умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
Тема 6.2. Галактики.
Скопления галактик - системы галактик, связанных общностью происхождения и силами взаимного тяготения. 7000 известных скоплений размерами от 3 до 20 Мпк включают в себя до 90% всех галактик. Местная группа галактик входит в скопление галактик в созвездии Девы размерами до 5 Мпк, включающем в себя свыше 200 галактик высокой и средней светимости. Под действием сил тяготения она перемещается со скоростью 600 км/с в направлении созвездия Гидры, к Великому Аттрактору ("Притягивателю") – гигантскому скоплению галактик АСО 3627 массой свыше 104 МG, удаленному на расстояние 70 Мпк. Скопление в Деве представляет собой центральное сгущение нашего Сверхскопления, размерами до 60 Мпк, включающего в себя более 20000 крупных галактик. Его ближайшие соседи - Сверхскопление в созвездии Льва (до него 140 Мпк) и в Геркулесе (150 Мпк). Сверхскопления галактик представляют собой системы скоплений галактик размерами 50-150 Мпк, состоящие из нескольких богатых скоплений, мелких групп и одиночных галактик. В состав Сверхскоплений входит до 50000 галактик. В настоящее время известно около 50 Сверхскоплений. Система Сверхскоплений галактик образует структуру Метагалактики - части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим наблюдениям. Далее следует сформировать понятие о космическом процессе образования галактик из вещества гигантских газовых протогалактических облаков. Учеников "обычных", слабых и гуманитарных классов можно ознакомить с данным космическим процессом вкратце, в самых общих чертах, по схеме на рис. 75. Ученики в сильных и физико-математических классах изучают материал глубже, с опорой на известные физические законы и теории. Образование галактик Процесс формирования галактик начался, по-видимому, почти одновременно во всем объеме известной части Вселенной через миллиард лет после ее образования, но в протогалактических облаках с различными физическими характеристиками (массой, размерами, скоростью вращения и т. д.) протекал по-разному. Процесс образования галактических скоплений, галактик и входящих в их состав космических объектов (звезд, планетных тел и т. д.) тесно связан с эволюцией газовых облаков - космических туманностей и зависит от их основных физических характеристик: массы, размеров, распределения плотности, наличия и скорости их вращения вокруг своей оси, магнитного поля, температуры и состава вещества. Если распределение плотности внутри облака при его сжатии под действием сил тяготения остается однородным, то гравитационная энергия частиц увеличивается пропорционально уменьшению размеров облака, а тепловая энергия не изменяется: процесс сжатия изотермичен, пока плотность вещества не возрастет до значения, про котором тепловое излучение активно взаимодействует с атомами вещества и не покидает облака, а нагревает его изнутри, увеличивая давление газа. Силы давления газа уравновешивают силы тяготения и останавливают сжатие облака у "теплового предела". Если облако изначально вращалось, то скорость вращения будет возрастать пропорционально уменьшению размеров облака при его гравитационном сжатии. Возрастающая центробежная сила останавливает сжатие облака у "вращательного" предела. В настоящее время наблюдается несколько подобных темных, так и не сформировавшихся протогалактических облаков. При увеличении плотности с глубиной облака, при его сжатии вблизи центра облака начинаются интенсивные процессы образования звезд, уменьшающие концентрацию газа. Процесс звездообразования уравновешивает гравитационное сжатие у "конденсационного предела". Но если сумма тепловой, вращательной, магнитной и т. д. энергий в начале сжатия были меньше гравитационной энергии облака, сжатие неостановимо: газовое облако сжимается до размеров:  и превращается в черную дыру.Окончательная судьба облака - превращение в галактику определенного класса - зависит от соотношения всех трех "пределов" и ряда других величин (так, начальное магнитное поле усиливается пропорционально уменьшению размеров облака и влияет на движение ионизированного газа). Если облако обладало начальным вращением, но было однородным по плотности, образуется неправильная галактика. В неправильные галактики превращаются несформировавшиеся спиральные галактики, испытавшие взрыв вблизи центра или потерявшие форму при взаимодействии с другой галактикой. Если облако не обладало начальным вращением, а плотность его увеличивалась к центру, образуется эллиптическая галактика. Сферические скопления галактик с преобладанием эллиптических и линзовых систем образовались из относительно небольших, не имевших вращательного момента сгустков газа. Самые древние голубые карликовые эллиптические галактики образовались спустя 1-3 млрд. лет после образования Метагалактики.
Если облако обладало начальным вращением и плотность его увеличивалось по направлению к центру, образуется спиральная галактика: облако с большим вращательным моментом развивается в класс Sc, со средним - в класс Sв и с малым в Sа. Скопления спиральных галактик возникали при дроблении больших облаков на фрагменты с большим числом вариантов распределения вращательного момента среди отдельных сгустков. При формировании спиральных галактик центральная часть облака сжимается быстрее и сильнее периферийных зон. Когда плотность вещества вблизи центра облака достигнет некоторой "предельной", образуется квазар или активное ядро галактики; его мощное излучение и потоки элементарных частиц создают в облаке ударную волну, сжимающую газ и стимулирующую образование звезд I поколения и шаровых скоплений во всем объеме протогалактики. При дальнейшем сжатии протогалактики газ концентрируется в плоскости вращения и образует диск. При этом происходит последовательное формирование отдельных частей (подсистем) галактики, различающихся возрастом входящих в них объектов, количеством тяжелых элементов в их составе, характером движения и расположения звезд в пространстве. Дальнейшему сжатию газа препятствует давление магнитного поля и космических лучей. Скорость вращения вещества диска вокруг ядра галактики дифференцирована и убывает по направлению из центра к периферии. В веществе галактического диска распространяются первичные мощные спиральные волны сжатия. В течение первого оборота галактики они распространяются от центра к периферии, сильно сжимая и нагревая вещество. Формируются спиральные ветви - рукава галактики. За 2-3 галактических оборота вспышка звездообразования охватывает формирующиеся спиральные рукава, резко уменьшая в них концентрацию газа и снижая амплитуду первичных волн сжатия. Вне зависимости от начальной формы спиральная структура галактики развивается за несколько ее последующих оборотов вокруг своей оси за сотни миллионов лет. Ветви (рукава) вращаются вокруг центра галактик в ту же сторону, что газ и звезды, но значительно медленнее. Постоянство формы рукавов поддерживают вторичные относительно слабые спиральные ударные волны плотности, возникающие при столкновении накопленного в ветвях газа с газом, который при вращении вокруг центра галактики догоняет спиральные рукава и входит в них с большой скоростью, тормозится и уплотняется. В области спиральных рукавов возникают вихревые структуры, схожие с циклонами, а между галактическими ветвями формируются антициклоны. Чем массивнее спиральная галактика, тем сильнее сжимает тяготение спиральные рукава, тем они тоньше и тем больше в них звезд и меньше межзвездного газа. Скорость вращения диска галактики позволяет оценить ее массу в пределах определенного радиуса, а форма кривой скорости вращения галактики отражает распределение (плотность) вещества в ней. Анализ распределения масс в дисковых (спиральных и линзовых) галактиках основан на изучении их кривых вращения, которые определяются по доплеровским скоростям газа. Среднее время превращения протогалактики в галактику составляет около 109 лет. Согласно расчетам, облако с массой 1011М¤ , радиусом 200 кпк, начальной скоростью вращения 40 км/с, напряженностью магнитного поля 2× 10-7 Гс и температурой около 2× 105 К превращается в спиральную галактику размерами 30 кпк, содержащую в своем составе до 300 миллиардов звезд. Вероятно, в начале эволюции все галактики имеют более высокую светимость за счет большего числа массивных молодых звезд. Процесс образования звезд в недрах сжимающихся протогалактических облаков и, позднее, в галактических диффузных туманностях является одним из закономерных этапов развития неживой материи и нерасторжимо связан с возникновением и развитием галактического населения и структур галактик. Образование галактик сопровождалось мощной вспышкой звездообразования (в десятки раз выше современной!), продолжавшейся около 1 млрд. лет и достигшей максимума спустя 3–5 млрд. лет после образования нашей части Вселенной, а затем постепенно убывавшей. Звезды I поколения с содержанием тяжелых элементов в 10000 раз менее современного формируются почти одновременно по всему объему протогалактического облака, в недрах плотных (до 104-105 частиц в см3), хаотически расположенных сгустков молекулярного водорода (Н2) с незначительной примесью гидроксила (ОН, НО) и угарного газа (СО). Вне спиральных рукавов "спусковым механизмом" звездообразования могут стать ударные волны при взрывах близких звезд, столкновения облаков между собой, звездный ветер близких голубых сверхгигантов и т.д. Запуск механизма звездообразования могут обеспечить активные процессы в формирующихся ядрах галактик. Мощное излучение и потоки (выбросы) элементарных частиц создавали ударные волны - сферически расширяющихся оболочки, уплотнявшие окружающий газ и инициировавшие в нем процесс образования звезд. Через сотни миллионов лет с уменьшением активности галактических ядер и снижения плотности межзвездного газа, большая часть которого ушла на формирование звезд I-го поколения, гигантские очаги звездообразования размерами свыше 10000 пк и массами 107-108 М¤ распадаются на мелкие "ячейки" размерами до 100 пк, в которых звездообразование постепенно затухает. Свидетелями той древнейшей эпохи в Галактике являются объекты ее сферической составляющей: шаровые звездные скопления возрастом от 9 до 12 миллиардов лет (± 2-3 млрд. лет), в которых содержание тяжелых элементов составляет 0,1-0,5%. "Эпидемический" характер звездообразования до сих пор характерен для очень богатых межзвездным газом обширных областей неправильных и карликовых галактик; "спусковым механизмом" в них может стать даже возникновение отдельных звезд.
Процесс образования галактик может происходить не только в результате гравитационного сжатия отдельных гигантских протогалактических облаков, но и в ходе объединения (слияния) нескольких небольших протогалактик или молодых галактик, которые становятся "строительными блоками" для формирования более крупных объектов. Средний возраст галактик составляет от 11,5 до 13,5 миллиарда лет, хотя известны как более молодые (10 млрд. лет), так и более старые объекты (до 18 млрд. лет). Вероятно, значительная, если не большая часть галактик сформировалась в первые 2-3 миллиарда лет с момента образования Метагалактики. В настоящее время астрономы наблюдают несколько объектов возрастом от 12 до 13 млрд. лет, находящихся на разных стадиях сжатия: от плотных, непрозрачных газовых облаков до протогалактик, в которых происходит образование звезд I поколения, причем в их состав входят некоторые молекулярные соединения: Н2, ОН, НО, СО и т. д. Еще более древними объектами являются квазары и квазаги: наибольшее расстояние до квазаров соответствует возрасту Метагалактики tM 1-2 млрд. лет с наибольшей концентрацией на расстояниях, соответствующих 1,5 млрд. лет с момента образования Метагалактики; вокруг них наблюдаются следы молодых галактических структур. Большинство ученых считает их плотными газовыми аккреционными дисками в ядрах "новорожденных" галактик. Невероятно мощная энергетика квазаров может объясняться существованием в их центре сверхмассивной черной дыры массой до 1010 М¤ , поглощающей вещество (газ) из окружающего пространства в количестве 100 М¤ в год! Падая в черную дыру, вещество превращается в излучение, которое регистрируют наши приборы. Различия в свойствах квазаров определяются условиями (углом) их наблюдения. Почти столь же стары и далеки от Земли почти все активные галактики, в ядрах которых происходят процессы, сопровождаемые выделением огромной энергии, мощным звездообразованием и выбросами вещества. Большинство ученых предполагает, что квазары, квазаги и активные ядра галактик являются закономерными, сравнительно кратковременными начальными стадиями развития нормальных галактик, имеющих возраст свыше 10-11 миллиардов лет. Предполагается, что совокупность сверхмассивных черных дыр в ядрах активных галактик, удаленных на расстоянии от 8 до 12 млрд. св. лет, является источником фона космического рентгеновского излучения. В окруженных плазменными облаками ядрах активных галактик массой 1010-1012 М¤ и размерами 1013-1016 м в основном скрываются черные дыры массой до 108 М¤ , в которые падает газ в количестве 1 М¤ в год (масса черной дыры в центре галактики NGC 1068 - 10000000 М¤ ; в галактике NGC 4258 - 36000000 М¤ ; в галактике NGC 4486В - 500000000М¤ (!); реже там обнаруживаются массивные магнитоплазменные конфигурации - "сверхзвезды" массой до 108 М¤ , существование которых обусловлено редчайшим стечением обстоятельств и (или) звездные скопления с плотностью 106-108 звезд/пк3 (в недрах туманности Тарантул в Большом Магеллановом облаке содержится свыше 10 звезд с массами 100 –150 М¤ ) - экзотические неустойчивые объекты, которые не могут существовать свыше 105-108 лет. Происходящие в ядрах нормальных галактик массой 106-107М¤ и размерами 1-15 пк активные процессы сродни вышеописанным, но не сравнимы с ними ни по масштабам, ни по выделению энергии. Массы черных дыр в центрах нормальных галактик (в настоящее время их известно около 40) составляют 0,2% массы балджа (центральной части) галактик (0,3-0,5% от общей массы галактик). В процессе эволюции галактик происходит круговорот вещества: межзвездный газ - звезды - межзвездный газ, приводящий к постепенному увеличению содержания тяжелых элементов в межзвездном газе и звездах и к уменьшению количества межзвездного газа в каждой из галактик. При этом происходит истощение запасов межзвездного газа, снижение темпов звездообразования и общего числа звезд новых поколений и рост количества белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Результатом действия сил тяготения в тесных скоплениях галактик является "галактический каннибализм": крупные массивные галактики притягивают из окружающего пространства менее массивные объекты, делают их своими спутниками и даже поглощают. Так, вероятно, образуются взаимодействующие и некоторые активные галактики. Тема 6.3. Вселенная. Следует обратить внимание на то, что в различных научно-популярных книгах, телепередачах и т.д. даже серьезные ученые часто вместо термина "Метагалактика" используют термин "Вселенная", отождествляют Метагалактику и Вселенную: говорят о возрасте и размерах Вселенной, ее возникновении и расширении и т.д. Ученики должны усвоить, что это по сути является методологической ошибкой: Вселенная бесконечна в пространстве и вечна во времени (хотя бы потому, что за пределами Мини-Вселенной наши понятия пространства и времени попросту утрачивают смысл). Можно говорить о происхождении, размерах и расширении Метагалактики и Мини-Вселенной (их возраст практически совпадает), но нельзя говорить о происхождении, возрасте, размерах и расширении Вселенной. Правильному усвоению смысла понятий способствует понимание иерархии этих космических сверхсистем: Метагалактики является составной частью (одним из элементов, одной из множества метагалактик) Мини-Вселенной, которая в свою очередь является частью Вселенной (одной из множества мини-вселенных). На данном уроке космологические процессы еще не рассматриваются, однако можно объяснить ученикам, что конечность скорости света затрудняет изучение современной Вселенной, но облегчает ее изучение в процессе развития. Мы даже не в силах увидеть, какой облик в данный момент времени имеет наша Метагалактика: чем дальше находится космический объект, тем большее прошлое объекта мы наблюдаем. Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут 20 секунд назад – столько времени понадобилось солнечному лучу, чтобы преодолеть расстояние до Земли; Проксиму Центавра мы наблюдаем такой, какой она была 4,2 года назад; ближайшую спиральную галактику М 31 – такой, какой она была около 2,5 миллионов лет назад; квазары и самые далекие галактики "сдвинуты в прошлое" на 8-12 миллиардов лет. Под "расширением Вселенной" следует понимать не увеличение линейных размеров всех материальных объектов, а взаимоудаление галактических систем, квазаров и т.д. в пределах нашей Метагалактики и возможное "разбегание" метагалактик в пределах Мини-Вселенной, причем на относительное движение близких гравитационно-связанных элементов космических систем (звезд в галактиках, галактик в группах и скоплениях) это явление не распространяется. Ученики должны усвоить, что наша Галактика не занимает особого, центрального места в Метагалактике – у Метагалактики вообще нет центра, закон Хаббла выполняется для любого наблюдателя в любой из галактик. Метагалактика - это предельная по степени общности и объему, обладающая структурностью на всех своих уровнях система космических объектов массой около 1052 кг, размерами около 1026 м (18-20 миллиардов св. лет) и возрастом от 18 до 20 миллиардов лет. Крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики состоит из гигантских волокноподобных элементов, образованных сверхскоплениями галактик и пустотами ("кавернами") между ними размерами до 300 Мпк, ограниченных "стенками" из галактик толщиной до 10 Мпк. Наиболее богатые галактиками скопления находятся на пересечении волокон.  Рис. 77. Ячеистое распределение галактик в пространстве (в разрезе, проходящем через сверхскопление в Волосах Вероники) Общее число галактик в Метагалактике может составлять, предположительно, более 1010 –1012 объектов, включающих в свой состав свыше 10 21 –1024 звезд. В межгалактическом пространстве обнаружены огромные облака "горячего" и "холодного" (Т < 2× 106 К) газа (вероятно, остатки протогалактических туманностей), шаровые звездные скопления и отдельные группы звезд. Кроме вещества, входящего в состав вышеперечисленных космических объектов, во всей Метагалактике рассеяны частицы ионизированного и нейтрального газа, пылинки; пространство Метагалактики пронизывают космические лучи, магнитные поля и реликтовое излучение. Возможно существование и неизвестных нам пока объектов. В хорошо исследованной области Метагалактики размерами до 1500 Мпк насчитывается несколько миллиардов галактик. Скопления галактик гравитационно взаимодействуют на расстояниях до 50 Мпк, но на больших (свыше 100 Мпк) расстояниях гравитационное взаимодействие практически отсутствует. Астрономические наблюдения показывают, что все они находятся в движении, удаляясь друг от друга и от нашей Галактики со скоростью  , где Н - постоянная Хаббла, r - расстояние до объекта.Скорость движения определяется по "красному смещению" спектральных линий, возникающему благодаря эффекту Доплера (если объект удаляется от наблюдателя, линии в его спектре будут равномерно смещаться на величину z в красную, длинноволновую часть спектра):  .Постоянная Хаббла определяется из соотношения  для ближайших галактик, расстояние до которых мы можем определить несколькими независимыми способами (по данным наблюдения цефеид и т.д.), однако точность измерений ухудшается с удалением объектов наблюдения. Различные методы определения расстояний до ближайших галактик дают 20% расхождение в оценке значения постоянной Хаббла.Поэтому значение постоянной определено лишь приблизительно: 75 £ Н £ 100 км/с× Мпк (73 км/с× Мпк по данным 1996 г.). Существование "красного смещения" свидетельствует о расширении Метагалактики; по его величине можно определить расстояние до удаленных космических объектов и их возраст:  .Низкая точность измерения межгалактических расстояний ведет к возникновению космологического парадокса: данные расчетов на основе различных астрономических наблюдений не вполне согласуются между собой и с выводами космологических и космогонических теорий (возраст Метагалактики, вычисленный на основе вышеупомянутого значения постоянной Хаббла (11-14 млрд. лет) практически совпадает с возрастом старейших звезд Галактики (11-12 млрд. лет) и т.д.). Уточнить межгалактические расстояния, размеры и возраст Метагалактики помогут новые, более мощные средства астрономических наблюдений. Согласно последним данным, наиболее удаленное из наблюдаемых скоплений галактик MS 1054-0321 массой 1016 М¤находится на расстоянии 8 млрд. св. лет от Земли; отдельные наиболее далекие галактики имеют возраст до 18 миллиардов лет и с удалением их число возрастает в той же пропорции, что и в близких областях Метагалактики. С учетом времени, необходимого для формирования этих объектов (1-2 миллиарда лет) следует предложить, что возраст Метагалактики близок к 20 миллиардам лет. Метагалактика имеет границу - "горизонт событий". Он определяется максимальной скоростью движения любых материальных объектов - скоростью света. Любые объекты Метагалактики могут быть причинно связаны между собой лишь при условии, что расстояние между ними , где tM - время существования Метагалактики, поскольку любому, даже движущемуся со скоростью света сигналу из-за границы "горизонта событий" на преодоление расстояния до Земли требуется больше времени, чем существует Метагалактика. Поэтому для большинства людей и для многих ученых понятия "Метагалактика" и "Вселенная" стали синонимами, хотя на самом деле Метагалактика является ничтожно малой частью бесконечной Вселенной. Существование и свойства Метагалактики обусловлены всей совокупностью ее физических закономерностей, включая размерность пространства. Ее структура и характеристики определяются уникальным набором значений фундаментальных физических постоянных. Основные свойства Метагалактики: 1. Расширение по закону  .2.. Однородность и изотропность пространства Метагалактики проявляется в том, что в любой момент ее эволюции все направления движения материи равноправны, а плотность материи почти неизменна (самые крупные неоднородности в сотни и тысячи раз меньше размеров Метагалактики). 3. Однородность и анизотропность (направленность от прошлого к будущему) времени. 4. Принцип фундаментальности вероятностных закономерностей и принцип симметрии, заключающийся в выявлении и сохранении общего в объектах и явлениях, ограничении числа возможных вариантов структур и поведения систем, проявляющий себя в законах сохранения массы, энергии, импульса, электрического заряда и спина, в неизменности законов физики при переходе из одной инерционной системы в другую. Существование любой симметрии (в пространстве-времени, степенях свободы элементарных частиц и физических полей и т.д.) обусловливает существование соответствующих законов сохранения и структуры сохраняющейся величины (теорема А.-Э. Нетер). Следствием симметрии 4-мерного пространственно-временного континуума является взаимосвязь энергии и массы материальных объектов, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна: Е = m × c2. Инвариантность относительно сдвига во времени (сдвиговая симметрия, проявляющаяся в однородности времени) обусловливает закон сохранения энергии; инвариантность относительно пространственных сдвигов (однородность пространства) – закон сохранения импульса; инвариантность относительно пространственного вращения (осевая симметрия, проявляющаяся в изотропности пространства) - закон сохранения момента количества движения и т.д. Возможно существование идеальной симметрии случайности (хаоса), являющейся аксиоматикой классической термодинамики и квантовой механики, и наиболее общей симметрии неравновесных процессов, количественным выражением которой являются энтропийные законы сохранения. Глубина и всеобщность этих принципов позволяет говорить о нашем мире как "симметрическом, построенном на вероятности". Ход эволюции Метагалактики зависит от "барионной асимметрии": почти полном отсутствии античастиц и антивещества (ядра антиатомов состоят из антипротонов и нейтронов и имеют отрицательный заряд; роль электронов играют положительно заряженные позитроны). 4. Наша эпоха, "звездный этап" эволюции Метагалактики, обладает следующими чертами: - звезды являются основным, наиболее распространенным типом космических тел; - около 95% видимого вещества Метагалактики сосредоточено в звездах; 5. Химический состав Метагалактики: 77,4% водорода; 20,8% гелия; 1,8% других элементов (кислород - 0,85%; углерод - 0,38%; неон - 0,15%; железо - 0,14%; азот - 0,093% и т.д.). Более подробные сведения содержатся в табл. 17. Распространенность (среднее содержание) химических элементов и их изотопов в космическом пространстве определяется на основе астрофизических и космохимических исследований: изучения состава космических лучей, химического анализа проб грунта космических тел и метеоритов, данных геофизики и геохимии, расчетов внутреннего строения космических тел, исследования спектров космических объектов и их систем. Преобладание водорода свидетельствует о том, что он является исходным элементом термоядерных реакций синтеза тяжелых элементов. Согласно расчетам ученых, 20-30% первичного водорода превратилось в гелий еще в начале стадии космологического расширения Метагалактики. Очень мало в Метагалактике ядер элементов лития, бериллия, бора и дейтерия (), поскольку они образуются сравнительно редко в особых условиях (при "холодных" термоядерных реакциях (Т £ 107 К), взаимодействии нейтрино с веществом звезд и т. д.) и легко разрушаются в ходе термоядерных реакций с Т > 107 К. Распространенность элементов быстро падает с возрастанием атомной массы. Ядра элементов с четным массовым числом А от углерода до кальция имеют более широкую распространенность, нежели с нечетным, поскольку могут быть составлены из целого числа ядер гелия (a -частиц) и образуются в результате термоядерных реакций в недрах звезд-гигантов и при термоядерных взрывах звезд. Сравнительно много в Метагалактике элементов криптона, ксенона, бария, платины и свинца. Широкая распространенность железа обусловлена особенностями термоядерных реакций, предшествующих вспышкам Сверхновых. С дальнейшем ростом атомной массы А распространенность тяжелых элементов резко уменьшается, поскольку для их возникновения требуется специфические, очень редко возникающие условия (сверхвысокие температуры и давления, сверхмощные источники нейтронов и т. д.). Таблица 17
6. Химическая эволюция Метагалактики неразрывно связана с эволюцией космических объектов и протекает в направлении уменьшения концентрации легких химических элементов(водорода и гелия) с одновременным увеличением среднего содержания тяжелых химических элементов (звезды I поколения, образовавшиеся 12-11 миллиардов лет назад содержали 0,1 %; звезды II поколения, образовавшиеся 6 - 5 миллиардов лет назад - 2-3%; формирующиеся сейчас звезды Ш поколения содержат 3-4% тяжелых элементов). 7. "Антропный принцип" обусловливает закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни на Земле и, вероятно, на многих других землеподобных планетах Метагалактики. Подробнее об "антропном принципе" будет рассказано на следующем уроке. Гигантская Метагалактика, в которой мы живем и которая доступна наблюдениям наших приборов, является отдельным крохотным участком Мини-Вселенной. Мини-Вселенная - часть Вселенной, обладающая собственной уникальной совокупностью физических закономерностей; пространственно-обособленная, предельная по степени общности и объему система метагалактик массой 1075 до 10100 кг, размерами отм до м, образовавшаяся в результате флуктуации энергетической плотности физического вакуума 18 - 20 миллиардов лет назад. Пространство Мини-Вселенной является единой причинно-связанной областью. Следует ознакомить учащихся с важнейшими характеристиками и свойствами Мини-Вселенной: 1. Универсальность законов физики. Законы физики едины для всей Мини-Вселенной. 2. Принцип симметрии: выявление и сохранение общего в объектах и явлениях, ограничение числа возможных вариантов структур и поведения систем. Проявляется в законах сохранения массы, энергии, импульса, электрического заряда и т.д. и в неизменности законов физики при переходе из одной инерционной системы в другую. 3. Однородность и изотропность Мини-Вселенной: в любой момент ее эволюции все направления движения материи равноправны, а плотность материи почти неизменна. Проявляется в свойствах (однородности и изотропности) пространства и анизотропности времени (направленности из прошлого в будущее). Наша Мини-Вселенная в свою очередь является лишь небольшой частью необъятной вечной Вселенной. Понятие "Вселенная" - категориальное, предельно широкое, неопределимое через род и видовое отличие; определение подобных понятий дается на основе описания основных свойств и характеристик объекта. Желательно, чтобы в определении понятия "Вселенная" (первой его половины) приняли участие, под руководством учителя, сами ученики: Вселенная - это совокупность множества мини-Вселенных. По некоторым оценкам, наша Вселенная может включать до 1050Мини-Вселенных! Возможно одновременное существование Мини-Вселенных, находящихся на разных стадиях своего развития. Возможно, на определенных стадиях своего развития каждая мини-Вселенная полностью преобразуется, порождая мини-Вселенную нового поколения. Вселенная - весь объективно существующий мир; все сущее; все, что мы можем наблюдать и все, что мы можем представить себе на основе современных научных теорий. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует. Повторение, расширение и углубление общенаучных понятий о материи, ее основных формах существования, законах движения, пространстве, времени, веществе, поле, физическом вакууме и видах фундаментальных физических взаимодействий не только способствует формированию понятия "Вселенная" и "профилактике" верного использования этого термина, но и укрепляет межпредметные связи курсов физики, астрономии и обществоведения, а также является своеобразной пропедевтикой материала по основам космологии, который будет изучаться на следующем уроке. Этот этап урока лучше всего проводить в форме беседы, в которую нужно вовлечь весь класс. Вселенная материальна. Термин "материя" означает все, что реально существует в окружающем мире. "Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущении" (В.И. Ленин). Материальны электромагнитные, гравитационные и другие физические поля, элементарные частицы, атомы, молекулы, любые вещества и макроскопические тела, живые существа и космические объекты. Материя несотворима и неуничтожима: она всегда была, есть и будет. Видимое исчезновение материи всегда означает лишь ее переход в качественно иное состояние. Материя постоянно изменяется, эволюционирует, переходит в качественно иные, более высокие и сложные формы. Материя находится в непрерывном движении. Основные свойства и признаки движения материи: Движение – способ (форма) существования материи: любые изменения, происходящие с материей. "Движение, рассматриваемое в самом широком смысле слова, … обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная с простейшего перемещения и заканчивая мышлением" (Ф. Энгельс). Под движением материи следует понимать не только механическое перемещение материальных объектов в пространстве, но и любые происходящие в них и с ними процессы: физические, химические, биологические, социальные... Движение неразрывно связано с материей. Нет, и не может быть движения без материи, как нет, и не может быть материи без движения. Каждому виду материи присущи специфические формы и виды движения. Все виды движения взаимосвязаны, взаимообусловлены друг другом. Все виды движения взаимно превращаются друг в друга. Обобщенный закон сохранения движения, обусловливающий существование всех 10 законов сохранения физики: при всех превращениях одного вида движения в другой в количественном отношении движение остается неизменным. Движение вечно, оно не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Движение материи происходит в пространстве и во времени. Материя, пространство и время неразрывно связаны между собой и оказывают взаимное влияние друг на друга. Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов. Выделяемая часть пространства ограничивает, а иногда и образует отдельные объекты природы. Пространство Мини-Вселенной обладает свойствами: непрерывности (при D r >10-33 м); трехмерности в декартовой системе координат; изотропности: любые направления эквивалентны, равноправны; физические законы инвариантны относительно выбора направлений осей координат системы отсчета; следствие – закон сохранения момента импульса; однородности (симметрии): все его места эквивалентны, физически одинаковы: при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются; следствие – закон сохранения импульса. Время выражает последовательную смену явлений и состояний материальных объектов, продолжительность их существования. Обладает свойствами: непрерывности (при D t >10-41 с); одномерности; однородности (инвариантности физических законов относительно выбора начала отсчета времени), следствие – закон сохранения энергии; анизотропности (направленности хода из прошлого в будущее); необратимости; следствие – необратимость тепловых процессов, закон возрастания энтропии. Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов. Главными взаимосвязанными характеристиками материальных объектов являются: энергия - общая количественная мера различных форм движения материи, описывающая состояние объектов и их способность к взаимодействию между собой; и масса - мера гравитационных и инертных свойств и полной энергии объектов. Закон сохранения материи - один из фундаментальных законов Вселенной: общее количество материи во Вселенной никогда не изменяется: материя не исчезает бесследно и не появляется из "ниоткуда", а лишь переходит из одного состояния в другое. Известны 4 вида фундаментальных физических взаимодействий: 1. Гравитационное взаимодействие - дальнодействующее пропорционально массам объектов системы и характеризуемое участием гравитационного поля. Сила его определяется законом Всемирного тяготения; интенсивность определяется безразмерной постоянной гравитационного взаимодействия a g.  , где m - характеристическая масса. При m = mp a g » 10-38.Электромагнитное взаимодействие - дальнодействующее, характеризуемое участием электромагнитного поля, излучаемом, поглощаемом или переносящем взаимодействие между телами. Отвечает за взаимодействие заряженных частиц. Интенсивность определяется безразмерной постоянной:  3. Сильное взаимодействие - короткодействующее на расстояниях около 10-15 м. Проявляет себя в ядерных реакциях и взаимодействии элементарных частиц (систем кварков, из которых состоят частицы). Интенсивность определяется постоянной a s. При m = mp a s » 1. 4. Слабое взаимодействие - короткодействующее на расстояниях около 10-18 м. Проявляет себя в ядерных реакциях и взаимодействии элементарных частиц. Интенсивность определяется постоянной a w » 10-5, определяемым соотношением:  , где gF = 10-49 эрг× см3 - постоянная Ферми; m = mp.Выделяют три взаимосвязанные формы существования материи: вещество, поле и физический вакуум. Вещество - вид материи, обладающей массой покоя и дискретной структурой, образуемой взаимодействующими системами элементарных частиц. Физические поля не обладают массой покоя и имеют непрерывную структуру. физический вакуум в настоящее время представляет собой материю (невозбужденное (основное) состояние фундаментальных силовых полей) в самом низком энергетическом состоянии. Термин "вакуум" - синоним пустоты, однако космическое пространство, даже в отдалении от любых космических объектов, - не пусто. Эта среда состоит из множества взаимодействующих между собой виртуальных ("вероятных") частиц, время существования которых много меньше времени, необходимого для их регистрации. Виртуальный электрон "живет" менее 10-21 с, виртуальный протон - 10-24 с, а затем распадаются, превращаясь в столь же короткоживущие частицы. Существование виртуальных частиц подтверждают многочисленные косвенные данные об их взаимодействии с "реальными" частицами и явление поляризации вакуума. При взаимодействии между собой отдельные виртуальные частицы могут приобрести энергию, во много раз увеличивающую время их существования. Для внешнего наблюдателя это событие выглядит как появление "ниоткуда", из пустоты, пары частица - античастица. Плотность потенциальной энергии физического вакуума составляет около1091 Дж/см3 Предполагается, что когда-то в нашей части Вселенной "энергетическая плотность" вакуума была несравнимо выше современной. Колебания энергетической плотности "ложного вакуума" могли порождать объекты с невероятно высокой массой, сопровождавшиеся соответствующим чудовищным выделением энергии вакуума. В настоящее время единая теория происхождения и развития Метагалактики и Вселенной еще не создана. Физики и астрономы совместно разрабатывают квантовую теорию гравитации и теорию физического вакуума, изучают происхождение фундаментальных постоянных, природу и размерность физического пространства и времени. Физика элементарных частиц и космология тесно взаимосвязаны между собой. Создание общей физической теории и теории возникновения и развития Метагалактики - два разных аспекта одной проблемы. Познание Вселенной осуществляется на основе системы идей современной физической картина мира. |
, где m – видимая звездная величина звезды, M – абсолютная звездная величина звезды, определяемая на основе закономерностей (диаграмм) "спектр – светимость" и "цвет – светимость"; 3) вспышек Новых и Сверхновых (на основе той же фотометрической формулы). К сожалению, эти методы применимы лишь для измерения расстояния до самых близких галактик, разрешаемых в мощнейшие телескопы на отдельные звезды, и по ряду причин полученные результаты несколько расходятся между собой, т.е. являются недостаточно точными. В 2000-2001 гг. была сделана первая попытка определить расстояние до ближайших галактик наиболее точным и устойчивым к различным помехам параллактическим способом: использовалась система радиотелескопов, работающая в режиме радиоинтерферометра.
