ебучий реферат по кисмосу. 1. Хронология развития Вселенной (время температура размер что происходит). Схема хронологии развития Вселенной. Схема современной структуры Вселенной
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
1. Хронология развития Вселенной (время → температура → размер → что происходит). Схема хронологии развития Вселенной. Схема современной структуры Вселенной. Большой взрыв. По каким бы причинам ни возникла Вселенная, она начинает свою жизнь с планковского размера по всем измерениям (порядка 10-35 м) и планковской температуры (порядка 1032 К) В этот начальный момент все 9 или 10 пространственных измерений свернуты в комок. Но уже через планковский квант в времени (5x10-44 с) три пространственных измерения начинают расширяться, а оставшиеся сворачиваются определенным образом (свойства свернутых измерений определяют все фундаментальные константы нашего мира, а значит, и то, какие именно частицы потом в нем родятся) Разворачивание трех пространственных измерений подстегивается само собой и становится скачкообразным. Этот этап расширения Вселенной, называют инфляционным, оно происходит во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10-32 секунды Вселенная раздулась в неимоверное число (1050) раз. Поначалу в горячей Вселенной бурно рождаются как частицы, так и античастицы. На каждый миллиард обычных частиц рождается почти столько же античастиц — но всё же на одну меньше. Затем частицы и античастицы аннигилируют, и вся их энергия превращается в излучение. Во Вселенной остается лишь жалкий клочок обычной материи. Из него-то и будут построены в дальнейшем все звезды и галактики К концу первой секунды расширения Вселенная остыла настолько, что кварки начинают группироваться в адроны, включая протоны и нейтроны. И с этого же момента начинается первичный ядерный синтез, который продолжается три минуты. Четверть всех ядер, сформировавшихся за это время — это гелий, чуточку дейтерия, а остальные три четверти — протоны. Таким и будет состав первых звезд Через 3 минуты Вселенная расширилась настолько, что столкновения ядер, в результате которых могли бы образовываться новые ядра, становятся огромной редкостью, и синтез ядер прекращается. К исходу первых трёх минут Вселенная представляет собой раскаленное до миллиарда градусов море частиц — ядер и лептонов. Высокая температура не позволяет им объединиться в атомы. Это состояние раскаленной плазмы. В следующие 379 тысяч лет ничего заметного не происходит — Вселенная спокойно расширяется и остывает. В этот период она непрозрачна для излучения, потому что фотоны постоянно рассеиваются на свободных электронах и ядрах. Это похоже на «светящийся туман». Через 379 тысяч лет Вселенная охладилась достаточно (до 3000 градусов), чтобы из ядер и электронов могли образоваться нейтральные атомы. Среда становится прозрачной для света и остается таковой до сих пор. Говорят, что в этот момент излучение отделилось от вещества: с тех пор излучение расширяется и остывает само по себе, а вещество эволюционирует само по себе. Реликтовое тепловое излучение с характерной длиной волны около 4 см — это и есть то самое отделившееся излучение. После отделения излучения от вещества началась тёмная эпоха — звезд еще не было, и светить было некому. На протяжении сотен миллионов лет вещество стягивалось к местам случайных первоначальных сгустков темной материи. Через 600 миллионов лет после Большого взрыва стали формироваться галактики. Плотные и холодные облака газа сжимались, разогреваясь изнутри — и вот зажглись первые звезды. В их недрах начался синтез более тяжелых элементов, вплоть до железа. Через пару миллиардов лет Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы видим сегодня. Массивные звезды первого поколения кончали свои жизни грандиозными взрывами, во время которых возникли элементы тяжелее железа. Потом из этого вещества сформировались звездные системы второго поколения, в том число и наша. Процесс звёздообразования продолжается и сейчас, хотя темп его постепенно замедляется, поскольку запасы межзвездного вещества расходуются быстрее, чем пополняются.  Рисунок 1 - Краткая история вселенной  Рисунок 2 -Схема хронологии развития вселенной и структура современной вселенной 2. Схемы эволюции звезд в зависимости от их исходной массы (с пояснениями). Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (с пояснениями).  Рисунок 3 – Эволюция звезд  Рисунок 4 – Спектральные классы 3. Как рождаются химические элементы: а) водород Н и гелий Не; б) более тяжелые элементы до железа Fe; примеры циклов ядерных реакций в звездах; в) сущность взрыва сверхновой звезды? А) Образование химического элемента — водорода По мере того, как Вселенная расширялась, остывала и становилась менее плотной, появлялись какие-то частицы. Грубо говоря, каждой массе частицы, мы можем сопоставить энергию по формуле E=mc2. Каждой энергии мы можем сопоставить температуру и когда температура падает ниже этой критичной энергии, частица может становиться стабильной и может существовать. Соответственно Вселенная расширяется, остывает и из таблицы Менделеева первым естественно появляется водород. Потому что это просто протон. То есть появились протоны, и мы можем сказать, что появился водород. В этом смысле Вселенная на 100% состоит из водорода, плюс тёмное вещество, плюс тёмная энергия, плюс многое излучения. Но из обычного вещества есть только водород. Появляются протоны, начинают появляться нейтроны. Нейтроны немножечко тяжелее протонов и это приводит к тому, что нейтронов появляется немножко меньше. Чтобы какие-то временные факторы в голове были, мы говорим ещё о первых долях секунды жизни Вселенной. Первые три минуты» Появились протоны и нейтроны, вроде бы горячо и плотно. И с протона и нейтрона можно начать термоядерные реакции, как в недрах звёзд. Но на самом деле, ещё слишком горячо и плотно. Поэтому надо чуть-чуть подождать и где-то с первых секунд жизни Вселенной и до первых минут. Есть книжка Вайнберга известная, называется «Первые три минуты» и она посвящена вот этому этапу в жизни Вселенной. б) Происхождение химического элемента — гелия В первые минуты начинают идти термоядерные реакции, потому что вся Вселенная похожа на недра звезды и термоядерные реакции могут идти. Начинают образовываться изотопы водорода – дейтерий и соответственно тритий. Начинают образовываться более тяжелые химические элементы – гелий. А вот дальше двигаться трудно, потому что стабильных ядер с числом частиц 5 и 8 нет. И получается такая вот сложная затыка. Представьте, что у вас комната усыпана детальками от лего и вам нужно бегать и собирать структуры. Но детальки разбегаются или комната расширяется, то есть, как-то всё движется. Вам трудно собирать детальки, да ещё вдобавок, например, вот две вы сложили, потом ещё две сложили. А вот приткнуть пятую не получается. И поэтому за эти первые минуты жизни Вселенной, в основном, успевает сформироваться только гелий, немножко лития, немножко дейтерия остаётся. Он просто сгорает в этих реакциях, превращается в тот же гелий. Так, что в основном Вселенная оказывается, состоящей из водорода и гелия, спустя первые минуты своей жизни. Плюс совсем небольшое количество элементов немножко более тяжёлых. И как бы всё, на этом первоначальный этап формирования таблицы Менделеева закончился. И наступает пауза, пока не появятся первые звезды. В звёздах опять получается горячо и плотно. Создаются условия для продолжения термоядерного синтеза. И звёзды большую часть своей жизни, занимаются синтезом гелия из водорода. То есть всё равно игра с первыми двумя элементами. Поэтому из-за существования звёзд, водорода становится меньше, гелия становится больше. Но важно понимать, что по большей части, вещество во Вселенной находится не в звёздах. В основном обычное вещество разбросано по всей Вселенной в облаках горячего газа, в скоплениях галактик, в волокнах между скоплений. И этот газ может быть никогда не превратится в звёзды, то есть в этом смысле, Вселенная всё равно останется, в основном, состоящей из водорода и гелия. Если мы говорим об обычном веществе, но на фоне этого, на уровне процентов, количество лёгких химических элементов падает, а количество тяжёлых элементов растет. В) Происхождение тяжёлых химических элементов Но есть ещё более тяжелые элементы. Где же синтезируется они? Долгое время считалось, что основное место синтеза более тяжелых элементов, это взрывы Сверхновых, связанных с массивными звёздами. Во время взрыва, то есть когда есть много лишней энергии, когда летают всякие лишние нейтроны, можно проводить реакции, которые энергетически невыгодны. Просто условия так сложились и в этом, разлетающемся веществе, могут идти реакции, синтезирующие достаточно тяжёлые химические элементы. И они действительно идут. Многие химические элементы, тяжелее железа, образуются именно таким способом. Кроме того, даже не взрывающиеся звезды, на определенном этапе своей эволюции, когда они превратились в красных гигантов могут синтезировать тяжелые элементы. В них идут термоядерные реакции, в результате которых образуется немножко свободных нейтронов. Нейтрон, в этом смысле, очень хорошая частица, поскольку заряд у неё нет, она может легко проникать в атомное ядро. И проникнув в ядро, потом нейтрон может превратиться в протон. И соответственно элемент перепрыгнет на следующую клеточку в таблице Менделеева. Этот процесс довольно медленный. Он называется s-процесс, от слова slow-медленный. Но он достаточно эффективный и многие химические элементы синтезируются в красных гигантах именно способом. А в Сверхновых идет r- процесс, то есть быстрый. По сколько, действительно всё происходит за очень короткое время. Недавно оказалось, что есть ещё одно хорошее место для r-процесса, несвязанное со взрывом Сверхновой. Есть ещё одно очень интересное явление — это слияние двух нейтронных звёзд. Звёзды очень любят рождаться парами, а массивные звезды рождаются, по большей части, парами. 80-90% массивных звезд рождаются в двойных системах. В результате эволюции, двойные могут разрушаться, но какие-то доходят до конца. И если у нас в системе было 2 массивных звезды, мы можем получить систему из двух нейтронных звёзд. После этого они будут сближаться за счет излучения гравитационных волн и в конце концов сольются. Представьте, вы берите объект размером 20 км с массой полторы массы Солнца, и почти со скоростью света, роняете его на другой такой же объект. Даже по простой формуле кинетическая энергия равняется (mv2)/2. Если в качестве m вы подставить скажем 2 массы Солнца, в качестве v поставить треть скорости света, вы можете посчитать и получите совершенно фантастическую энергию. Она будет выделяться и в виде гравитационных волн, по всей видимости в установке LIGO уже видят такие события, но мы ещё об этом не знаем. Но при этом, поскольку сталкиваются реальные объекты, происходит действительно взрыв. Выделяется много энергии в гамма-диапазоне, в рентгеновском диапазоне. В общем-то всех диапазонах и часть этой энергии идет на синтез химических элементов. Происхождение химического элемента — железа Солнце и его полное время жизни почти 12 млрд лет. А массивные звезды живут несколько миллионов лет. Они доводят реакции до железа, и в конце своей жизни взрываются. При взрыве, кроме самого внутреннего ядра, всё вещество оказывается сброшено и поэтому наружу сбрасывается большое количество, естественно, и водорода, который остался не переработанным во внешних слоях. Но важно, что выбрасывается большое количество кислорода, кремния, магния, то есть уже достаточно тяжелых химических элементов, чуть-чуть не доходящих до железа и, родственных ему, никеля и кобальта. Очень выделенные элементы. Может быть, со школьных времен памятна такая картинка: номер химического элемента и выделение энергии при реакциях синтеза или распада и там получается такой максимум. И железо, никель, кобальт находятся на самой верхушке. Это означает, что распад тяжелых химических элементов выгоден до железа, синтез из лёгких тоже выгоден до железа. Дальше энергию нужно тратить. Соответственно мы двигаемся со стороны водорода, со стороны лёгких элементов и реакция термоядерного синтеза в звездах могут доходить до железа. Они должны идти с выделением энергии. При взрыве массивной звезды, железо, в основном, не выбрасывается. Оно остается в центральном ядре и превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру. Но выбрасываются химические элементы тяжелее железа. Железо выбрасывается при других взрывах. Взрываться могут белые карлики, то что остается, например, от Солнца. Сам по себе белый карлик очень стабильный объект. Но у него есть предельная масса, когда он эту устойчивость теряет. Начинается термоядерная реакция горения углерода. Ядерные реакции в звёздах являются их основным источником энергии. Они обеспечивают большое энерговыделение на единицу массы, что позволяет звёздам поддерживать высокую светимость в течение длительного времени. В этих реакциях образуется бо́льшая часть химических элементов, существующих в природе — происходит нуклеосинтез. Протекание ядерных реакций возможно из-за высокой температуры в недрах звёзд, их темп зависит от температуры и плотности Важнейшие ядерные реакции в звёздах — реакции ядерного горения водорода, в результате которых четыре протона превращаются в ядро гелия-4. Во время стадии главной последовательности, которая занимает около 90% срока жизни звезды, в её ядре идут именно эти реакции. Сгорание водорода происходит двумя способами: в протон-протонном цикле и в CNO-цикле. Последующие реакции могут протекать лишь в достаточно массивных звёздах. За счёт них звёзды получают существенно меньше энергии, чем за счёт сгорания водорода, но в них формируется большинство остальных химических элементов. Первая из этих реакций — ядерное горение гелия, в котором синтезируется углерод и кислород. После сгорания гелия начинается ядерное горение углерода, неона, кислорода, и, наконец, кремния — в этих реакциях синтезируются различные элементы вплоть до железного пика, самый тяжёлый из которых — цинк. Синтез более тяжёлых химических элементов энергетически невыгоден и не происходит при термодинамическом равновесии, однако в некоторых условиях, например, при вспышках сверхновых, возможен и он. Тяжёлые элементы формируются в ходе s-процесса и r-процесса, при которых ядра захватывают нейтроны, а также p-процесса, при котором ядро может, например, захватывать протоны. в) Сверхновая звезда или вспышка сверхновой — явление, в ходе которого звезда резко увеличивает свою яркость на 4—8 порядков (на 10—20 звёздных величин) с последующим сравнительно медленным затуханием вспышки. Является результатом катаклизмического процесса, возникающего в конце эволюции некоторых звёзд и сопровождающегося выделением огромного количества энергии. Как известно, звезда выделяет огромную энергию благодаря термоядерной реакции, происходящей в ядре. Термоядерная реакция — это процесс превращения водорода в гелий и более тяжелые элементы с выделением энергии. Но вот когда водород в недрах заканчивается, верхние слои звезды начинают обрушиваться к центру. После достижения критической отметки вещество буквально взрывается, всё сильнее сжимая ядро и унося верхние слои звезды ударной волной. В довольно малом объеме пространства образуется при этом столько энергии, что часть ее вынуждено уносить нейтрино, у которой практически нет массы.  Рисунок 5 - График распространенности хим. элементов 4. Закономерности расширения Вселенной («красное» смещение; уравнение Хаббла; реликтовое излучение). Красное смещение Впервые явление сдвига спектральных линий в спектрах звёзд при спектральном анализе было замечено французом И. Физо в 1848 году и он предложил это явление объяснить с помощью эффекта Доплера. Суть явления проста: чем больше смещение в красную сторону в спектрограмме объекта, тем быстрее удаляется от нас объект. Вообще, при удалении свет от объекта «краснеет», а при приближении «сдвигается» в фиолетовую сторону. Красное смещение есть и у целых галактик. Благодаря красному смещению было открыто вращение галактик. С одного края свет от галактики смещается в красную сторону, с другого — в фиолетовую. Соответственно, она вращается! Далёкие галактики имеют большее смещение, нежели близкие, и величина его растёт пропорционально расстоянию. Следовательно, чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется от нас. Красное смещение, в соответствии с теорией относительности, рассматривается в концепции расширения пространства. Смещение это также вызвано и расширяющимся пространством, и собственным движением галактик. Объясняется все просто: за время путешествия в космосе света от источника до нас, происходит еще и расширение пространства. Как следствие, расширяется и длина волны от источника во время своего пути. При двукратном расширении пространства, длина волны тоже увеличится вдвое. Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно расширяется. Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию Большого взрыва. Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики. В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша Вселенная непрерывно расширяется во всех направлениях. Откуда взялось реликтовым излучение? Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась Вселенная? По сути, реликтовое излучение – это то, что осталось от «строительства Вселенной», когда она начала только зарождаться после расширения плотной горячей плазмы. Для того чтобы проще было понять что такое реликтовое излучение сравним его с остатками человеческой деятельности. К примеру, человек изобретает что-то, другие это покупают, употребляют и выбрасывают отходы. Так вот мусор (тот самый результат жизни человека) – это и есть аналог реликтового излучения. По мусору можно узнать все – где человек был в определенный промежуток времени, что он ел, во что был одет, и даже о чем вел беседу. Также и реликтовое излучение. По его свойствам ученые пытаются построить картину момента большого взрыва, что возможно даст ответ на вопрос: как появилась Вселенная? Но все же, законы сохранения энергии создают определенные разногласия о возникновении вселенной, потому что ничто из ниоткуда не берется и никуда не девается. Динамика нашей вселенной – это переходы, смена свойств и состояний. Это можно наблюдать даже на нашей планете. К примеру, шаровая молния появляется в сгустке облака из частиц воды?! Как? Как так может быть? Никто не может объяснить происхождение тех или иных законов. Есть только моменты открытия этих законов, как и история открытия реликтового излучения. 5. Суть «темной» материи и «темной» энергии. Антигравитация Горькавого. Соцреклама Темные силы Вселенной: тёмная энергия и тёмная материя 19 января 2020 1,6 тыс. прочитали Держится ли наша Вселенная на извечном противостоянии сил света и тьмы? Или это просто выдумка, а на самом деле всё гораздо прозаичнее? Чем отличаются эти два понятия, обозначенные в заглавии статьи, друг от друга? Согласно новейшим исследованиям, всё, что мы с вами привыкли видеть – барионную (обычную) материю, укладывается всего в 4-5%, 25 % занимает тёмная материя, а остальные 70 % - тёмная энергия. Темная материя – это гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии, а, в связи с этим, она недоступна прямому наблюдателю. Её можно лишь заметить в гравитационном взаимодействии. Учёным были неясны причины высокой скорости внешних областей галактик, эффект гравитационного линзирования, а также масса видимой материи галактики значительно отличалась от массы всей галактики в целом. Чтобы объяснить эти эффекты, и был введён термин «тёмной материи». Никто не знает, из чего она состоит, скорее всего, таких частиц нет на Земле, но их свойства схожи во многом с земными: например, тёмная материя способна собираться в сгустки, и участвует в гравитационном взаимодействии. Сейчас учёные усердно пытаются обнаружить эти таинственные частицы, или же создать их искусственно в земных условиях, но пока все их попытки тщетны. На данный момент учёные видят два просвета в конце тоннеля в разгадке этого вопроса: 1. Провести эксперимент в коллайдере, разогнав обычные частицы до высоких скоростей – это, возможно, поспособствует рождению частиц тёмной материи; 2. Найти эти частицы вокруг нас и зарегистрировать их: с обычными частицами частицы тёмной материи почти не взаимодействуют, но слово «почти» не даёт полного исключения: рано или поздно частицы темной материи должны столкнуться с обычными, что удастся зафиксировать. Можно сделать вывод, что тёмная материя – весьма благородная субстанция, которая помогает гравитации создавать новые объекты, подобные галактикам, звездам, планетарным системам, словом, всё, что мы видим. Уж не сама ли это гравитация?.. В отличие от тёмной материи, тёмная энергия не собирается в сгустки, а существует везде во всей Вселенной. Этот гипотетический вид энергии с отрицательным давлением был введён в математическую модель Вселенной ради объяснения её расширения с ускорением, причём, темп расширения со временем возрастает. Учёные полагают, что тёмная энергия обладает свойством антигравитации – ведь именно она разгоняет галактики друг от друга. Тёмная энергия распределена равномерно и имеет низкую плотность, а из всех фундаментальных взаимодействий она вступает только с гравитационным, причем, постоянно борясь с ним, поэтому её практически невозможно обнаружить. Иногда её называют энергией вакуума, так как именно ей заполнено всё пространство. Сейчас есть три варианта объяснения сущности тёмной энергии: 1. Темная энергия – это неизменная энергетическая плотность, заполняющая Вселенную равномерно и характеризующаяся отрицательным давлением; 2. Темная энергия – это особый вид энергии, плотность которого может меняться в пространстве-времени; 3. Темная энергия – это неизвестная форма гравитационных сил, которые проявляются на расстоянии видимой части Вселенной. Антигравитация челябинский астрофизик Николай Горькавый открыл, что именно благодаря антигравитации галактики разбегаются друг от друга после Большого Взрыва, который произошел около 14 миллиардов лет назад и породил Вселенную. Этот процесс продолжается до сих пор, хотя, если исходить из представлений традиционной физики, расширение Вселенной давно должно было прекратиться. На самом же деле скорость разбегания звезд только увеличивается, что доказывает существование отталкивающей силы. Этот парадокс пытаются объяснить по–разному – например, существованием некоей «тёмной материи». Челябинский астрофизик предположил, что всему причиной антигравитация, которая образовалась предыдущем «схлапывании» Вселенной. Тогда её масса превратилась в гравитационное излучение, которое породило сильную отталкивающую силу, а потом и антигравитацию. По одной из теорий Большого Взрыва наша Вселенная постоянно расширяется, а потом сжимается до очередного Взрыва. Таким образом, Вселенная, а значит, и все миры в ней переживают бесконечные циклы перерождения. Некоторые полагают, что остатки воспоминаний этих циклов сохраняются у некоторых людей в памяти – этим объясняют эффект «дежа вю» – чувство уже виденного. |