Современные знания о структуре и эволюции Вселенной

Математические основы физики;
Математические модели теоретической
физики.
Лекция 1.
Современные знания о
структуре и эволюции
Вселенной
доктор физ.-мат. наук,
профессор
Казанский федеральный университет
Институт математики и механики
им. Н.И. Лобачевского
кафедра высшей математики
и математического моделирования
Игнатьев Юрий
Геннадьевич
февраль, 2015
Триада математического моделирования
по академику Самарскому
Теория гравитация Эйнштейна;
Квантовая теория поля;
Теория высокотемпературной плазмы;
Теория фундаментальных взаимодействий;
Теория элементарных частиц;
Тензорный и спинорный анализ;
Риманова геометрия;
Теория непрерывных групп;
Функциональный анализ;
Теория дифференциальных уравнений;
Теория динамических систем;
Топология
Математическая
модель
ОБЪЕКТ
Программа
Вселенная
Алгоритм
Программирование в системах
компьютерной математики:
Mathematica, Maple, MatLab
Триада математического моделирования адекватно отображает процесс познания неизвестного!
«Гравюра Фламмариона», Из книги французского астронома XIX века Камиля
Фламмариона, гравюра XVI века неизвестного автора
Подпись под гравюрой: Миссионер средневековья рассказывает, что нашёл точку, где
небо касается Земли: «Что же такое тогда это голубое небо, которое безусловно
существует и которое закрывает от нас звезды в течение дня?»
Человек находится в центре мира!
I. Наши знания о Солнечной системе
№
Название
планеты
Радиус
орбиты
в а.е.
Период
обращения
в годах
1
Меркурий
0,39
0,24
2
Венера
0,72
0,62
3
Земля
1
1
4
Марс
1,5
1,9
5
Юпитер
5,2
11,9
6
Сатурн
9,4
29,5
7
Уран
19,4
84
8
Нептун
30,1
164,8
9
Плутон
39,4
248,6
40
35
Схема солнечной системы (не в масштабе)
30
Орбиты всех планет кроме Меркурия и Плутона лежат в
одной плоскости
25
20
15
10
5
0
П
т
лу
он
н
н
ту
ан
еп
Н
Ур
ур
ат
С
р
те
с
ар
ий
а
ля
пи
Ю
М
м
Зе
ер
р
ку
ер
н
Ве
М
1 а.е.= 149 600 000 км
≈8 световых минут;
Диаметр Солнечной системы
≈ 11 световых часов
Космический корабль с 3-й
космической скоростью (16,7 км/c)
пролетит Солнечную систему
за 23 года.
I. Наши знания о Солнечной системе:
Солнце - жёлтый карлик
Меркурий
Внутреннее строение Солнца
73,46 % - H;
24,85 % -He;
ост. - 1,69%
Солнце с протуберанцами и короной
Средний диаметр 1 392 000 км (109 диаметров Земли)
Масса 1,99·1030 кг (332 946 масс Земли)
Средняя плотность 1,4 г/см3
Эффективная температура поверхности 5788 K (5515 °C)
Температура короны ~ 1.500.000 K (~ 1.500.000 °C)
Температура ядра~ 13.500.000 K (~ 13.500.000°C)
Средняя плотность ядра 150 г/см3
Период вращения 25,4 суток
Спектральный класс G2V
Расстояние от центра Галактики 26 000 световых лет
Период оборота вокруг центра Галактики – 200 миллионов лет
Возраст 4,57 миллиарда лет (всего жизненный цикл 10 млр. лет)
Фотография короны Солнца
I. Наши знания о Солнечной системе: Солнце
Солнечные пятна и гранулы
I. Наши знания о Солнечной системе: Солнце
Протуберанцы и Солнечная корона
Корона простирается до границ Солнечной
системы. Около Солнца ее температура около
2.000.000 К, около Земли – 100.000 К.
Протуберанец 1
Протуберанец 2
Протуберанец 3
Прохождение Меркурия по диску Солнца
л
Со
ны
ч
не
й
ер
т
ве
я
се
с
а
р
–
мо
т
еа
и
н
ры
е
сф
лн
о
С
и
а
ц
ет
н
а
л
п
I. Наши знания о Солнечной системе: Земля
ко
ь
л
о
Т
ка
с
ре
т
о
п
с
с
ей
вш
я
ой
п
лу
р
о
ск
Рассеяние атмосферы – серебристый свет Земли;
увеличение массы Земли – метеоритная пыль;
миграция
магнитных
полюсов Земли
Возраст
4,54 миллиарда
лет
Очень похожа, даже по
пропорциям, на сырое яйцо,
если в центр желтка добавить
стальной шарик
Химический состав: железо (32,1 %), кислород (30,1 %), кремний (15,1 %),
магний (13,9 %), сера (2,9 %), никель (1,8 %),
кальций (1,5 %), алюминий (1,4 %); остальные элементы - 1,2 %.
Детектирование колебаний
в глубинной шахте
I.Наши знания о Солнечной системе: Земля
синхронизация
Как изучается строение Земли
Взрыв в глубинной шахте
(ядерный)
Кольская
сверхглубокая
скважина
—считалось,
глубочайшая
в мире
По существовавшим
теоретическим
моделям
что температура
буровая
скважина.
Находится
в Мурманской
области,
в
Балтийского
щита останется
сравнительно
низкой до глубины
по крайней
мере
15 км
километров.
Соответственно,
скважину
можно будетБалтийского
рыть чуть ли нещита.
до 20
10
от города
Заполярного,
на территории
километров,
раз до мантии.
Но уже
на 5 километрах окружающая
Её
глубина как
составляет
12 262
метра.
температура перевалила за 700C, на семи – за 1200C, а на глубине
12-ти жарило сильнее 2200C – на 1000C выше предсказанного.
Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного
строения земной коры – по крайней мере, в интервале до 12 262 метра.
В школе нас учили: есть молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро.
99,866 % от суммарной массы
всей Солнечной системы в Солнце
I. Наши знания о Солнечной системе: Планеты
Н
У
н
ра
еп
ту
н
Са
ту
рн
пи
те
р
Ю
ар
с
М
Зе
мл
я
М
ер
ку
ри
й
Ве
не
ра
Масса Земли - 5,974 ·1024кг
Радиус Земли - 6378 км
Плотность Земли – 5,515г/см3
це
н
л
Со
350
317,8
12
11,21
300
9,45
10
250
Пл
уто
н
8
200
М ассы в ед. массы 6
Земли
150
95,2
4
2
0,0550,815
1
0,107
14,37
3,88
4
100
50
Размеры в ед. размера
Земли
17,15
1
0,949
0,533
0,382
0,002
0,18
0
0
П
т
лу
он
н
ту
ий
а
ля
ер
р
ку
ер
еп
Н
ан
Ур
н
ур
ат
С
р
те
пи
Ю
с
ар
М
м
Зе
н
Ве
М
н
то
лу
П
н
ту
еп
Н
ан
Ур н
ур
ат
С
р
те
пи
Ю
с
ар
М
ля
м
Зе а
р
не й
Ве р и
ку
ер
М
Размеры планет в масштабе. Расстояние до Солнца не в масштабе
I. Наши знания о Солнечной системе: Планеты
Уран
Венера
Юпитер
Меркурий
Марс
Сатурн
Земля
Нептун
Плутон
200 миллиардов звезд (1011)
пе
ри
од
об
ра
щ
ен
и
я
С
ол
нц
а
во
к
ру
г
це
н
тр
а
Га
ла
к
ти
к
и
22
0
ми
лл
ио
но
в
ле
т
II. Наши знания о галактиках:
Галактика "Млечный путь"
Взгляд на Млечный путь из Солнечной системы
(Солнечная система не в масштабе – диаметр
Взгляд
на Млечный
Солнечной системы примерно
в миллиард
раз путь со "стороны"
(Солнечная
меньше диаметра галактики
Млечныйсистема
путь) не в масштабе)
!!!
Сравнение размеров звезд
II. Наши знания о галактиках:
Звездное население Галактики
Иерархическая структура
II. Наши знания о галактиках:
Скопления и сверхскопления
Скопление Галактик ~100-1000
Группы Галактик, взаимодействие
Галактики – от 100000 до 1000000000000 звезд
Звезды и их планетные системы
Сверхскопление Галактик ~100 скоплений
III. Наши знания о механизмах образования
космических структур: рождение Вселенной
Квазары
Фридман Александр Александрович Гео́ргий Анто́нович Га́мов
1922-1924 – модель расширяющейся 1946-1948 – горячая модель
Вселенной
Вселенной
Чем дальше мы смотрим в телескопы,
тем более ранние стадии Вселенной
мы видим. Сегодня мы видим области
Вселенной 10 миллиардов лет назад,
когда еще не было Галактик
Вселенная расширяется! –
экспериментально подтверждено
Хабблом в 1929 году
Черное излучение – 10 миллиардов
фотонов на 1 атом вещества! Обнаружено в 1965.
Горячее начало – образование современного
химического состава
III. Наши знания о механизмах образования
космических структур: ускорение Вселенной
С 1980 годов возникла проблема темной (скрытой) материи –
вращение звезд в галактиках, вращение галактик в скоплениях
1998 год – расширение Вселенной ускоряется!
Космический телескоп Хаббл.
Темная энергия – энергия вакуума (скалярное поле)
- Хиггсовы бозоны – большой адронный коллайдер
Ускорение Вселенной – инфляцию – предсказал
в 1981 году Гусс.
Длина кольца БАК составляет около 27 км.
В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют
более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран
III. Наши знания о о Вселенной
Проблема скрытой (темной материи!) – Обнаружение космической паутины (май,
2008) и темной энергии
Космическая паутина
Кластеризация темной материи
Кластер B
Кластер А
III. Наши знания о механизмах образования космических структур:
образование звезд
Температура в центре в
результате гравитационного сжатия
TC =
2 Mm p G
3k Б R
Для Солнца: TC=1,6 миллионов oКельвина
Для Земли: TC=5000 oКельвина
Как они рождаются? Фотографии телескопа Хаббл
III. Наши знания о механизмах образования
космических структур: образование звезд
Планетарные туманности
III. Наши знания о механизмах образования
космических структур: образование планет
Рождение планетарной туманности
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
END