IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

 

Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.

Величественная картина небесного купола, усеянного мириадами звёзд, с незапамятных времён волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле и зачарованно любующегося торжественной и чудной картиной.

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на Земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведённые в 20–21 веках, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далёкое прошлое.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскалённый и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскалён, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь, друг с другом.

До начала 20-го века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Учёные полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворён и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы учёных прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живём, и какие существуют гипотезы по поводу её будущего. Была создана теория Большого Взрыва, а также теории, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, её появление и структуризации. Всё это позволяет нам понять сущность физических процессов, показывает источники, создающие современные законы физики, даёт возможность прогнозировать дальнейшую судьбу Вселенной.

На протяжении десяти миллиардов лет после «Большого взрыва» простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звёзды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

 

Что же такое Вселенная? Вселенная – не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то, следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую – астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления). Вселенная является предметом исследования космологии.

 

1. Историческое развитие представлений о Вселенной

 

Ещё на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили своё представление о Вселенной, как о чём-то бесконечном. Древнегреческий философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввёл представление о некой единой беспредельности, не обладавшей никакими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего – апейроне.

Стихии мыслились сначала как полуматериальные, полубожественные, одухотворённые субстанции. Представление чисто материальной основе всего сущего в древнегреческой основе достигли своей вершины в учении атомистов Левкиппа и Демокрита (V–IV в. до н.э.) о Вселенной, состоящей из безкачественных атомов и пустот.

Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксимандр высказал идею изолированности Земли в пространстве. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля как и Солнце обращались вокруг некоего «гигантского огня». Шаррообразность Земли утверждал другой пифагореец Парменид (VI–V в. до н.э.). Гераклит Понтийский (V–IV в. до н.э.) утверждал также её вращение вокруг своей оси и донёс до греков ещё более древнюю идею египтян о том, что само Солнце может служить центром вращения некоторых планет (Венера, Меркурий).

Французский философ и учёный, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596–1650) создал теорию о эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентризма. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту, все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы. находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы.

Великий немецкий учёный, философ Иммануил Кант (1724–1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину её ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительные вероятности возникновения такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех её масштабных уровнях – начиная с планетных систем и кончая миром туманности. Наблюдения астрономов 18–19 веков за движением планет подтвердили космологическую модель Вселенной Канта, и она из гипотезы превратилась в теорию, а к концу 19 века считалась непререкаемым авторитетом. Этот авторитет не мог поколебать даже так называемый «парадокс тёмного ночного неба». Почему парадокс? потому что в модели кантовской Вселенной сумма яркостей звёзд должна создавать бесконечную яркость.

Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Применив общую теорию относительности к Вселенной в целом, он обнаружил, что такое решение уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Он представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому ввёл в полученные уравнения дополнительное слагаемое, которое обладало антигравитацией и обеспечивало стационарность Вселенной. Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла–Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.

Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик Александр Фридман (1888–1925). Он впервые решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая условия стационарности. Полученные Фридманом уравнения лежат в основе современной космологии. Выступив в 1922–24 г. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырёхмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата. Фридман привёл две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движении далёких галактик в эффекте «красного смещения», в их спектрах.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл экспериментально подтвердил теоретический вывод А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до неё. Чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она движется. Скорость некоторых галактик приближается по своей величине к скорости света. Этот вывод был сделан на основе открытой замечательной закономерности, которая была названа «закон красного смещения»: линии галактик смещены к красному концу, причём смещение тем больше, чем дальше находится галактика.

 

2. Начало Вселенной

Вселенная эволюционирует. В настоящее время полагают, что 13,8 млрд лет назад всё вещество было сосредоточено в одной точке. Такая ситуация не позволяет говорить о существовании даже таких основополагающих понятий, как пространство и время. Не было тогда ни пространства, ни времени в обычном смысле. Тот момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать её началом. Первую эру в истории Вселенной называют «Большим Взрывом» или английским термином Big Bang. Затем произошёл Большой Взрыв, в результате которого образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определённом этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом мы можем догадаться по существованию так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной, которое сейчас наблюдается в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звёзды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжёлых элементов, и к настоящему времени мы имеем то, что имеем.

«Большой взрыв» продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время «Большого взрыва». Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.

В первые мгновения «Большого взрыва» вся материя была сильно раскалённой и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и  античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к  вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при любой температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации гамма-фотона: частица + античастица мог протекать лишь при достаточно высокой температуре, согласно этому материализация в результате понижающейся температуры раскалённого вещества приостановилась. Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звёздную.

Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжёлые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые лёгкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во Вселенной исчезла самая большая группа барионов – гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4 секунды. К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с), температура ее понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Её не хватало уже для возникновения самых лёгких адронов – пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4 с, в ней исчезли все мезоны. На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только самыми легкими  мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю секунды.

Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже. Лептонная эра начинается с распада последних адронов – пионов – в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем «реликтовыми». Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

Фотонная эра, или эра излучения. На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 1010 K, а энергия гамма-фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление  излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии. Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно «устают» со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть Er= Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период «Большого взрыва». Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

Звёздная эра. После «Большого взрыва» наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения «Большого взрыва» (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом «Большим взрыва» её развитие представляется как будто замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

 

3. Строение Вселенной.

Рождение сверхгалактик и скоплений галактик

 

Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или электроны и крайне редко – альфа-частицы. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра – эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звёздную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной – сверхгалактики – являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

 

4. Рождение галактик

 

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря элипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне неё. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные элиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определённого уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые. В элиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую периода существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звёзды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвёздного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей ( в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после её возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвёздный водород, новые звёзды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

Но межзвёздный газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвёздного газа действовали две силы – гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвёздный газ сконцентрирован к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звёздным населением второго типа.

На каждом этапе сплющивания межзвёздного газа во всё более утончающийся диск рождались звёзды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звёзды, родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они моложе.

 

5. Структура галактик и Вселенной

 

Число звёзд в галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звёзд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звёзд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звёзд, и тем менее далеко в этих направлениях тянется звёздная система.

Наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звёзд, которые видны на больших расстояниях. Это цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк или 100000 световых лет, но чёткой границы у неё нет, потому что звёздная плотность постепенно сходит на нет.

Парсек (русское обозначение: пк; международное: pc) – распространённая в астрономии внесистемная единица измерения расстояний. Название образовано из сокращений слов «параллакс» и «секунда» – парсек равен расстоянию до объекта, годичный тригонометрический параллакс которого равен одной угловой секунде.

Согласно эквивалентному определению, парсек – это расстояние, с которого отрезок длиной в одну астрономическую единицу (практически равный среднему радиусу земной орбиты), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1″).

1 пк = 206 264,8 а.е. = 3,0856776·1016 м = 30,8568 трлн км = 3,2616 светового года

Также используются и кратные единицы: килопарсек (кпк, kpc), мегапарсек (Мпк, Mpc), гигапарсек (Гпк, Gpc). Дольные единицы, как правило, не используются,

поскольку вместо них применяются астрономические единицы.

Световой год – расстояние, пройденное светом в течение года.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000–2000 пк – гигантское уплотнённое скопление звёзд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид.

Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодое население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звёзд этого диска находится пылевая материя и облака газа.

Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2·1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2·1030 кг.), причём 1/1000 её заключена в межзвёздном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100 000 световых лет. Путём кропотливой работы московский астрономом В.В. Кукарин в 1944 г. нашёл указания на спиральную структуру галактики, причём оказалось, что мы живём между двумя спиральными ветвями, бедным звёздами.

Галактика (др.-греч.

 γ λαξ ας «Млечный Путь» от др.-греч. γ λα, γ λακτος «молоко») – гравитационно-связанная система из звёзд и звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, и тёмной материи. Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего центра масс. Галактики (кроме галактики Млечный Путь, внутри которой находится Земля) – чрезвычайно далёкие астрономические объекты. Точное количество галактик в наблюдаемой части Вселенной неизвестно, но, по всей видимости, их порядка двух триллионов.

Существует два вида звёздных скоплений: рассеянные и шаровые. Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен звёзд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру.

Шаровые же скопления состоят из десятков или сотен звёзд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений – несколько парсек. Пример их скопления: Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звёзд к центру – десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они от того, что их освещают близлежащие звёзды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и тёмная пылевая туманность Конская голова.

Хаббл предложил разделить все галактики на 3 вида:

1. Эллиптические – обозначаемые Е (elliptical);

2. Спиральные (Spiral);

3. Неправильные – обозначаемые (irregular).

Эллиптические галактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что Эллиптические галактики состоят из второго типа звёздного населения. Они построены из звёзд красных и жёлтых гигантов, красных и жёлтых карликов и некоторого количества белых звёзд не очень высокой светлости. Отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи которая, в тех галактиках, где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звёздной системы.

Неправильная форма у галактики может быть, вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать неправильной вследствие искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой.

Только 3 галактики можно наблюдать невооружённым глазом: Большое Магелланово облако, Малое Магелланово облако и туманность Андромеды (БМО, ММО – Большое Магелланово облако и Малое Магелланово облако).

Не вращающаяся звёздная система по истечении некоторого срока должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических исследований. Он подтверждается на примере шаровых скоплений, которые вращаются и имеют шарообразную форму.

Если же звездная система сплюснута, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер.

Особый интерес представляют галактики с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся галактика Лебедь. Это слабая двойная галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным источником. Объекты подобные галактике Лебедь (безусловно очень редки в метагалактике, но Лебедь не единственный объект подобного рода во Вселенной. Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200Мпс). Поток проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от источника Лебедь.

Несколько ярких галактик, входящих в каталог NGC [Новый общий каталог туманностей и звёздных скоплений (англ. New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars или NGC) – наиболее известный в любительской астрономии каталог объектов далёкого космоса], также отнести к разряду радиогалактик, потому что их радиоизлучение аналогично сильное, хотя оно значительно уступает по энергии световому. Из этих галактик NGC 1273, NGC 5128, NGC 4782 и NGC 6186 являются двойными. Одиночные NGC 2623 и  NGC 4486.

Звёздоподобные источники радиоизлучения были названы квадрами. Сейчас их открыто более 1000. Блеск квадра не остаётся постоянным. Массы квадров достигают миллиона солнечных масс. Источник энергии квадров до сих пор не ясен. Есть предположения, что квадры – это исключительно активные ядра очень далёких галактик.

6. Солнечная система

Учёные полагают, что прародительницой Солнечной системы является раскалённая газово-пылевая туманность, медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре. Под влиянием сил взаимного притяжения туманность начала сплющиваться у полюсов и превращаться в огромный диск. Плотность его не была равномерной, поэтому в диске произошло расслоение на отдельные газовые кольца. В дальнейшем каждое кольцо начало сгущаться и превращаться в единый газовый сгусток, вращающийся вокруг своей оси. Впоследствии сгустки остыли и превратились в планеты, а кольца вокруг них – в спутники. Как известно, Земля в Солнечной системе всего-навсего песчинка. Если нашу планету поместить внутри солнца, то останется место еще для миллиона таких планет!

Солнце – это одна звезда из множества в нашей галактике Млечный Путь, а сама галактика только лишь крошечная частица Вселенной.

Солнечная система состоит собственно из Солнца, а также планет, с их спутниками, комет, астероидов, пыли, газа и мелких частиц. В Солнце сосредоточена практически вся масса Солнечной системы – 99,8 %, и своей гравитацией Солнце удерживает вокруг себя все остальные объекты Солнечной системы. Хотя известные нам планеты находятся на сравнительно небольшом расстоянии от Солнца, существует большое число объектов, которые вращаются вокруг него, находясь на очень большом удалении. По современным оценкам, размер Солнечной системы составляет не менее шестидесяти миллиардов километров, при этом споры между астрономами о том, до каких пределов на самом деле простираются границы Солнечной системы, продолжаются. Согласно данным современной астрономии, своим гравитационным полем Солнце способно удерживать тела на гигантском расстоянии, которое более чем в 200 тысяч раз превышает расстояние от Солнца до Земли.

В настоящее время считается, что в Солнечную систему входит 8 больших планет (Плутон, ранее считавшийся девятой планетой, был исключён из списка планет из-за своего слишком маленького размера). Эти планеты, по степени удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самой большой из планет является Юпитер, но даже он намного меньше Солнца по размерам и массе.

Кроме них, вокруг Солнца вращается большое число более мелких тел – астероидов, комет, и просто мелких камней, пыли и газа. Если орбиты больших планет близки к круговым и находятся примерно в одной плоскости, то орбиты малых тел весьма разнообразны и часто имеют вытянутую форму – например, кометы, двигаясь по очень вытянутой орбите, обычно приближаются к Солнцу на несколько недель и затем на долгие годы вновь улетают в далёкое космическое пространство. Большая часть астероидов, обращающихся недалеко от Солнца, сосредоточены между орбитами Марса и Юпитера, значительная часть этих астероидов уже открыта и классифицирована. Однако существует ещё более многочисленный пояс астероидов, который расположен за пределами орбиты Нептуна [Пояс Койпера (иногда также называемый пояс Эджворта – Койпера) – область Солнечной системы от орбиты Нептуна (30 а.е. от Солнца) до расстояния около 55 а.е. от Солнца]. Из-за большой удалённости от Солнца и, как следствие, малой освещённости, наблюдать астероиды в этом поясе довольно сложно, и точное их число неизвестно.

Большие планеты можно разделить поровну на две группы. Первая половина планет, находящихся наиболее близко к Солнцу – это планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс. Все эти планеты состоят из тяжёлых химических элементов, имеют высокую плотность и твёрдую поверхность (хотя под ней и находится жидкое ядро), с массой 6 1024 кг и диаметром почти 13 тыс. км. Земля является самой большой и массивной из этих четырёх планет. Однако дальние от Солнца планеты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун значительно превосходят по этим параметрам Землю. По этой причине они получили название планеты-гиганты. Так, масса Юпитера более чем в 300 раз превышает массу Земли, а диаметр этой планеты – 143 тыс. км. Однако от планет земной группы они значительно отличаются по своему строению – эти планеты состоят не из тяжёлых элементов, а из газа, в основном из водорода и гелия, подобно Солнцу и другие звёздам, вследствие этого и плотность их сравнительно невелика (у Сатурна она даже меньше плотности воды). Планеты-гиганты не имеют твёрдой поверхности – это просто газовые шары. Для планет-гигантов характерно наличие большого числа спутников, причём среди них встречаются довольно большие, сравнимые по размерам с Луной и даже с Меркурием.

Возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд лет. Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5–4,6 млрд лет. Столь же стары и рано затвердевшие части Лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд лет назад. Тогда началась геологическая эволюция Земли.

7. Смерть Вселенной

 

Учёные решили узнать приблизительную смерть всей Вселенной. На данный момент считают, что она должна «погибнуть» в обратном порядке её возникновения, т.е. пойдет обратный процесс Большого взрыва. Всё зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд лет) и начнётся сжатие, в результате которого всё вещество вновь сожмётся в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 1015 лет звёзды остынут, через 1019 они покинут свои галактики, ещё через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы всё ещё будут действовать) в результате радиоактивного распада всё вещество превратится в железо, ещё гораздо позже железные «капли» превратятся в нейтронные звезды и чёрные дыры, которые через 1067 лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.

Заключение

 

Итак, теория расширяющейся Вселенной сводится к следующему:

· 13,8 млрд лет назад – Большой взрыв, образовалась кварк-глюонная плазма, из которой сформировались ядра легких атомов

· З минуты спустя – образование вещественной основы Вселенной

· Через 380 тысяч лет после Большого взрыва стало возможным существование атомов водорода

· 13 млрд лет назад – появление звёзд первого поколения, то есть звёзды зарождались из вещества, которое состояло в основном водорода (75 %) и гелия (25 %); образование атомов тяжёлых металлов

· 5 млрд лет назад – рождение Солнца

· 4,6 млрд лет назад – образование Земли

 

Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики – замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звёзд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала последнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полёты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце.

Мы живём в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут заглянуть на расстояния, которые еще в 40-x годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми ещё предстоит встретиться на пути к звездам.

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства.

По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами – протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы.

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет ещё много миллиардов лет. Звёзды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик – улетать всё дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удалённых от Земли на 10–14 млрд световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10–14 млрд лет.

И чем дальше вглубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период её развития мы наблюдаем.

Сегодня учёные в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10-42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее, ряд «мелких» непонятностей ещё остаётся. Это, прежде всего – сущность скрытой массы (темной материи) и тёмной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям учёных наверняка будет, чем заняться. Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной. Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная уже никогда не сожмётся и нам не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчёты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с 3емли, будет уменьшаться, и через 10–20 млрд лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу – Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду. Человечество уже не сможет увеличиваться количественно, и тогда придётся заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звёзд, которые будут нам доступны в столь отдалённом будущем, – это тоже немало.

Код для цитирования: Скопировать