Эволюция, строение звездных объектов и галактик

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

“САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ”

факультет технологического менеджмента и инноваций

Реферат

По дисциплине «Основы ествественнонаучных процессов.»

Эволюция, строение звездных объектов и галактик. Камертон Хаббла. Черные дыры. Физический смысл диаграммы Герцшпрунга - Рессела.

Студенты: Матов Даниил Максимович, Симонов Владислав Эдуардович

Группа: U3110

Квалификация: бакалавр

Руководитель: Колесникова Тамара Дмитриевна



Оглавление

Введение

Звезды

Рождение звезд

Начальная стадия эволюции звёзд

Середина жизненного цикла

Зрелость

Конечные стадии эволюции звёзд

Классификация звезд

Строение черных дыр

Теории образования

Камертон (классификация) Хаббла

Эллиптические Галактики

Линзовидные Галактики

Спиральные Галактики

Неправильные Галактики

Эволюция развития Галактик

Закон Хаббла

Заключение

Список литературы

Приложение



Введение

С древнейших времен наблюдение за ночным небом было любимым занятием натурфилософов, которые в бескрайних просторах и свечении звезд пытались найти разгадку мироздания. Со времен греческих астрономов началась история изучения космоса. Тогда он казался непосильной загадкой, разгадать которую придется далеким последователям. Шло время, было открыто много законов и фактов, сначала о строении Земли, потом о Солнечной системы, потом о ближайших звездах и галактиках. И чем больше информации о космосе получают ученые, тем загадочнее он предстает перед человечеством. Когда-то Вселенная казалась нам стационарной, но в 20 столетии, благодаря усилиям американского астронома Эдвина Хаббла, нам стало известно, что она постоянно расширяется. Нам стало известно, что существуют такие объекты как Галактики и что их можно классифицировать.

В данный момент астрономия довольно заметно ускорилась в изучении космоса. Каждое десятилетии открывается все больше и больше фактов и законов. Возможно, в недалеком будущем человечеству раскроется тайно темной материи и эволюции звезд.

Нам представилось интересным изучить тему одних из главных объектов во Вселенной - звезд, Галактик и черных дыр. Также, хочется привести цитату важнейшего математика, физика и астронома Анри Пуанкаре: «Астрономия полезна потому, что она возвышает нас над нами самими; она полезна потому, что она величественна; она полезна потому, что она прекрасна. Именно она являет нам, как ничтожен человек телом и как велик он духом, ибо ум его в состоянии объять сияющие бездны, где его тело является лишь темной точкой, в состоянии насладиться их безмолвной гармонией. Так мы приходим к сознанию своей мощи, и это сознание многого стоит, потому что делает нас сильнее»



Звезды

Звезда -- это небесное тело, представляющее собой массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят реакции термоядерного синтеза.

Продолжительность жизни звезд очень разная, на это влияет большое количество различных факторов. На сегодняшний день установлено, что чем больше масса звезды, тем ярче она светит и тем быстрее сжигает свое ядерное горючее, что значительно сокращает ее жизненный цикл. Если звезды размерами приближенные Солнцу живут около 10 миллиардов лет, то гиганты, которые в десятки раз массивнее, полностью сгорают всего за 25 миллионов лет, карлики же с массой в половину солнечной живут около 100 миллиардов лет.

За время своего существования звезда проходит несколько жизненных циклов, начиная от зарождения и формирования протозвезды заканчивая вплоть до становления инертных звезд или вспышек сверхновых.

Рождение звезд

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях, где протекает непрерывная «борьба» двух явлений-- сжатия и расширения. Сжатию облака способствуют его собственная гравитация и внешние силы, а расширению -- давление газа и магнитных полей внутри облака. Звездный свет не проникает снаружи в непрозрачное облако и не нагревает его, а инфракрасное излучение молекул и пыли легко выходит из облака и уносит тепло. В результате этого температура внутри облака опускается почти до -270°C, из - за этого давление газа падает настолько, что равновесие сил неминуемо нарушается, и эта область начинает безудержно сжиматься.

В процессе зарождения звезда проходит два этапа -- быстрого и медленного сжатия протозвезды. Быстрое сжатие -- это практически свободное падение вещества протозвезды к ее центру. И хотя при сжатии газ должен был бы нагреваться, его температура почти не меняется: избыток тепла уходит в виде инфракрасного излучения. Этот этап протекает около 100 тысяч лет, в ходе которых размер протозвезды сокращается в 100 тысяч раз, а плотность вещества возрастает в миллионы миллиардов раз.

Когда уплотнившаяся протозвезда становится непрозрачной для собственного инфракрасного излучения. Отвод тепла резко снижается, а продолжающееся сжатие газа приводит к его быстрому нагреву, давление возрастает и уравновешивает силу тяжести. Скорость сжатия протозвезды резко замедляется. Эта фаза длится несколько десятков миллионов лет, но за это время размер будущей звезды уменьшается только раз в десять, а вещество сжимается примерно до плотности воды.

Процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Тела начиняют вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации, что ведет к образованию звездных скоплений. [1]

Дальнейшие этапы развития звезд зависят от их массы и размеров, как было отмечено выше продолжительность жизни звезд зависит от их массы

Начальная стадия эволюции звёзд

В начале жизненного пути у звезд большая светимость и низкая температура. Основное излучение происходит в инфракрасном диапазоне Температура поверхности не меняется, а радиус и свети­мость уменьшаются. Температура в центре звезды повышает­ся, достигая величины, при которой начинаются термоядерные реакции с лёгкими элементами: литием, бериллием, бором, которые быстро выгорают, но успевают замедлить сжатие. Когда температура в недрах достигает нескольких миллионов градусов, водород начинает превращается в гелий с выделением тепла, которое компенсирует его потерю с поверхности. Сжатие прекращается -- протозвезда окончательно превратилась в звезду. [4]

Для звёзд ти­па Солнца данный этап длится около 1 млн лет, для звезды массой 10 M? (Солнечных масс) примерно в 1000 раз меньше, а для звезды массой 0,1 M? в тысячи раз больше.

Середина жизненного цикла

На данной стадии звезда светит за счёт выделения энергии в ядерных реакциях превращения водорода в гелий. Запас водорода обеспечивает светимость звезды массой 1 M? пример­но в течение 10^10 лет. Звезды большей массы расходуют водо­род быстрее: так, звезда массой в 10 M? израсходует водород менее чем за 107 лет.

У звёзды малой массы по мере выгорания водорода центральные области звезды сильно сжимаются.

У звёзд большой массы в отличие от звёзд малой массы в ядре доминируют реакции углеродно-азотного цикла. В этом цикле атомы C и N играют роль катализаторов. Светимость таких звёзд намного превышает све­тимость Солнца, и водород расходуется значительно быстрее. Связано это и с тем, что температура в центре таких звёзд то­же намного выше.

По мере уменьшения доли водорода в веществе конвективного ядра темп выделения энергии уменьшается. Но посколь­ку темп выделения определяется светимостью, ядро начинает сжиматься, и темп выделения энергии остаётся постоянным. Звезда же при этом расширяется и переходит в область крас­ных гигантов.



Зрелость

Когда у звезд малой массы полностью сгорел водород в центре, образуется небольшое гелиевое ядро. В ядре плотность вещества и температура достигают значений 109 кг/м и 108 K соответственно. Горение водорода происходит на поверхности ядра. Поскольку температура в ядре повышается, темп выгорания водорода увеличивается, увеличивается светимость. Лучистая зона постепенно исчезает. А из-за увеличения скорости конвективных потоков внешние слои звезды раздуваются. Размеры и светимость её возрастают -- звезда превращается в крас­ный гигант.

У звезды большой массы в ядре начинают протекать реакции превращения углерода из гелия и образования кислорода. На поверхности звезды начинает происходить горение водорода. Появляется первый слоевой источник.

Запас гелия исчерпывается очень быстро, так как в описанных реакциях в каждом элементарном акте выделяет­ся сравнительно немного энер­гии. Картина повторяется, и в звезде появляются уже два слоевых источника, а в ядре начинается реакция C+C=>Mg.

Конечные стадии эволюции звёзд

У звезды малой массы, в конце концов, скорость конвективного потока на каком-то уровне достигает второй космической скорости, оболочка отрывается, и звезда превращается в белый карлик, окружённый планетарной туманностью.

В конце своего жизненного цикла звезда большой массы имеет очень сложное строение. В каждом слое свой химический состав, в нескольких слоевых источниках протекают ядерные реакции, а в центре образуется железное ядро.

Ядерные реакции с железом не протекают, так как они требуют затраты энергии. Поэтому железное ядро быстро сжимается, температура и плотность в нем увеличиваются, достигая фантастических величин -- температуры 109 K и давления 109 кг/м3.

В этот момент начинаются два важнейших процесса, идущие в ядре одновременно и очень быстро. Первый заключается в том, что при столкно­вениях ядер атомы железа распадаются на 14 атомов гелия, второй -- в том, что электроны «вдавливаются» в протоны, образуя нейтроны. Оба процесса связаны с поглощением энер­гии, и температура в ядре (также и давление) мгновенно па­дает. Внешние слои звезды начинают падение к центру.

Падение внешних слоёв приводит к резкому повышению температуры в них. Начинают гореть водород, гелий, углерод. Это сопровождается мощным потоком нейтронов, который идёт из центрального ядра. В результате происходит мощнейший ядерный взрыв, сбрасывающий внешние слои звезды, уже со­держащие все тяжёлые элементы, вплоть до калифорния. По современным воззрениям все атомы тяжёлых химических элементов (т. е. более тяжёлых, чем гелий) образовались во Вселенной именно во вспышках сверхновых. На месте взорвавшейся сверхновой остаётся в зависимости от массы взорвавшейся звезды либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра. [5]

Диаграммы Герцшпрунга - Рассела.

Диаграмма ГР представляет собой график, на котором по вертикальной оси отсчитывается светимость (интенсивность светового излучения) звезд, а по горизонтальной -- наблюдаемая температура их поверхностей. [2]

Смысл диаграммы ГР заключается в том, чтобы нанести на нее как можно больше экспериментально наблюдаемых звезд (каждая из которых представлена соответствующей точкой) и по их расположению определить некие закономерности их распределения по соотношению спектра и светимости.

По соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие последовательности. Из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу -- самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.

Отдельно -- правее и выше -- расположена группа звезд с очень высокой светимостью, не пропорциональной их температуре, которая относительно низка -- это так называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Ниже и левее главной последовательности расположены карлики -- группа относительно мелких и холодных звезд.

Три этих последовательности на диаграмме ГР строго соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд. Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу -- это доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней оболочкой. Они излучают в пространство примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но, поскольку площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта остается относительно холодной.

В левом нижнем углу диаграммы ГР можно наблюдать так называемых белых карликов. Это очень горячие звезды -- но очень мелкие, размером, обычно, не больше нашей Земли.

Классификация звезд

В настоящий момент основной способ изучения свойств далёких звёзд заключается в исследовании приходящего от них электромагнитного излучения, которое при помощи спектральных аппаратов представляется в виде спектра. Он в свою очередь различается в зависимости от характеристик (химический состав атмосферы, плотность атмосферы, температура) той или иной звезды. Существует 7 основных спектральных классов, которые отражают температуру звёзд: O, B, A, F, G, K, M. O, B, A также называют ранними или горячими, F и G - солнечными, а K и М - поздними или холодными. [3]

Класс O

Самые горячие звёзды, с температурой фотосферы (видимой поверхности) более 30000 K, имеют голубой цвет. Эти звёзды редки, поскольку для такой температуры на поверхности звезда должна производить много энергии у себя в ядре, а это возможно только при достаточно большой массе, так что для образования такой звезды нужно много вещества, а оно есть только в очень плотных молекулярных облаках. Примеры звёзд, относящихся к классу O ? звёзды из Трапеции Ориона; Дзета Кормы. В виду значительной массы, продолжительность жизни таких звёзд весьма невелика (миллионы, десятки миллионов лет).

Класс B

Менее горячие звёзды, с температурой фотосферы от 10000 до 30000 K, также имеют голубоватый оттенок. Более распространены в Галактике, несколько из них имеется даже в радиусе 100 световых лет от Солнца. К классу B также относятся самые яркие звёзды из скопления Плеяды; Беллатрикс; Спика; Ригель; Алголь.

Класс A

Звёзды с температурой фотосферы в пределах от 7500 до 10000 K, видимый цвет у них - белый с лёгким голубоватым оттенком. Встречаются они относительно часто. Срок жизни звёзд изначального этого класса составляет порядка миллиарда лет. Примеры: Сириус A; Альтаир; Вега; все звёзды из ковша Большой Медведицы (кроме Дубхе и Алькаида).

Класс F

Звёзды с температурой фотосферы 6000 - 7500 K, видимый цвет - белый, но по результатам фотометрических измерений их настоящий цвет ? желтоватый. К этому классу относятся такие звёзды как: Процион А, Поррима, Полярная, Канопус.

Класс G

Звёзды с температурой фотосферы 5000 - 6000 K, визуально практически белые, но настоящий цвет по результатам фотометрических исследований - жёлтый. К этому классу относится Солнце, а помимо Солнца к этому классу относятся - Альфа Центавра A; Тау Кита; 51 Пегаса; Капелла; Дзета Сетки.

Класс K

Звёзды с температурой фотосферы порядка 4000 - 5000 K. Видимый цвет - светло-оранжевый, настоящий цвет - оранжевый. В отличие от звёзд более ранних классов, составляют уже довольно заметную долю в общем звёздном населении Галактики. К этому классу относятся - Альфа Центавра В; Эпсилон Эридана; Арктур; Альдебаран.

Класс M

Самые холодные звёзды, с температурой фотосферы порядка 2500 - 3500 K, имеют насыщенный оранжевый оттенок и красный цвет. Карликовые звёзды этого класса - самые распространённые во Вселенной, для их образования нужно меньше всего вещества, в следствии чего они очень долго живут. По сравнению с их долей в общем звёздном населении, доля звёзд остальных классов невелика и та приходится в основном на класс K. Примеры звёзд этого класса - Проксима Центавра; Звезда Барнарда; Бетельгейзе; Мира А.

Черные дыры

История исследования

Джон Митчелл в 1783 году и Пьер - Симон Лаплас 1796 год впервые предложили концепцию “Темных Звезд” или объектов, которые при сжатии имеют такую сильную силу притяжения, что скорость убегания рядом с ними будет превышать скорость света.

В 20-м столетии физик Джон Уиллер предложил называть эти объекты “Черными Дырами” так как они поглощали все частицы света, которые оказывались поблизости, поэтому ничего отражать были не способны.



Строение черных дыр

Черная дыра - область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер -- гравитационным радиусом.

Обычно черную дыру делят на следующие составляющие:

Фотонная сфера

Горизонт событий

Сингулярность

Фотонная сфера - это сферическая поверхность нулевой толщины, на которой движущиеся вдоль касательной к поверхности фотоны будут захвачены на круговые орбиты. Если проходящий фотон пересекает фотонную сферу, его захватит черная дыра. Однако, движение по поверхности нестабильно, и в результате возмущений фотон может покинуть фотонную сферу.

Горизонт событий является неотъемлемой частью черной дыры. По сути, горизонт событий - это граница, под которой пространство-время искривляется настолько, что все пути частиц направлены вниз, к сингулярности. При приближении объекта к горизонту событий сторонний наблюдатель будет видеть его замедление с практически полной остановкой и исчезновением. Это происходит из-за разницы течения времени у наблюдателя и объекта, падающего в черную дыру. У наблюдателя время бежит быстрее. У объекта же все процессы замедляются, испускаемые фотоны перестают вырываться наружу, из-за чего свет тускнеет, становясь более красным и тусклым, и через некоторое время весь испускаемый объектом свет будет поглощен черной дырой. Объект исчезнет из поля зрения наблюдателя.

Сингулярность - точка пространства с бесконечной массой, плотностью и гравитацией. Тяжело представить себе это, но в данном случае вся масса черной дыры сосредоточена в нулевом объеме! Парадокс, не правда ли? Впервые на сингулярность указал Роджер Пенроуз в своих расчетах в рамках ОТО.

Теории образования

Как было упомянуто выше, согласно теория гравитационного коллапса больших звезды, черные дыры образуются в результате заключительного жизненного этапа звезд большой массы, когда происходит ядерный взрыв, и оболочка звезды отпадает в центре бывшей звезды образуется черная дыра.

Сейчас сверхмассивные черные дыры существуют в центре многих галактик, отсюда вторая теория. Возможно, они сформировались в центре молодых галактик в процессе слияния нескольких небольших черных дыр.

Также, возможно, что черные дыры образуются в результате Формирование чёрных дыр в момент Большого Взрыва в результате флуктуаций гравитационного поля и/или материи. Такие чёрные дыры называются первичными.

Существует еще одна теория - возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий, они называются - квантовые чёрные дыры.

Черная дыра развивается за счет вещества, которое поглощает. Гравитационное притяжение в ней настолько велико, что никакие объекты, никакие частицы не смогут вернуться назад, если залетели в пределы черной дыры. Туда попадают развалившиеся звезды и планеты, но легче всего дыра поглощает газ: он заполняет ее, как вода ванну.

Галактики

Определение, составные части

Галактика - колоссальная система, состоящая из скоплений звездах, пыли и газа, темной материи и планет. Все эти объекты удерживаются вокруг центра масс за счет гравитации. Обычно таким центром масс выступает черная дыра. В свою очередь Галактики составляют Вселенную. Даже примерное число Галактик во Вселенной будоражит сознание, оно предположительно равно 100-200 млрд., но число может расти с развитием астрономии. Наша же Солнечная система находится в Галактике Млечный Путь. Размеры нашей Галактики впечатляют: солнечный луч проходит расстояние с одного конца её на другой за сотню тысяч лет. Земля находится на окраине Млечного Пути. Ближайшими крупными Галактиками к нам являются Большое и Малое Магелланово облака, а также Туманность Андромеды - их мы можем рассмотреть в ясную погоду невооруженным глазом. Последняя из перечисленных Галактик движется к нашей со скоростью 300 км/с, предположительно через 4 миллиарда лет они столкнутся, но Солнечная система не должно сильно пострадать, хоть и вероятен ее выброс за пределы Галактики. Теперь обозначим составные части Галактик (Приложение 1): звезда черный дыра галактика

Ядро - центральная часть Галактики, которая является гравитационным «якорем» для всех остальных объектов.

Диск - тонкий и плоский слой галактики, в котором сконцентрировано наибольшее количество галактических объектов (звезд, газа, пыли). Также, самая заметная часть, так как занимает больше всего площади. Единый галактический диск делится на две составляющие -- газопылевой и звездный.

Балдж - сферическая объемная оболочка центра галактики, самая яркая и концентрированная часть в центре любой Галактики. Буквально переводится как «вздутие».

Гало - сферическое облаком разреженного горячего газа и темной материи, внешний сфероидальный компонент, заполняет всю внешнюю часть «звездного острова», является самой массивной частью Галактики, так как выходит за диск. Между гало и балджем нет четкой границы.

Спиральный рукав - представляет собой плотную структуру, в состав которой входят молодые звёзды и межзвёздный газ.

Бар - перемычка в виде плотного вытянутого образования. Состоит из межзвёздного газа и звёзд и проходит через центр Галактики. Спиральные ветви расходятся от концов бара (дословно «перемычка»).

Сфероидальный компонент -- та часть звезд и галактического газа, которые находятся вне галактического диска и размещаются по сфере притяжения вокруг ядра. Его доля в общей массе галактики может колебаться.

Облака нейтрального водорода - скопления водорода, которые вращаются в Галактике точно также, как и планеты.

Масса Галактик формируется следующим образом:

70-90% - Темная материя - сложно изучаемое вещество, которое обладает массой, но при этом совершенно никак не реагирует на электромагнитное излучение. Также оно не излучает фотонов или излучает их настолько мало, что они недоступны наблюдателю. Одной из задач современных физиков и астрономов является поиск и исследование темного вещества. Сейчас же такая форма материи просто открыта, но природа его остается загадочной, хотя и будет раскрыта в ближайших нескольких десятилетиях. Удивительно, что наша Вселенная состоит на 90 % из неизвестной нам формы материи.

10-30% - Межзвездный газ и пыль - твёрдые микроскопические частицы, наряду с межзвёздным газом заполняющие пространство между звёзд.

Порядка 1% - звёзды, черные дыры, нейтронные звезды, планеты, астероиды и прочая «мелочь».

Камертон (классификация) Хаббла

Такое множество существующих Галактик необходимо было классифицировать. Так, в 1925 году американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл предложил (а в 1936 году модернизировал) свою классификацию галактик по их морфологии. Из-за характерной формы эту классификацию называют еще «Камертоном Хаббла». На «ножке» камертона находятся эллиптические галактики, на зубцах вилки -- линзовидные галактики без рукавов и спиральные галактики без бара-перемычки и с баром. Галактики, которые не могут быть классифицированы как один из перечисленных классов, называются неправильными, или иррегулярными. (Приложение 2,3)

Существует 4 основных вида Галактик:

эллиптические (E)

линзовидные (S0)

спиральные (S)

неправильные (Irr)

Эллиптические Галактики

Имеют форму эллипса различного сжатия, подразделены на 8 подклассов - от Е0 (шаровая форма, сжатие отсутствует) до Е7 (наибольшее сжатие). Размеры больших a и малых b осей эллиптических галактик измеряют по фотографиям и по ним определяют сжатие Галактик. Эллиптические галактики относительно медленно вращаются, заметное вращение наблюдается только у галактик с сильным сжатием. Отсутствие в этих галактиках газа и пыли, и голубовато белых массивных звезд указывает на то, что в них не идет процесс звездообразования. Еще одним из фактов, говорящим об отсутствии возможности появления новых светил, является дефицит исходного ресурса- молекулярного водорода. Также, у них нет центрального яркого ядра. Они составляют около 15 % от общего числа Галактик. В них находятся в основном красные гиганты, желтые и белые карлики. Она не вращается как целое и потому не обладает осевой симметрией. Ее звезды, которые в основном имеют сравнительно небольшую массу и солидный возраст, обращаются вокруг галактического центра в разных плоскостях и иногда не по отдельности, а сильно вытянутыми цепочками. По каталогу Мессье (список из 110 объектов, которые можно спутать с кометами, составленный в 1781 году французом Шарлем Мессье) к эллиптически Галактикам относятся Мессье 32,49,87 и 89

Линзовидные Галактики

Являются промежуточным звеном по строению и форме между эллиптическими и спиральными Галактиками. У них полностью отсутствуют рукава, но есть большое ядро и диски (газовый и звездный). Имеют такое название, благодаря выделяющемуся выпуклому балджу и распластанного диска. Обычно в таких Галактиках находятся старые звезды, небольшие зрелые светила и звездные останки вроде сверхновых, черных дыр и подобных им объектов - этим они похожи на эллиптические. Также характерны небольшим содержанием газа, но большим содержанием пыли. Такие Галактики составляют примерно 20% от общего числа. Обозначают линзовидные галактики S0, SB1 и E8. С одной стороны, линзовидная галактика имеет однородный красный тон, с другой - она обладает внушительным звёздным диском наподобие спиральных групп. Поддержание этих дисков обеспечивается вращением, т. е. они имеют заметный момент. Несмотря на наличие большого количества рациональных версий и гипотез, споры среди учёных касательно природы их происхождения и основных явлений продолжаются.

Спиральные Галактики

Самый часто встречающийся вид Галактик, составляет больше половины от общего числа. Наша Галактика Млечный Путь тоже относится к этому виду, а точнее к Sb. Наибольшее скопление звезд можно наблюдать ближе к центру Галактики, звезды на окраинах рассеиваются в рукава, вследствие вращения Галактики. Этим Галактики делятся на 4 подтипа (Sa, Sо, Sc и Sb), то есть линзовидные Галактики являются представителями спиральных, но значительно отличаются от них. Галактики, относящиеся к группе Sо, отличаются светлыми ядрами, которые не имеют спиральных рукавов. Что касается галактик Sа, то они отличаются плотными спиральными рукавами, плотно обмотанными вокруг центрального ядра. Помимо того, спиральные галактики могут быть с перемычкой (Sb). Их характерной особенностью является то, что спирали направлены не от ядра, а от перемычек. (Приложение 4) Спиральные Галактики отличаются частым образованием звезд внутри себя, так как рукава богаты свободной видимой материей. Чаще всего рукава отсвечивают голубым цветом, это объясняется тем, что в рукавах много молодых массивных и ярких звезд. Цвет центральных сгущений - красновато-желтый, свидетельствующий о том, что они состоят в основном из звезд спектральных классов G, K и M. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звезды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске.

Неправильные Галактики

Самыми редко встречающимся Галактиками во Вселенной являются неправильные. В их состав входит большое количество газов, пыли и звездных скоплений, отличительной чертой является отсутствие структурных элементов. Хотя выделяется класс с небольшим намеком на структуру - Im. IO тип неправильных галактик составляют необычные одиночные соединения. Как правило, состоят они из молодых звёзд и туманностей. Im же объединяет взаимодействующие между собой галактики. Более того, чаще это столкнувшиеся и соединившиеся галактики. Малые и Большие Магеллановы Облака - яркий пример Im класса.

Карликовые Галактики - это особый представитель неправильных Галактик. Отличаются большим содержание газа и незначительным количеством металлов (элементы, не относящиеся к гелию и водороду). Также, как следует из названия, эти Галактики отличаются сравнительно небольшими размерами. Благодаря этим факторам, в карликовых Галактиках идеально образуются крупные, короткоживущие и яркие звезды.

По мнению ученых, первые Галактики выглядели как неправильные. Для изучения неправильных Галактик используют телескоп «Джеймс Уэбб» (с его помощью можно увидеть объекты на расстоянии 100 млн лет после Большого Взрыва).

Эволюция развития Галактик

Как считают ученые, процесс образование Галактик сам по себе является естественным процессом, проходящим под влиянием сил гравитации. Формирование протоскоплений началось приблизительно 14 миллиардов лет назад, после этого произошло выделение групп Галактик. Газовое облако переходит в состояние звездной системы за 3 млрд лет После достижения в центре облака определенной температуры и плотности, достаточной для начала термоядерных реакций, образуется новая звезда. Массивные звезды образованы из термоядерных химических элементов, по массе превосходящих гелий. Данные элементы создают первичную гелиево-водородную среду. Во время грандиозных взрывов сверхновых звезд образуются элементы, тяжелее железа. Из этого следует, что галактика состоит из двух поколений звезд. Первое поколение - это наиболее старые звезды, состоящие из гелия, водорода и очень небольшого количества тяжелых элементов. Звезды второго поколения обладают более заметной примесью тяжелых элементов, поскольку они формируются из первичного газа, обогащенного тяжелыми элементами. Процесс рождения звезд идет при продолжающемся сжатии галактики, поэтому формирование звезд происходит все ближе к центру системы, и чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов. Этот вывод хорошо согласуется с данными о содержании химических элементов в звездах гало нашей Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся галактике звезды будущего гало образуются на более ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму галактики. Свидетельствами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звездные скопления.

Когда прекращается сжатие протогалактики, кинетическая энергия образовавшихся звезд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия. В это время, создаются условия для образования спиральной структуры, а рождение звезд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный. Это звезды третьего поколения. К ним относится наше Солнце.

Запасы межзвездного газа постепенно истощаются, рождение звезд становится менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд. Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован 10-15 млрд лет назад.

Возраст галактик равен примерно возрасту Вселенной. Одним из секретов астрономии остаётся вопрос о том, что из себя представляют ядра галактик. Очень важным открытием явилось то, что некоторые ядра галактик активны. Это открытие было неожиданным. Раньше считалось, что ядро галактики - это не больше, чем скопление сотен миллионов звёзд. Оказалось, что и оптическое и радиоизлучение некоторых галактических ядер может меняться за несколько месяцев. Это означает, что в течение короткого времени из ядер освобождается огромное количество энергии, в сотни раз превышающее то, которое освобождается при вспышке сверхновой. Такие ядра получили название «активных», а процессы, происходящие в них, «активность». В 1963 году были обнаружены объекты нового типа, находящиеся за приделами нашей галактики. Эти объекты имеют звездообразный вид. Со временем выяснили, что их светимость во много десятков раз превосходит светимость галактик! Самое удивительное то, что их яркость меняется. Мощность их излучения в тысячи раз превосходит мощность излучения активных ядер. Эти объекты назвали квазарами. Сейчас считается, что ядра некоторых галактик представляют собой квазары.

Закон Хаббла

В результате наблюдений Хаббла за Андромедой и туманностью в созвездии Треугольник, оба эти объекта получили статус Галактик. Вселенная стала выглядеть как систем разбросанных Галактик. Также этому американскому ученому принадлежит открытие космологического закона, характеризующего расширение Вселенной, получившего название в честь открывателя.

Одним из главных показателей для расчета является постоянная Хаббла. Во время открытие постоянная была равна 500 км/сек на 1 Мпк, сейчас же она равна 67,8 ±0,77 км/сек на 1 Мпк. Это изменение объясняется тем, что Хаббл не учитывал поправки на поглощение, которое тогда еще не было открыто. (Приложение 5)

При помощи зависимости «период-светимость», он измерил расстояния до некоторых цефеид (звезды, мощнее Солнца в десятки тысяч раз). Ещё он определил красные смещения их галактик, что позволило вычислить радиальные скорости. Все эти эксперименты были проведены в 1929 году.

Благодаря смещению в спектральных линиях излучений соседних галактик, он понял, что Галактики удаляются от Земли, и тем сильнее, чем дальше находятся. Также становится ясным, что изначально вся Вселенная имела одно начало во времени. Таким образом, мы можем смоделировать обратный процесс и получить начальную точку Вселенной, в ней то и была сконцентрирована вся Вселенная. Также, благодаря закону Хаббла мы можем определить возраст Вселенной. Он оценен как (13,798 ± 0,037). 10^9 лет.

Закон говорит, что Вселенная не является стационарной, а также есть фактор, влияющий на «разбегание» Галактик (удаляющиеся Галактики должны замедляться силу собственного тяготения, но они не замедляются). Этим фактором стала темная материя.

В современном мире данный закон продолжает использоваться для подсчета расстояний до удаленных Галактик. Есть вероятность, что закон может нарушаться при расчётах более дальних расстояний, так как человечеству еще не известны свойства темной материи.



Заключение

Таким образом становится очевидно, что даже несмотря на тысячелетия наблюдений и исследований, человечество начало приближаться к понимаю мироздания только в 20-ом столетии.

К сожалению, мы видим лишь остаточное изображение того, что произошло когда-то очень давно. Сложно оценивать масштабы галактика и вселенной, если все сведения, которые у нас есть - это на самом деле уже история. Ведь свет преодолевает не мыслимые нам расстояния и настоящая карта космоса нам никогда не будет доступна.

Однако прислушиваясь к отголоскам прошлого в бескрайнем просторе, человечество приближается к пониманию своего настоящего и смутное представление о грядущем. Примером тому служит Диаграмма Герцшпрунга - Рассела, которая показывает жизненный путь звезд, именно благодаря ней мы представляем, что спустя 6 миллиардов лет наше Солнце раздуется до орбиты Венеры став красным гигантом. Рассматривая этапы появления звезд у человека есть понимание того, как на самом деле возникла хорошо известная каждому таблица Менделеев, природа возникновения атомов.

Черные дыры по сей день остаются по сей день неразгаданными космическими объектами. смогли получить изображение черной дыры с её горизонтом событий и ореолом. Это является большим прорывом в настоящее время для всей отрасли науки в целом. Учены астрологи берут на себя глобальную миссию: найти и изучить опасности, которые космос таит в себе.

Также, можно сделать вывод, что Галактики сейчас привлекают большой интерес астрономов, чем звезды. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, в общих чертах свойства звезд уже понятны к сегодняшнему дню, а, с другой стороны, ввод в строй новой астрономической техники приносит все новую и часто загадочную информацию о галактиках. Физика галактик, как мы уже видели, тесно связана с космологическими проблемами, эволюцией и строением звезд, межзвездной среды. В этой области наблюдается чрезвычайно быстрый прогресс, однако, до построения общей стройной теории происхождения и эволюции галактик еще далеко.



Список литературы

1. Владимир Георгиевич Сурдин «Как рождаются звезды» 01.02.2008 публикация в журнале «Вокруг Света»

2. Трефил Джеймс , Энциклопедия «Двести законов мироздания» - М.: Издательский центр «Гелеос», 2007.)

3. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания. - Дата обращения: 19.03.20

4. Шкловский И. С., “Звезды: Их Рождение и Смерть” - Дата обращения: 12.03.20

5. Лавриненко В.Н. «Концепции современного естествознания» Учебник для бакалавров. - дата обращения 19.03.20

6. Сажин М.В. «Современная космология в популярном изложении» - дата обращения: 22.03.20

7. Шаров А.С., Новиков А.Д. «Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла» - дата обращения: 23.03.20

8. Решетников В.П. «Почему небо темное» - дата обращения: 23.03.20



Приложение

Прил. 1 Состав Галактик

Прил. 2 Камертон Хаббла



Прил. 3 Упрощенный камертон Хаббла

Прил. 4 Схема строения спиральной Галактики

Прил. 5 Формула закона Хаббла

Размещено на Allbest.ru

...