Астрономия. Астрономия лекции. ЗемляЛуна. Иоганн Кеплер (15711630)
 Скачать 1.56 Mb.
|
|
10. Другие Галактики. Метагалактики. Вначале го в. было доказано, что кроме нашей Галактики существуют и другие, также состоящие из миллиардов звезд. В совокупности они образуют нашу вселенную, или Метагалактику. Одна из ближайших к нам галактик — Туманность Андромеды — находится от нас на расстоянии, примерном, ее диаметр равен 1.3 диаметра Млечного Пути, а масса практически равна массе нашей Галактики. Но внешнему виду все галактики делятся на 3 основных типа эллиптические, спиральные и неправильные. В 1963 г. во Вселенной были открыты квазизвездные, те. звездоподобные источники сильного радиоизлучения. Их назвали квазарами. Это – весьма удаленные от нас объекты Вселенной, расстояние до них порядкам. К настоящему времени их насчитывается более тысячи. Но современным представлениям квазары - это активные ядра далеких галактик. Галактики образуют группы, группы образуют систему, крупные системы называются скоплениями они состоят из сотен и тысяч галактик. Ближайшее к нам скопление галактик расположено в созвездии Девы и находится на расстоянии около 6´10 23 м. Диаметр этого скопления более 1,8´10 23 м Современная внегалактическая астрономия позволяет говорить о сверхскоплениях галактик. К настоящему времени открыты десятки таких сверхскоплений. Все это свидетельствует о том, что Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность от фундаментальных частиц до гигантских сверхскоплений галактик Эволюция галактик Согласно современным представлениям, вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако. Под действием сил тяготения собственной гравитации) оно сжималось. Входе этого сжатия, или коллапса рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В конце концов кинетическая энергия звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Таким образом, подсистема самых старых звезд, возникших вначале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму, образовав гало. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа. В 1944 гастроном Бааде предложил называть все звезды звезным населением. Самые старые звезды, образующие гало, составляют население I, а средние по возрасту и молодые звезды, расположенные в диске (спиральных рукавах) – население II. Это – звезды Главной последовательности. Из них звезды спектральных классов O и B – самые молодые и горячие, а классов G, K, M – карлики. Разбегание галактик В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Кроме того, оказалось, что чем дальше галактика, тем больше смещение линий. На основе известного из физики эффекта Доплера было сделано заключение, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается. Так как наша Галактика не является центром Вселенной, это означает, что происходит взаимное удаление галактик. Математически закон Хаббла записывается следующим образом V = H×r, где V – линейная скорость галактики, км/с, r – расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н – постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(с×Мпк). Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются. Следует заметить, что для близких и очень далеких галактик закон Хаббла неточен. Отметим некоторые особенности расширения Метагалактики. 1. Расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплении галактик. Сами галактики и кратные системы звезд не расширяются этому препятствуют силы тяготения. Таким образом, можно говорить лишь о расширении Вселенной, те. Метагалактики. 2. Не существует центра, от которого происходит расширение. 3. Постоянная Хаббла в каждый момент времени одинакова во всей Вселенной, но зависит от времени (со временем убывает. Время t = Н, называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов, находящихся в разных частях Вселенной. Расширение Метагалактики говорит о том, что Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, глобальный характер принципа эволюции 11. Происхождение и эволюция звезд. Происхождение планет. Жизнь и разум во Вселенной. Звезды рождаются, когда облако, состоящее в основном из межзвездного газа и пыли, сжимается и уплотняется под действием собственной гравитации. Считается, что именно этот процесс приводит к образованию звезд. С помощью оптических телескопов астрономы могут увидеть эти зоны, они похожи на темные пятна на ярком фоне. Их называют гигантскими комплексами молекулярных облаков, потому что водород входит в их состав в форме молекул. Эти комплексы, или системы, наряду с шаровыми звездными скоплениями, представляют собой самые крупные структуры в Галактике, их диаметр иногда достигает 1300 световых лет. Для изучения их особенностей ученые используют мощные радиотелескопы. Это единственное оборудование, которое может уловить слабую радиацию (волны, длина которых измеряется миллиметрами, исходящую от молекулярных облаков. Зона активного звездообразования находится недалеко от Солнечной системы – это туманность Ориона, ее можно увидеть даже невооруженным глазом. Ученые считают, что первые галактики образовались из-за того, что материя была распределена во Вселенной неравномерно, затем в галактиках постепенно начали формироваться звезды в результате сжатия газовых облаков под действием гравитации. Более молодые звезды, их называют звездное население I”, образовались из останков, получившихся в результате вспышек старых звезд, их называют звездное население II”. Вспышка взрывного характера вызывает волну, которая доходит до ближайшей туманности и провоцирует ее сжатие. Глобулы Бока Итак, происходит сжатие части туманности. Одновременно с этим процессом начинается образование плотных темных газопылевых облаков круглой формы. Их называют Глобулы Бока. Бок – американский астроном голландского происхождения (1906-1983) – впервые описал глобулы. Масса глобул примерно враз превышает массу нашего Солнца. По мере того как глобула Бока продолжает сгущаться, ее масса увеличивается, притягивая к себе благодаря гравитации материю из соседних областей. В связи стем, что внутренняя часть глобулы сгущается быстрее, чем внешняя, глобула начинает разогреваться и вращаться. Через несколько сотен тысяч лет, вовремя которых происходит сжатие, образуется протозвезда. Эволюция протозвезды Благодаря увеличению массы к центру протозвезды притягивается все больше материи. Энергия, высвободившаяся из сжимающегося внутри газа, трансформируется в тепло. Давление, плотность и температура протозвезды повышаются. Из-за повышения температуры звезда начинает светиться темно-красным светом. Протозвезда имеет очень большие размеры, и хотя тепловая энергия распределяется по всей ее поверхности, она все равно остается относительно холодной. В ядре температура растет и достигает нескольких миллионов градусов по Цельсию. Вращение и круглая форма протозвезды несколько видоизменяются, она становится более плоской. Этот процесс длится миллионы лет. Увидеть молодые звезды трудно, так как они еще окружены темным пылевым облаком, из-за которого почти невиден блеск звезды. Но их можно просмотреть при помощи специальных инфракрасных телескопов. Горячее ядро протозвезды окружено вращающимся диском из материи, обладающей большой силой притяжения. Ядро настолько разогревается, что начинает выбрасывать материю с двух полюсов, где сопротивляемость минимальна. Когда эти выбросы сталкиваются с межзвездной средой, они замедляют движение и рассеиваются по обеим сторонам, образую каплевидную или аркообразную структуру, известную под названием объект Хербика- Харо”. Звезда или планета Итак, температура протозвезды доходит до нескольких тысяч градусов. Дальнейшее развитие событий зависит от габаритов этого небесного тела если его масса небольшая и составляет менее 10% от массы Солнца, это значит, что нет условий для прохождения ядерных реакций. Такая протозвезда не сможет превратится в настоящую звезду. Ученые рассчитали, что для превращения сжимающегося небесного тела в звезду его минимальная масса должна составлять не менее 0,08 от массы нашего Солнца. Газосодержащее облако меньших размеров, сгущаясь, будет постепенно охлаждаться и превратится в переходный объект, нечто среднее между звездой и планетой, это так называемый коричневый карлик. Планета Юпитер представляет собой небесный объект слишком малых размеров, чтобы стать звездой. Если бы он был больше, возможно, в его недрах начались бы ядерные реакции, ион наряду с Солнцем способствовал бы появлению системы двойных звезд. Ядерные реакции Если масса протозвезды большая, она продолжает сгущаться под действием собственной гравитации. Давление и температура в ядре растут, температура постепенно доходит до 10 миллионов градусов. Этого достаточно для соединения атомов водорода и гелия. Далее активизируется ядерный реактор протозвезды, иона превращается в обычную звезду. Затем выделяется сильный ветер, который разгоняет окружающую оболочку из пыли. После этого можно видеть свет, исходящий от образовавшейся звезды. Эта стадия называется “фаза-Т- Тельцы”, она может длиться 30 миллионов лет. Из остатков газа и пыли, окружающих звезду, возможно образование планет. Рождение новой звезды может вызвать ударную волну. Дойдя до туманности, она провоцирует конденсацию новой материи, и процесс звездообразования продолжится посредством газопылевых облаков. Небольшие по размеру звезды слабые и холодные, крупные же – горячие и яркие. Большую часть своего существования звезда балансирует в стадии равновесия. Что это значит С одной стороны, сила гравитации стремится сжать и уменьшить ее в размерах. С другой стороны, энергия, высвобожденная в результате ядерных реакций, вынуждает звезду растягиваться, расширяться, увеличиваться в размерах. Пока эти две силы действуют на звезду, поддерживается баланс, иона находится в так называемой фазе Главная последовательность звезд. Возраст Земли и других тел Солнечной системы. Определение возраста земной коры основано на исследовании содержания в ней радиоактивных элементов (урана, тория и др, а также радиоактивных изотопов таких элементов, как калий, аргон и др. Как известно из физики, радиоактивные элементы непрерывно распадаются, причем процесс распада совершенно не зависит от внешних воздействий. При радиоактивном распаде образуются изотопы соседних элементов периодической системы Менделеева. Эти изотопы сами нередко оказываются радиоактивными, а значит, и они распадаются. Распад заканчивается, когда атомы радиоактивных элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических элементов и их изотопы. Например, распад урана ( 238 U) завершается образованием нерадиоактивного изотопа свинца ( 206 РЬ). Современные представления о происхождении планет На первый взгляд может показаться, что по сравнению с грандиозными проблемами космологии и звездной космогонии проблема происхождения Солнечной системы не очень трудна. На самом деле это не так. Проблема происхождения планет очень сложная и далеко еще нерешенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и многих других наук (прежде всего наук о Земле. Ведь пока можно исследовать только единственную планетную систему, окружающую наше Солнце. Мы еще мало знаем о более молодых и более старых планетных системах, недавно открытых у других звезд. Чтобы правильно объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовались Солнце и другие звезды, потому что планетные системы возникают вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи. И все-таки, несмотря на трудности, ученые убеждены в том, что правильное объяснение будет найдено. Знать, как произошла наша планета, очень важно для дальнейшего развития геофизики, геохимии, геологии и других наук о Земле. Проблемами планетной космогонии в настоящее время занимаются ученые разных стран. В формирование современной планетной космогонии значительный вклад внесли отечественные ученые. Так, например, на протяжении полувека проблемами планетной космогонии занимался академик В. Г. Фесенков (1889—1972), всегда подчеркивавший, что должна существовать тесная связь между процессом формирования Солнца и процессом формирования планет. Вначале х гг. с космогонической гипотезой выступил академик О.Ю. Шмидт (1891—1956). Наиболееважные выводы планетной космогонии сводятся к следующему а) Планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце (рис. 107). Эту туманность часто называют «допланетным» или протопланетным облаком. Считается, что Солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неясно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от «протосолнца». б) Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманности, ее удаление от «протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение и т. д. Изменялась температура вещества туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем». Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (там, где сейчас планеты-гиганты). Теория, учитывающая все эти процессы, позволяет объяснить многие закономерности в Солнечной системе. Рис. 107. Важнейшие этапы формирования планет в) Спутники планета значит, и наша Луна) возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, те. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманности. Главный пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты. Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц Земля как планета в основном сформировалась за время порядка 100 млн. лети вначале тоже была холодной. Последующий разогрев Земли происходил в результате ударов крупных тел (размером с астероиды, гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и некоторых других физических процессов. Постепенно в процессе гравитационной дифференциации вещества те. в процессе разделения вещества, состоящего из тяжелых и легких химических элементов) в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др, из которых образовалось ядро нашей планеты. Из более легких химических элементов и их соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородсодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились, ас появлением растений, способных выдыхать кислород, земная атмосфера начала обогащаться кислородом, наличие которого представляет одно из необходимых условий существования животного мира. Уже открыты газопылевые диски, и даже планеты у десятков других звезд. Это поможет развитию планетной космогонии. Существование жизни вне Земли, в особенности жизни разумной, с давних пор является одним из вопросов, которые волнуют человечество. Сама постановка такой сложнейшей проблемы, как происхождение жизни и её распространённости во Вселенной, стимулировала развитие всех естественных наук. Физика и химия обеспечивали учёных всё более совершенными методами изучения состояния, строения и свойств живого и неживого вещества. Биология, изучая различные формы жизни, определяла условия, при которых могут возникать, существовать и развиваться живые организмы. Астрономия, получая сведения о природе небесных тел и происходящих на них явлениях, создавала возможность обнаружить те или иные проявления жизни, в том числе разумной, за пределами Земли. История поисков жизни вне Земли полна драматических событий и горьких разочарований. Мысли о том, что наша планета не является единственным населённым миром в беспредельном пространстве Вселенной, высказывались ещё до нашей эры, когда существовала единая наука — философия. Идею множественности обитаемых миров разделяли многие выдающиеся учёные XVII—XIX вв. Человеку всегда хотелось найти где-нибудь на других космических телах подобные себе существа. Именно поэтому не разине два в истории науки случалось, что те или иные данные о планетах особенно о Марсе) рассматривались как доказательство их обитаемости. Выдвигались даже проекты того, как человечество могло бы заявить о своём существовании. Так, например, немецкий математик Гаусс предлагал прорубить в лесах Сибири гигантские просеки в форме треугольника и других геометрических фигур, чтобы марсиане узнали о наличии на нашей планете разумных обитателей. Всякий раз сведения об открытии разумных обитателей других миров не подтверждались. Тем не менее каждый новый шаг человечества в развитии науки и техники рождал очередные надежды найти следы подобной деятельности на других планетах. Так, вначале в, когда на Земле уже были построены Суэцкий (1869) и Панамский (1914) каналы, с большим энтузиазмом были встречены сообщения о каналах, обнаруженных на Марсе. На первых порах развития радиотехники шумы непонятного происхождения нередко приписывались инопланетянам. Современный уровень развития науки и техники считается достаточным для того, чтобы обнаружить результаты деятельности разумных обитателей других миров. Это касается и земной цивилизации. Мощные сигналы телевизионных передатчиков и радиолокационных установок, действующих на Земле, могут быть обнаружены цивилизациями, находящимися на таком же |