественник Александ Александрович Фридман (1888-1925), а дата отсчитывается от времени публикации первой статьи Фридмана «О кривизне пространства» в 1922 году. В статьях (1922-1924) гг. Фридманом была показано, что наблюдаемая Вселенная в принципе не может быть стационарной – составляющая ее материя при бесконечном времени существования должна была либо разлететься, либо собраться в одном месте. Этот вывод был получен в науке так поздно только из-за глубокой подсознательной убежденности всех исследователей в «неизменности» существующего мира (как уже отмечалось, все великие ученые прошлого – Аристотель, Ньютон, даже Эйнштейн, который сначала не признал работу Фридмана, верили в стационарность мира). В этом были убеждены и материалисты, отрицавшие акт творения, и верующие, считавшие, что мир был сотворен Богом, но такое убеждение не было основано на фактах.

Темп удаления галактик друг от друга, как показывает решение Фридмана, может меняться с течением времени (правда, заметить это на наших «земных» промежутках времени практически невозможно, заметное изменение скорости разбегания галактик происходит за миллиарды лет). Возможны несколько вариантов моделей расширения Вселенной, но пока представим три наиболее характерных варианта расширения Вселенной.

Первые две модели описывают неограниченное во времени расширение Вселенной, и разница между ними в названии кривых, которыми описываются законы этих расширений: первая – гипербола, вторая – парабола. Третья модель расширения соответствует циклоиде. Эти варианты эволюции Вселенной обусловлены соотношением между средней плотностью Вселенной 'р и некоторой критической плотностью р которая впервые была определена Фридманом. Если 'р < ркр , то расширение идет по закону, описываемому гиперболой, если 'р = ркр, получим параболу, и если 'р > ркр, то процесс расширения когда-то (через два – три десятка миллиардов лет) сменится сжатием, это описывается циклоидой. Как замечаем, фундаментальное значение имеют две величины – средняя плотность Вселенной 'р и некая критическая плотность ркр . Как показали многочисленные измерения внутри- и межгалактической плотности, средняя плотность 'р = 10-30 г/см3. Что касается критической плотности ркр, то мы к ней вернемся после освещения истории экспериментального открытия расширения Вселенной в 1929 году Эдвином Хабблом. Наиболее полно характерные космологические модели, которые в различное время предлагались для объяснения свойств нашей Вселенной, представлены ниже:

1. Пульсирующая модель. В этой модели в некоторый «нулевой» момент космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная представляет собой некоторую сингулярную точку. С нулевого момента он начинает возрастать, достигает максимального значения и снова уменьшается до нуля. Так же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой модели.

2. Закрытая модель: масштабный фактор увеличивается от нуля до определенного максимального значения, достигаемого в бесконечно удаленном будущем.

3. Модель Лемэтра: масштабный фактор увеличивается от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти постоянным (модель Большого взрыва).

4. Модель Эйнштейна – де Ситтера: начавшееся однажды расширение продолжается неограниченно (это расширение происходит с замедлением).

5. Замкнутая Вселенная, в которой возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона-Леметра, масштабный фактор которой равен определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно возрастает в будущем.

6. И, наконец, отметим еще так называемую модель де Ситтера: в данном случае масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским астрофизиком Фредом Хойлом.

Теоретически, на основании уравнений теории Эйнштейна, можно построить около двух десятков моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется, астрофизикам пока не удалось выснить.

Космология – раздел астрономии, который изучает строение и эволюцию Вселенной в целом, используя при этом методы и достижения физики, математики и философии. Теоретические модели, описывающие наиболее общие свойства строения и эволюции Вселенной, проверяются астрофизическими методами наблюдений. Очевидно, что выводы космологии имеют важное значение для формирования современной научной картины мира. Теоретическим фундаментом современной космологии явилась созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955) в начале XX в. общая теория относительности - релятивистская теория тяготения. Наиболее существенным отличием современных космологических моделей, первые из которых были разработаны Александром Александровичем Фридманом (1888-1925) на основе теории Эйнштейна, является их эволюционный характер. Идея глобальной эволюции Вселенной оказалась столь необычной, что первоначально не была принята даже самим создателем теории относительности, таким выдающимся ученым, как Эйнштейн. Даже позднее, когда стало очевидно, что все объекты во Вселенной изменяются с течением времени, казалось, что процессы, происходящие в ее отдельных составных частях, не меняют облика всей Вселенной. Эта идея была для Эйнштейна настолько очевидной, что для уравнений теории относительности, примененных ко всей Вселенной, он стал искать решения, описывающие ее состояние, не меняющееся со временем.

Кроме теории расширяющейся Вселенной А. Фридмана, затем также теоретической модели «горячей» Вселенной Г. Гамова, надежно установленного экспериментального закона Хаббла, есть прямая экспериментальная информация, подтверждающая Big Bang: это предсказанное в 1947 г. и открытое в 1965 г. реликтовое излучение.

Многократные измерения показали, что этот космический электромагнитный фон является изотропным, т, е. интенсивность его излучения одинакова по всем направлениям. Исследование физических характеристик реликтового излучения показало, что первоначальная плазма обладала чрезвычайно высокой температурой. Согласно развитой теории «горячей» Вселенной, реликтовое излучение возникло несколько позже Big Bang, примерно через миллион лет после взрыва, следовательно, в момент взрыва температура была еще выше, или, как принято говорить в математике, была бесконечно большой.

 

Звезды и их эволюция

 

Итак, два важнейших наблюдательных факта, лежащих в фундаменте современной космологии – фридмано-хаббловское расширение Вселенной и гамовское реликтовое излучение. Их сопоставление ведет к логическому выводу о существовании некоего Космологического Горизонта, «заглянуть» за который и получить какую-то информацию об объектах, находящихся далее, и о структурах, превосходящих по размеру расстояние до Космологического Горизонта, человечеству не дано (по крайней мере, в современную технологическую эпоху). Пока человек является обитателем Местного сверхскопления галактик, эффект красного хаббловского смещения для источника света, удаленного на расстояние R > 1,4 Гпк, приводит к тому, что этот объект станет неразличим на фоне микроволнового (реликтового) излучения.

Третьим наблюдательным фактом следует считать открытие и исследование крупномасштабной структуры Вселенной. До этого открытия самыми крупными объектами во Вселенной считались гигантские галактики и скопления галактик. Открытие сверхскоплений галактик (крупномасштабной структуры) произвело неизгладимое впечатление на космологов.

Крупномасштабная структура Вселенной была предсказана российскими космологами и астрофизиками во главе с академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем. Теоретически анализируя законы эволюции малых возмущений плотности в расширяющейся Вселенной, Зельдович обнаружил любопытное явление: образующиеся объекты не обладали сферической формой (тогда как сами звезды, планеты – сферы, есть и шаровые галактики). Это были структуры объемные, неравные по трем направлениям, весьма похожие на обычные блины. Зельдович так и назвал свою теорию теорией блинов (Бог, если это он испек Вселенную, не чужд обыденности!). Теория предсказывала существование в глубоком космосе пустот, теперь их называют войды (от англ. void – пустота, пустое место).

Чтобы быть совсем точным, надо сказать, что самый крупный объект во Вселенной - Метагалактика, за пределами которой нам мир не виден. Крупномасштабная структура Метагалактики выявлена для шкалы расстояний от нескольких мегапарсек до нескольких сотен мегапарсек. С. Шандарин, Р. Киршнер и др., которые в 1981-82 гг. открыли крупномасштабную структуру, наблюдали далекие галактики в телескоп на трех полях галактик, отстоящих друг от друга на угловые расстояния в 5 градусов. В каждом из полей они сосчитали галактики, измерили их красные смещения и построили гистограмму (графическую столбчатую диаграмму), в плоскости которой отложили то что считали и измеряли: число галактик N – красное смещение z. На гистограмме выявились два пика, разделенные почти пустым пространством. Их интерпретация была предельно проста: мы видим два блина крупномасштабной структуры Вселенной, а между ними пустое поле.

Дальнейшие исследования показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик имеют форму волокон, или филаментов (англ. filament – нить, волокно), которые образуют стенки ячеек – войдов. Внутри каждого войда галактик нет, они сосредоточены, в волокнах, образующих стенки войда (так можно себе представить трехмерную паучью паутину). Размеры войдов около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. Эта крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики, как принято считать, не образует более крупных структур, поэтому в данных мегамасштабах Метагалактика однородна и изотропна. Конечно, абсолютная категоричность здесь неуместна. Планируется построить полное трехмерное распределение галактик в Метагалактике на глубину, превышающую сотню мегапарсек.

Это мы говорили о структуре, а теперь о механизмах образования этих структур. После «большого взрыва» образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. В результате взаимопритяжения частиц пыли и газа (главным образом водорода) образовались первые поколения звезд. Звезда – это огромное раскаленное небесное тело определенного химического сотава.

После того как возникли первые звезды, оставшийся газ, ввиду наличия у него внутреннего момента движения, собрался в тонкий диск (блин), и в этом диске сформировалось из газа второе поколение звезд. Наиболее массивные звезды быстро эволюционировали с образованием тяжелых металлов, которые выбрасывались в межзвездный газ. Некоторые из тяжелых металлов конденсировались в крошечные крупинки — межзвездную пыль.

Когда в центральной плоскости галактики было сформировано достаточное количество звезд, неустойчивость движения заставила их временно объединиться в скопления, из которых были сформированы спиральные рукава. Рукава представляют собой протяжные образования, которые вращаются вокруг центра галактики. Вещество, из которого они состоят, испытывает изменения. Некоторые звезды могут переходить из одного рукава в другой. Подобно звездам, межзвездный газ и пыль также находятся в рукавах. В межзвездном газе в результате вспышек сверхновых звезд возникает разница в давлении. Газ оттекает из области высокого давления в область низкого давления, образуются облака неионизированного газа высокой плотности. Силы тяготения стремятся сжать такое облако в более компактное образование. Однако сжатию препятствует внутреннее давление, которое стремится заставить облако расшириться. Обычно внутреннее давление больше гравитационного. Но иногда внешнее давление внезапно повышается из-за происходящих неподалеку бурных событий: например, вспышка сверхновой звезды, образование массивной звезды или крупномасштабная перестройка межзвездного магнитного поля. Облако может сжаться до плотности гораздо больше типичной. Тяготение может преодолеть внутреннее давление, вследствие чего облако начинает катастрофически сжиматься, и образуются звезды. По мере сжатия межзвездные пылинки защищают внутренние области облака от нагрева излучением звезд, находящихся снаружи. Температура облака падает, а с ним внутреннее давление в облаке. В результате облако распадается на части, а те, в свою очередь, на еще меньшие образования. В звездах в результате сжатия водород превращается в гелий. Поскольку в центре давление выше, то и гелий образуется в центре, образуется гелиевое ядро.

Ядро еще больше сжимается и разогревается. В слоях, прилегающих к ядру, из-за огромной температуры также начинает образовываться гелий. Когда температура внутри звезды достигает 1,5 X 107К, гелий превращается в углерод, с последующим образованием все более тяжелых химических элементов. В результате образуются красные звезды, сверхгиганты. Заключительный этап жизни звезды зависит от ее массы. При малой массе внешние слои постепенно расширяются и, в конце концов, покидают ядро звезды; на месте гиганта остается горячий маленький карлик с белым свечением, который затем постепенно остывает и становится потухшей звездой. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последнем этапе эволюции теряют устойчивость и могут взорваться, как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами, а затем сжаться, превратившись в нейтронные звезды с диаметром в несколько километров.

Внутри звезд в ходе термоядерных реакций образуется до 30 химических элементов, а во время взрыва и все остальные известные на Земле химические элементы.

Обогащенная тяжелыми элементами межзвездная среда образует звезды нового поколения. Возраст звезд по этому можно определить методом спектрального анализа. Есть звезды-сверхгиганты, намного превышающие массу Солнца. Они либо превращаются в нейтронную звезду, либо в процессе неограниченного сжатия превращаются в «черную дыру», т. е. в объект, обладающий гигантским по своей величине полем тяготения, не выпускающий за свои пределы никакое излучение. Их можно обнаружить косвенно, по их гравитационному воздействию на окружающие тела. Межзвездный газ или газ соседней звезды, притягиваясь и падая на «черную дыру» (этот процесс называется аккрецией), образует вокруг нее шлейф. Напрашивается вывод: звезды и галактики подчиняются всеобщим законам диалектики: рождаются, живут и умирают. И процесс этот продолжается до наших дней.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2024 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.