Ежесекундно Солнце теряет около 4,3 млн. тонн массы на излучение. В год это составляет 1,4·1014 тонн. Но Солнце очень велико: 1 % своей массы оно потеряло бы на излучение за 150 млрд. лет. И на протяжении миллиардов лет Солнце излучает огромную энергию. Согласно современным представлениям, на Солнце происходят термоядерные реакции, сопровождающиеся огромным выделением энергии. В ходе этих реакций при очень высоких температурах одни химические элементы превращаются в другие. В недрах Солнца в виде отдельных протонов находится сильно ионизованный водород. Скорость протонов в условиях высоких температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные реакции, в ходе которых происходит синтез новых химических элементов. Фактически внутри Солнца водород превращается в гелий. Это превращение описывается протон-протонным циклом – очень медленной реакцией (характерное время 7,9∙109 лет). Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Рассмотрим цепочку протон-протонного цикла. На первом этапе слияние двух протонов сопровождается образованием дейтерия (ядра тяжелого водорода) и испусканием позитрона и нейтрино: 
далее дейтерий сам вступает во взаимодействие с протоном, получается ядро легкого изотопа гелия и выделяется гамма-квант: 
после чего слияние двух ядер легкого гелия приводит к образованию ядра гелия и двух протонов: 
В ходе такой реакции выделяется огромное количество энергии. Воспользовавшись законом взаимосвязи массы и энергии E = mc 2, можно посчитать, что при сгорании 1 г водорода выделяется приблизительно 6,3·1011 Дж энергии. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик. Одним из продуктов протон-протонного цикла является нейтрино. Эти частицы почти без взаимодействия способны проникать сквозь толщу всей звезды, унося часть энергии непосредственно из ее центральных областей. Нейтрино имеют огромную проникающую способность и поэтому трудноуловимы. Тем не менее, существуют специальные нейтринные обсерватории, которые фиксируют потоки солнечных нейтрино. Регистрация нейтрино – крайне важная задача, поскольку именно нейтрино несет информацию о процессах, происходящих в недрах Солнца и подобных ему звезд.
Вопрос 2. Излучение и температура Солнца. Определяемая полным потоком излучения эффективная температура Солнца равна 5760° С, в то время как положение максимума излучения в спектре Солнца соответствует температуре, определенной по закону Вина, около 6750° С. Таким образом, когда говорят об измеряемой температуре поверхности Солнца чаще всего приводят цифру около 6000 °С. Относительное распределение энергии в различных участках спектра дает представление о цветовых температурах Солнца, значение которых весьма сильно меняется даже в пределах одной только видимой области. Так, например, в интервале длин волн 4700-5400 A цветовая температура составляет 6500°С, а рядом в области длин волн 4300-4700 A — около 8000°С. В еще более широких пределах меняется по спектру яркостная температура, которая на участке спектра 1000-2500 A возрастает от 4500° до 5000°, в зеленых лучах (5500 A) близка к 6400°, а в радиодиапазоне метровых волн достигает миллиона градусов! Важно отметить, что температура солнечного вещества меняется с глубиной. Действительно, непрозрачность сильно нагретых газов неодинакова для различных длин волн. В ультрафиолетовых лучах поглощение больше, чем в видимых. Вместе с тем сильнее всего такие газы поглощают радиоволны. Поэтому радио-, ультрафиолетовое и видимое излучения соответственно относятся к все более и более глубоким слоям Солнца. Учитывая наблюдаемую зависимость яркостной температуры от длины волны, получаем, что где-то вблизи видимой поверхности Солнца расположен слой, обладающий минимальной температурой (около 4500° С), который можно наблюдать в далеких ультрафиолетовых лучах. Выше и ниже этого слоя температура быстро растет. Из вышесказанного следует, что большая часть солнечного вещества должна быть весьма сильно ионизована. Уже при температуре 5-6 тысяч градусов ионизуются атомы многих металлов, а при температуре выше 10-15 тысяч градусов ионизуется наиболее обильный на Солнце элемент — водород. Следовательно, солнечное вещество представляет собой плазму, т.е. газ, большинство атомов которого ионизовано. Лишь в тонком слое вблизи видимого края ионизация слабая и преобладает нейтральный водород. Температура внутри Солнца достигает по разным оценкам 15-20 млн. градусов.
Вопрос 3. Солнечная активность и ее влияние на Землю. Солнечная энергия - неисчерпаемый источник энергии, притом безопасный. Во-вторых, это влияние солнечной активности на земную атмосферу и магнитное поле Земли: магнитные бури, полярные сияния, влияния солнечной активности на качество радиосвязи, засухи, ледниковые периоды и др. Изменение уровня солнечной активности приводит к изменению величин основных метеорологических элементов: температуры, давления, числа гроз, осадков и связанных с ними гидрологических и дендрологических характеристик: уровня озер и рек, грунтовых вод, солености и оледенения океана, числа колец в деревьях, иловых отложений и т.п. С изменением солнечной активности учеными было замечено изменение численности насекомых и многих животных. Солнечная вспышка - своеобразный взрыв, в результате которого происходит внезапное освобождение энергии, накопленной в ограниченном объеме солнечной атмосферы. Установлено, что при вспышках выделяются радиоволны и потоки частиц. Электромагнитное излучение достигает Земли за 8 минут, следовательно, все волны достигают Земли в один и тот же момент - именно тогда, когда мы замечаем вспышку в поле зрения спектрогелиоскопа. Частицы же отстают и прибывают на Землю через различные интервалы времени, зависящие от их скоростей. Приходящие в окрестность Земли солнечные корпускулы создают сильные электрические токи, которые воздействуют на земной магнетизм и порождают так называемые магнитные бури. Во время бурь Земля окружена внешним магнитным полем, силовые линии которого приблизительно параллельны направлению оси постоянного поля Земли. Направление этого внешнего поля между первой и второй фазами бури должно быстро меняться на обратное. Магнитные бури делятся несколько произвольно на два класса - в соответствии с величиной возмущений. В отличии от вспышечных магнитных бурь, рекуррентные повторяются в течении нескольких солнечных оборотов, а иногда даже 10-15 оборотов. Вневспышечные магнитные бури связаны с неоднородностью солнечного ветра и прежде всего долгоживущими областями на солнце. Геомагнитные бури особенно заметны на фоне влияния солнечной активности на биосферу Земли и в частности человека. Медики обратили внимание на то обстоятельство, что число внезапных смертей и случаев обострения заболеваний сердечно-сосудистой системы, тесно связано с солнечной активностью и обусловлено геомагнитной возмущенностью магнитного поля Земли.
Вопросы для самоконтроля
1. Рассказать об источниках энергии Солнца.
2. Какое излучение дает Солнце и какова его температура?
3. Рассказать о влиянии солнечной активности на жизнь на Земле.
Тема 9: Звёзды
План:
1. Модели звезд.
2. Переменные и нестационарные звезды.
3. Эволюция звезд.
Вопрос 1. Модели звезд. Звезда́ — массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза. Ближайшей к Земле звездой является Солнце — типичный представитель спектрального класса G. Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость. Ближайшей к Солнцу звездой является Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 светового года (4,2 св. года = 39 Пм = 39 трлн км = 3,9 × 1013 км) от центра Солнечной системы (см. также Список ближайших звёзд). Невооружённым взглядом (при хорошей остроте зрения) на небе видно около 6000 звёзд, по 3000 в каждом полушарии. Под «звездной моделью» понимается совокупность таблиц (или графиков), дающих «идеализированное» распределение плотности, температуры, давления, химического состава вещества звезды для разных глубин, выраженных в долях ее радиуса. Следует подчеркнуть, что такая модель отнюдь не тождественна реальной звезде. Все же хорошо рассчитанная модель, правильно учитывающая основные физические законы, определяющие структуру звезды, может (и должна!) давать в основном верное представление о свойствах вещества звездных недр.
Вопрос 2. Переменные и нестационарные звезды. В настоящее время известно несколько десятков тысяч переменных звезд различных типов. Светимость некоторых меняется строго периодически, у других периодичность часто нарушается или не соблюдается так строго, а есть и такие, у которых светимость меняется неправильным образом, и пока не удалось найти определенных закономерностей в этих изменениях. 1. Пульсирующие переменные К числу переменных звезд со строгой периодичностью принадлежат прежде всего цефеиды. Они получили это название потому, что первой среди звезд этого типа была открыта δ Цефея. Эта классическая цефеида меняет свою светимость с периодом 5,37 суток, а амплитуда изменения светимости примерно одна звездная величина. Как правило, у цефеид эта амплитуда не превышает 1,5 звездной величины, зато периоды изменения светимости весьма различны: от десятков минут до нескольких десятков суток, причем этот период у них долгие годы сохраняется постоянным. Еще в начале XX в. было замечено: чем ярче цефеида, тем продолжительнее период изменения ее светимости. Зависимость «период — светимость», существующая у цефеид, используется для определения расстояний в астрономии. Цефеиды — это звезды-сверхгиганты, они обладают высокой светимостью. Так, например, светимость цефеиды с периодом 50 суток в 10 тыс. раз больше, чем у Солнца. Они заметны даже в других галактиках, поэтому цефеиды, которые можно использовать для определения таких больших расстояний, когда годичный параллакс невозможно измерить, часто называют «маяками Вселенной». Звезды, пульсация которых происходит с периодом большим, чем у цефеид, называются долгопериодическими. Период изменения светимости у них не выдерживается так строго, как у цефеид, и составляет в среднем от нескольких месяцев до полутора лет, а светимость меняется очень значительно — на несколько звездных величин. Эти звезды типа Миры (о Кита) являются красными гигантами с весьма протяженной и холодной атмосферой. У некоторых звезд, светимость которых долгое время оставалась практически постоянной, она вдруг неожиданно падает, а через некоторое время опять восстанавливается на прежнем уровне. Поскольку в атмосферах таких звезд наблюдается повышенное содержание углерода, принято считать, что причиной уменьшения светимости является образование гигантских облаков сажи, поглощающих свет.
Вопрос 3. Эволюция звезд. Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью. Большая часть «пустого» пространства в галактике в действительности содержит от 0,1 до 1 молекулы на см³. Молекулярное облако же имеет плотность около миллиона молекул на см³. Масса такого облака превышает массу Солнца в 100 000—10 000 000 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике. Пока облако свободно обращается вокруг центра родной галактики, ничего не происходит. Однако из-за неоднородности гравитационного поля в нём могут возникнуть возмущения, приводящие к локальным концентрациям массы. Такие возмущения вызывают гравитационный коллапс облака. Один из сценариев, приводящих к этому — столкновение двух облаков. Другим событием, вызывающим коллапс, может быть прохождение облака через плотный рукав спиральной галактики. Также критическим фактором может стать взрыв близлежащей сверхновой звезды, ударная волна которого столкнётся с молекулярным облаком на огромной скорости. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются в результате столкновения. В общем, любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут запустить процесс звёздообразования. Из-за возникших неоднородностей давление молекулярного газа больше не может препятствовать дальнейшему сжатию, и газ начинает под действием гравитационных сил притяжения собираться вокруг центров будущих звезд, в масштабе времени: По теореме вириала половина высвобождающейся гравитационной энергии уходит на нагрев облака, а половина — на световое излучение. В облаках же давление и плотность нарастают к центру, и коллапс центральной части происходит быстрее, нежели периферии. По мере сжатия длина свободного пробега фотонов уменьшается и облако становится всё менее прозрачным для собственного излучения. Это приводит к более быстрому росту температуры и ещё более быстрому росту давления. В конце концов градиент давления уравновешивает гравитационную силу, образуется гидростатическое ядро, массой порядка 1 % от массы облака. Этот момент невидим, — глобула прозрачна в оптическом диапазоне. Дальнейшая эволюция протозвезды — это аккреция продолжающего падать на «поверхность» ядра вещества, которое за счёт этого растет в размерах. В конце концов масса свободно перемещающегося в облаке вещества исчерпывается и звезда становится видимой в оптическом диапазоне. Этот момент считается концом протозвёздной фазы и началом фазы молодой звезды. Вышеописанный сценарий правомерен только в случае, если молекулярное облако не вращается, однако все они в той или иной мере обладают вращательным моментом. Согласно закону сохранения импульса, по мере уменьшения размера облака растёт скорость его вращения, и в определённый момент вещество перестает вращаться как одно тело и разделяется на слои, продолжающие коллапсировать независимо друг от друга. Число и массы этих слоёв зависят от начальных массы и скорости вращения молекулярного облака. В зависимости от этих параметров формируются различные системы небесных тел: звёздные скопления, двойные звёзды, звёзды с планетами.
Вопросы для самоконтроля
1. Рассказать об основных особенностях моделей звезд.
2. Что такое переменные звезды?
3. Что такое нестационарные звезды?
4. Рассказать об основных этапах эволюции звезд.
Тема 10: Наша Галактика.
План:
1. Размеры и структура нашей Галактики
2. Межзвездная среда: газ и пыль.
Вопрос 1. Размеры и структура нашей Галактики. Галактика звездная система, к которой принадлежит Солнце. Галактика содержит по меньшей мере 100 млрд. звезд. Три главные составляющие: центральное утолщение, диск и галактическое гало. Центральное утолщение состоит из старых звезд населения II типа (красные гиганты), расположенных очень плотно, а в его центре (ядре) находиться мощный источник излучения. Предполагалось что в ядре находится черная дыра, инициирующая наблюдаемые мощные энергетические процессы сопровождаемые излучением в радиоспектре. (Газовое кольцо вращается вокруг черной дыры; горячий газ, срываясь с его внутреннего края, падает на черную дыру, при этом выделяется энергия, которую мы и наблюдаем.) Но недавно в ядре была зарегистрирована вспышка видимого излучения и гипотеза о черной дыре отпала. Параметры центрального утолщения: 20 000 световых лет в поперечнике и 3000 световых лет в толщину. Диск Галактики, содержащий молодые звезды населения I типа (молодые голубые сверхгиганты), межзвездную материю, рассеянные звездные скопления и 4 спиральные рукава, имеет диаметр 100 000 световых лет и толщину всего 3000 световых лет. Галактика вращается, внутренние её части проходят по своим орбитам намного быстрее, чем внешние. Солнце совершает полный оборот вокруг ядра за 200 млн лет. В спиральных рукавах идет непрерывный процесс звездообразования. Галактическое гало концентрично с диском и центральным утолщением и состоит из звезд, преимущественно являющихся членами шаровых скоплений и принадлежащих к населению II типа. Однако большая часть вещества в гало невидима и не может быть заключена в обычных звездах, это не газ и не пыль. Таким образом в гало содержится темное невидимое вещество. Расчеты скорости вращения Большого и Малого Магеллановых Облаков, являющихся спутниками Млечного Пути, показывают, что масса, заключенная в гало, в 10 раз превышает массу, которую мы наблюдаем в диске и утолщении. Солнце расположено на расстоянии 2/3 от центра диска в Орионовом рукаве. Его локализация в плоскости диска (галактического экватора) позволяет видеть с Земли звезды диска в виде узкой полосы Млечного Пути
Вопрос 2. Межзвездная среда: газ и пыль. Разреженное вещество, электромагнитное излучение и магнитное поле, заполняющие пространство между звездами в Галактике. Основные компоненты межзвездного вещества - газ, пыль и космические лучи, причем газ обычно составляет не менее 90% массы; остальное вещество сосредоточено в межзвездной пыли. Масса космических лучей ничтожна, но их влияние на остальные компоненты межзвездной среды весьма ощутимо. Характерная плотность межзвездного вещества - 1 атом в кубическом сантиметре, но вследствие огромного объема галактики полная масса этого разреженного вещества в ней достигает миллиардов масс Солнца. Доля межзвездной среды составляет менее 1% массы у эллиптических галактик, около 5% у спиральных и более 10% у неправильных галактик. Химический состав межзвездной среды близок к составу молодых звезд (недавно сформировавшихся из нее): на 1000 атомов водорода приходится около 100 атомов гелия и 2-3 атома более тяжелых элементов. При этом значительная часть тяжелых элементов входит в состав межзвездной пыли. Происхождение межзвездной среды носит сложный характер: частично это догалактичекий газ, не вошедший в состав звезд; частично - газ, попавший в галактику извне (например, вместе с упавшей на нее другой галактикой); и частично - газ, потерянный звездами самой галактики в форме звездного ветра, планетарных туманностей, оболочек новых и сверхновых звезд. В нашей Галактике именно звезды служат основным источником межзведной среды. В свою очередь межзвездная среда постоянно расходуется на формирование звезд и планетных систем.
Вопросы для самоконтроля
1. Дать характеристику размерам и структуре нашей галактики.
2. Из чего состоит межзвездная среда?
Тема 11: Разнообразие мира галактик.
План:
1. Разнообразие мира галактик. Квазары
2. Основы современной космологии.
Вопрос 1. Разнообразие мира галактик. Квазары Грандиозные звездные системы - галактики, далекие и загадочные, одни из самых потрясающих и наиболее изучаемых современной астрономией объектов. В данной статье мы рассмотрим типы галактик, их основные отличия и особенности. Галактики во Вселенной не похожи друг на друга. Одни имеют круглую и эллиптическую форму, другие наблюдаются в форме закрученных спиралей. В 20-хх годах ХХ века Эдвин Хаблл в своей работе предложил классифицировать галактики на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные, Проще всего выглядят эллиптические галактики. Структура данного типа характеризуется эллиптической формой, равномерной яркостью, постепенно убывающей от центра к краю.Форма галактик данного типа варьируется от практически совершенно круглой, до сплюснутого эллипса. Соответственно для обозначения степени сплюснутости галактики к букве Е прибавляется число n, определяемое по формуле: n = 10 (a - b) / a, где а - b - это соответственно большая и малая полуоси галактики. Таким образом, эллиптическая галактика круглой формы будет отнесена к типу Е0, а сильно сплюснутая может быть классифицирована как Е6.Наиболее распространенным типом галактик являются спиральные. Строение галактик данного типа гораздо более сложное, нежели эллиптических. Спиральная галактика имеет хорошо выраженное ядро, а также спиральные ветви (рукава), исходящие прямо из ядра, либо из так называемой перемычки (бара), в центре которого расположено ядро.В спиральных галактиках ядро представляет собой наиболее яркую область, обладающую признаками эллиптических галактик. Открытый Хабблом закон падения яркости для эллиптических галактик оказался справедливым и для центральных ядерных областей спиральных систем. Наличие в спиральной галактике перемычки (бара) позволяет разделить их на два основных типа. К первому относятся нормальные спиральные галактики, обозначаемые буквой (S). Ко второму типу относятся так называемые пересеченные галактики, обозначаемые (SB). Для более точной характеристики той или иной галактики, деления их на 2 типа недостаточно. Поэтому Хаббл классифицировал спиральные галактики по следующим трем критериям: 1) относительной величине ядра, по сравнению с размерами всей галактики; 2) по тому, насколько сильно или слабо закручены спиральные ветви; 3) фрагментарности спиральных ветвей. К типу Sa или (SBa) относятся галактики с очень обширной ядерной областью и сильно закрученными спиральными ветвями - непрерывными и гладкими, а не фрагментарными. Галактики типа Sb и SBb имеют относительно небольшую ядерную область, и не очень сильно закрученные спиральные ветви, которые разрешаются на отдельные яркие фрагменты. Галактики типа Sc и SBc характеризуются сильно фрагментарными обрывочными спиральными рукавами. У галактик SBc даже бар разделяется на отдельные фрагменты. Кроме того, отдельно выделен тип галактик, промежуточный, между спиралями и эллиптическими системами, - галактики типа SO. У них чрезвычайно толстый диск, мощный балдж и не видно спиральных ветвей. Кстати, обозначив этот тип галактик буквой S, несмотря на отсутствие спиралей, Хаббл тем самым подчеркнул, что главным в различии спиральных и эллиптических систем является звездный диск.К третьему типу галактик относятся все объекты, которые не удалось причислить ни к эллиптическим галактикам, ни к спиральным - это неправильные галактики (Irr). Крохотные яркие радиоисточники, излучающие огромное количество энергии в радио и оптическом диапазоне, эти объекты получили название квазаров. Природа квазаров, на сегодняшний день, остается еще до конца не ясной. Они обладают огромными скоростями удаления от нас.Самые большие скорости звезд в нашей Галактике составляют около 400 км/с. Квазары имеют красные смещения, соответствующие таким большим скоростям, как 150 000 км/с. Квазары являются самыми далекими объектами и удаляются от нас в рамках общего расширения Вселенной. У многих квазаров была обнаружена переменность блеска и их светимость может меняться во много раз. В некоторых случаях блеск меняется очень быстро – на протяжении всего одного дня. Это говорит о том, что квазары не могут быть очень большими. Однако по светимости они излучают света в 100 раз больше, чем галактика из сотен миллиардов звезд. В настоящее время известно, что квазары являются активными ядрами галактик. Многие квазары оказались пересеченными спиральными галактиками, а необычно большая их часть имеет спутники. Пока еще неизвестно, почему квазарами преимущественно оказываются двойные галактики или почему среди них так много пересеченных галактик.
Вопрос 2. Основы современной космологии. Научная космология формируется в XX веке, а ее зарождение связанно с именем А. Эйнштейна, создавшего в 1916 г. Релятивистскую теорию тяготения (общую теорию относительности), которая стала теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. Он разработал стационарную замкнутую сферическую модель Вселенной, характерной чертой которой была конечность пространственного сечения, хотя с точки зрения внутренней геометрии это пространство представлялось неограниченным. В своей концепции Эйнштейн связал между собой пространство и время в единую ценность - пространственно-временной континуум (ПВК). ПВК Эйнштейна можно представить в виде четырехмерного цилиндрического мира с конечным трехмерным пространственным сечением и неограниченной осью времени. В течении веков создавались различные космологические модели, но почти все они носили стационарный характер, то есть отражали статичность, неизменность Вселенной, ибо сама мысль о возможности ее эволюции казалась исследователям нелепой, абсурдной, противоречащей здравому смыслу. Современный этап развития космологического знания начинается с работ замечательного российского ученого А.А. Фридмана. Основываясьна теории Эйнштейна, он в 1922 г. Доказал, что Вселенная не остается постоянной, неизменной во времени, а должна либо расширяться, либо сжиматься. На базе фридмановских решений возможно построение трех типов моделей Вселенной, вид которых определяется средней плотностью материи. Если плотность материи равна критической rкр10г/см3, то пространство не искривляется, его геометрия евклидова, а Вселенная равномерно расширяется в бесконечность. 1. При плотности меньшей критической кривизна пространства отрицательна, и Вселенная носит открытый характер, причем скорость ее расширения выше чем в первом случае. 2. Если плотность материи больше критической, то пространство замкнутое с положительной кривизной. Вселенная имеет закрытый характер: она сначала расширяется до определенного деленного значения своего радиуса, а затем сжимается в точку. Концепция А.А. Фридмана получила в 1929 г. Свое блестящее подтверждение: американский астроном Э. Хаббл, благодаря многочисленным наблюдениям установил факт расширения Вселенной, проявляющийся в разбегании (разлете) галактик. Данное открытием стало одним из величайших достижений современного естествознании, посредством которого была доказана глобальная эволюция вселенной.
Вопросы для самоконтроля
1. Рассказать о разнообразии мира галактик.
2. Что называют квазарами?
3. Что изучает космология?
Тема 12: Теория Большого взрыва
План:
1. Нестационарная Вселенная. Теория Большого взрыва
2. Ускорение расширения Вселенной.
Вопрос 1. Нестационарная Вселенная. Теория Большого взрыва Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что Вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией Большого взрыва. Основы теории Большого взрыва относительно просты. Если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время — около 13,8 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носило название сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем. теория Большого Взрывая является лишь одной из многих предложенных гипотез возникновения Вселенной (например, есть еще теория стационарной Вселенной), однако она получила самое широкое признание и популярность. Она не только объясняет источник всей известной материи, законов физики и большую структуру Вселенной, она также описывает причины расширения Вселенной и многие другие аспекты и феномены. Основываясь на знаниях о нынешнем состоянии Вселенной, ученые предполагают, что все должно было начаться с единственной точки с бесконечной плотностью и конечным временем, которые начали расширяться. После первоначального расширения, как гласит теория, Вселенная прошла фазу охлаждения, которая позволила появиться субатомным частицам и позже простым атомам. Гигантские облака этих древних элементов позже, благодаря гравитации, начали образовывать звезды и галактики. Все это, по догадкам ученых, началось около 13,8 миллиарда лет назад, и поэтому эта отправная точка считается возрастом Вселенной. Путем исследования различных теоретических принципов, проведения экспериментов с привлечением ускорителей частиц и высокоэнергетических состояний, а также путем проведения астрономических исследований дальних уголков Вселенной ученые вывели и предложили хронологию событий, которые начались с Большого взрыва и привели Вселенную в конечном итоге к тому состоянию космической эволюции, которое имеет место быть сейчас. Ученые считают, что самые ранние периоды зарождения Вселенной — продлившиеся от 10-43 до 10-11 секунды после Большого взрыва, — по прежнему являются предметом споров и обсуждений.
Вопрос 2. Ускорение расширения Вселенной. Расширение Вселенной — явление, состоящее в почти однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной, выводимое через наблюдаемое с Земли космологическое красное смещениеЭкспериментально расширение Вселенной подтверждается выполнением закона Хаббла, а также уменьшением светимости экстремально удалённых «стандартных свеч» (сверхновых типа Ia). Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется из начального сверхплотного и сверхгорячего состояния. Теоретически явление было предсказано и обосновано А. Фридманом на раннем этапе разработки общей теорией относительности из общефилософских соображений об однородности и изотропности Вселенной. Расширение Вселенной в различных моделях Метрическое расширение пространства является увеличением расстояния между двумя отдалёнными частями Вселенной с течением времени. Метрическое расширение является ключевым элементом космологии Большого Взрыва и математически моделируется с помощью метрики Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW). Эта модель действует в современную эпоху только на больших масштабах (примерно масштабах скоплений галактик и выше). На меньших масштабах материальные объекты связаны друг с другом силой гравитационного притяжения, и такие связанные скопления объектов не расширяются. В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла (за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шоу по астрономии за 2006 год, Нобелевскую премию по физике за 2011 год и Премию по фундаментальной физике Юрия Мильнера в 2015 году). Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было найдено, что во Вселенной существует ранее неизвестная энергия с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией». По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад.
Вопросы для самоконтроля
5. Рассказать о Теории Большого взрыва.
6. Что значит термин «Расширяющаяся Вселенная»?
Тема 13: Жизнь и разум во Вселенной.
План:
1. Развитие представлений о жизни и разуме во Вселенной.
2. Современные представления о жизни и разуме во Вселенной.
3. Дифференцированный зачет