Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Модели происхождения Вселенной.
1. Ученик А.А. Фридмана Георг Гамов (эмигрировал в 1934г. из СССР в США) в 1948 г. разработал модель горячей Вселенной под названием «Космология Большого взрыва». Радиус Вселенной в первоначальном состоянии был равен 10-12 см (близок к радиусу электрона), а плотность 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. В результате большого взрыва Вселенная перешла из этого состояния к расширению 13-15 млрд. лет назад.
Эволюцию Вселенной делят на эры:
Эра адронов – тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия, время существования эры 0,0001 с., температура 1012 градусов по К0, плотность 1014 г/см3.
Эра лептонов – легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие. Эра образовалась в результате аннигиляции адронов и античастиц. Время существования эры 10 с., температура 1010 К0, плотность 104 г/см3.
Фотонная эра. Энергия во Вселенной заключена в основном в фотонах. Продолжительность 1 млн. лет. В конце эры снижается температура с 1010 до 3000 К0, плотность с 104 г/см3 до 10-21 г/см3.
Звездная эра. Начинается процесс образования протозвезд и протогалактик, так как излучение отделилось от вещества. Это излучение фотонов дошло до нас в виде реликтового фона, предсказанное Гамовым и обнаруженное в 1965 г., что подтверждает гипотезу большого взрыва и что Вселенная не имеет центра, так как реликтовое излучение приходит на Землю со всех сторон.
Происхождение скоплений галактик не удавалось объяснить при помощи предыдущих моделей, а только происхождение отдельных звезд и планетных систем. Это нужно объяснять не процессами, случившимися после взрыва, а процессами изначальной природы – подобная мысль привела к созданию Гутом (американец) новой модели.
2. Раздувающаяся, инфляционная модель Вселенной Алана Гута (инфляция – вздутие). Различие в эволюции Вселенной в инфляционной модели и теории Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10-30 с., далее принципиальных расхождений нет.
Суть модели – в квантовом вакууме в условиях очень высокой энергии частицы создают сильное натяжение. Давление внутри вакуума не положительно, а отрицательно (направлено внутрь), это приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталкивания по теории Эйнштейна. В результате под действием гигантских сил отталкивания квантовый вакуум вздувается за 10-30 с. в 1030 раз. Раздувание (расширение) происходит молниеносно, вакуум охлаждается и гигантская освободившаяся энергия излучается, ее температура 1028 К0. При такой температуре привычные нам частицы (кварки, лептоны) не существуют, а возникают после охлаждения вакуума. Для вакуума с отрицательным давлением характерны квантовые флуктуации – это и есть начальные состояния будущих галактик и их скоплений.
Итак, Большой взрыв есть длящееся невообразимо короткое мгновение расширение высокоэнергетического квантового вакуума (по поводу которого до сих пор ведутся споры).
Для ученых возникает трудность в объяснении причин космической эволюции. Для объяснения эволюции Вселенной выделяются две основные концепции: а) концепция самоорганизации – материальная Вселенная это единственная реальность, другой не существует. Идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении все большего усложнения их структур. Динамический хаос порождает порядок.
б) концепция креационизма, т.е. образование Вселенной и ее эволюция связаны с реализацией программы (программы высшего порядка, чем материальный мир), определяющей законы развития от простых систем к более сложным, в ходе которого созданы условия для возникновения жизни и человека.
В качестве дополнительного аргумента привлекается антропный принцип.
Солнечная система
Солнечная система входит в состав галактики Млечный путь и представляет собой группу небесных тел, различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, восемь больших планет, десятки спутников планет, 5 карликовых планет, примерно 100 тысяч малых планет (астероидов), около 1011 комет, бесчисленное множество метеороидов и космическая пыль. Все пространство пронизано межгалактическими лучами.
Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца и она удерживает планеты на околосолнечных орбитах.
Фундаментальной особенностью строения Солнечной системы является то, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, их осевое вращение противоположно солнечному. Самая большая скорость вращения у Меркурия, он совершает полный оборот вокруг Солнца за 88 земных суток, а скорость его осевого вращения составляет около 59 земных суток; у самой удалённой планеты Нептуна орбитальный период составляет 165 лет, а скорость осевого вращения – 16 часов, у Земли 365 дней и 24 часа, интересное вращение у Венеры, имеющей массу примерно равную земной 225 з. суток и 243 з. сутки противоположно солнечному.
Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.
8 больших планет расположены следующим образом (отсчет от Солнца): Меркурий;
Венера;
Земля имеет 1 спутник;
Марс – 2 (Деймос и Фобос);
Юпитер – 63 (Ио, где бушуют мощные вулканы, Европа имеет жидкий океан и может существовать жизнь, Ганимед по размеру больше Меркурия, Каллисто – крупнейшие спутники открыты впервые Галилеем. Систему Юпитера и систему Сатурна с их спутниками иногда называют «Солнечной системой в миниатюре»;
Сатурн – 61 (Титан, Феба, ...);
Уран – 27 (Титания, Офелия, ...);
Нептун – 13 (Тритон, Нереида, ...);
Карликовые планеты тоже имеют спутники: Церера; Плутон – 3 (Харон и Плутон двойная система планет, Гидра, Никта); Хаумеа – 2; Макемаке; Эрида – 1 спутник.
У всех планет-гигантов есть кольца: у Юпитера они состоят из сравнительно мелких каменных частиц, вращающихся вокруг него; у Сатурна – система плоских концентрических образований изо льда и пыли, располагающаяся в его экваториальной плоскости; Уран имеет 13 колец, состоящих из водяного льда с включениями органики; Нептун имеет 5 колец, состоящих из ледяных частиц, покрытых силикатами.
По физическим характеристикам большие планеты разделяются на:
- внутренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс – это планеты земной группы);
- внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – планеты-гиганты), вокруг которых группируется около 90% естественных спутников. Промежуточное положение между внешними и внутренними планетами занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая часть малых планет. Планеты-гиганты имеют значительные размеры и массу, низкую среднюю плотность, характерную для газового состава, а Юпитер и Сатурн близки с Солнцем по химическому составу (водород и гелий). Юпитер массивнее всех остальных планет в 2 раза. Из планет земной группы Земля и Венера почти не отличаются по размерам, массе и средней плотности, Марс и Меркурий меньше их.
Планеты земной группы, астероиды и отдельные спутники (например, Луна) образованы из так называемого «земного вещества».
«Земное вещество» состоит кремния, железа, алюминия, магния и титана в окисленном состоянии. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. «Солнечное вещество» – водород и гелий с небольшими примесями неона, аргона и других элементов. Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К. Летучие вещества – углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород. Летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твердом состоянии, то есть в виде льда.
Юпитер и Сатурн в основном состоят из «солнечного вещества» с примесями летучих веществ и «земного вещества». Для Урана и Нептуна основным веществом являются летучие вещества. Большая часть спутников планет-гигантов состоит в основном из летучих веществ с некоторой примесью «земного вещества». Те же составляющие, но в другой пропорции, характерны для комет.
Плане́та (с греч. блуждающая звезда) – массивное небесное тело, имеющее сфероидальную форму, движущееся по орбите вокруг звезды, в нем не протекают термоядерные реакции. А также вблизи орбит планеты имеется «пространство, свободное от других тел», которое появляется в процессе формирования планет.
В 2006 году на XXVI Ассамблее Международного астрономического союза (МАС) принято решение, согласно которому, Плутон не является планетой.
Солнце – единственная звезда в этой системе.
Масса Солнца 2·1027 тонн и составляет 99,8 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Его диаметр 1,392×109 м или 109 диаметров Земли. Текущий возраст Солнца вычислен при помощи компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,57 млрд. лет. По спектральной классификации Солнце относится к «жёлтым карликам». Солнце состоит из водорода (~73 % от m и ~92 % от V), гелия (~25 % от m и ~7 % от V) и других химических элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.
Солнце представляет собой шар из светящегося газа, выделяющий колоссальное количество света, тепла и других видов энергии. Температура поверхности Солнца достигает 6000 К0, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения атмосферой Земли свет Солнца у поверхности планеты приобретает жёлтоватый оттенок. В недрах Солнца температура доходит до 15 млн. К0.
В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества и излучаются.
Свет от Солнца до нас доходит за 8 мин. и 20 сек. Излучение Солнца – основной источник энергии на Земле, оно определяет климат и поддерживает жизнь (фотосинтез невозможен без фотонов). Путём фотосинтеза энергия Солнца была запасена в полезных ископаемых: в нефти, торфе, каменном угле. Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет антисептические свойства, используемые для дезинфекции воды и различных предметов и оно вызывает загар, стимулирует выработку в организме витамина D. Интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли сильно меняется с широтой из-за озонового слоя и зависит от угла стояния Солнце над горизонтом в полдень, поэтому цвет кожи людей в различных регионах земного шара разный.
Солнце – звезда с сильным магнитным полем, меняющимся приблизительно каждые 11 лет. Изменения магнитного поля связывают с солнечной активностью (это появление солнечных пятен, вспышек, солнечного ветра). С ними на Земле связаны полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури, ухудшающие работу средств связи, средств передачи электроэнергии, и негативно воздействующие на живые организмы (головная боль и плохое самочувствие у людей). Предполагается, что солнечная активность играет большую роль в формировании и развитии Солнечной системы и влияет на структуру земной атмосферы.
Звезды
На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном (плазменном) состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.
Проксима Центавра самая близкая звезда из всех известных на сегодня и находится на расстоянии 4, 22 свет. года от Солнца, глядя на нее мы видим ее такой какой она была более 4 лет назад.
Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч лет – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.
Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы – так называемые кратные системы – состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбрасывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.
Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления – насчитывают несколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления –многие сотни тысяч. И ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.
Относительно размеров звезды бывают: - сверхгиганты с очень малой плотностью, Антарес его диаметр больше Солнца в 350 раз (1392 млн. м. у Солнца);
- гиганты их плотность также мала, но больше чем у сверхгигантов, диаметр больше солнечного в 10-100 раз;
- средние (Солнце - средняя звезда) их диаметр в 10 раз больше или меньше солнечного;
- красные карлики;
- белые карлики размеров с Землю, очень тусклые, очень плотные, их плотность выше плотности воды в 100 тыс. – 20 млн. раз.
Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеянной) материи.
Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Как правило, они начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации.
Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам – плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной. В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излучением звезд. Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри них. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий.
Судьба звезды во многом зависит от ее массы. Когда звезда вроде нашего Солнца использует все свое водородное «топливо», ее гелиевая оболочка сжимается, а ее внешние слои расширяются, звезда превращается в красный гигант.
Это красный гигант.
Со временем внешние слои красного гиганта резко отходят, оставляя малое яркое ядро звезды, и она превращается в белый карлик из-за нехватки ядерного топлива. Постепенно звезда охладится, превратившись в черного карлика (в огромную массу углерода). Такая судьба ожидает Солнце через 7-8 млрд. лет.
Звезды, масса которых больше массы Солнца в несколько раз, израсходовав свое ядерное топливо, расширяются и превращаются в сверхгигантов (они крупнее красных гигантов), далее под воздействием тяготения происходит резкое сжатие их ядер. Высвобожденная энергия разносит звезду на части, то есть звезда взрывается и превращается в сверхновую звезду (взорвавшаяся звезда), имеющую яркость 10 млрд. Солнц. После сверхновой в зависимости от исходной массы звезды может остаться небольшое тело, называемое нейтронной звездой с диаметром не больше нескольких десятков км, состоящее из твердых нейтронов с очень большой плотностью больше чем плотность белых карликов. Астрономы считают, что пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, излучающие свет (или звуковые волны, или радиоактивные волны) маленькими пучками, так что мы можем видеть их каждый раз, когда они направлены к Земле.
Звезда также может превратиться в черную дыру, места сосредоточения материи столь высокой плотности и со столь высокой гравитацией, что ничто материальное, свет или радиация не могут покинуть его.
Существуют еще красные карлики сильно отличающиеся от других звёзд, их диаметр и масса не превышает 1/3 Солнца. Температура поверхности красного карлика достигает 3500 К. Они испускают очень мало света, иногда в 10,000 раз меньше Солнца. Из-за медленной скорости сгорания водорода, красные карлики имеют очень большую продолжительность жизни от десятков миллиардов до нескольких триллионов лет. В красных карликах невозможны термоядерные реакции с участием гелия, поэтому они не могут превратиться в красные гиганты. Со временем они постепенно сжимаются и всё больше нагреваются, пока не израсходуют весь запас водородного топлива. Когда звезда достигает нижнего предела массы меньше 0,08 солнечной, то она считается коричневым карликом.
В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды.
6