Концепции строения и эволюции Вселенной

Лекция № 6
КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении
и эволюции. Космогония – это наука о происхождении и эволюции
различных структурных форм самоорганизации материи во Вселенной:
планет, звезд, галактик, скоплений галактик и т.п.
Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный
во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые
принимает материя в процессе своего развития. Метагалактика – часть
Вселенной,
доступная
исследованию
астрономическими
средствами,
соответствующими достигнутому уровню развития науки.
Единицы измерения расстояний в мегамире: Астрономическая единица
(а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца (1,5×1011м). Световой год –
расстояние, которое проходит свет в течение одного года (9,46×1015м).
Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс
земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной
орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде.
Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016 м = 3,26 св. г.
Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее
удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет.
Наше Солнце – звезда третьего поколения. Оно образовалось около 5
млрд. лет назад из космического газа и пыли. Масса Солнца составляет
примерно 2⋅1030 кг, его радиус – около 7⋅108 м. Температура в центре Солнца
около 107 К, однако его поверхность заметно холоднее – примерно 6⋅103 К.
Линейная скорость вращения на экваторе примерно 2 км/с. Солнце
расположено от центра Нашей Галактики Млечный Путь на расстоянии
28000 св. лет и вращается вокруг ее ядра со скоростью примерно 250 км/с.
Солнце состоит в основном из водорода и гелия. Строение Солнца: ядро,
зона излучения, зона конвекции, фотосфера, хромосфера, солнечная корона.
Проявление Солнечной активности: пятна, вспышки, факелы, протуберанцы.
Строение Солнечной системы. Вокруг Солнца вращаются 8 планет:
Меркурий, Венера, Земля, Марс (земная группа); Юпитер, Сатурн, Уран,
Нептун (планеты-гиганты). В Солнечной системе есть также большое число
малых тел – астероидов, комет, метеоритов и метеоров. С 2006 г. Плутон
(когда-то девятую планету) стали считать малым телом Солнечной системы.
Планеты земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются
вокруг своих осей, у них мало спутников (у Меркурия и Венеры нет). У
Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры
состоит, в основном, из СО2. Земля имеет плотную азотно-кислородную
атмосферу. Сильноразреженная атмосфера Марса состоит в основном из CО2.
Поверхность планет Земной группы твердая, гористая.
Планеты-гиганты. Это большие газо-жидкие планеты. Эти планеты
быстро совершают один оборот вокруг своей оси (9-18 часов). Гиганты и их
атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун
содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые
соединения. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, возможно,
состоящее из водорода, обладающего металлическими свойствами. Планетыгиганты окружены естественными спутниками (в количестве от 8 до 18).
Гипотезы происхождения Солнечной системы: Объединенная гипотеза
И.Канта (1755 г.) и П.С.Лапласа (1796 г.): Солнечная система возникла из
газопылевой туманности, которая находилась в состоянии вращения. От
туманности вследствие центробежных сил отделялись кольца, из которых
впоследствии образовались планеты. Д.Х.Джинс (1917 г.): образование
планет связано с близким прохождением около Солнца другой звезды. За
счет приливных сил из Солнца была выброшена струя газа, из которого
впоследствии и сформировались планеты. О.Ю.Шмидт (1943 г.): Солнце
могло захватить из Галактики материю другого газопылевого облака, и из
этого материала создавались планеты.
Звезда – это пространственно обособленная, гравитационно связанная,
непрозрачная для излучения масса вещества, в которой естественным
образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить
реакции
термоядерного
синтеза. Основными характеристиками
звезд
являются: масса, радиус, абсолютная величина, характеризующая ее
светимость, температура, спектральный класс. Спектральный класс звезды,
или ее цвет, характеризует и ее температуру. Так, звезды красного цвета
имеют температуру поверхности около 4000 К, желтого цвета (как наше
Солнце) – 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10000 К видятся
нам белыми и голубыми.
Эволюция звезд. Возникновение газо-пылевого облака (глобулы) в
местах высокой плотности вещества, протозвезда, настоящая звезда Главной
последовательности, красный гигант. Этапы эволюции звезд при разных
массах: белый карлик, черный карлик; сверхновая звезда, нейтронная звезда;
черная дыра.
Галактики – системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным
тяготением и общим происхождением. Наша Галактика – Млечный Путь
состоит из более 150 млрд. звёзд, диаметр ее около 100 тыс. световых лет.
Она имеет форму диска с утолщением в центре, рукава Галактики имеют
спиральную форму. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике — это
карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Межзвездное
пространство заполнено полями (электромагнитным и гравитационным) и
разреженным межзвездным газом.
По внешнему виду все галактики делятся на эллиптические,
спиральные и неправильные. В 1963 г. во Вселенной были открыты квазары
– звездоподобные источники излучения с широким диапазоном длин волн от
рентгеновских лучей до радиоволн и световых лучей. Это – весьма
удаленные от нас объекты Вселенной, расстояние до них порядка 1025-1026 м.
К настоящему времени их насчитывается более тысячи. По современным
представлениям квазары – это активные ядра далеких галактик.
Эволюция галактик. Вначале Галактика представляла собой медленно
вращающееся гигантское газовое облако, которое под действием собственной
гравитации сжималось. В ходе этого сжатия рождались первые звезды, и
происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих
Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в
кинетическую энергию движения звезд и газа. В итоге кинетическая энергия
звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси
вращения стало невозможным. Подсистема самых старых звезд, возникших в
начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую
форму. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к
формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем
звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В
результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике
происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.
Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл
обнаружил, что линии в спектрах многих галактик смещены к красному
концу спектра, следовательно, расстояние между Нашей Галактикой и
другими увеличивается. Расширение Метагалактики говорит о том, что
Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз
подтверждает всеобщий, универсальный характер принципа эволюции.
Модели
строения
Вселенной.
Космологические
представления
Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная. Геоцентрическая
система мира Птолемея. Гелиоцентрическая система мира Коперника.
И.Ньютон: Вселенная безграничная, бесконечная, однородная и неизменная.
А.Эйнштейн: Вселенная однородна, изотропна и равномерно заполнена
материей, преимущественно в форме вещества. А.А.Фридман: Вселенная
нестационарна.
Наблюдательное
подтверждение
нестационарности
Вселенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря
эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик).
Модель большого взрыва Г.Гамова. Возраст Вселенной – 15-12 млрд.
лет. По непонятным науке причинам Вселенная внезапно возникла в очень
малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры
(сингулярности) и стала стремительно расширяться. Различные эпохи нашей
Вселенной: рождение пространства-времени, стадия инфляции, рождение
вещества, рождение избытка барионов, электрослабый фазовый переход,
кварки и глюоны – рождение протонов и нейтронов, первичный
нуклеосинтез, доминирование темной материи, рекомбинация водорода,
образование
крупномасштабной
структуры
Вселенной.
Основные
наблюдательные тесты теории: распространенность легких элементов в
космосе; красное смещения спектров удаленных галактик, открытие и
исследование крупномасштабной структуры Вселенной; гравитационные
линзы; реликтовое электромагнитное излучение, которое по интенсивности
соответствует
тепловому
температуре около 3 К.
излучению
абсолютно
черного
тела
при