Дипломная работа: Особенности астрономии ХХ века

Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль. Галактику Андромеды, большую по размерам и находящуюся достаточно близко к нам (всего в 1,5 млн. световых лет), в состоянии даже увидеть человек с хорошим зрением: это размытое пятно в созвездии Андромеды. В современные телескопы удается отыскать сотни миллионов других галактик. Строение их весьма различно, но одна форма наиболее характерна и примечательна - уплощенный диск с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава (нечто вроде огненного колеса, используемого в фейерверках). Галактика Андромеды, как и наша собственная, принадлежит к спиральному типу галактик. Солнечная система расположена в одном из спиральных рукавов Галактики на расстоянии примерно двух третей ее радиуса от центра.

Следует всегда помнить, что, наблюдая Вселенную, мы видим галактики не такими, какие они есть теперь, а такими, какими они были в далеком прошлом. Ведь свет от них приходит к нам через пространство в миллионы и миллионы километров, на преодоление которого он затрачивает миллионы лет. Свет от ближайшей к нам галактики Андромеды достигает нас через 1,5 млн. лет. В большие телескопы можно наблюдать еще намного более далекие галактики, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад! В настоящее время наблюдается 1 0 n (где n = 1 4) галактик. А расстояния до самых дальних из них - свыше 10 млрд. световых лет.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них, велико и количество галактик, которые наблюдаются астрономами. Так, самой большой 6-метровый телескоп позволяет сфотографировать миллиарды галактик (!). В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях 1500 Мпк, находится сейчас несколько миллиардов галактик. Таким образом, наблюдаемая нами область Вселенной - это прежде всего мир галактик.

Одна из центральных проблем внегалактической астрономии - это определение расстояний до галактик и размеров самих галактик. До ближайших галактик, которые можно разрешить на звезды, расстояния определяются по их светимости.

Определение расстояний до галактик и их положения на небе позволило сделать еще одно важное открытие. Оказалось, что большинство галактик входит в группировки, которые насчитывают от нескольких галактик (группа галактик) до сотен и тысяч галактик (скопление галактик) и даже облака скоплений (сверхскопления). Одиночные галактики тоже наблюдаются, но они относительно редки (не более 10%). Другими словами, если галактики - это "острова Вселенной", то они, как правило, объединены в архипелаги. Размеры галактик тоже различны. Есть галактики-карлики в несколько десятков световых лет, и галактики-великаны с поперечником до 18 млн. световых лет.

Средние расстояния между галактиками в группах и скопления (несколько сотен кпк) примерно в 10-20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Расстояния между скоплениями галактик составляют десятки Мпк (мегапарсек). Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звезды во внутригалактическом пространстве (расстояния между звездами в среднем в 20 млн. раз больше их диаметра).

Наиболее исследована Местная группа галактик, в которой самыми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды. Вокруг них, в свою очередь, располагаются еще целые семейства галактик. Так, в семейство нашей Галактики входят 14 карликовых эллиптических галактики, несколько внегалактических шаровых скоплений и ряд т.н. неправильных галактик, среди которых крупнейшие - Магеллановы Облака (Большое и Малое).Недавно открыта новая галактика, кторая находится от нас на расстоянии всего 55 тыс. световых лет. Ее назвали Сникерс (усмешка, ухмылка). Несколько меньшее семейство у туманности Андромеды (одна спиральная, две эллиптические и несколько карликовых).

Ближайшие соседние группы галактик располагаются в 2-5 Мпк от Местной группы и по составу похожи на нее. В пределах 10-20 Мпк около нашей Галактики обнаружено несколько десятков групп галактик. Ближайшее крупное скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии около 20 Мпк. В это скопление входит около 200 галактик средней и высокой светимости. Скопление в Деве представляет собой, по-видимому, центральное сгущение еще более крупной системы галактик - Сверхскопления галактик. (Уже давно было замечено, что яркие галактики расположены по небу не беспорядочно, а поясом, который можно назвать Млечным Путем галактик). Общее число галактик нашего сверхскопления, исключая карликовые, около 20 000, диаметр его около 60 Мпк. Ближайшие соседи нашего Сверхскопления - сверхскопления во Льве (на расстоянии 140 Мпк) и в Геркулесе (190 Мпк). В настоящее время выявлено свыше полусотни сверхскоплений галактик.

Чрезвычайно многообразны и формы галактик. Типология форм галактик была разработана еще Э. Хабблом. В основном она сохранилась и до настоящего времени, хотя, конечно, за прошедшие десятилетия были обнаружены и новые типы галактик. Он выделял три основных типа галактик:

·  эллиптические, имеющие круглую или эллиптическую форму ( E ) ; это наиболее простые галактики, они не содержат горячих звезд, сверхгигантов, пыли и газовых туманностей; в центре их никакого ядра нет;

·  спиральные, которые Хаббл разбил на два семейства - обычные ( S ) и пересеченные ( S B ) . У первых - ветви выходят непосредственно из ядра; у вторых ядро пересечено широкой, яркой полосой, называемой перемычкой или баром; спиральные ветви отходят от концов бара;

·  неправильные галактики ( I r ) , клочковатого строения и неправильной формы; яркость и светимость их невелики; изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями и пылью (примет, Магеллановы Облака, Большое и Малое); к неправильным галактикам относятся также взаимодействующие галактики; большинство неправильных галактик - карлики.

Форма и структура галактик связаны с их основными физическими характеристиками: размером, массой, светимостью. И по этим характеристикам мир галактик оказался поразительно разнообразным.

В центрах галактики обычно сосредоточено огромное количество вещества (до 10% всей ее массы). Здесь происходят выбросы большого количества вещества, что и приводит к интенсивному движению туч водорода от центра галактики. В отдельных галактиках ядро может представлять собой черную дыру (или белую) дыру.

По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны. Однако в космологических масштабах они ничтожно малы. Галактики разбросаны по Вселенной более или менее беспорядочно, если не считать того, что они обычно собраны в небольшие группы. Подобные группы галактик - "атомы" космологии. Космология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков. Процессы, происходящие в отдельных галактиках - хотя они могут быть очень важными,- редко становятся существенными для космологии.

11.5.2. Наша Галактика - звездный дом человечества

Особый интерес вызывает, конечно же, вопрос о том, что собой представляет наш звездный дом - наша Галактика. (Мы пишем слово "Галактика" с прописной буквы, когда речь идет о той галактической системе, к которой принадлежит наше Солнце. Когда же идет о других галактических системах или об общем понятии такой системы употребляем слово "галактика" (со строчной буквы). То же относится и к термину "вселенная". Мы пишем "Вселенная" с прописной буквы там, где речь идет о наблюдаемой Вселенной, в которой мы реально живем; там же, где мы говорим о модельных вселенных, мы пишем "вселенная" (со строчной буквы)). Те отдельные звезды, которые нам удается различить на ночном небе,- просто ближайшие к нам члены нашей Галактики. Большая же часть Галактики видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо,- это так называемый Млечный Путь. И потому в отличие от других галактик, нашу Галактику может легко наблюдать на небе каждый: на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути и представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики, диск которой мы видим как бы "с ребра". Средний телескоп позволяет различить в Млечном Пути мириады отдельных звезд. Для изучения структуры Галактики мы находимся в очень невыгодном положении. Мы живем в ней и видим ее изнутри. Это очень затрудняет установление того, что мы могли бы выявить, бросив на нее лишь мимолетный взгляд откуда-нибудь издали.

Наша Галактика - это гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд. Среди них - и наше Солнце. Кроме звезд Галактика содержит много пыли, газа; она пронизана магнитными полями, заполнена космическими лучами. По форме она представляет собой достаточно правильны диск с шарообразным утолщением (балдж) в центре. (Это напоминает линзу или чечевицу). Диаметр Галактики составляет около 100 000 световых лет (~ 30 кпк), а толщина ее раз в 10-15 меньше. Масса нашей Галактики составляет 2 · 1 0 n масс Солнца, где n = 1 1 .Около 1 / 1 0 0 этой массы составляет межзвездный водород, преимущественно нейтральный. Возраст галактики около 15 млрд. лет.

Звездный состав Галактики очень разнообразный. Звезды отличаются друг от друга физическими, химическими характеристиками, характером орбит, возрастом и др. Есть старые звезды, молодые (около 100 тыс. лет), а есть и звезды, рождающиеся в настоящее время. Подавляющее большинство звезд имеет "средний" возраст в несколько миллиардов лет. К ним относится и наше Солнце - рядовая звезда нашей Галактики, которое расположено ближе к ее краю, примерно в 25 000 световых лет от ядра Галактики.

Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/ сек. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Этот период может быть назван "галактическим годом". Вся история человечества по сравнению с этим периодом - только краткий миг! Но и вся наша Галактика вращается вокруг центра Местной системы галактик (примерно на 2/ 3 пути между нашей Галактикой и туманностью Андромеды, на расстоянии 0,46 Мпк от Галактики)

Особый интерес для астрономов представляет ядро Галактики. В ядре Галактики нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей. Нет там и пыли, но есть в нем нейтральный водород, который по не вполне ясной причине растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью 50 км/ сек. Основное излучение ядра создается оранжевыми звездами-гигантами (но не сверхгигантами). Ядро Галактики должно было бы казаться очень ярким, если бы его не затмевало поглощение света в массах космической пыли. Но пыль меньше поглощает инфракрасные лучи и совсем почти не поглощает радиоволны. В центре ядра находится небольшое сгущение звезд с малым, но чрезвычайно компактным и сильным радиоисточником (Стрелец А). Было высказано предположение, что он является черной дырой (с массой примерно в миллион солнечных масс).

11.5.3. Межзвездная среда

Хотя в мощные телескопы нам удается увидеть только галактики, в темных пространствах, разделяющих их, несомненно присутствует вещество. Вопрос в том, сколько его и в каком состоянии оно находится. Кроме вещества Вселенная насыщена излучениями и быстрыми частицами различных типов. Сюда входят электромагнитное и гравитационное излучения, потоки нейтрино и космические лучи (состоящие из множества разнообразных субатомных частиц).

Межзвездное пространство заполнено газом и пылью. Основной компонент межзвездного газа - водород. На втором месте - гелий. Значительно меньше в ней углерода, азота, кислорода и других химических элементов. Тяжелые элементы попадают в Космос как остатки взрывов сверхновых звезд. Таким образом, межзвездная среда - это вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри галактик.

Межзвездная среда тесно связана со звездами. Из межзвездного газа образуются звезды, которые на поздних стадиях эволюции вновь отдают часть своего вещества межзвездной среде. Обмениваясь со звездами веществом, межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд тяжелыми элементами. Звезды поставляют в межзвездную среду электромагнитное излучение и космические лучи.

Примерно 85% всех тяжелых элементов возникло на заре образования нашей Галактики, т.е. примерно 9-10 млрд. лет тому назад. В это время происходит интенсивный процесс звездообразования. Много возникало и сверхновых звезд. Однако 11-13% тяжелых элементов имеют возраст 5 млрд. лет.

В межзвездной среде астрофизики наблюдают и различные органические соединения: углеводород, спирты, альдегид, эфиры, аминокислоты и другие соединения, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода, а самые тяжелые имеют массу до 123 единиц масс водорода. В настоящее время в межзвездной среде открыто 35 органических молекул. Встречаются чаще всего они в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества.

Органические молекулы из межзвездной среды могли способствовать возникновению простейших форм жизни на Земле.

11.5.4. Понятие Метагалактики

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактик - ее постоянное расширение, "разлет" скоплений Галактик. Об этом свойстве Метагалактик свидетельствует "красное смещение" в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое, независимое от направления, внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре ~ 3 K).

Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: то, что в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаком смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, находившееся в постоянном расширении.

Важным свойством Метагалактики является закономерность распределения в ней вещества. Материя в масштабах Метагалактики распределена равномерно. (Основная масса вещества сосредоточена в звездах.). В современном состоянии Метагалактика - однородна и изотропна. Это значит, что свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики (однородность) и по всем направлениям (изотропия). Была ли она такой в прошлом - маловероятно. В самом начале расширения Метагалактики анизотропия и неоднородность материи и пространства вполне могли существовать. Поиски следов анизотропии и неоднородности прошлых состояний Метагалактики - одна из важнейших проблем современной внегалактической астрономии.

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство? Многие ученые так и считают. Они утверждают единственность всей нашей расширяющейся Метагалактики - Вселенной. Но такие утверждения невольно напоминают космологию Аристотеля, многократно повторявшиеся заявления о единственности Земли со светилами вокруг нее, единственности Солнечной системы, единственности нашей Галактики и т.д. И потому мысль о множественности "метагалактик", множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свои тип нестационарности, организации и др.

Реально существует множество Вселенных (Метагалактик), образовавшихся в результате "Большого Взрыва", связанных между собой некими материальными "каналами", о которых мы пока можем только догадываться (понятие о топосах и др.), и для познания которых, скорее всего понадобится некая "новая физика" (если она вообще возможна).

11.6. Вселенная в целом

11.6.1. Особенности современной космологии

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии, имеющей древнюю историю, ее истоки уходят еще к античности.

Только в ХIХ в. и особенно в ХХ веке, когда был достигнут существенный прогресс в понимании природы и эволюции Вселенной как целого ситуация изменилась кардинально. Проблемы космологии современной наукой решаются с помощью исключительно научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура Вселенной и как она сформировалась.

Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественнонаучных (астрономия, физика, химия, и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Теоретико-методологический фундамент современной космологии составляют основные физические теории (теория тяготения, квантовая теория, теория электромагнитного поля и др.), а также философские принципы и представления. Эмпирические данные представлены главным образом внегалактической астрономией. Эти данные свидетельствуют о том, что мы живем в эволюционирующей и расширяющейся Вселенной.

Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предположения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, она исходит из предположения, что глобальное движение космоса подчиняется тем же самым законам, которые управляют поведением его отдельных составных частей.

Какие силы регулирует космическое движение? Только электромагнитная и гравитационная силы являются в достаточной степени дальнодействующими, чтобы влиять на таких громадных расстояниях. Для крупных объектов - даже в рамках Солнечной системы - гравитация далеко опережает электромагнетизм по силе своего воздействия.

11.6.1.1. Понятие релятивистской космологии

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит динамику космической материи в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения. Теоретическим ядром современной космологии выступает релятивистская теория тяготения, поэтому современную космологию называют релятивистской космологией.

Ньютоновская физика рассматривала пространство и время как "арену", на которой разыгрываются физические процессы; она не связывает воедино пространство и время. Согласно общей теории относительности (см. 9.2), распределение и движение материи изменяют геометрические свойства пространства-времени и, с другой стороны, сами зависят от них; гравитационное поле проявляется как искривление пространства-времени (чем значительнее кривизна пространства-времени, тем сильнее гравитационное поле).Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют собой систему десяти уравнений. В отличие от теория тяготения Ньютона, в которой есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины - плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Первую релятивистскую космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. В соответствии с предложенной Эйнштейном моделью Вселенная должна была быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра.

Вселенная Эйнштейна конечна, но тем не менее повсюду одинакова; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! Такая картина Вселенной явно возможна только в общей теории относительности с ее искривленным пространством. В модели Эйнштейна трехмерное пространство также обладает топологией сферы, только, разумеется, не в двух, а в трех измерениях. Поэтому у вселенной Эйнштейна пространственный объем конечен, и галактики распределены в нем равномерно в соответствии с космологическим принципом, но границы или края у этого пространства нет. Оно не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя и, подобно поверхности сферы, допускает "кругосветные" путешествия. Это означает, что обитатель такой вселенной мог бы послать световой сигнал в любом направлении и потом обнаружить, что сигнал, обойдя всю вселенную, вернулся к нему с противоположной стороны.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6