docx, 124 КБ - Видновская средняя общеобразовательная школа

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВИДНОВСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 9
РЕФЕРАТ
по астрономии
на тему:
« От темной материи до кротовых нор»
Выполнил
ученик 9а класса
Катасонов Илья Алексеевич
27.10.1998 г. р.,
проживающий по адресу:
г.Видное ,
ул. Заводская, 24, кв.129
Руководитель:
Морозова Светлана Николаевна
2014
Не так давно, на уроке физике наш учитель сказал, что вселенная постоянно
увеличивается в размере. И виной этому особая энергия, которая в большом
количестве находится во вселенной. Меня это заинтересовало, и я решил
узнать как такое возможно и к чему в итоге может привести.
Итак,
что
же
это
за
особая
энергия?
Так вот, причина расширения вселенной это нахождения в ней темной
энергии. Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:
1. тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная
энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство
Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление
вакуума).
2.
тёмная
энергия
есть
некая квинтэссенция —
динамическое
поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и
времени.
К настоящему времени (2014 год) все известные надёжные наблюдательные
данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается
в космологии как стандартная. Окончательный выбор между двумя
вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения
Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы
расширения
Вселенной
описываются космологическим
уравнением
состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является
одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.
Тёмная энергия также должна составлять значительную часть так
называемой скрытой массы Вселенной. Согласно опубликованным в марте
2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк»,
общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной на 95.1% состоит из тёмной
энергии
(68.3%)
и тёмной
материи (26.8%).
Ускоряющаяся Вселенная
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. Был сделан вывод, что
Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.
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 постулировано
существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением
( уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией».
Тёмная энергия и скрытая масса
Теория нуклеосинтеза Большого Взрыва и Теория крупномасштабной
структуры Вселенной предполагают, что плотность барионной материи и
тёмной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой
для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой,
чтобы форма Вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения
Вселенной, недавно проведённые спутником WMAP, показывают, что форма
Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая
ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие
70 % плотности Вселенной.
Природа тёмной энергии
Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она
очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не
взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством
известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением
гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика
(порядка 10−29 г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным
экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на
Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно
наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.
Космологическая постоянная
Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это
просто «стоимость существования пространства»: то есть, любой объём
пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему
энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является
энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая
постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (по имени греческой буквы Λ,
используемой для её обозначения в уравнениях общей теории
относительности). Введение космологической константы в стандартную
космологическую модель, основанную на метрике Фридмана — Лемэтра —
Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели
космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо
соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.
Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только
от массы (плотности), но и от давления, причем давление имеет бо́льший
коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать
отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения
Вселенной.
Квинтэссенция
Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физикомтеоретиком Кристофом Веттерихом. Веттерих исходил из предположения,
что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения
некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией.
Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции
может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не
могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по
примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой, то
есть иметь большую комптоновскую длину волны.
Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но
исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции
предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с
гипотезой космологической константы.
Последствия для судьбы Вселенной
По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось
приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого
расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной
материи и барионной материи.
Плотность барионной материи
в
расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной
энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например,
когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи
уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной
(или точно неизменной — в варианте с космологической константой).
Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно,
то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик
рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми,
поскольку их относительная скорость превысит скорость света.
Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится
невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная
система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и
в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся
остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление
придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий,
предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с
преобладанием материи.
С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже
сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае
гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Сжатию».
Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя
эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются
полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной
(развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные
измерения темпа ускорения.
енеральная Ассамблея ООН объявила 2009-й год всемирным годом
астрономии. Этим решением признается выдающееся значение астрономии в
жизни человеческой цивилизации.
400 лет тому
назад Галилей впервые навел свой телескоп на небо и положил начало
наблюдательной астрономии. Это привело к революционным изменения
представлений об окружающем нас мире. Современная астрономия ставит
перед учеными все новые и новые вызовы. Открыты новые формы материи
во Вселенной, природа которых пока остается загадочной. Причем вклад
новых форм материи (темная материя и темная энергия) является
определяющим во Вселенной и составляет 95%. Известная нам барионная
форма материи (атомы и молекулы) из которой состоят звезды, планеты и
человек, - это лишь малая часть, всего около 5% всей материи во Вселенной.
4 октября мы отмечаем запуск первого искусственного спутника Земли,
который открыл новую эру космических внеатмосферных наблюдений
Вселенной. Это дало невероятную возможность наблюдений. Все это
обеспечило
высокую
надежность
результатов
интерпретации
астрономических наблюдений и привело к тем революционным открытиям,
которые сейчас свершаются в астрономии.
Темная материя: наблюдательные проявления
В 1933 году астрономы впервые заметили что количество светящейся
материи в галактиках и скоплениях галактик недостаточно, чтобы объяснить
наблюдаемые высокие скорости движения галактик в скоплениях, а также
скорости
вращения
внешних
частей
галактик
Также наличие темной материи показывает рентгеновский газ в скоплениях
галактик
Всего существует около десятка независимых свидетельств существования
темной
материи
Это равносильно тому, как если бы 10 независимых линий пересеклись в
одной точке!
Темная энергия: наблюдательные проявления
Имеется, по крайней мере, пять независимых свидетельств существования
темной энергии, которая доминирует в общем энергетическом балансе
Вселенной(составляя около 70%). Я перечислю важнейшие из них.
Ускорение расширения вселенной – В 1998-1999 гг. две международные
группы наблюдателей установили, что наблюдаемое расширение вселенной
происходит с ускорением, так что скорости удаления галактик возрастают со
временем. Это открытие было сделано с помощью изучения вспышек
далеких сверхновых звезд. Из-за исключительно большой светимости
сверхновых в максимуме блеска их можно наблюдать на очень больших
расстояниях, в тысячи мегапарсек от нас. Именно на столь больших
расстояниях и проявляется эффект ускоренного расширения Вселенной.
Обычной вещество не способно ускорять галактики, оно лишь тормозит их
разлет, так как взаимное тяготение стремиться сблизить галактики. Поэтому
открытый астрономами факт ускоренного расширения Вселенной указывает,
что наряду с обычным веществом, создающим тяготение, во Вселенной
присутствует неизвестная нам ранее особая космическая энергия, создающая
не тяготение, а антитяготение - всеобщее отталкивание тел Природы. При
этом космологическом масштабе в нашу эпоху антитяготение оказывается
сильнее тяготения. Эта необычная форма материи получала название темной
энергии
Наличие темной энергии также подтверждается компьютерным
моделированием процессов формирования Вселенной и прежде всего
скоплений. Это моделирование дает наилучшие результат если в нем
учитывается не только темная материя, но и темная энергия. При чем
требуемая плотность темной энергии должна иметь как раз ее наблюдаемое
значение – около 70 %.
Черные дыры
Под черной дырой понимается область пространства-времени, для которой
вторая космическая скорость равна скорости света в вакууме(300 000 км/с).
Парадоксальные свойства черных дыр настолько необычны, что эти объекты
с полным основанием можно отнести к новому, особому виду материи.
Действительно, свойства внутренних частей черных дыр не зависят от типа и
характеристик вещества, из которого черная дыра образовалась.
Черная дыра однозначно характеризуется лишь тремя параметрами: массой,
угловым моментом вращения и электрическим зарядом. Поэтому состояние
внутри черной дыры нельзя назвать ни твердым, ни жидким, ни
газообразным, ни плазменным. Это особое сколлапсированное состояние
материи, которое реализуется при плотности, превышающей некоторую
критическую величину.
Например чтобы образовать черную дыру из земного шара, нужно с
помощью некоторого воображаемого пресса сжать Землю до 9 мм!
Кротовая нора
Кротовая нора, как и черная дыра, является очень компактным объектом с
радиусом «горловины», близким к радиусу горизонта событий черной дыры
той же массы. Однако в отличии от черной дыры она не имеет горизонта
событий и не обладает сингулярностью в центре. Поэтому в пространствевремени кротовой норы можно перемещаться в прямом и обратном
направлении.
Поиск кротовых нор во Вселенной- актуальная задача современной
астрофизики