Конспект. Тема Предмет астрономии
 Скачать 1.43 Mb.
|
Астрономия Тема 1. Предмет астрономии Цели изучения темы: ознакомление с ролью и задачами современной астрономии; ознакомление с историей развития астрономии; освоение базовых понятий современной астрономии. Задачи изучения темы: познакомиться с основными разделами астрономии; изучить особенности современной астрономии; познакомиться с вопросами, на которые в современной астрономии ответы еще не найдены. В результате изучения данной темы Вы будете знать: основные вехи развития астрономии; характерные особенности современной астрономии; достижения и нерешенные проблемы современной астрономии. уметь: ориентироваться в круге задач и проблем современной астрономии. владеть: базовыми понятиями, используемыми в современной астрономии. Учебные вопросы темы: 1. Астрономия – наука о Вселенной. 2. История астрономии. Эволюция взглядов человека на Вселенную. 3. Нерешенные проблемы астрономии. Вопрос 1. Астрономия – наука о Вселенной. Астрономия – наука о строении и развитии космических тел, их систем и Вселенной в целом. Астрономия изучает Солнце, планеты Солнечной системы и их спутники, астероиды, кометы, метеориты, межпланетное вещество, звёзды и экзопланеты, туманности, межзвёздное вещество, галактики и их скопления, квазары, чёрные дыры и многое другое, а также состав и структуру Вселенной в целом. Основные задачи астрономии: 1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы. 2. Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств (плотности, температуры и т. п.) вещества в них. 3. Решение проблемы происхождения и развития отдельных тел и образуемых ими систем. Астрономия активно ищет и находит ответы на самые ключевые вопросы о происхождении и устройстве нашего мира. Выводы астрономии имеют огромное философское значение. Масштабы объектов, явлений, структур и расстояний, с которыми работают астрономы, поражают воображение и не имеют равных. Лаборатория астрономов – вся Вселенная. При этом огромные расстояния не позволяют ставить активные эксперименты и исследовать астрономические объекты непосредственно. Наблюдения – основной подход, используемый в астрономии. Астрономические наблюдения ведутся с Земли, с орбитальных обсерваторий, межпланетных станций, а также и других объектов Солнечной системы. Современная астрономия – всеволновая и многоканальная. Наблюдения охватывают весь спектр электромагнитного излучения, а с недавнего времени также и область гравитационных волн. Наблюдательная и теоретическая ветви астрономии органично дополняют друг друга и успешно взаимодействуют между собой. Астрономия относится к естественным наукам и находится в тесном взаимодействии с другими науками и научными дисциплинами, как с традиционными (математика, физика, химия), так и с относительно новыми – астробиологией, астрогеологией, астроинформатикой и другими. К основным разделам астрономии относятся: Астрометрия – изучает видимые положения и движения светил; Небесная механика – изучает законы движений небесных тел под действием сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел, и устойчивость их систем; Астрофизика – изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов; Космогония – занимается изучением происхождения и эволюции небесных тел – звезд (в том числе Солнца), планет (в том числе Земли), и других тел планетной системы; Космология – изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. С развитием космонавтики астрономия получила качественно новые возможностидля проведения исследований, в частности: проводить наблюдения с помощью космических телескопов и межпланетных станций; получать и исследовать (в том числе с доставкой на Землю) образцы вещества с других тел (спутников, планет, комет, астероидов и т. п.). Космический телескоп «Хаббл» проработал на орбите 30 лет АМС «Кассини» исследовала систему Сатурна АМС «Хаябуса–2» доставила образцы грунта с астероида Рюгу Астрономические исследования имеют выраженный эволюционный характер – изучается природа небесных тел и Вселенной в целом, вместе с их происхождением и развитием. Астрономия – это еще и своеобразная «машина времени», а астрономы – «путешественники во времени». Свет в вакууме распространяется с конечной скоростью 300000 км/с. От наиболее удаленных объектов свет идет к нам десятки миллиардов лет. Наблюдая далекие галактики, мы можем как бы совершить путешествие во времени, заглянуть в глубокое прошлое нашей Вселенной и составить себе представление о ее эволюции. Вопрос 2. История астрономии. Эволюция взглядов человека на Вселенную. Астрономия – одна из древнейших наук. С самых древних времен людям были известны: периодические изменения на небе – смена дня и ночи, смена фаз луны, смена времен года; редкие и непериодические явления, связанные с небом – затмения, появления комет, падение метеоритов. Отдельные особенности мегалитических сооружений и даже наскальных рисунков первобытных людей истолковываются как астрономические. В неолите (8-7 тысячелетия до н. э.) существовали календари, выбитые на камне. Они содержали метки, соответствующие месяцам, а также указывали даты солнцестояний. На камне также выбивались изображения созвездий. Развитие астрономии (как и других наук) было связано с практическими потребностями человека: первобытным кочевым племенам нужно было ориентироваться во время своих странствий, и они научились это делать по Солнцу, Луне и звездам. земледельцам было необходимо при полевых работах учитывать наступление различных сезонов. Древний Вавилон В Древнем Вавилоне жрецы-астрономы наблюдали небо с помощью специальных башен-обсерваторий. Вавилонские астрономы составили лунно-солнечный календарь (из 12 месяцев), множество астрономических таблиц, выделили основные созвездия и зодиак, могли предсказывать затмения. Вавилонская астрономия оказала значительное влияние на развитие древнегреческой астрономии. Выкладки вавилонских астрономов крайне точны, их могут использовать и современные ученые. Древний Египет За три тысячи лет до н. э. египетские жрецы подметили, что разливы Нила связаны с появлением самой яркой звезды Сириус. Появление Сириуса повторяется через правильные промежутки времени, а именно через каждые 365 1/4 дней. Египтяне первыми определили год в 365 дней и 6 часов. Именно египтяне в середине II тысячелетия до н. э. разделили сутки на 12 ночных и 12 дневных часов. По сути, этот календарь в эпоху Древнего Рима был положен в основу Юлианского календаря. Разделение неба на 36 созвездий существовало в эпоху Среднего Царства (2050 – 1700 до н. э.). Все планеты древности (Меркурий, Венера и Сатурн) уже были названы в календаре гробницы Рамзеса XIII века до н. э. Древний Китай В Древнем Китае были две должности придворных астрономов уже в конце III — начало II тыс. до н. э. (династия Ся). Обсерватории в Китае появились в XII веке до н. э. За две тысячи лет до н. э. китайские астрономы могли предсказывать наступление солнечных и лунных затмений. На рубеже II – Ш тыс. до н. э. китайские астрономы разделили область неба, в которой перемещались Солнце, Луна и планеты на 28 участков-созвездий. В Древнем Китае прилежно регистрировали все необычные события на небе: затмения, кометы, метеорные потоки, новые звезды. Первый звездный каталог, содержащий сведения о 800 звездах, появился в Китае еще в IV веке до н. э. Астрономы Древнего Китая также первыми в мире открыли пятна на Солнце. Древняя Греция С III века до н. э. греческая наука усвоила достижения вавилонян, в том числе — в астрономии и математике. Многие древнегреческие ученые (Фалес, Пифагор, Демокрит, Аристарх, Евдокс и др.) обучались у египетских жрецов. Главным достижением астрономии древних греков следует считать геометризацию Вселенной: систематическое использование геометрических конструкций для представления небесных явлений; строгое логическое доказательство утверждений по образцу евклидовой геометрии. Среди достижений математической астрономии классический Греции: концепция небесной сферы, представления об эклиптике — большом круге, наклонённом по отношению к небесному экватору, по которому совершает своё движение среди звёзд Солнце. Аристарх Самосский в III в. до н. э. впервые предложил гелиоцентрическую систему мира, а также впервые пытался также измерить расстояние до Солнца и Луны и их диаметры. Гиппарх ввёл понятия эксцентриситета орбиты, апогея и перигея, географические координаты (долготы и широту), уточнил длительность синодического и сидерического лунных месяцев (с точностью до секунды), средние периоды обращения планет. По таблицам Гиппарха можно было предсказывать солнечные и лунные затмения с неслыханной для того времени точностью — до 1– 2 часов. Систему Гиппарха завершил великий александрийский астроном, математик, оптик и географ Клавдий Птолемей. Геоцентрическая система мира До эпохи Возрождения доминирующим представлением об устройстве мироздания была геоцентрическая система мира, которая впервые возникла в Древней Греции: Центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна, планеты и звезды. Древнегреческие учёные по- разному обосновывали центральное положение и неподвижность Земли: Анаксимандр в качестве причины указывал сферическую симметрию Космоса; Аристотель так обосновывал геоцентризм: Земля является тяжёлым телом, а естественным местом для тяжёлых тел является центр Вселенной; как показывает опыт, все тяжёлые тела падают отвесно, а поскольку они движутся к центру мира, Земля находится в центре. В той же Древней Греции существовали и другие гипотезы, но они не становились общепризнанными: некоторые греческие ученые полагали, что другие планеты (Меркурий, Венера, Марс) обращаются вокруг Солнца и только с ним – вокруг Земли. полноценно гелиоцентрическая система мира была предложена еще в начале III века до н. э. Аристархом Самосским. Одним из последователей гипотезы Аристарха был вавилонянин Селевк. «Альмагест» Клавдия Птолемея Детальное изложение геоцентрической системы мира содержится в классическом труде Клавдия Птолемея «Альмагест» («Великое математическое построение по астрономии в 13 книгах»), появившемся около 140 г.: в первых двух книгах «Альмагеста» изложены математические основания астрономии и приводятся ключевые положения системы Птолемея; в книге III излагается теория движения Солнца (целиком по Гиппарху); в книге VI Птолемей существенно развивает теорию Гиппарха о движении Луны; в книгах VII и VIII содержится звёздный каталог Гиппарха, дополненный самим Птолемеем; последние пять книг «Альмагеста» содержат главный научный вывод Птолемея – первую в истории астрономии полную и весьма точную теорию движения планет. Геоцентрическая система Птолемея позволяла с достаточной для того времени точностью предвычислять положения планет на небе. «Альмагест» на протяжении 13 столетий оставался основой астрономических исследований. Гелиоцентрическая система мира Гелиоцентрическая система мира – представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращаются Земля и другие планеты. При этом предполагается, что Земля обращается округ своей оси за одни звездные сутки и одновременно вокруг Солнца за один звездный год. До Коперника гелиоцентрическая гипотеза предлагалась другими учеными – в первую очередь, Аристархом Самосским в Древней Греции – но при этом встречала сильное сопротивление и не получила широкого распространения. Гелиоцентризм возродился только в XVI веке, когда польский астроном Николай Коперник разработал свою теорию движения планет вокруг Солнца и опубликовал в книге «О вращении небесных сфер». Некоторые недостатки теории Коперника: гелиоцентризм был абсолютным – Солнце помещалось в центре всей Вселенной; все орбиты круговые, движение по ним равномерное; Земля также сохраняла особый статус – центром планетной системы было не Солнце, а центр земной орбиты. Гелиоцентрическая система была несколько проще для математических расчетов. Преимущество теории Коперника стали усматривать в ее практической пользе. Небесная механика от Кеплера до Ньютона Небесная механика – раздел астрономии, в котором с помощью законов механики изучается движение космических тел (звёзд, планет, спутников, астероидов, комет) под действием различных сил. В начале 17 века Иоганн Кеплер сформулировал свои три закона планетного движения (закон эллипсов, закон площадей и гармонический закон) на основе анализа астрономических наблюдений датского астронома Тихо Браге. Кеплер придерживался взглядов Коперника и сначала также полагал, что планеты движутся по идеальным окружностям. Потратив годы на изучение данных, полученных Тихо Браге, в итоге Кеплер пришел к выводу, что планеты движутся по эллипсам. Уже современники Кеплера убедились в точности открытых им законов. Исаак Ньютон впоследствии обобщил результаты Кеплера в законе всемирного тяготения (в 1687 году). Общие законы движения, которые составляют основу классической механики, также были сформулированы Исааком Ньютоном. В дальнейшем развитие небесной механики шло путем развития математического аппарата для решения уравнений на основе законов Ньютона. Развитие телескопической астрономии в 17 – 18 веках В 1609 г. Галилео Галилей построил первый в мире телескоп- рефрактор на основе усовершенствованной зрительной трупы. Сначала увеличение телескопа было 3-кратным, позднее Галилей довёл его до 32-кратного. Среди результатов исследований Галилея, которые он изложил в 1610 году: Млечный Путь состоит из скоплений отдельных звёзд; на Луне есть горы и впадины; на Солнце есть пятна; у Юпитера есть четыре спутника (термин «спутник» был позже введен Кеплером). Для начала эры телескопической астрономии характерен быстрый рост числа астрономов, среди которых были Ян Гевелий, Джан Кассини, Христиан Гюйгенс, Олоф Ремер, Роберт Гук, Эдмунд Галлей, Исаак Ньютон и другие. За созданием Галилеем первого телескопа-рефрактора последовали изобретения и реализация различных усовершенствований и приспособлений для рефракторов. Гюйгенсу принадлежит создание основ теории зрительных труб – «Диоптрика», 1652 г. Первый телескоп-рефлектор был построен Исааком Ньютоном в конце 1668 года. Это позволило избавиться от основного недостатка использовавшихся тогда телескопов-рефракторов – значительной хроматической аберрации. Некоторые открытия астрономов в 17 веке: 1610 г. – открытие туманности Ориона; 1612 г. – открытие Туманности Андромеды; 1647 г. – подробная карта Луны опубликована Яном Гевелием; 1655 – 1656 гг. – открытие Гюйгенсом спутника Сатурна Титана и колец Сатурна; 1665 г. – открытие на Юпитере Красного пятна; 1671 – 1684 гг. – открытие Кассини еще четырех спутников Сатурна (Япет, Рея, Диона, Тетис); 1675 г. – по запаздыванию моментов начала затмений спутников Юпитера Олаф Ремер открыл конечность скорости света и сделал ее первую оценку 210 тысяч км/с; в 17 в. телескопическая астрономия окончательно вытеснила наблюдения невооруженным глазом. Открытия астрономов и развитие картины мира к концу 19 века В 1718 г. Эдмунд Галлей обнаружил собственное движение звёзд (Сириуса, Альдебарана, Арктура). В 1755 г. философ Иммануил Кант публикует первую теорию естественной космогонической эволюции:звезды и планеты образуются из скоплений диффузной материи – в центре, где материи больше, возникает звезда, а планеты на окраинах. Математическую основу гипотезы позже разработал Лаплас. Астроном-самоучка Томас Райт первым предположил, что Вселенная состоит из отдельных «звёздных островов». Туманности он рассматривал как удаленные звездные системы. К концу 18 века астрономы получили более мощные инструменты наблюдения – усовершенствованные телескопы- рефлекторы. Уильям Гершель построил уникальные для того времени рефлекторы с диаметром зеркал до 1,2 м.и сделал множество важных открытий: открыл седьмую планету — Уран (1781 г.) и спутники Урана (1787 г.); открыл, что вся Солнечная система движется по направлению к созвездию Геркулеса (1783 г.); при изучении спектра Солнца открыл инфракрасные лучи (1800 г.); зарегистрировал свыше 2500 новых туманностей; сделал вывод, что Млечный Путь – изолированный звёздный остров, который содержит конечное число звёзд и имеет сплюснутую форму; расстояния до туманностей оценивал в миллионы световых лет. 19 век стал временем бурного развития астрономической науки и небесной механики: 1802 – 1807 гг. – открыты астероиды Церера, Паллада, Юнона и Веста; 1836 г. – началось фотометрическое наблюдение звёзд, пионером которого выступил Гершель; 1837 – 1839 гг. – обнаружение и измерение первых звездных параллаксов (Вега, Альфа Центавра). До конца 19 века было измерено около полусотни звёздных параллаксов; 1839 – 1840 гг. – в астрономии начинает применяться фотография. Первые фотографии Солнца получены в 1842 г., первая фотография звезды (Веги) – в 1850 г., первая фотография кометы – в 1858 г.; 1840 г. – получены первые результаты наблюдений Солнца в инфракрасном диапазоне; 1845 г. – открытие Парсонсом спиральной структуры туманностей с помощью гигантского 2–х метрового рефлектора. Парсонс предположил, что внутренние части спиральных туманностей обязательно должны вращаться; 1846 г. – триумфом ньютоновой механики стало открытие Нептуна, восьмой планеты Солнечной системы, открытой «на кончике пера»; 1859 – 1862 гг. – Р. Бунзен и Г. Киргхоф разработали основы спектрального анализа; 1867 г. – смещённые спектры звёзд в сочетании с принципом Доплера использованы для определения лучевых скоростей небесных светил. Применение методов спектрального анализа произвело настоящую революцию в наблюдательной астрономии и позволило получать никаким иным способом недоступную в то время информацию о химическом составе небесных тел. Развитие астрономии в 20 веке – на пути к современным представлениям о Вселенной С 20 веком связано множество значимых открытий и ряд по– настоящему революционных изменений в астрономии: развитие технологий позволили стать астрономии всеволновой и вести наблюдение во всем спектре электромагнитного излучения, а не только в видимом диапазоне; открыто множество новых космических объектов и удивительных явлений – пульсары, квазары, нейтронные звезды, черные дыры, экзопланеты и многое другое; разработана теория строения и эволюции звезд; на основе Общей теории относительности Эйнштейна были созданы различные модели Вселенной (стационарная модель Эйнштейна, нестационарная модель Фридмана, модель пустой Вселенной де Ситтера и другие); установлен закон Хаббла и открыто расширение Вселенной. Впоследствии было установлено, что Вселенная расширяется с ускорением; разработаны теории происхождения и эволюции Вселенной – теория Большого взрыва, теория горячей Вселенной, инфляционная теория; открыто реликтовое излучение (космическое микроволновое излучение), что стало одним из подтверждений теории Большого взрыва; сформировано понимание о крупномасштабной структуре Вселенной; определен возраст Вселенной 13,8 млрд лет. История исследования Солнечной системы Год Событие 1957 Спутник-1 – первый искусственный спутник Земли (4 октября 1957) 1957 Спутник-2 – первое животное на орбите – собака Лайка (3 ноября 1957) 1959 Луна-1 – первый пролет вблизи Луны, первый искусственный спутник Солнца (2 января 1959) 1959 Луна-2 – первый аппарат, достигший Луны (12 сентября 1959) 1961 Восток-1 – первый пилотируемый орбитальный космический полет Юрия Гагарина (12 апреля 1961) 1962 Маринер-2 – первый пролет вблизи другой планеты – Венеры (27 августа 1962) 1964 Маринер-4 – первый пролет вблизи Марса (28 ноября 1964) 1965 Венера-3 – первый аппарат, достигший поверхности другой планеты - Венеры (запуск – 16 ноября 1965, на Венере – 1 марта 1966) 1966 Луна-9 – первая мягкая посадка на Луне (запуск – 31 января 1966, на Луне – 3 февраля 1966) 1968 Аполлон-8 – первый пилотируемый облет Луны (21 декабря 1968) 1969 Аполлон-11 – первая пилотируемая посадка на Луну (16 июля 1969) 1970 Венера-7 – первая мягкая посадка на Венеру (запуск - 17 августа 1970, на Венере – 15 декабря 1970) 1970 Луна-17/Луноход-1 – первый планетоход на Луне (10 ноября 1970) 1971 Салют-1 – первая пилотируемая орбитальная станция (17 апреля 1971) 1971 Марс-3 – первая мягкая посадка спускаемого аппарата на Марс (запуск – 28 мая 1971, на Марсе – 2 декабря 1971) 1972 Пионер-10 – первый космический аппарат во внешней Солнечной системе (3 марта 1972) 1973 Маринер-10 – первый пролет вблизи Меркурия (3 ноября 1973) 1973 Пионер-10 – первый пролет вблизи Юпитера (4 декабря 1973) 1979 Пионер-11 – первый пролет вблизи Сатурна (1 сентября 1979) 1984 Вега-1 – первый аэростатный зонд в атмосфере другой планеты – Венеры (15 декабря 1984) 1986 Вояджер-2 – первый пролет вблизи Урана (24 января 1986) 1989 Вояджер-2 – первый пролет вблизи Нептуна (24 августа 1989) 1989 Галилео – первы пролет вблизи астероида (18 октября 1989) 1990 Хаббл – космический телескоп на околоземной орбите (24 апреля 1990) 1996 Mars Pathfinder – первый планетоход на Марсе (4 декабря 1996) 1997 Кассини-Гюйгенс – первый искусственный спутник Сатурна (запуск – 15 октября 1997) 2001 NEAR Shoemaker – первая посадка на астероид Эрос (14 февраля 2001) 2001 Genesis – первая доставка на Землю образцов солнечного ветра (8 августа 2001) 2003 Хаябуса – посадка на астероид Итокава и первая доставка на Землю образцов грунта астероида (запуск – 9 мая 2003, вернулся – 13 июня 2010) 2005 Гюйгенс – первая посадка на Титан (14 января 2005) 2007 Dawn (запуск 27 сентября 2007) – первый искусственный спутник Весты (с 16 июля 2011 по 5 сентября 2012), первый искусственный спутник Цереры (с 6 марта 2015 по 1 ноября 2018) 2014 Филы – первая посадка на ядро кометы (12 ноября 2014) 2015 Новые горизонты – первый пролет вблизи Плутона/Харона (14 июля 2015, запуск – 19 января 2006) 2018 Solar Probe Plus – космический аппарат, достигший рекордного сближения с Солнцем (12 августа 2018) 2019 Новые горизонты – первый пролет вблизи объекта пояса Койпера (1 января 2019) Достижения космонавтики: сняли ограничения, связанные с Землей как единственно возможным местом проведения астрономических наблюдений, а также позволили непосредственно «дотянуться» до некоторых объектов Солнечной системы; Благодаря достижениям астрономии и тесно связанных с ней наук произошли революционные изменения во взглядах человека на устройство нашего мира. На основе современной стандартной космологической модели ΛCDM (Лямбда–СиДиЭм): Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва из некоторого начального сверхплотного и горячего состояния; в самые ранние моменты развития Вселенная прошла через стадию инфляционного расширения; в настоящее время расширение Вселенной продолжается с ускорением; расширение Вселенной не затрагивает отдельные галактики или их системы, где объекты связаны друг с другом гравитационными силами; наблюдаемое расширение Вселенной происходит однородно и изотропно – у космологического расширения нет выделенного центра, и оно одинаково во всех направлениях. Помимо обычной барионной материи Вселенная также состоит из темной материи и темной энергии: темная материя – гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна прямому наблюдению. Состав и природа тёмной материи на настоящий момент неизвестны; темная энергия – теоретического вида энергия, введённая в математическую модель Вселенной для объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением. Описывается космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна. Несмотря на впечатляющие достижения современной астрономии в изучении Вселенной остается множество нерешенных проблем. Вопрос 3. Нерешенные проблемы астрономии. В современной астрономии существует множество вопросов, ответы на которые пока не найдены. Нерешенные вопросы могут относиться: ко Вселенной в целом – например, «Какую форму имеет Вселенная?»; к каким–то отдельным далеким и загадочным объектам – например, черным дырам; или же к нашей Солнечной системе – например, «Существует ли Девятая планета?» или «Есть ли в Солнечной системе жизнь вне Земли?». Некоторые нерешенные вопросы так или иначе могут быть связаны друг с другом. Например: проблема вращения галактик и вопрос о природе и свойствах темной материи. Будущее Вселенной Один из главных нерешенных вопросов – «Каково будущее Вселенной?» Будет ли Вселенная и дальше расширяться с ускорением? Или же в дальнейшем расширение замедлится и, возможно, даже сменится на сжатие? Существуют сценарии Большого разрыва и Большого сжатия. В сценарии Большого разрыва по мере увеличения скорости расширения Вселенной через многие десятки миллиардов лет допускается распад сначала скоплений галактик, а потом и самих галактик. В сценарии Большого сжатия ускоренное расширение Вселенной сменяется на сжатие, после чего Вселенная коллапсирует, схлопываясь в сингулярность. Реализация подобных сценариев зависит от свойств темной энергии, которая в современной стандартной космологической модели «Лямбда-CDM» отвечает за наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной. Происхождение Вселенной Не менее интересны и связанные вопросы о происхождении Вселенной: «Из чего и как произошла Вселенная?» Общепризнанная гипотеза Большого взрывапока окончательно не подтверждена. При этом предполагается, что в момент образования Вселенная была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью. Проблема существования космологической сингулярности также относится к наиболее важным нерешенным проблемам астрономии. Ряд космологических моделей, называемых циклическими, предполагает, что Вселенная многократно претерпевает последовательные циклы расширения, проходя через стадию Большого взрыва и дальнейшую эволюцию, подобно той, которую мы наблюдаем для нашей Вселенной. В некоторых моделях циклы расширения и сжатия пространства постоянно сменяют друг друга, в некоторых же пространство всегда только расширяется. Мультивселенная Различные гипотезы о существовании Мультивселенной являются предметом дискуссий в научной и околонаучной среде. Под Мультивселенной понимают гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных, включая ту, в которой мы находимся. Теория струн, многомировая интерпретация квантовой механики и другие научные теории активно используют идею о Мультивселенной. В гипотезе «раздувающейся Вселенной» из ложного вакуума могла образоваться не одна, а множество вселенных (в том числе и наша). Могли ли другие вселенные влиять на нашу в прошлом и могут ли повлиять в будущем? Существуют ли миры за пределами нашего космологического горизонта, т. е. за пределами наблюдаемой Вселенной? Некоторые теории предсказывают, что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая. Существуют ли миры с другими физическими константами? Проблема тонкой настройки Вселенной В основе Вселенной и ряда её составляющих лежат не произвольные, а строго определённые значения фундаментальных констант (скорость света, масса и заряд электрона, постоянная Планка и некоторые другие), входящих в физические законы. Замечено, что изменение значения фундаментальных констант в пределах порядка ведёт к невозможности существования атомов, звёзд, галактик, а также и жизни. Случайны ли наблюдаемые нами значения фундаментальных констант или существуют неизвестные нам законы, делающие одни значения более вероятными, чем другие? Некоторые ученые считают тонкую настройку нашей Вселенной случайным образованием в гипотетической Мультивселенной. Ещё один вариант объяснения «тонкой настройки» – теория космологического естественного отбора, напоминающая дарвиновскую теорию эволюции. Основная идея состоит в том, что законы физики должны меняться (эволюционировать) со временем. Проблема барионной асимметрии Барионная асимметрия Вселенной – наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом. Этот наблюдаемый факт не может быть объяснён в предположении исходной барионной симметрии во время Большого взрыва ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках Общей теории относительности. В ряде теорий предполагается, что изначально количество барионной и антибарионной материи было одинаково, однако впоследствии в силу каких–либо причин из–за несимметричности реакций относительно того, какие частицы – вещества или антивещества – в них участвуют, произошло постепенное нарастание количества барионного вещества и уменьшение количества антибарионного. Что такое темная энергия? Темная энергия включена в современную стандартную космологическую модель ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, Лямбда- СиДиЭм). Под темной энергией понимают теоретический вид энергии, используемый для объяснения наблюдаемого расширения Вселенной с ускорением. Надёжные наблюдательные данные, такие как измерения реликтового излучения, подтверждают существование тёмной энергии. Существуют различные варианты объяснения сущности тёмной энергии. В частности, под темной энергией понимается космологическая константа Λ – неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния, которое определяет зависимость давления от массовой плотности энергии среды в рассматриваемой модели. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии. Что такое темная материя? Темная материя – гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Темная материя проявляется только в гравитационном взаимодействии. В стандартной космологической модели составляет четверти массы–энергии Вселенной. Понятие тёмной материи введено для теоретического объяснения ряда проблем в наблюдаемой Вселенной: проблемы скрытой массы в галактиках и скоплениях галактик. Известна проблема вращения галактик, которая проявляется в различиях наблюдаемой (B) и теоретической (A) скорости вращения звёзд вокруг центра галактик. При гравитационном линзировании также обнаруживается, что задействовано вещество, масса которого намного превышает массу обычной видимой материи. Состав и природа тёмной материи на настоящий момент неизвестны. Нерешенные вопросы черных дыр Черная дыра представляет собой область, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть ее не могут никакие объекты, даже движущиеся со скоростью света, включая и кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. По сути, это поверхность невозврата, попав под которую никакой сигнал или объект уже не сможет выйти наружу. Формально черные дыры пока еще остаются гипотетическими объектами. В то же время из самых разных источников получено множество научных данных, подтверждающих гипотезу существования черных дыр. Ряд вопросов о деталях физических свойств черных дыр все еще остается открытым: Существуют ли первичные черные дыры – гипотетический тип черной дыры, которая образовывалась не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, а в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной? Нарушается ли общая теория относительности внутри черной дыры? Верна ли «гипотеза о космической цензуре», согласно которой все сингулярности находятся внутри горизонтов событий черных дыр? Верна ли «гипотеза об отсутствии волос» у черной дыры, в соответствии с которой любая черная дыра может характеризоваться только тремя внешне наблюдаемыми классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом? Существует ли у черных дыр внутренняя структура и каким способом ее можно исследовать? Верна ли гипотеза об испарении черных дыр? Если да, то что при этом происходит с информацией, хранящейся в них? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры? Существуют ли микроскопические или так называемые квантовые черные дыры? Есть ли другая жизнь во Вселенной вне Земли Вопросами происхождения и распространения внеземной жизни на других объектах во Вселенной занимается междисциплинарная наука астробиология (или экзобиология). Астробиология, в частности, осуществляет: поиск пригодной для жизни среды обитания, поиск доказательств возникновения жизни, исследования потенциальных возможностей жизни в части приспособления к сложным условиям на Земле и в космосе. На примере т. н. экстремофилов можно увидеть, что живые существа способны жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды – при экстремально высоких или низких значениях температуры, давления, кислотности, кислорода и т. п. Пока наличие каких–либо форм внеземной жизни формально не подтверждено. В Солнечной системе в перечень вероятных кандидатов для обнаружения внеземной жизни включают Марс, спутники Юпитера Европа, Ганимед и Каллисто, спутники Сатурна Энцелад и Титан, а также Венеру. Жизнь вне Солнечной системы может существовать на экзопланетах, которых как оказалось имеется огромное количество в каждой галактике. По состоянию на июнь 2021 года достоверно подтверждено существование более 4700 экзопланет в более 3500 планетных системах. По уточненным оценкам общее количество экзопланет только в нашей галактике Млечный Путь может составлять не менее чем 100 миллиардов. Вопросы для самопроверки: 1. В чем состоят основные различия геоцентрической и гелиоцентрической систем мира? 2. Кто первым построил телескоп-рефлектор? 3. Современная астрономия стала всеволновой. Что это означает? 4. Какова величина возраста Вселенной по современным представлениям? 5. Что такое темная материя и как она себя проявляет? |