Концепции современного естествознания. Шпаргалки - Ирина Богданова

63. Звездные характеристики

Каждая звезда обладает своего рода «звездным паспортом», то есть, как говорят астрономы, имеет звездные характеристики. К звездным характеристикам относятся следующие показатели: возраст звезды, масса, радиус, абсолютная величина, характеризующая ее светимость, температура, спектральный класс (химический состав).

Светимостью звезды называется полное количество энергии, излучаемой звездой за 1 секунду: Lc = 4 · 1026 Вт. Абсолютной звездной светимостью называется светимость звезды на расстоянии от нее в 10 Пк (парсек) (1 Пк = = 3,26 светового года = 3,08 · 1016 м).

Для земного наблюдателя большое значение имеет не абсолютная светимость (звезды удалены на разные расстояния), а так называемая видимая звездная величина, то есть величина, характеризующая звезду с точки зрения визуального наблюдения. Видимая звездная величина может быть отрицательной и положительной; чем ярче звезда, тем более отрицательна ее величина: например, наше Солнце (имеющее незначительную абсолютную светимость) имеет видимую звездную величину –26,72, а ярчайшая, но далекая Альфа Центавра +0,3.

Температура поверхности звезды дает ей тот или иной оттенок свечения или цвет звезды, который связан со спектром излучаемого света, поэтому звезды классифицируются по температуре (цвету) согласно буквам латинского алфавита – O, B, A, F, G, K, M. Звезда, имеющая больший номер спектрального класса, имеет меньшую температуру поверхности. Наиболее яркие – звезды белого и голубого цвета, самые тусклые – умирающие красные звезды. Свечение звезды показывает, что в ней идут термоядерные реакции.

Масса оценивается в долях от массы Солнца. Стареющие звезды после выгорания водорода и при массе менее или равной 1,2 массы Солнца, образуют красные гиганты с гелиевым ядром, когда остается только само ядро – белые карлики, и последний этап жизни – черный карлик. Звезды с массой более 1,2 массы Солнца взрываются (взрыв сверхновой) и превращаются в пульсары, черные дыры или квазары (в которых предполагают гигантские черные дыры).

Основную массу звезд составляет водородно-гелиевая плазма.

64. Галактики

Множество созвездий и звездных скоплений образуют гигантское формирование, массив звезд или галактику. Первоначально это слово употреблялось для обозначения системы, в которую входит наша планета со своим Солнцем, и по-гречески обозначала Млечный Путь. Со временем и расширением наших знаний о космосе стало понятно, что Млечный Путь – не единственная галактика во Вселенной.

Галактик множество, наша галактика Млечный Путь – одна из многих. В нашу галактику входит более триллиона звезд. Существуют гигантские галактики, включающие 1013– 1015 звезд. Галактики могут иметь различную форму. Наша галактика имеет форму диска с выпуклым ядром в центре, от которого отходят спиралевидные рукава. Размер галактики определяется в световых годах (один световой год – это расстояние, которое преодолевает свет в вакууме за 1 год). Глубина нашей галактики определяется в 1,5 тыс. световых лет, возникла она около 15 млрд лет тому назад.

Необходимыми условиями образования галактик являются два: наличие случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной (идея впервые высказана еще Ньютоном) и наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства.

В XX в. были выявлены участки Вселенной, имеющие изолированный характер и обладающие огромной массой (1015–1016 масс Солнца), из которых формируются звездные системы (галактики). Первоначально такие участки имеют форму куба, затем уплощаются, становятся блиновидными и сферически симметричными. В них идет процесс образования звезд.

Спиральные галактики (80 %) встречаются чаще, чем галактики других типов (эллиптические и неправильные), предположительно это связано со слиянием протогалактик в звездных скоплениях. Галактики могут быть крупными (гигантскими) и мелкими. По одной из версий, гигантские галактики возникают из галактики нормального размера, которая поглощает соседние звездные образования. Мелкие галактики, которые поглощаются, принято называть галактиками-миссионерами. Существуют галактики в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик), облаков скоплений (тысячи галактик) и очень редко одиночно, расстояния между ними в 10–20 раз превышают размеры самих галактик.

65. Закон Хаббла

К поведению и свойствам объектов мегамира приложимы те же самые физические законы, которые действуют на планете Земля: закон сохранения энергии, закон всемирного тяготения, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса. Сложности вычислений для Вселенной связаны с учетом огромного количества объектов, поэтому к космосу неприложимы законы классической механики, а используются законы релятивистской физики (с теорией относительности Эйнштейна, неевклидовой геометрией и т. д.).

На протяжении XIX–XX вв. возник ряд теорий, объясняющих происхождение и будущее Вселенной. Одну из них предложил Э. Хаббл. Он основывал свою теорию на модели А. Фридмана, построенной на утверждении теории относительности Эйнштейна, что наша вселенная стационарна во времени, но может или расширяться (в Римановском пространстве), или сжиматься, или пульсировать. Фридман был сторонником теории расширения Вселенной.

В 1917 г. астроном Слайфер для проведения спектрального анализа установил на телескоп спектрограф и обнаружил красное смещение спектра. С середины XIX в. был известен так называемый эффект Доплера , гласящий, что смещение спектра в длинноволновые области происходит при удалении от наблюдаемого объекта. Слайфер зафиксировал красное смещение, но теоретически его не обосновал. Эту работу в 1929 г. выполнил Э. Хаббл, которого заинтересовало, почему наблюдается смещение спектра в длинноволновые области. Он проверил данные Слайфера и обнаружил, что все объекты удаляются. На основании смещения спектра в длинноволновые области Э. Хаббл вывел следующую закономерность: красное смещение спектральных линий галактик в сторону длинных волн тем больше, чем дальше от нас находятся галактики.

V = HR, где V – скорость галактики; H – постоянная Хаббла; R – расстояние до галактики.

, лежит в пределах от 50 до 100, обычно около 75.

1 Пк (парсек) = 3,26 светового года = 3,08 · 1016 м.

, где τ – время жизни Вселенной, τ = = 13 млрд лет.

Фактически Э. Хаббл математически доказал, что галактики удаляются друг от друга, то есть Вселенная расширяется.

66. Теория Большого Взрыва

Теория Большого Взрыва разработана учеником Фридмана Дж. Гамовым и основана на математическом обосновании красного смещения Хабблом. Из рассуждений Хаббла вытекало следующее: чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются; расширяется только Вселенная, а не Метагалактика; центра, от которого происходит расширение, не существует; постоянная Хаббла одинакова во всей Вселенной в каждый момент времени, но со временем убывает; Вселенная нестационарна, изменяется, эволюционирует.

По теории Гамова существует эпицентр или момент взрыва: 13–15 млрд лет назад, когда Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии (ρ = 1019 г/см3, Т = 1032 К). До взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. Взрыв положил начало существованию и развитию Вселенной, которая прошла четыре эры развития: 1) адронную (τ = 10-4 с); 2) лептонную (τ = 0,2 с); 3) фотонную (τ = 1 млн лет); 4) звездную (пока не закончилась).

1.  Адронная эра связана с образованием из кварков тяжелых частиц (барионов, или адронов), которые, реагируя с антибарионами, создавали реакции аннигиляции; затем барионы стали распадаться на нейтроны и протоны (которые существуют до сих пор, как и положительный барионный заряд):

2.  Лептонная эра связана с появлением легких частиц (электронов, фотонов, позитронов, реликтового нейтрино):

В конце лептонной эры количество протонов и нейтронов уравновесилось.

3.  Фотонная эра (эра излучения) связана с изменением фотонов (их энергия стала меньше, длина волн увеличилась), отделением вещества от антивещества, фотонов от вещества (в виде электромагнитных излучений – рентгеновского, ультрафиолетового, светового, инфракрасного), появлением света в ставшей прозрачной для излучения Вселенной. Начался процесс образования ядер водорода и гелия:

Реликтовое фотонное излучение присутствует во Вселенной до сих пор, оно было обнаружено в 1964 г. До сих пор сохраняется и соотношение между гамма-фотонами и протонами и нейтронами (гамма-фотонов в 1 млрд раз больше).

4. После фотонной с появлением атомов H и He началась звездная эра.