Мегамир. Космология и космогония

1. Характерные пространственные масштабы мегамира: световые года, парсеки, астрономические единицы. Световой год (с. г.) – путь, который проходит луч света за один календарный год. 1 с. г. = 9,4608·10¹⁵ м. Парсек (параллакс секунда) – расстояние, на котором объект имел бы годичный параллакс равный одной дуговой секунде. Годичным параллаксом называется видимое изменение положения небесного объекта из-за перемещения наблюдателя. 1 пк (ранее пс) = 3,2616 с. г. = 3,0857·10¹⁶ м. Астрономическая единица – среднее расстояние между Землей и Солнцем. 1 а. е. = 149597870 км.

2. Время – миллионы и миллиарды лет.

3. Астероиды – небольшие планетоподобные тела Солнечной системы. Большинство орбит астероидов сконцентрировано в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера на расстояниях от 2,0 до 3,3 а. е. от Солнца. Основные характеристики: размер, тип (S, C, M), большая полуось орбиты. Примеры астероидов: Церера (940 км, С, 2,77 а. е.), Гаспра (20 × 12 × 11 км, 2,2 а. е.), Ида (58 × 23 км, S, 2,86 а. е.).

4. Кометы – ледяные небесные тела, движущиеся по орбите в Солнечной системе, которые частично испаряются вблизи Солнца, в результате чего возникает диффузная оболочка из пыли и газа, а также один или несколько хвостов. Различают короткопериодические кометы (P), долгопериодические (С) и исчезнувшие или разрушившиеся (D). Примеры комет: Галлея (Р, 76 лет), Беннета (С, 1679 лет), Хейла-Боппа (С, 2530 лет).

5. Планета – небесное тело, вращающееся вокруг Солнца или другой звезды, масса которого слишком мала для того, чтобы тело могло стать звездой (меньше одной двадцатой массы Солнца). Основные характеристики: масса, диаметр, расстояние от Солнца. Примеры планет: Земля (5,974·10²⁴ кг, 12756 км, 1,001 а. е.), Уран (14,6 М _З, где М _З – масса Земли; 4,01 D _З, где D _З – диаметр Земли; 19,2 а. е.), Венера(0,815 М _З, 0,95 D _З, 0,72 а. е), Марс (0,107 М _З, 0,53 D _З, 1,53 а. е).

6. Спутник – любое тело, движущееся по орбите вокруг центрального тела. Большинство планет Солнечной системы имеют естественные спутники, иногда называемые лунами. Основные характеристики: масса, радиус, среднее расстояние от планеты. Спутник Земли – Луна (7,35·10²² кг, 1,738 км, 384400 км). Спутники Марса – Фобос (9,63·10¹⁵ кг,14 × 10 км, 9380 км) и Деймос (1,926·10¹⁵ кг, 8 × 6 км, 23460 км). Спутники Юпитера – Ио (8,88·10²² кг, 3630 км, 421600 км), Европа (4,786·10²² кг, 3138 км, 670900 км), Ганимед (1,481·10²³ кг, 5262 км, 1070000 км).

7. Солнечная система – Солнце, а также планеты с их лунами, кометы, астероиды, метеорные рои и межпланетная среда, удерживаемые гравитационным притяжением Солнца. Орбиты больших планет лежат в пределах 40 астрономических единиц от Солнца.

8. Большими планетами являются восемь планет. Из них к внутренним (твердым планетам земной группы) относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс. Внешними (газообразными с небольшим твердым ядром) являются Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Внутренние и внешние планеты разделены поясом астероидов. Планета гигант – Юпитер (317,9 М _З, 11,21 D _З, 5,2 а. е), самая маленькая планета – Меркурий (0,055 М _З, 0,38 D _З, 0,387 а. е).

9.Движение планет определяется тремя законами Кеплера (1571-1630), которые он сформулировал на основе точных наблюдений Тихо Браге (1546-1601):

– орбита каждой планеты представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце;

– каждая планета вращается вокруг Солнца так, что радиус-вектор, соединяющий эту планету с Солнцем, покрывает за равное время одинаковые площади;

– квадраты времен обращения любых двух планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца.

10. Пояс Койпера образуют небольшие ледяные тела, по размерам близкие к астероидам, которые занимают кольцеобразную область в плоскости Солнечной системы, простирающуюся от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояний, возможно, в 100 или даже 150 а. е.

11. Облако Оорта – гипотетическая сферическая оболочка, окружающая Солнечную систему на расстоянии около 1 светового года, в которой содержатся миллиарды комет с общей массой, равной примерно массе Земли.

12. Космогония – наука, изучающая происхождения космических систем и объектов, в частности Солнечной системы. В космогонии используется эргодическая гипотеза – предположение, что средние по времени значения физических величин, характеризующих систему, равны их средним статистическим значениям. Это позволяет восстановить историю отдельного объекта по наблюдению многих объектов, находящихся на разных этапах эволюции.

13. О происхождении Солнечной системы известна гипотеза Канта-Лапласа: образование планетной системы из рассеянной материи, заполнявшей всё пространство этой системы и находившейся в единообразном вращательном движении вокруг центрального сгущения — Солнца. В гипотезе Шмидта предполагается образование планет путём объединения холодных твёрдых тел различных размеров, обращавшихся вокруг Солнца. Согласно современным представлениям, Солнечная система образовалась из медленно вращающегося газового облака. По мере сжатия облака в нём формировалось плотное, окруженное диском газа и пыли, непрозрачное ядро, которое в конечном счете стало Солнцем. Распространена гипотеза о постепенном накоплении вещества планет путем аккреции – падения вещества из окружающего пространства. Различие между внутренними твердыми планетами и внешними газовыми гигантами обусловлено уменьшением их нагрева со стороны Солнца.

14. Звезда – самосветящийся яркий газовый шар, в горячем ядре которого идут реакции ядерного синтеза с выделением энергии. Минимальная масса, которая требуется для образования звезды, составляет около одной двадцатой массы Солнца. Основные характеристики: светимость (звездная величина), масса, радиус, спектральный состав излучения (спектральный класс), расстояние, в некоторых случаях имя. Примеры: α Большого Пса (-1,5, А1V, 9 с. л., Сириус), α Центавра (-0,3, G2V, 4 с. г.), α Лиры (0,03, А0V, 26 с. л., Вега), α Тельца (0,9, К5III, 25 с. л., Альдебаран), α Южного Креста (0,77, B1 IV, 320,7 с. л., Акрукс). Характерный размер обычных звёзд – 10⁸ м.

Светимость – поверхностная плотность световой энергии, излучаемой в единицу времени ярким телом. Видимая звездная величина – мера относительной яркости звезды (или другого астрономического объекта) для наблюдателя на Земле. Видимая звездная величина зависит от абсолютного количества излучаемой (или отраженной) световой энергии и расстояния до объекта. Меньшие числа соответствуют большей яркости. Для включения очень ярких объектов шкала видимых звездных величин расширена на отрицательные числа. Абсолютная звездная величина – это звездная величина, которую имела бы данная звезда, если бы находилась на стандартном расстоянии 10 парсеков.

Спектральный класс – классификация звезд в соответствии с видом их спектра. Спектральная классификация основана на температурной последовательности. Первоначально введенные классы, обозначенные буквами A - Q, впоследствии были упорядочены в порядке температурной последовательности, в результате чего окончательно установилось деление на основные классы с буквенными обозначениями O, B, A, F, G, K и M. Основные классы могут быть разделены далее на 10 подклассов, обозначаемых цифрами от 0 до 9 (например, A0, K5).

15. Солнце – центральная звезда Солнечной системы. Среди звёзд Солнце по размеру и яркости занимает среднее положение, это карликовая звезда спектрального класса G2V с поверхностной температурой около 5700 K. Радиус – 6,96·10⁵ км, масса – 1,989·10³⁰ кг, видимая визуальная звёздная величина 26,78, расстояние от Земли – 1 а. е.

Внутреннее строение Солнца определено в предположении, что оно является сферически симметричным телом и находится в равновесии. Поверх ядра расположена зона излучения, где образовавшиеся в процессе ядерного синтеза фотоны с высокой энергией сталкиваются с электронами и ионами, порождая повторное световое и тепловое излучение. С внешней стороны зоны излучения лежит конвективная зона, в которой нагретые газовые потоки направляются вверх, отдают свою энергию поверхностным слоям и, стекая вниз, повторно нагреваются. Конвективные потоки приводят к тому, что солнечная поверхность имеет ячеистый вид. Поверхностные слои, или фотосфера, от которых приходит видимый нами свет, достигают в толщину нескольких сотен километров. В этих слоях имеют место проявления солнечной активности, такие как солнечные пятна и вспышки. Покрывающий фотосферу слой называется хромосферой.

Солнечной активностью называют совокупность явлений, наблюдаемых на Солнце и связанных с образованием солнечных пятен, факелов, флоккулов, волокон, протуберанцев, возникновением солнечных вспышек, возмущений в солнечной короне, увеличением ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения и др.

Активные образования наблюдаются обычно на ограниченном участке поверхности Солнца — в так называемой активной области Солнца, которая существует от нескольких дней до нескольких месяцев. Средний период солнечной активности составляет около 11 лет (период колеблется от 7,5 до 16 лет). Величина максимума 11-летнего цикла изменяется с периодом около 80 лет.

Активные области занимают на диске Солнца два пояса, расположенных параллельно экватору по обе стороны от него. Удаление этих поясов от экватора изменяется также периодически. В начале 11-летнего цикла активные области наиболее удалены от солнечного экватора, а затем постепенно к нему приближаются (к концу цикла средняя гелиографическая широта составляет ± 8°). Вся совокупность процессов, определяющих солнечную активность, свидетельствует о том, что основную и определяющую роль в развитии этих процессов играют магнитные поля, достигающие весьма высокой интенсивности в солнечных пятнах. В связи с этим все современные теории, пытающиеся объяснить солнечный цикл, являются, по существу, магнитогидродинамическими.

Солнечный ветер – представляет собой постоянное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Образование солнечного ветра связано с потоком энергии, поступающим в корону из более глубоких слоев Солнца. По-видимому, переносят энергию магнитогидродинамические и слабые ударные волны.

Солнечно-земные связи – реакция Земли (её внешних оболочек, включая биосферу) на изменение солнечной активности. На Земле 11-летний цикл прослеживается на целом ряде явлений органической и неорганической природы: возмущения магнитного поля, полярные сияния, возмущения ионосферы, изменение скорости роста деревьев с периодом 11 лет, установленным по чередованию толщины годовых колец, и т.д.

Солнечный магнетизм – совокупность явлений, связанных с существованием на Солнце магнитного поля. Различают магнитные поля солнечных пятен, актив ных областей вне пятен и т. н. общее магнитное поле Солнца.

Возраст Солнца может быть оценен с помощью эволюционных методов (диаграмма Герцшпрунга–Рессела) и составляет около 5 млрд. лет

16. Эволюцией звёзд называют изменения, происходящие в течение жизни звезды, включая ее рождение в межзвёздной среде, истощение годного к использованию ядерного топлива и конечную стадию угасания. Эволюция звезды практически полностью определяется ее массой.

17. Диаграммой Герцшпрунга–Рессела называется график зависимости между спектральным классом звёзд и их светимостью для некоторой совокупности звёзд. По горизонтальной оси вместо спектрального класса может быть отложен цвет, температура или некоторая другая сопоставимая величина. Температуру обычно наносят в направлении уменьшения слева направо. По вертикальной оси может быть отложена либо звёздная величина, либо светимость (в отношении к светимости Солнца). Результирующий график в соответствии с фактически отображенными величинами называют также диаграммой цвет–звёздная величина или диаграммой цвет–светимость. Диаграмма Герцшпрунга–Рессела используется для определения возраста звёздных скоплений, оценке расстояния до скоплений и построения эволюционного трека звезды.

18. Протозвездой называется звезда в самой ранней стадии образования, когда в межзвездном облаке возникает уплотнение, но ядерные реакции внутри нее еще не начались. Звезды образуются в газопылевых облаках межзвездной среды скоплений. Вещество протозвезды уплотняется и коллапсирует, в результате чего высвобождается гравитационная энергия, и ядро нагревается до тех пор, пока температура не станет достаточно высокой для поддержания ядерных реакций превращения водорода в гелий.

19. Красный гигант – звезда на поздних стадиях эволюции, размеры которой увеличились, а поверхностная температура упала настолько, что звезда кажется красной. Звезда становится красным гигантом, когда истощается водородное топливо для реакций ядерного синтеза в ее центральном ядре. После этого начинается процесс сжатия ядра с выделением энергии гравитации. Он продолжается до тех пор, пока процесс горения водорода не возобновится, но уже в оболочке, окружающей инертное ядро. Энергия, выделяющаяся при сгорании водорода, вызывает резкое расширение внешних слоев звезды.

20. Сверхновая звезда – катастрофический взрыв звезды с выделением большого количества энергии. Кинетическая энергия выброшенного взрывом вещества превосходит световую в десять раз, а энергия нейтрино превышает световую энергию в сто раз. Взрыв сверхновой происходит, когда старая массивная звезда истощает запас ядерного топлива. В этих условиях ядро становится неустойчивым и коллапсирует. Оставшееся «голое» ядро становится нейтронной звездой. Выброшенное при взрыве вещество образует расширяющийся остаток сверхновой. Взрыв сверхновой обогащает химический состав межзвёздной среды, из которой образуются последующие поколения звёзд. Многие из тяжелых элементов могут возникнуть естественным путем только при взрыве сверхновых.

21. Планетарная туманность – расширяющаяся оболочка газа, которая окружает звезду на последней стадии ее эволюции. Планетарные туманности образуются в процессе потери массы, при котором красные гиганты в конечном счете превращаются в белые карлики. Обычно масса газовой оболочки составляет несколько десятых солнечной массы, а вещество уносится со скоростью 20 км/сек.

22. Белый карлик – звезда на поздней стадии своей эволюции, состоящая из вырожденного вещества. Белый карлик возникает тогда, когда все возможные источники топлива для термоядерного синтеза исчерпаны. Тогда звезда коллапсирует под собственной тяжестью, сжимая вещество до вырожденного состояния. Процесс сжатия останавливается только тогда, когда возникает квантовый механический эффект. Известно всего несколько сотен белых карликов, но они могут составлять до 10 % всего звёздного населения.

23. Нейтронная звезда имеет массу от 1,5 до 3,0 солнечных масс и размер в поперечнике около 10 км при плотности 10¹⁷ кг/м³. Эти звёзды состоят почти полностью из нейтронов в результате коллапса под действием гравитационных сил. Они образовались при взрывах сверхновых и наблюдаются как пульсары.

24. Пульсар – звёздный источник радиоволн, характеризующийся высокой частотой и регулярностью всплесков излучения. Некоторые пульсары, кроме радиоволн, генерируют пульсирующее излучение и в других диапазонах электромагнитного спектра, в том числе в видимом свете. Пульсар представляет собой вращающуюся нейтронную звезду. Импульсы возникают из-за того, что нейтронная звезда очень быстро вращается, а сигнал радиоизлучения попадает к наблюдателю один раз при каждом обороте.

25. Черная дыра – область пространства, в которой гравитационные силы настолько велики, что даже световые волны не могут выйти за ее пределы. Черные дыры образуются, когда вещество коллапсирует. Тогда в очень малой области концентрируется количество вещества, превышающее некоторую критическую величину. Предполагается, что черные дыры могут образоваться при взрыве массивных звёзд, если их центральный остаток приобретёт массу больше трех солнечных. Согласно общей теории относительности, около черной дыры существует горизонт событий (шварцшильдовский радиус), преодолев который, никакое излучение не может покинуть черную дыру. Для внешнего наблюдателя «падение» на черную дыру какого-либо тела будет длиться бесконечно долго.

26. Переменной называется звезда, световой поток которой подвержен регулярным или нерегулярным изменениям. Переменность звёзд вызывается целым рядом физических причин, и в соответствии с ними переменные звёзды подразделяются на большие группы. Эруптивные и взрывные переменные звёзды характеризуются своей непредсказуемостью и охватывают самые разнообразные звёзды от находящихся в стадии образования до сверхновых. Эта группа включает также вспыхивающие, новые и карликовые новые звёзды.

27. Колебания яркости пульсирующих звёзд вызываются их внутренней физической нестабильностью. Подобные звёзды включают цефеиды, звёзды типа RR Лиры и звёзды типа Миры. Другая большая группа переменных звёзд состоит из затменных двойных, в которых изменение светимости обусловливается периодическим прохождением одной звезды перед другой. Двойная звезда – это пара звёзд, вращающих по эллиптической орбите вокруг общего центра масс и удерживаемых вместе силами взаимной гравитации. Различают визуально-двойные, астрономические двойные, спектрально-двойные.

28. Звёздным скоплением (не путать с созвездиями!) называется группа физически связанных звёзд, предположительно имеющих общее происхождение. Различают два основных типа скоплений – рассеянные скопления и шаровые скопления. Очень молодые звёзды часто находятся в менее связанных группировках, называемых ассоциациями.

29. Рассеянные скопления содержат от нескольких сотен до нескольких тысяч звёзд, распределенных в области размером несколько световых лет. Члены такого скопления находятся на значительном удалении друг от друга. Рассеянные скопления относительно молоды, обычно содержат много горячих и очень ярких звёзд. Наиболее известными являются Плеяды, Гиады и «Шкатулка драгоценностей».

30. Шаровые скопления – плотное скопление сотен тысяч или даже миллионов звёзд, форма которого близка к сферической. Шаровые скопления содержат старые звёзды, с низким содержанием элементов тяжелее гелия, и располагаются в центре нашей галактики. Самое яркое шаровое скопление в небе – Омега Центавра диаметром 620 световых лет.

31. Ассоциацией называется разреженная группа молодых звёзд обычно числом от десятка до сотни. Звёздные ассоциации обнаружены вдоль спиральных рукавов галактики. Все звёзды относительно молоды по астрономическим стандартам.

32. Созвездием называется один из 88 участков звёздного неба или звёздная фигура внутри него. Созвездия не являются физическими группировками звёзд, связанных между собой общими свойствами. У созвездия имеется свое название на латинском языке, принятое в международном астрономическом союзе. Основные характеристики: номер по размеру, площадь в квадратных градусах. Примеры: Гидра (1, 1303), Индеец (49, 294), Волк (46, 334), Большая Медведица (3, 1280).

33. Галактика – это семейство звёзд, связанных взаимным гравитационным притяжением и обладающее некоторым отличительным свойством, выделяющим его из других галактик. Галактики классифицируют по известным морфологическим типам: спиральные галактики, эллиптические и неправильные. Характерный размер галактик – 10²⁰ м.

34. Спиральная галактика имеет дискообразную форму с центральным утолщением, от которого отходят спиральные рукава. Хаббл разделил спиральные галактики на две обширные группы – с центральной перемычкой (SB-галактики) и без нее (S). Каждая группа далее подразделяется на три категории - a, b и c. Sa- и SBa-галактики имеют туго закрученные рукава и относительно большую центральную часть – балдж. Sc- и SBc-галактики имеют широко раскинувшиеся рукава и небольшой центральный балдж. Галактики типа Sb и SBb занимают промежуточное положение. Галактику окружает сферическое гало, содержащее старые звёзды и шаровые скопления. Спиральные галактики содержат очень яркие молодые звёзды и значительные количества межзвёздного вещества, сконцентрированного в рукавах. Спиральные рукава не представляют собой постоянных жестких структур, они скорее имеют характер волн плотности. Обращаясь вокруг центра галактики, звёзды и межзвёздное вещество образуют спиральные области увеличенной плотности. Большинство заметных галактик в небе относится к спиральным.

35. Эллиптическая галактика имеет эллипсоидальную форму, не обладая спиральной структурой. У большинства таких галактик нет никаких признаков существования межзвёздного вещества, так же как и признаков недавнего звёздообразования. Эллиптические галактики различаются массой и формой. Почти все их звёзды старше 10¹⁰ лет, а большая часть света испускается красными гигантами. Около 80 % нормальных галактик являются эллиптическими.

36. Неправильная галактика не является ни эллиптической, ни спиральной. К неправильным галактикам относится около четверти всех известных галактик. Во многих из них, по-видимому, идет процесс звёздообразования, там преобладают области светящегося газа и ярких молодых звёзд. Радионаблюдения водородного газа в неправильных галактиках часто показывают внутреннюю симметрию вращающегося газового диска. В этом отношении (как и по звёздному населению) они напоминают спиральные галактики.

37. К особо активным галактикамотносятся Сейфертовские и радиогалактики. Сейфертовские галактики (около 1 % всех спиральных галактик) имеют яркое точечное ядро и незаметные спиральные рукава. Многие из них представляют собой сравнительно сильные инфракрасные источники; в некоторых центральное ядро является и слабым радиоисточником, обычно с изменение своей яркости. Радиогалактика является источником интенсивного радиоизлучения – синхротронного излучения электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

Один из типов наиболее ярких активных галактических ядер называется квазаром. Это небольшой внегалактический объект, который для своего углового размера необычно ярок и имеет большое красное смещение. Объем центрального источника энергии в квазарах ограничен размерами порядка диаметра Солнечной системы. Это значит, что источником энергии может быть падение вещества на сверхмассивную черную дыру.

38. Наша галактика (Млечный путь) есть семейство звёзд, к которому принадлежат Солнце и Солнечная система, и которое наблюдается в ночном небе как Млечный Путь. Наша Галактика относится к спиральным, возможно, с не резко выраженной перемычкой. Количество звёзд составляет примерно 200 млрд. Она имеет дискообразную форму с почти сферическим балджем в центре. Диск достигает 100000 световых лет в поперечнике, но большая часть вещества сконцентрирована в тонком слое толщиной около 2000 световых лет, ближе к его внешним краям. Звёзды распределены в немного более толстом диске. Радиус центрального балджа достигает приблизительно 15000 световых лет. Солнце расположено внутри диска на расстоянии около 28000 световых лет от центра Галактики, вблизи внутреннего края одного из спиральных рукавов. Галактика в целом вращается, но не как жесткое тело, т. е. постоянно деформируется. Чтобы совершить один оборот, Солнцу требуется около 220 млн. лет, этот промежуток времени называется галактическим годом. Вокруг Галактики расположена редконаселенная область почти сферической формы с центром в ядре, радиус которой не менее 50000 световых лет. Она называется галактическим гало. Гало содержит шаровые скопления и самые старые звёзды Галактики.

39. Местная группа галактик, к которой принадлежит галактика Млечный путь, занимает объем пространства с радиусом около 3 млн. световых лет. Эта группа не имеет центрального уплотнения и состоит из двух подгрупп, сосредоточенных вокруг двух наиболее массивных ее членов: самой большой и наиболее массивной галактики – туманности Андромеды и нашей галактики – Млечного пути. Четыре небольших эллиптических галактики (NGC 221, 205, 185 и 147) и спиральная галактика М33 представляют собой спутники туманности Андромеды, а Магеллановы Облака и различные карликовые галактики – спутники нашей галактики.

40. Метагалактика – это вся наблюдаемая часть Вселенной, её размер ограничен расстоянием, которое мог пройти свет с момента Большого Взрыва. Размеры Метагалактики ограничены нашими возможностями наблюдений и в настоящее время приняты равными 10²⁶ м.

41. Горизонтом частиц называются пределы видимой Вселенной, определяемые временем с начала расширения Вселенной, за которое мог смог дойти до нас свет звёзд.

42. Космология – раздел астрономии, изучающий происхождение, свойства и эволюцию Вселенной. Физическая космология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом, а теоретическая космология – разработкой моделей, которые должны описывать наблюдаемые свойства Вселенной. На больших расстояниях преобладающей силой, воздействующей на вещество, является гравитация – именно она определяет крупномасштабную структуру Вселенной. Теоретическая космология обычно основывается на общей теории относительности. В основе современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной. Это утверждение часто называют космологическим постулатом. На основании современных наблюдений данное утверждение справедливо на очень больших масштабах: 150–200 Мпс.

43. В гипотезе стационарной Вселенной предполагается, что Вселенная одинакова повсюду и в любое время для всех наблюдателей, такое предположение называется совершенным космологическим принципом. Наблюдаемое расширение Вселенной объясняется непрерывным образованием нового вещества, заполняющего пустоты, которые остаются после разбегания уже существующих галактик. Открытие в 1963 г. космического фонового излучения послужило для этой гипотезы камнем преткновения. Однако гипотеза стационарной Вселенной дала существенный толчок развитию теории ядерного синтеза в звёздах, поскольку без Большого Взрыва тяжелые элементы могли образовываться только во взрывающихся звёздах. Это положение теории, не связанное с выбором космологической модели, полностью осталось в силе.

44. Модель Большого взрыва предполагает, что Вселенная возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад и называется «Большим Взрывом». На начальном этапе своего развития в сингулярном состоянии Вселенная имела бесконечно малые размеры и была горячей, сверхплотной материей. Сегодня теория Большого Взрыва общепринята, так как она объясняет два наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Современная модель Вселенной нестационарная, изотропная, горячая, расширяющаяся.

45. Расширение Вселенной обнаружено с помощью Доплеровского эффекта – изменения наблюдаемой частоты звука или электромагнитного излучения, когда источник волн и наблюдатель приближаются друг к другу или удаляются один от другого. Данный эффект наблюдается с астрономическими объектами, детали спектров которых смещаются в сторону более длинных или более коротких волн в соответствии с тем, удаляется источник света от Земли или приближается к ней.

Красное смещение – это увеличение длины волны электромагнитного излучения, вызванное доплеровским эффектом, когда источник излучения удаляется от наблюдателя, или присутствием гравитационного поля.

46. Закон Хаббла утверждает, что скорость v удаления внегалактического объекта пропорциональна расстоянию r до него:

v = Hr,

(2.9)

где H – постоянная Хаббла.

47. Космическое фоновое излучение – диффузное электромагнитное излучение, которое, по-видимому, пронизывает всю Вселенную. Обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1964 г. Предполагается, что оно является реликтовым излучением, оставшимся от самой начальной стадии существования Вселенной. Спектр фонового излучения характерен для абсолютно черного тела с температурой 2,73 K и имеет наибольшую интенсивность в микроволновом диапазоне. Измерения, проведенные зондом космического фона в 1992 г., после внесения поправок на возможные причины искажений исходных данных впервые показали, что распределение излучения по небу не является полностью равномерным. Были обнаружены похожие на рябь вариации величиной около десяти миллионных долей градуса. Они, как полагают, были первыми признаками начавшейся структуризации ранней Вселенной.

48. Современная космология рисует картину Вселенной вблизи сингулярности. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц.

49. Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение её физических параметров. Из этих уравнений следует, что изначально высокие плотность и температура быстро падали.

50. Основные стадии эволюции Вселенной начинаются с Планковской эпохи – условного промежутка времени до 10^-43 с. Более ранний период развития Вселенной не может быть описан существующими законами физики. Общие законы физики надежно проверены при ядерных плотностях, а такую плотность Вселенная имеет спустя 10^-4с от начала расширения. В теоретических моделях рассматривается более ранняя стадия.

51. Инфляционная стадия – самая начальная сверхплотная стадия расширения Вселенной, которая завершилась уже к моменту времени около 10^-36 с. На этой стадии, когда температура была больше 10²⁸ К, Вселенная расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной. Для квантов света Вселенная была непрозрачной. Энергии фотонов хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц. При температуре 10¹³ К во Вселенной рождались и аннигилировали пары различных частиц и их античастиц. При понижении температуры до 5·10¹² К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те из них, для которых «не хватило» античастиц. Фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы. Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих «избыточных» протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной. При температуре 2·10¹⁰ К с веществом перестали взаимодействовать нейтрино – от этого момента должен был остаться «реликтовый фон нейтрино», обнаружить который, возможно, удастся в будущем.

52. В эпоху нуклеосинтеза, продолжавшуюся примерно 3 минуты, образовались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия. Её результатом в основном стало образование ядер гелия. Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества. Определение химического состава (особенно содержание гелия, дейтерия и лития) самых старых звёзд и межзвёздной среды молодых галактик является одним из способов проверки выводов теории горячей Вселенной.

53. После эпохи нуклеосинтеза (около 3 мин.) и до эпохи рекомбинации (около 10⁶ лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной. От рекомбинации до появления первых галактик и звёзд прошли сотни миллионов лет. Общая эволюция Вселенной представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Космическая шкала времени

Космическое время	Событие
	Большой взрыв
1 секунда	Рождение частиц
100 с – 10 часов	Образование ядер дейтерия, гелия, лития, бериллия
1 млн. лет	Образование атомов
1 – 2 млрд. лет	Начало образования галактик
3 млрд. лет	Образование скоплений галактик
4 млрд. лет	Сжатие нашей протогалактики
4,1 – 10 млрд. лет	Образование первых звезд
10,2 млрд. лет.	Протосолнечное облако
10,3 млрд. лет	Сжатие протосолнечного облака
10,4 млрд. лет	Образование планет
11,1 млрд. лет	Археозойская эра
12 млрд. лет	Зарождение микроорганизмов
13 млрд. лет	Протерозойская эра
14 млрд. лет	Палеозойская эра
14,55 млрд. лет	Растения на суше
14,6 млрд. лет	Рыбы
14,75 млрд. лет	Мезозойская эра, образование гор
14,8 млрд. лет	Рептилии
14,85 млрд. лет	Кайнозойская эра, динозавры
14,95 млрд. лет	Первые млекопитающие
15 млрд. лет	Человек

Для событий истории Земли космический масштаб в миллиардах лет неудобен, более наглядна модель эволюции, в которой жизнь Вселенной принимается равной одному году, а одна секунда будет соответствовать 500 годам (К. Саган):

Большой взрыв	1 января - 0 ч. 0 мин.
Образование галактик	10 января
Образование Солнечной системы	9 сентября
Образование Земли	14 сентября
Возникновение жизни на Земле	25 сентября
Океанский планктон	18 декабря
Первые рыбы	19 декабря
Первые динозавры	24 декабря
Первые млекопитающие	26 декабря
Первые птицы	27 декабря
Первые приматы	29 декабря
Первые гоминиды	30 декабря
Первые люди	31 декабря в 22 ч. 30 мин.

54. Гравитационная неустойчивость – нарастание возмущений (малых отклонений от среднего значения) плотности и скорости вещества в первоначально однородной среде под действием гравитационных сил. Такая неустойчивость считается причиной образования галактик и их скоплений.

55. Гравитационной конденсацией называется процесс формирования космических тел из разрежённой газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил. Она лежит в основе процесса формирования галактик, звёзд.

56. Космологические модели приводят к выводу, что судьба Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества. Космологическая постоянная (Λ) – член в уравнениях гравитационного поля, введенный Эйнштейном, чтобы получить решение, соответствующее статической Вселенной. Эта постоянная может быть интерпретирована как эквивалент неизвестной космической силы отталкивания, которая компенсирует действие гравитационной силы притяжения (или силы притяжения, если значение Λ отрицательно). Наблюдения свидетельствуют о нулевом или очень малом значении космологической постоянной.

Критическая плотность – минимальная плотность вещества, которая гарантировала бы, что Вселенная не будет расширяться вечно. Это означает, что в некоторый момент времени одновременно обратятся в нуль, как скорость расширения, так и ускорение. Значение критической плотности оценивают величиной между 10^-29 и 2×10^-29г/см³, что примерно в десять раз превосходит плотность вещества, которое, судя по наблюдениям, содержится в звездах и галактиках.

57. Открытой Вселенной называют вариант развития Вселенной, при котором средняя плотность ниже некоторой критической плотности. Такая Вселенная имеет отрицательную кривизну и описывается геометрией Лобачевского. В этом случае расширение Вселенной будет продолжаться вечно (рис. 2.7, кривая 1).

58. Плоской Вселенной называют вариант развития Вселенной, при котором средняя плотность равна критической плотности. В этом случае Вселенная обладает нулевой кривизной и описывается Евклида. Тогда всё вещество в звёздах через многие миллиарды лет прогорит, и галактики погрузятся во тьму. Останутся только планеты, белые и коричневые карлики, а столкновения между ними будут крайне редки. Если верна теория великого объединения взаимодействий, через 10⁴⁰ лет распадутся составляющие бывшие звёзды протоны и нейтроны. Спустя приблизительно 10¹⁰⁰ лет испарятся гигантские черные дыры. В нашем мире останутся лишь электроны, нейтрино и фотоны, удаленные друг от друга на огромные расстояния. В известном смысле это будет конец времени (рис. 2.7, кривая 2).

59. Замкнутая Вселенная – это вариант развития Вселенной, при котором средняя плотность выше критической, пространство имеет положительную кривизну и описывается геометрией Римана. Тогда расширение рано или поздно сменится катастрофическим сжатием. Вселенная закончит свою жизнь в гравитационном коллапсе (рис. 2.7, кривая 3).

60. Найти истинный вариант развития Вселенной нелегко из-за трудностей в определении постоянной Хаббла с высокой точностью. Галактики часто имеют довольно высокие скорости (до тысяч км/с), не связанные с космологическим расширением. По современным данным значение H лежит в интервале 60–80 км/(с•Мпк). Определить из наблюдений истинную плотность материи еще сложнее. Плотность наблюдаемого вещества во Вселенной приблизительно равна к 3•10^–34 кг/м³, то есть меньше критической, поэтому Вселенная должна неограниченно расширяться.

Кроме наблюдаемого вещества может иметься тёмная материя, существование которой во Вселенной постулируется, но до сих пор не обнаружено. Аргументами в пользу существования темного вещества являются наблюдения скоростей галактик внутри галактических скоплений. Если судить по динамическим свойствам таких скоплений, то можно сделать вывод, что масса скоплений приблизительно в десять раз больше массы их светящихся частей.

Произведенный в последнее время учет скрытой массы и массы физических полей (согласно общей теории относительности) приближает истинную среднюю плотность Вселенной к критическому значению. При этом видимое вещество дает вклад только 5 %. В конце ХХ века по наблюдениям сверхновых на больших расстояниях обнаружено ускорение расширения Вселенной.

Дата добавления: 2015-06-27