Лекция 4. Происхождение и эволюция Вселенной. Солнечная
advertisement
Тема 5. Возникновение и эволюция Вселенной • Как получают информацию о звездах? • Из каких объектов состоит Вселенная? • Как устроены галактики и звезды? • Что мы знаем о Солнечной системе? • Космология: происхождение и эволюция Вселенной (гипотеза Большого Взрыва) Основные понятия • Вселенная — весь видимый материальный мир Возраст Вселенной — около 15 млрд лет Видимый размер — около 20 млрд световых лет • Астрономия – наука о Вселенной и ее объектах, находящихся вне пределов атмосферы Земли • Космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной как целого Расстояния в астрономии • 1 астрономическая единица = 150 млн км = 8,3 световых минуты — расстояние от Земли до Солнца • 1 световой год = 10 000 млрд км — расстояние, которое свет проходит за год • 1 парсек = 3 световых года Ближайшая к Солнцу звезда – Проксима Центавра – на расстоянии 4,3 св. года Ближайшие соседи Способы измерения расстояний в астрономии Как измеряют расстояния до звезд Радиолокация — до Солнца, близких планет Параллакс — до близких звезд (максимум – 1000 парсеков) Фотометрический способ Установлена связь между мощностью излучения звезды (светимостью) — и температурой поверхности (цветом) На диаграмму Герцшпрунга-Рассела наносятся звезды с известным параллаксом, а для других – находят расстояния Как измеряют расстояния до других галактик • Цефеиды — переменные звезды, для которых известно соотношение период-светимость • Метод стандартной свечи — сверхгиганты имеют примерно одинаковую светимость, то же самое — вспышки сверхновых • Красное смещение — расстояния до самых удаленных объектов Эффект Доплера + закон Хаббла Красное смещение (эффект Доплера) Цвет удаляющегося источника света испытывает красное смещение, а приближающегося – синее смещение Закон Хаббла v=HR v – скорость галактики R – расстояние до галактики H – постоянная Хаббла Из каких объектов состоит Вселенная? Метагалактика 20 млрд св. лет Ячеистая структура — воиды (от англ. void) вдоль стенок – галактики, внутри – относительно пусто 300 млн св. лет Сверхскопления, скопления, облака галактик, Группы галактик Больше всего галактик в узлах, где пересекаются стенки ячеек – сверхскопления галактик числом до 10 тыс отдельных галактик 10 - 1 млн св. лет 500 тысяч св. лет Из каких объектов состоит Вселенная? Галактики 300 тыс – 3 тыс св. лет Звездные скопления 3000 – 30 св. лет Звезды нормальные (от карликов до сверхгигантов) компактные (белые карлики, нейтронные звезды) 500 млн –100 тыс км 10 тысяч км – 1 км Планетные системы (наша Солнечная система) 40 а.е. = 6 млрд км Планеты 100 тыс – 1 тыс км Кометы, астероиды, пыль, газ менее 100 км Млечный Путь Тип – спиральная галактика; 2 рукава – Персея и Стрельца; Солнце – между ними В состав входит примерно 100 млрд. звезд, они вращаются вокруг центра Галактики Солнце занимает нецентральное положение обращается вокруг центра за 250 млн. лет, (радиус орбиты – около 30 тыс.св. лет) Ближе к центру звезды расположены в 1000 раз плотнее, чем в районе Солнца Что находится в центре Галактики? – Возможно, гигантская черная дыра Млечный Путь Звезды • Источник энергии звезд — термоядерные реакции (реакции синтеза ядер более легких элементов в более тяжелые) • Зависимость от массы — чем больше масса, тем больше гравитационное сжатие и температура, необходимая для поддержания баланса Отношение массы звезды к массе Солнца Ядерные реакции менее 0,08 отсутствуют до 0,3 H He до 0,7 H He C до 5,0 H He C Ne более 15,0 все реакции синтеза Варианты эволюции звезд в зависимости от их массы • 1 - 1,2 МС – эволюционируют к белому карлику, который остывает и превращается в черный карлик • 1,5 - 5 МС – к нейтронной звезде • >12 МС – к черной дыре напрямую • >15 МС – неустойчивы, пульсируют, их эволюция может кончится взрывом новой или сверхновой. При взрыве образуются элементы, тяжелее железа. Наши тела состоят из пепла давно угасших звезд Дж. Джинс Пример: Эволюция красного гиганта с массой, равной 18 массам Солнца Реакция синтеза Температура, К Плотность Срок H He 40 млн 6 г/см3 10 млн лет He C 190 млн 1,1 кг/см3 1 млн лет C Ne, Mg, Na 740 млн 240 кг/см3 12 тыс лет Ne O 1,5 млрд 7,4 тонн/см3 12 лет O Si, S 2,1 млрд 16 тонн/см3 4 года Si Fe 3,4 млрд 50 тонн/см3 1 неделя Солнечная система Солнце Возраст – ок. 5 млрд лет; 3-4 поколение звезд Радиус – 700 тыс км (в 110 раз больше Земли) Вращается, период разный на экваторе – ок 25 суток у полюсов – до 32 суток Есть магнитное поле Солнечные пятна, солнечные вспышки, солнечный ветер Эволюция Солнца Фазы • желтый карлик ( 5 + 5 = 10 млрд лет ) – сейчас • красный гигант ( 100 млн лет ) горение водорода в слое вблизи ядра, в центре сжатие, а внешние слои расширяются до размера больше орбиты Земли, затем отделяются и растворяются в Космосе • белый карлик затем коричневый, затем черный карлик Строение Солнечной системы • Орбиты планет — эллипсы, в одном из фокусов находится Солнце • Орбиты планет лежат почти все в одной плоскости — плоскости эклиптики, и эта плоскость почти совпадает плоскостью экватора Солнца • Планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в котором Солнце вращается вокруг своей оси (есть исключения – Венера, Уран и Плутон, некоторые спутники) • Солнечная система устойчива • Практически все вещество содержится в Солнце (99,9%) Планеты Солнечной системы Делятся на две группы: железо-каменные (группа Земли) плотность ок. 5 г/см3, радиус < радиуса Земли водородо-гелиевые (группа Юпитера) плотность ок. 1 г/см3, радиус – от 3,4 до 11 радиусов Земли Закон планетных расстояний (Иоганн Тициус, 1766) R = 0.4 + 0.3*2 , n = - , 0, 1, 2 ... n Характеристики планетарных орбит Расстояние от Солнца (а.е.) Период (годы) Скорость (км/с) МЕРКУРИЙ 0.38 0.24 47.9 ВЕНЕРА 0.72 0.62 35.0 ЗЕМЛЯ 1.00 1.00 29.8 МАРС 1.52 1.88 24.1 ЮПИТЕР 5.20 11.8 13.1 САТУРН 9.54 29.4 9.7 УРАН 19.19 84.0 6.8 НЕПТУН 30.06 164 5.4 Происхождение планет и Солнца • Произошли из одного холодного газо-пылевого облака Сначала 90% вещества собралось в центре и образовалось Солнце Из остатков путем холодного слипания – планеты Холодное слипание проходило через стадию мелких тел • Различие между планетами двух групп объясняется действием Солнца: ближе к Солнцу туманность теплее и больше давление света, и легкие газы улетучиваются Эволюция Земли Возраст – примерно 4,56 млрд лет • Рост Земли от 10 км до настоящего размера – около 100 млн лет • Земля нагревалась изнутри при распаде радиоактивных элементов, снаружи при бомбардировке метеоритами. • Накапливается атмосфера и океаны • Возникновение простейших форм жизни – после остывания Земли, примерно 4,2 - 3,6 млрд лет назад Происхождение и эволюция Вселенной • Космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной как целого теоретическая основа – ОТО, квантовая теория эмпирическая основа – внегалактическая астрономия • Космогония – наука о происхождении и развитии небесных тел (планеты, звезды, галактики) Основные эмпирические факты • однородность и изотропность Вселенной • конечность светового потока • красное смещение в спектрах удаленных галактик • реликтовое излучение • соотношение гелия и водорода (примерно 1 / 3 ) Гипотеза Большого Взрыва (Big Bang) • около 15 млрд лет назад взрыв – флуктуация вакуума • затем – рождение частиц (кварки и лептоны) • потом – частицы соединяются в атомы (сначала водород и гелий) • все это время идет охлаждение и стремительный разлет вещества, • затем – флуктуации в газовых облаках, уплотнения, гравитационная конденсация, образование ядер галактик, звезд Хронология эволюции Вселенной • 15 млрд лет назад – Большой Взрыв • 3 минуты спустя – образование вещественной основы Вселенной • через несколько сотен тысяч лет – появление атомов (H, He) • 14-13 млрд лет назад – образование разномасштабных структур (галактик) • 10 млрд лет назад – появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов • 5 млрд лет назад – рождение Солнца • 4.6 млрд лет назад – образование Земли • 3.6 млрд лет назад – зарождение жизни • 450 млн лет назад – выход жизни на сушу • 150 млн лет назад – появление млекопитающих • 4 млн лет назад – начало антропогенеза Варианты эволюции Вселенной • Статическая Вселенная (Эйнштейн, Де Ситтер) • Расширяющаяся Вселенная (Фридман, 1922) • Разновидности нестационарной модели: 1) замкнутая модель (расширение сменится сжатием) 2) открытая модель (расширение бесконечно во времени) • Выбор между моделями зависит от массы вещества во Вселенной Наблюдаемая масса близка к критическому значению. Поэтому роль может сыграть скрытая масса (масса несветящегося вещества, масса нейтрино …) Внеземные цивилизации • Проблема существования Формула Дрейка A*B*C*D*E*F*G… * Nзвезд = от 0,001 до 1000 • Проблема поиска Что нужно искать? • Проблема контакта Какие выделяют типы контактов?
