Объекты мегамира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Галактики

Звезды и планеты

Черные дыры

Заключение

Введение

Познанием мегамира занимаются астрономия, космология, космогония, физика. Объекты изучения грандиозны, охват пространства и времени несоизмерим с человеческой жизнью. Но научные методы познания мира позволяют понять закономерности существования и эволюции Вселенной.

Во всех областях космологии есть свои загадки и нерешенные вопросы, но более всего привлекают внимание ученых черные дыры.

В этой работе описываются объекты мегамира, их эволюция во времени, а также научные гипотезы, относящиеся к наиболее сложным проблемам.

Галактики

Галактики - это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Число звезд в одной галактике исчисляется триллионами. Есть и сравнительно малые объекты. Маленькая, «карликовая» галактика состоит из десятков миллионов звезд. Такие звездные образования имеют сферическую форму. С течением времени малые галактики поглощаются большими.

Солнечная система входит в галактику средней величины, включающую 200 миллиардов звезд. Это «классическая» спиральная галактика, большинство звезд в ней сосредоточены в диске, толщина которого составляет 3 тыс. световых лет, а диаметр - 100 тыс. световых лет.

Большие галактики состоят из сотен триллионов звезд. Они уже не спиральные, а эллипсоидные; слишком большая масса не позволяет этим объектам принять форму спиралевидного диска. Размеры впечатляют: диаметр крупнейшей галактики составляет 6 миллионов световых лет.

Видимая часть Вселенной содержит огромное, но исчислимое число галактик. Еще в 19 веке ученые представляли Вселенную как бесконечное пространство, заполненное светилами; в таком случае, галактик тоже бесконечно много. Но при этом возник фотометрический парадокс: при бесконечно большом числе светил ночное небо должно было бы сиять равномерным светом. Именно на это обратил внимание в 1826 году немецкий астроном Генрих Ольберс.

Этот парадокс объяснен с позиций современной физики, причем с двух разных позиций.

Первое объяснение дает теория расширяющейся вселенной. Разлетаясь в пространстве, небесные тела удаляются друг от друга со скоростью, которая тем больше, чем больше расстояние. При определенном расстоянии, оцениваемом как 13,75 миллиардов световых лет, скорость «разлетания» сравнивается со скоростью света, а более далекие объекты удаляются еще быстрее. Свет от этих объектов не достигает Земли - они удаляются быстрее!

Таким образом, существует наблюдаемая Вселенная, с огромным, но все же ограниченным радиусом. Мы знаем, что за границами наблюдаемой Вселенной есть галактики, но они для нас невидимы.

Существует и еще один предел размеров Вселенной, основанный на теории Большого Взрыва. В соответствии с этой теорией, материя разлетелась после «момента сотворения» на расстояние 45 миллиардов световых лет - там предполагаются границы нашей Вселенной.

Все более мощные телескопы, зондируя ночное небо, видят не просто объекты, расстояние до которых очень велико. В связи с конкретным значением скорости света, астрономы наблюдают состояние удаленных небесных тел, соответствующие их далекому прошлому. Близко к границе наблюдаемой Вселенной мерцает реликтовое излучение - это свет, который испускал горячий газ, плазма, еще не сгустившаяся в звезды и галактики. Это излучение, которое было послано на заре существования Вселенной - сейчас из этой светящейся плазмы уже сформировались галактики и удалились от нас за границы наблюдаемого мира. Если на том краю Вселенной астрономы смотрят в телескопы, то они не видят ни нашу Галактику, ни Туманность Андромеды - до них доходит лишь реликтовое излучение, посланное через 380 тыс.лет после Большого Взрыва.

Что такое Большой Взрыв? Имеет ли эта теория основания, или это просто рабочая гипотеза, как-то приводящая в соответствие парадоксальные научные сведения? В последнее время ученые выдвигают альтернативную гипотезу, связанную с теорией черных дыр - этот вопрос освещен в главе о черных дырах.

Рассмотрим небесные тела меньших размеров, из которых состоят галактики.

Звезды и планеты

Население галактик состоит из звезд с их спутниками - планетами. Но не только планеты могут вращаться вокруг звезд. Спутником звезды может служить другая звезда; двойные звездные системы - не редкость во Вселенной.

В звездах происходят термоядерные реакции. В плазме, сжатой мощным гравитационном полем и разогретой до миллионов градусов, совершается синтез: одиночные протоны объединяются, создавая ядра гелия. При этом выделяется энергия, распространяемая в виде световых лучей.

Некоторые планеты тоже состоят в основном из небольшого ядра и водородно-геливой атмосферы, но из-за малой массы вещество в них остается стабильным. Термоядерных реакций не происходит, энергия не излучается.

На более ранних этапах эволюции планеты тоже были раскаленными сгустками плазмы, оторвавшимися от светил, но при остывании в них формировались все более тяжелые атомы: кремний, железо, уран… В ядрах некоторых планет, в том числе в ядре Земли, еще догорают реакции атомного синтеза, но они уже не являются источником света.

Остывшие планеты стабильны: их форма, объем, масса сохраняют постоянное значение. Иначе дело обстоит со звездами.

Солнце - сравнительно небольшая звезда. Но рассмотрев эволюцию звезд, можно убедиться в том, что землянам повезло.

Солнце является источником света в течение 5 миллиардов лет, и еще примерно столько же времени оно будет излучать теплый, желтоватый свет. У больших звезд период стабильности короче, звезды-гиганнты «живут» в пять раз меньше Солнца.

Но что происходит, когда топливо выгорает, весь водород превращается в гелий?

Когда больше не остается чему «гореть», интенсивность излучения, направленного от ядра, уже не достаточна для уравновешивания гравитационного коллапса ядра.

Но той энергии, которая при этом выделяется, достаточно для того, чтобы разогреть окружающее вещество.

Звезда начинает ярче светиться, но теперь уже красноватым светом. При этом она расширяется, ее диаметр становится больше в десятки раз. Если есть на орбите близкие планеты - они могут сгореть в пламени красного гиганта.

Ядро красного гиганта сжимается, а температура возрастает до 100 000 000°С и более. Наступает время для термоядерной реакции, при которой ядра гелия сливаются, образуя атомы углерода. При этом выделяется энергия, которая продляет срок светимости на 100 млн. лет.

После того как заканчивается гелий и реакции затухают, вся звезда постепенно, под влиянием гравитации, сжимается. Ее радиус становится в тысячи раз меньше первоначального значения. Звезда проходит новую стадию - теперь она белый карлик. В процессе сжатия продолжается термоядерный синтез, рушатся границы ядер углерода и гелия, получаются все более тяжелые элементы, звезда становится «металлической». Энергии, которая при этом выделяется, хватает для того, чтобы звезда еще некоторое время светилась, прежде чем остыть.

У крупных звезд, масса которых в пять раз больше солнечной, жизненный цикл составляет всего 100 млн.лет. Такая звезда намного ярче, а температура ее поверхности 25 000°С и более,

Когда такая звезда входит в стадию красного гиганта, температура в ее ядре превышает 600 000 000°С. В нем происходят реакции синтеза ядер углерода, который превращается в более тяжелые элементы, включая железо.

Звезда, под действием выделяемой энергии, расширяется до размеров, которые в сотни раз превышают ее первоначальные размеры. Так образуется сверхгигант.

Исчерпание ресурсов для ядерной реакции происходит резко, скачком. В ядре внезапно прекращается процесс производства энергии, и оно в течение короткого времени, исчисляемого секундами, сжимается до малых размеров. При всем этом выделяется огромное количество энергии, разрывающей звездное вещество. Происходит взрыв колоссальной мощности, который имеет название «впышка сверхновой». Не только энегия излучается в пространство; материя тоже устремляется в окружающее пространство.

В феврале 1987 года подобная вспышка наблюдалась в соседней галактике - Большом Магеллановом облаке. Эта сверхновая звезда в течение короткого времени светилась ярче триллиона Солнц.

Далее ядро сверхгиганта сжимается. В итоге образуется небесное тело диаметром всего лишь 10-20 км, Степень сжатия при этом огромна, и вся звезда превращается в шар из плотно упакованных нейтронов - масса кубического сантиметра составляет около ста миллионов тонн. Такая звезда называется нейтронной.

Нейтронная звезда, которая только что образовалась, отличается большой скоростью вращения и является источником сильного магнитного поля.

В соответствии с законами физики, вращающийся магнит создает мощное электромагнитное излучение. Направление этого излучения сконцентрировано в узкой области: оно выходит из магнитных полюсов, и луч быстро вращается, вместе нейтронной звездой, вкруг оси.

Эти лучи, когда они «скользят» по нашим радиотелескопам, наблюдаются в виде импульсов. Словно звезда излучает пульсирующий свет. Из-за этого такие звезды называют пульсарами; первоначально, когда их открыли, переменное электромагнитное поле ошибочно приняли за сигналы искусственного происхождения.

Обнаружены пульсары были благодаря именно радиоволнам, которые они излучают. Сейчас стало известно, что многие из них излучают световые и рентгеновские импульсы.

Первый световой пульсар обнаружили в Крабовидной туманности. Его импульсы повторяются с периодичностью 30 раз в секунду.

Импульсы других пульсаров повторяются гораздо чаще: ПИР (пульсирующий источник радиоизлучения) 1937+21 вспыхивает 642 раза в секунду. Это соответствует скорости вращения звезды вокруг своей оси. Шар огромной массы вращается с частотой, в десять раз большей, чем ротор электродвигателя.

Звезды, которые имеют наибольшую массу, превышающую в десятки раз массу Солнца, тоже вспыхивают, как сверхновые. Но из-за огромной массы их коллапс имеет гораздо более катастрофический характер.

Разрушительное сжатие не прекращается даже на стадии образования нейтронной звезды, создавая область, в которой обычное вещество прекращает свое существование.

мегамир вселенная галактика

Черные дыры

Гравитационное поле черной дыры переходит некую грань и приобретает новые свойства. Сила гравитации не выпускает за пределы черной дыры не только материю, но и энергию - даже электромагнитное излучение, свет не может покинуть пределы черной дыры. Возникает объект, который нельзя увидеть, но можно судить о его наличии по иным признакам. Черная дыра невидима, но весьма активна: она «глотает» материю и электромагнитное излучение. Если учесть, что вещество звезды перед обрушением ее в черную дыру было сверхплотным, то кажется невероятным, что происходит дальнейшее поглощение материи.

Но это не просто притяжение, подобное стремительному прилипанию железных стружек к магниту. Объекты, втянутые в черную дыру, не прилипают к какому-то сверхтвердому веществу; скорее можно сказать, что они проникают в иную реальность.

Границы черной дыры можно сравнить с границами наблюдаемой Вселенной. У черной дыры тоже есть грань, из-за которой свет уже не может достичь внешнего наблюдателя.

Общая теория относительности рассматривает гравитацию как меру кривизны пространства. В черной дыре искривление пространство достигает критического значения - вплоть до того, что пространство перестает существовать в привычном нам понимании. Можно сказать иначе - объект, втянутый в черную дыру, переходит в иную реальность.

Косвенным подтверждением этого является то, что черные дыры проявляют разную активность: одни притягивают и «глотают» материю, другие «уснули» и их масса словно бы растаяла. Вероятным итогом деятельности черной дыры является рождение новых светил - но уже в ином измерении.

Более того, существует теория о происхождении нашей вселенной - как о результате превращения в черную дыру звезды, существовавшей в расширенном, четырехмерном пространстве. Физики активно используют теорию многомерных пространств, как вполне реального объекта, хотя найти понятный и очевидный аналог этому явлению не получается.

Теория о происхождения нашей Вселенной из-за падения материи в черную дыру имеет много сторонников. Более того - эта теория лучше согласуется с реальными параметрами Вселенной, чем теория Большого взрыва, так что, возможно, она станет приоритетной. Хотя ни реального подтверждения, ни аргументированного опровержения этим теориям пока нет.

Астроном Джон Мичел, посвятивший свои научные изыскания черным дырам, сформулировал их сущность таким образом:

Черная дыра - это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени. Ее внешняя граница задается замкнутой поверхностью, горизонтом событий. Если звезда перед коллапсом не вращалась, эта поверхность оказывается правильной сферой, радиус которой совпадает с радиусом Шварцшильда. Физический смысл горизонта очень нагляден. Световой сигнал, посланный с его внешней окрестности, может уйти на далекую дистанцию. А сигналы, отправленные из внутренней области, «провалятся» в сингулярность.

Рис. 1 Искривление пространства и гравитационного поля в черной дыре.

Рис.2 Аккреционный диск - зона, в которой происходит вращение межзвездного газа, притягиваемого черной дырой

Горизонт событий - условная поверхность, разделяющая область, с которой возможна передача информации внешним наблюдателям, и область, из которой не могут вырваться фотоны и электромагнитный волны.

Область сингулярности - здесь кривизна пространства становится бесконечной.

Для наглядного представления, как именно гравитация искривляет пространство, физики предлагают опыт с упругой пленкой, натянутой на обруч. Если расположить ее горизонтально, и бросать на нее легкие шарики, то они будут перемещаться прямолинейно, проскакивая диск без ускорения и без замедления.

Но если положить на упругую пленку груз, который создаст углубление, то ситуация изменится. Легкие шарики, запускаемые по поверхности диска, движутся по искривленным траекториям: эллиптическим, круговым, по гиперболам и параболам. Подобно планетам или кометам.

Если увеличить массу груза, то кривизна «пространства» - упругой пленки - увеличится. Шарики, катящиеся по диску, попадают в эту искривленную область и бегают по орбитам, пока не потеряют кинетическую энергию.

Если представить себе очень эластичную пленку и очень тяжелый груз, то образуется подобие воронки, в которой шарики не просто притягиваются к какому-то центру, а втягиваются внутрь и отправляются в путешествие в неведомую реальность.

Заключение

Науки о Вселенной чаще других областей знания достигают границ, возможных для познания. Но и достигнув грани, за которой невозможно наблюдение, научная мысль не останавливается.

Научные гипотезы, относящиеся к объектам, принципиально недоступным для наблюдения, наиболее интересны. Это относится к загадке черных дыр, к их странному поведению. Попытки понимания стимулируют возникновение новых областей знания. Невозможность объяснения явлений в рамках трехмерного пространства привело к развитию «многомерной» физики, рассматривающей возможность перехода материальных объектов в иные измерения, в иную реальность.

Изучение и попытки осмысления черных дыр привели к изменению представлений о рождении существующей Вселеннной.

Размещено на Allbest.ru