Будова та еволюція Всесвіту

Тема 7. Будова й еволюція Всесвіту. Життя у Всесвіті. Світ галактик. Квазари. Проблеми космології. Походження і розвиток Всесвіту. Людина у Всесвіті. Ймовірність життя на інших планетах.

1. Світ галактик. Квазари. Проблеми космології

Галактика - велетенська космічна система, до якої входять об’єднані гравітацією зорі, їхні скупчення, газові та пилові хмари і міжзоряна речовина. Вивчення галактик започаткував Вільям Гершель в XVIII ст. Галактики різних типів мають різний вік. “Галактики віддаляються від нас (і одна від одної) зі швидкостями тим більшими, чим дальше вони знаходяться.” (Е. Габбл) .

1924р.–1925р. Едвін Габбл зробив класифікацію галактик за їхнім зовнішнім виглядом, запропонувавши відносити їх до одного з таких трьох типів: еліптичні Е, спіральні S, неправильні Іr.

25% вивчених галактик - еліптичні, 50% - спіральні(з них половина SB), 20% типу SO(лінзоподібні галактики) i лише 5% - галактики типу Іr.

Еліптичні галактики мають вигляд кругів чи еліпсів, яскравість яких плавно зменшується від центра до краю. Їх ділять на 8 підтипів від Е0 (коловий об'єкт) до Е 7 (об'єкт істотно сплющений).

Спіральні галактики складаються з ядра і кількох спіральних рукавів або гілок. У звичайних спіральних галактиках (тип S) гілки виходять безпосередньо з ядра.

До неправильних галактик (тип Іr) належать ті, що не мають чітко вираженого ядра і симетричної структури.

Особливі галактики. У всіх галактиках, окрім найменших, виділяється яскрава центральна зона, яка називається ядром. У звичайних галактиках велика яскравість ядра пояснюється високою концентрацією зір.

Галактики, що мають особливо яскраві ядра, з яких виривається світний газ, що рухається з величезною швидкістю - тисячі кілометрів за секунду називаються галактиками з активними ядрами або сейфертівськими на честь американського астронома К. Сейферта, який 1943р. спостерігав їх уперше.

Так можуть проявляти себе чорні діри, оточені щільною хмарою звичайних зір і газу

Від звичайних галактик до Землі надходить радіовипромінювання, але у мільйон разів слабкіше, ніж в оптичному діапазоні. Проте серед них було виявлено так звані радіогалактики, які в радіодіапазоні яскравіші, ніж в оптичному. Одним з найпотужніших джерел радіовипромінювання є квазари.

Квазари (англ. quasars, скор. quasi-stellar radio source — квазізоряне радіоджерело) - позагалактичні об'єкти, які мають зореподібні зображення і сильні емісійні лінії з великим червоним зміщенням у спектрі. Квазари виявлені в 1963 році як джерела радіовипромінювання.

Квазари

Галактики дуже рідко бувають поодинокими. Як правило, вони зустрічаються невеликими групами по кілька членів або входять до складу великих скупчень із сотень і тисяч галактик. Наша Галактика входить до складу так званої Місцевої групи, яка містить ще дві великих спіральних галактики - Туманність Андромеди і галактику в сузір'ї Трикутника, а також більше 20 карликових і неправильних галактик, серед яких найбільшими є Магелланові Хмари.

Туманність Андромеди

Магелланові Хмари

Проблеми космологіїКосмологічні моделі. Загальні закономірності розвитку Всесвіту вивчаються за допомогою космологічних моделей. Всесвіт є однорідним та ізотропним, тобто властивості Всесвіту для кожного заданого моменту часу однакові в усіх його точках і в усіх напрямках. Розвиток і подальша доля Всесвіту значною мірою залежать від значення середньої густини речовини, яка його заповнює. Виявляється, якщо , то розширення Всесвіту рано чи пізно зупиниться і заміниться його стисненням. Якщо, , то Всесвіт відкритий, нескінченний, і його розширення буде тривати вічно. Для того щоб дізнатись, якій космологічній моделі відповідає Всесвіт, потрібно визначити середню густину його речовини і порівняти з критичною. Визначення середньої густини - це першочергове завдання космології.

Проблема «прихованої маси». У Всесвіті, безсумнівно, наявна загадкова «прихована» або темна речовина, яка нічим не проявляє себе, крім гравітації. Її маса у багато разів перевищує масу видимої речовини. Вона утворює протяжні невидимі темні гало галактик і міститься в міжгалактичному просторі, концентруючись біля скупчень галактик. Виміряти масу «прихованої» речовини - завдання надзвичайно складне.

Проблема горизонту. Якщо спостерігач буде рухатись, то його спостережуваний «горизонт» буде відсуватися все далі й далі. . Продовжуючи цю подорож у часі, ми неминуче прийдемо до такого моменту, коли вся доступна для спостережень область Всесвіту формально була стягнута в точку, а густина її була нескінченно великою. Фізично це неможливо, але в рамках моделі припустимо говорити про час життя Всесвіту як такий, що минув від моменту існування нескінченно великої густини.

2. Походження і розвиток Всесвіту

В першу мить народження Всесвіту гравітаційне відштовхування переважало над гравітаційним тяжінням, під дією антигравітаційних сил вакууму і почалося його розширення. Воно відбувалося так стрімко, що отримало спеціальну назву-роздування або інфляція. Саме одна з областей вакууму, яка пройшла фазу інфляції і яка спершу була набагато менше протона, а за мить досягла розмірів апельсина, і стала маленьким Всесвітом.

Всі уявлення про будову та виникнення Всесвіту, що з’явилися у людства до 20-х років ХХ ст. можна вважати теоретичним міркуванням, бо дані спостереження були вкрай обмежені. І все ж на основі цих даних повільно вимальовувалася картина “будівлі” Всесвіту. На основі роздумів про світ фізичних явищ, критичного аналізу механіки Галілея та Ньютона народилася теорія відносності Ейнштейна, яка провела справжній переворот у фізиці. Теорія відносності виходить з того факту, що всі вимірювання і зміни у просторі і часі відносні і залежать від конкретного спостерігача. Вони втрачають абсолютне значення, а сама структура простору-часу визначається тим чи іншим розподілом мас у Всесвіті. В різних частинах Всесвіту простір по-різному викривлений, і час протікає з різною швидкістю.

За теорією Фрідмана можливі три варіанти розвитку Всесвіту: “Всесвіт закритий,відкритий і пульсуючий.”

Всі ці варіанти мають те спільне, що в якийсь момент часу в минулому(10 чи 20 млрд. років тому) відстань між сусідніми об’єктами Всесвіту мусила бути рівною нулю. В цей момент який називають Великим Вибухом, густина Всесвіту і кривизна простору мали бути нескінченно великими, тобто Всесвіт мав бути точкою, яку математики називають сингулярною.

3. Людина у Всесвіті. Ймовірність життя на інших планетах

Антропний принцип. Антропний принцип (АП, від грец. «антропос» - «людина») уперше проголосив фізик Б. Картер 1974 р. Його формулюють так: «Ми існуємо, тому що Всесвіт такий, який він є».Ідея антропного принципу - ідея зв'язку між існуванням людства і фундаментальними властивостями Всесвіту

Які саме властивості Всесвіту забезпечують наше існування?Життя і фундаментальні константи. Унікальність нашого Всесвіту. Проблема існування інших Всесвітів

ми існуємо у тому Всесвіті, властивості якого дозволяють формування живих організмів;можуть існувати інші всесвіти, де діють інші фундаментальні закони, і можливе існування принципово інших форм життя. В 1934 р. австрійський вчений К. Гедель сформулював теорему про неповноту наших знань, яка проголошує: «Жодна система не може бути пізнаною до кінця зсередини - поза зв'язком її з іншими системами вищого порядку».

Це означає, що неможливо вичерпно описати світ, у якому живе людина, зокрема - описати причину появи та існування Всесвіту, не вийшовши за його межі.

Запитання та задачі для самоконтролю студентів до модуля№3.1. Як називається видима частина Всесвіту?А) Молочний Шлях; Б) Метагалактика; В) Туманність Андромеди;Г) Велика Магелланова Хмара.2. Наша Галактика є…А) еліптичною; Б) спіральною; В) неправильною; 3. Сонце належить до зір…А) … головної послідовності; Б) … білих карликів;В) … червоних гігантів;4. За світністю зорі поділяються на…А) …надгіганти; Б) … гіганти; В) … надгіганти, гіганти, карлики; Г) … карлики. Абсолютна зоряна величина ( М ) - зоряна величина, яку б мала зоря, перебуваючи від спостерігача на відстані…А) … 200пс; Б) … 100 пс; В) …10 пс Г) … 5 пс. 6. Фізичними змінними зорями називають такі зорі, причиною зміни світності яких є процеси, що відбуваються в…А) … короні зорі; Б) … ядрі зорі; В) … конвективній зоні зорі;Г) … променистій зоні зорі. 

7. Як називається велетенська зоряна система, до якої належить Сонце?А) Галактика; Б) Туманність; В) Велика Магелланова Хмара; Г) Сонячна система.8. Хто вперше класифікував галактики?А) Ньютон; Б) Габбл; В) Герцшпрунг і Рессел; Г) Кеплер.9. Космічний об’єкт, який «не відпускає» навіть світла, називається…А) нейтронною зорею; Б) пульсаром; В) чорною дірою; Г) надгігантом.10. Пульсуючі змінні зорі, блиск яких плавно і періодично змінюється називають: А) … пульсарами; Б) … цефеїдами; В) … квазарами; Г) … новими зорями.11. Зоряні асоціації утворюють…А) … нейтронні зорі та пульсари, нові і наднові зорі;Б) … цефеїди, фізичні змінні зорі;В) … нові зорі, затемнювано - змінні зорі; Г) … нові і наднові зорі.12. Галактики за формою поділяють на…А) тільки еліптичні; Б) тільки спіральні; В) тільки неправильної форми;Г) еліптичні, спіральні та неправильної форми 13. Який принцип побудови діаграми «Спектр - світність»?14. Поясніть чому цефеїди називають маяками Всесвіту?15. Що таке квазари?