Реферат по Физике. Физика Вселенная. Развитие Вселенной
 Скачать 163.14 Kb.
|
1 2
Реферат
дисциплине
Пермь 2018 ВВЕДЕНИЕ Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений. Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной? Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют. Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них. Пожалуй, именно поэтому я выбрала данную тему для реферата. Неизведанное всегда привлекало внимание человека. Вселенная, звезды и планеты- прекрасный тому пример. Эта отрасль достаточно хорошо освещена как достижениями науки, так и работами литературы. Однако в некоторых вопросах мнения различны, поэтому стоит поразмыслить над какой-то интересующей вас темой и сделать свои выводы. ПРЕДИСЛОВИЕ Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Число звезд в Галактике порядка 1012 (триллиона). Наша галактика называется- Млечный Путь. В её состав входит Солнце, 9 больших планет вместе с их 34 спутниками, более 100 тысяч малых планет (астероидов), порядка 1011 комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. В целом наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Масса нашей Галактики оценивается сейчас разными способами, она равна приблизительно 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг), причем 1/1000 её заключена в межзвездном газе и пыли. Масса галактики в Андромеде почти такова же, а масса галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами. В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления. Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом: • Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества— центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (металлы), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом. • В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска. • Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска. • При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться— сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска. • Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении. Последующая эволюция После первоначального формирования, Солнечная система значительно эволюционировала. Многие спутники планет образовались из газопылевых дисков, вращавшихся вокруг планет, в то время как другие спутники предположительно были захвачены планетами, либо стали результатом столкновений тел Солнечной системы (в соответствии с одной из гипотез, так образовалась Луна). Столкновения тел Солнечной системы происходили всегда, вплоть до настоящего момента, что наряду с гравитационным взаимодействием являлось основной движущей силой эволюции Солнечной системы. В ходе эволюции орбиты планет значительно менялись, вплоть до изменения порядка их следования — происходила планетная миграция. В настоящее время предполагается, что планетная миграция объясняет большую часть ранней эволюции Солнечной системы. Будущее Приблизительно через 5 миллиардов лет поверхность Солнца остынет, а само оно многократно увеличится в размерах (его диаметр достигнет диаметра современной орбиты Земли), превратившись в красный гигант. Впоследствии внешние слои Cолнца будут выброшены мощным взрывом в окружающее пространство, образовав планетарную туманность, в центре которой останется лишь небольшое звёздное ядро — белый карлик. На этой стадии ядерные реакции прекратятся и в дальнейшем будет происходить медленное неуклонное остывание Солнца. В очень далёком будущем гравитация пролетающих рядом звёзд постепенно разрушит планетную систему. Некоторые из планет будут уничтожены, другие выброшены в межзвёздное пространство. В конечном итоге, через триллионы лет остывшее Солнце, скорее всего, лишится всех своих планет, и в одиночестве продолжит своё движение по орбите вокруг центра нашей галактики Млечный Путь среди множества других звёзд. ВСЕЛЕННАЯ. Рождение галактик. Любуясь ясной осенней ночью звездами, мы сразу же замечаем широкую туманную полосу, проходящую через все небо - Млечный Путь - так называется наша галактика. Невольно задумываемся о других мирах, населяющих космос, и восхищаемся величием и грандиозной красотой окружающей нас Вселенной. Как же возникли планеты, звезды, галактики? В начале мира после Большого Взрывамириады образовавшихся частиц разлетались с огромными скоростями и превращались постепенно в атомы первовещества, которое образовало огромное, в миллиарды раз превышавшее массу Солнца, облако. Это облако стало уплотняться, в нем появились первые атомы водорода и гелия. Как и в любом газе, в нем возникли турбулентные потоки, порождавшие завихрения. В этих завихрениях появились вращающиеся с различной скоростью водородные сгущения, которые становились все более плотными, сжимаясь вокруг своего центра – оси вращения. Скорость вращения увеличивалась с уменьшением объема в соответствии с законом сохранения импульса. При этом центробежная сила, действующая вдоль экваториальной плоскости, увеличивается, и облако сплющивается, превращаясь из шарообразной формы в линзо- или дискообразную. Так рождаются галактики. Первые звезды возникли еще на шарообразной стадии формирования галактики. Они состояли только из водорода и гелия. В них происходила термоядерная реакция – соединение двух протонов. Израсходовав запас водорода, эти звезды взорвались и стали сверхновыми. В результате взрыва появлялись новые элементы, тяжелее гелия. Это происходило повсюду, межзвездный газ пополнялся новыми элементами, из которых в результате термоядерных реакций получались все более тяжелые. Млечный путь – спиральная галактика. Так формировалась и наша Галактика – Млечный путь. Если смотреть на нее «сверху» из космоса, она выглядит как диск со спиральной структурой – рукавами, где располагаются молодые звезды и области с повышенной плотностью межзвездного газа. Посередине диска находится шарообразная выпуклость – ядро галактики. Если смотреть на карту звездного неба, то центр нашей галактики будет находиться в созвездии Стрельца. Астрономам удалось определить ближайшие к Земле спиральные ветви галактики: ветви Ориона (где находится и Солнечная система), Персея и Стрельца. Ближайшая к ядру – это ветвь Карины (Киль), и предполагается существования дальней ветви – Кентавра. Эти спиральные ветви-рукава получили свои названия по созвездиям, в которых располагаются на карте звездного неба.  Если посмотреть на спиральную галактику в хороший телескоп, мы увидим, что она похожа на огненное колесо фейерверка. Но чем же определяется такая структура галактик? Казалось бы, ничего удивительного в этом нет. Известный ученый астроном Карл Фридрих фон Вайцзеккер как-то сказал, что если бы вначале Млечный путь был бы похож на корову, он все равно бы приобрел спиральную структуру. Некоторые ученые всерьез занялись разработкой «галактической коровы Вайцзеккера», и, действительно, по расчетам она должна была превратиться в галактическую спираль примерно за сто миллионов лет. А наш Млечный путь намного старше – почти в сто раз. За это время прекрасная спиральная галактика должна была преобразиться таким образом, чтобы спирали образовывали длинные нити, обвивающиеся вокруг центра. Но, как оказалось, ни одна известная галактика не обладает нитевидной структурой и не вытягивается, хотя спиральные ветви-рукава, состоящие из звезд и газа, постоянно вращаются вокруг центра галактики. Неразрешимое противоречие? Нет, если мы откажемся от мысли, что межзвездное вещество постоянно находится в одном рукаве спирали и предположим, что через эти спиральные рукава просто движется поток газа и звезд. То есть, звезды и газ двигаются, вращаясь вокруг центра, а рукава спирали – это определенные состоянии структуры галактики, по которым движутся потоки космического вещества и звезд. Как такое может быть? Зажгите свечу или газовую горелку. Вы увидите языки пламени, в которых происходит химическая реакция горения вещества. Пламя представляет собой область пространства, которое определяет состояние газового потока. Точно так же в спиральных рукавах поток звезд и газа имеет определенное состояние, которое определяется гравитационным полем. Если представим себе огромное количество звезд, образующих вращающийся диск, мы увидим, что там, где плотность звезд больше, они стремятся еще больше сблизиться, но центробежная сила усложняет процесс, и равновесие в таком вращающемся диске очень неустойчиво. Такая ситуация была смоделирована на компьютере, и оказалось, что в итоге образуются спиральные области повышенной плотности звезд. Т.е. звезды сами образуют спиральные рукава, которые не становятся нитевидными и не растягиваются. Причем звезды потоком идут сквозь эти спиральные области. Попадая в рукав, они сближаются, выходя – расходятся. То же самое происходит и с межзвездным газом. Попадая в спиральный рукав, газ уплотняется, и создаются условия для возникновения новых звезд. Поэтому молодые звезды образуются в этой области. Среди них есть яркие голубые звезды, которые вызывают свечение космического газа и пыли, ионизируя их. Создаются светящиеся облака ионизированного газа, благодаря чему мы можем любоваться прекрасным зрелищем спиральных галактик. Звезды, находящиеся в центральной части галактики, состоят в большинстве своем из красных гигантов, которые образовались почти одновременно с галактикой. В самом центре предполагается наличие сверхмассивной черной дыры (Стрелец А), вокруг которой, возможно, вращается другая черная дыра средней массы. Их гравитационное взаимодействие является центром тяготения всей галактики и руководит движением звезд. По последним научным данным диаметр Млечного пути – около 100 000 световых лет (приблизительно 30 000 парсек), а средняя толщина нашего диска около 1000 световых лет. По современной оценке количество звезд в галактике колеблется от 200 млрд. до 400 млрд.  Другие галактики. Во Вселенной кроме спиральных галактик существуют другие виды: эллиптические, галактики с перемычкой, карликовые, неправильные и другие. Галактики объединяются в скопления, которые могут включать в себя несколько сотен галактик. Эти скопления, в свою очередь, могут объединяться в сверхскопления. Наша Галактика принадлежит к Местной (Локальной) группе, куда входит и созвездие Андромеды. Всего в Местной группе около 40 галактик, а сама она входит в сверхскопление Девы. Так что наша огромная галактика Млечный путь с миллиардами звезд является всего лишь небольшим островком в необозримом океане Вселенной. ЗВЕЗДЫ. Звездные последовательности – стадии эволюции звезд Эволюцию даже одной звезды нельзя проследить в течение жизни нескольких поколений людей. Жизнь самых короткоживущих звезд исчисляется миллионами лет. Человечество столько не живет. Поэтому возможность проследить звездную эволюцию от начала – рождения звезды – до ее конца заключается в сравнении химических и физических характеристик звезд на разных стадиях развития. Главным показателем физических свойств звезды является ее светимость и цвет. По этим характеристикам звезды объединили в группы, которые называются последовательностями. Их несколько: главная последовательность, последовательность сверхгигантов, ярких и слабых гигантов. Есть еще субгиганты, субкарлики и белые карлики. Эти смешные названия отражают разные стадии состояния звезды, которые она проходит в процессе своей эволюции. Два астронома Герцшпрунг и Рессел составили диаграмму, которая связывает температуру поверхности звезды с ее светимостью. Температура звезды определяется по ее цвету. Оказалось, что самые горячие звезды – голубые, самые холодные – красные. Когда Герцшпрунг и Рессел расположили на диаграмме звезды с известными физическими характеристиками – светимость-цвет (температура), то оказалось, что они располагаются группами. Получилась довольно веселая картинка, где место звезды на ней определяло, на каком этапе эволюции находится эта звезда. Больше всего звезд (почти 90%) оказалось на главной последовательности. Значит, основную часть своей жизни звезда проводит именно в этом месте диаграммы. На диаграмме также видно, что самые мелкие звезды – карлики – находятся внизу, а самые большие – сверхгиганты - вверху. Три пути развития эволюции звезд Время, отпущенное для жизни звезде, определяется, прежде всего, ее массой. Масса звезды также определяет и то, во что она превратится, когда перестанет быть ею. Чем больше масса, тем короче жизнь звезды. Самые массивные – сверхгиганты – живут всего несколько миллионов лет, тогда как большинство звезд средней упитанности – приблизительно 15 млрд. лет. Все звезды, после того, как заканчивается источник энергии, благодаря которому они живут – горят ярким пламенем, начинают тихо остывать, уменьшаться в размерах и сжиматься. Сжимаются они до состояния массивного компактного объекта с очень высокой плотностью: белого карлика, нейтронной звезды и черной дыры. Звезды с небольшой массой выдерживают сжатие, так как гравитация относительно невелика. Они прессуются до небольшого белого карлика и остаются в этом стабильном состоянии до тех пор, пока их масса не увеличится до критического значения. Если масса звезды больше критического значения, то она продолжается сжиматься до тех пор, пока электроны не «слипнутся» с протонами, образуя нейтронное вещество. Таким образом, получается небольшой нейтронный шар радиусом несколько километров – нейтронная звезда. Если масса звезды настолько огромна, что гравитация продолжает сжимать даже нейтронное вещество, то происходит гравитационный коллапс, после чего на месте гигантской звезды образуется черная дыра. Что такое белый карлик? То, что не стало нейтронной звездой или черной дырой. Это то, во что превращаются средние и малые звезды в конце своей эволюции. Термоядерные реакции уже закончились, однако, они остаются очень горячими плотными газовыми шарами. Звезды медленно остывают, светясь ярким белым светом. Участь белого карлика ожидает и наше Солнце, так как его масса ниже критической. Критическая масса равна 1,4 массы Солнца. Это значение называется пределом Чандрасекара. Чандрасекар – индийский ученый астроном, который рассчитал это значение. Состоянием нейтронной звезды заканчивается эволюция таких звезд, массы которых превышает солнечную в несколько раз. Нейтронная звезда возникает в результате вспышки сверхновой. При массе в 1,5-2 раза больше солнечной, она имеет радиус 10-20 км. Нейтронная звезда быстро вращается и периодически испускает потоки элементарных частиц и электромагнитное излучение. Такие звезды называются пульсарами. Состояние нейтронной звезды также определяется ее массой. Предел Оппенгеймера-Волкова – величина, определяющая максимально возможную массу нейтронной звезды. Чтобы находиться стабильно в таком состоянии, необходимо, чтобы ее масса не превышала трех солнечных масс. Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, то чудовищная сила гравитации так сжимает ее в объятиях коллапса, что она становится черной дырой. Черная дыра – это то, что получается, когда гравитационное сжатие массивных тел неограниченно, т.е. когда звезда сжимается до такой степени, что становится абсолютно невидимой. Ни один луч света не может покинуть ее поверхность. И здесь также есть показатель, определяющий состояние космического объекта в качестве черной дыры. Это гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда. Еще его называют горизонтом событий, так как описать или увидеть, что происходит внутри сферы с таким радиусом на месте сколапсированной звезды, невозможно. Может быть, внутри это сферы есть прекрасные яркие миры или выход в другую Вселенную. Но для простого наблюдателя это просто провал в пространстве, который закручивает вокруг себя свет, идущий от других звезд и поглощает космическое вещество. По тому, как ведут себя рядом с ней другие космические объекты, мы можем делать предположения об ее свойствах. Например, можно предположить, что самые массивные черные дыры, находятся в том месте, где наблюдается самое яркое свечение звездных скоплений. Притягивая к себе звездное вещество и другие космические объекты, черные дыры заставляют их светиться, окружая себя, ярким светящимся ореолом - квазаром. Тьма не может существовать без света, а свет существует благодаря тьме. Это доказывает эволюция звезд. 1 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||