Концепция развития и эволюция Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ»

ИНСТИТУТ ТУРИЗМА И РАЗВИТИЯ РЫНКА

Контрольное задание

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

тема «Концепция развития и эволюция Вселенной»

Выполнила студентка

очно-заочной формы обучения

специальности менеджмент организации

специализации гостинично-туристический бизнес

1 курса 1 группы

Беляева А.О.

Проверил преподаватель к.т.н., доцент О.А. Старовойтенко

Москва - 2006

Оглавление

Введение

1. Сущность концепции развития

2. Эволюция вселенной

3. Структура вселенной

4. Галактики. Эволюции галактик

5. Эволюция звезд

6. Средства наблюдения объектов вселенной

7. Проблема поиска внеземных цивилизаций

8. Солнечная система. Солнце

9. Земля. Луна

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Веками человечество постигало окружающий мир, расширяло свой кругозор и переходило от исследования микромира к исследованию макромира.

Каждого человека хоть раз в жизни интересовал не только окружающий мир, но и мир в целом ,его устройство ,структура и принцип существования.

Именно поэтому люди с давнейших времен изучают Вселенную, с каждым столетием в связи с совершенствованием технологий и инновациями получают все новые представления о ней и формируют, словно складывая мозаику ,картину мироздания.

Знания о Вселенной и её структуре являются важнейшими и основополагающими знаниями о естествознании. И концепции развития Вселенной можно отнести к фундаментальным концепциям современного естествознания.

Процесс эволюции протекает очень медленно по сравнению с эволюцией жизни на Земле ( которая является лишь малой частью эволюции Вселенной), но все-таки исследования, проведенные на протяжении существования человечества ,а в особенности исследования последних веков дают нам право не только рассуждать о Вселенной ,знать её законы и составляющие ,но и составлять прогнозы на будущее и предопределять дальнейшее её развитие.

Поэтому в данном реферате я начну с сущности самого развития в глобальных масштабах ,чтобы в дальнейшем основываясь на её концепциях рассмотреть самоорганизацию самой Вселенной.

1. Сущность концепции развития

Самоорганизация систем. В последние десятилетия утверждается мнение: материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию сложных и упорядоченных систем разного уровня. Разрушительную тенденцию материи наиболее полно отражают статистическая механика и термодинамика, описывающие свойства изолированных (замкнутых) систем, т. е. систем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию-- термодинамическому равновесию, эквивалентному хаосу -- состоянию без какой-либо упорядоченности. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной как замкнутой системе и при этом сделан вывод о деградации Вселенной -- ее тепловой смерти.

Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми -- они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В подобных системах возможно образование нарастающей упорядоченности, т. е. самоорганизация материальных систем.

Самоорганизацией принято называть природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, завершающей плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы.

Исследование самоорганизации проводится в трех направлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф.

Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В открытых системах возможно согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности -- уменьшается энтропия. Основа синергетики -- термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять трем условиям: открытости, существенной неравновесности и скачкообразному выходу из критического состояния.

Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости системы. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Характерный пример самоорганизующейся системы -- оптический квантовый генератор -- лазер. При его работе выполняются три перечисленных условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение.

«Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости.

Интересно отметить, что такая картина наблюдается на всех уровнях -- в области элементарных частиц, биологии, астрофизике»,-- так считал один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г., бельгийский физик и физикохимик И.Р. Пригожий (1917 -- 2003).

Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого состояния в одно из нескольких устойчивых. В какое именно из них совершится переход -- дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, и одна из них инициирует скачок в конкретное устойчивое состояние. Процесс скачка необратим. Критическая точка, в которой наиболее вероятен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.

Самоорганизация включает закономерное и случайное в развитии любых открытых систем: плавную эволюцию, ход которой закономерен и детерминирован, и случайный скачок в точке бифуркации, определяющий следующий закономерный этап развития. Важнейшее направление исследования самоорганизации -- математическая теория катастроф. Она описывает различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т. п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат -- топологическая теория динамических систем.

Концепция развития. Основу концепции развития процессов в природе составляют три положения: системность, динамизм и самоорганизация.

Системность означает упорядоченную, структурную организацию материи. Например, Вселенная -- самая крупная из всех известных материальных систем. На определенных этапах ее развития зарождались разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешняя среда для любой подсистемы -- материальная система более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Предполагается, что внешняя среда для Вселенной -- физический вакуум. Любая подсистема Вселенной (галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и т. д.) представляет собой целостный материальный объект, прошедший собственный путь развития. Она обладает определенной

индивидуальностью, автономией и в то же время является неотъемлемой составной частью целого.

Для материальной системы любого масштаба характерен динамизм, означающий ее развитие, движение. Без развития, без движения невозможно существование реальной системы, вне зависимости от степени ее упорядоченности и сложности.

В процессе развития способность систем к усложнению приводит к образованию упорядоченных структур -- происходит самоорганизация систем. При этом действуют два взаимно противоположных механизма: объединение элементов системы и ее разделение (фракционирование), -- характерные для всех уровней сложности и упорядоченности материи, начиная от микромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях развития систем преобладает один из четырех видов фундаментальных взаимодействий. Так, на нуклонном уровне организации материи сильное взаимодействие выступает в роли ядерных сил, объединяющих нуклоны в ядра, а слабое взаимодействие -- в роли сил, определяющих их радиоактивный распад. На атомном уровне функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов. На молекулярном уровне электромагнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В организации структур Вселенной определяющую роль играет гравитационное взаимодействие.

Для управления процессом развития любая система накапливает, хранит и передавает информацию, а это означает, что неотъемлемая часть самоорганизации -- ее информативность. В этом вопросе пока много неясного. В последнее время удалось выяснить один из решенных природой принципов хранения и передачи информации посредством генного механизма, управляющего структурой и направлением развития живых систем.

В концепции развития весьма важен вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств

управления. На завершающей стадии эволюции в точке бифуркации преобладает случайность. Точку бифуркации можно образно сравнить с перекрестком, где, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.

Особую роль в самоорганизации на завершающей стадии эволюции играет случайность. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множество примеров, когда случайные переходы хотя в принципе возможны, т. е. вероятность их не равна нулю, но настолько мала, что их достижение можно считать практически не реализуемым. Например, вероятность процесса сборки часов из случайно разбросанных деталей отлична от нуля, однако трудно представить, что из деталей без вмешательства человека случайно образуется упорядоченная структура -- часы. В этой связи полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения. Судя по возрастающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорганизации и синергетики пытаются внедрить в различные отрасли науки и распространить их на многие объекты -- от Вселенной до общества и человека -- без учета их специфики и особенностей. Конечно же, такая тенденция не может не привести к поспешным и неверным результатам, что, естественно, сдерживает процесс поступательного развития естествознания и науки в целом.

2. Эволюция Вселенной

Основные концепции космологии. Вселенная -- самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. В начале Вселенная была «безвидна и пуста» (Быт. 1, 2},-- так сказано в Библии. Сначала был вакуум -- уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Каковы причины ее возникновения? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако получить полностью исчерпывающие ответы на них до сих пор не удалось, В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина:

«Мы, возводя соборы космогонии, Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнанья».

Тем не менее принято считать, что основные положения современной космологии-- науки о строении и эволюции Вселенной -- начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в развитии космологии сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888--1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии -- она должна расширяться либо сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889-- 1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон -- закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т. е.

V = Hr,

где H -- постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается -- разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной.

Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год-- это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год). При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта -- граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла -- мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 1026 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза -- гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из нее следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т, е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигались различные гипотезы о

физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX в. Г.А. Гамовым (1904-- 1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следуют два вывода:

- вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода (75 %) и гелия (25 %);

- в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому названное реликтовым.

С развитием астрономических средств наблюдения и, в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933) и Р. Вильсон (р. 1936) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое излучение -- это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи -- кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

Образование объектов Вселенной. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет несколько световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного количества энергии, пока неясно.

Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и активными ядрами некоторых галактик. Квазары -- весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем, что обусловливается конечной скоростью распространения электромагнитного излучения, в том числе и света. Хотя скорость света велика -- около 300 тыс. км/с, но даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет. Мы наблюдаем объекты Вселенной -- Солнце, планеты, звезды, галактики-- в прошлом. Причем различные объекты -- в разном прошлом. Например, Полярную звезду-- такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики с активными ядрами в среднем расположены ближе. Следовательно, они принадлежат объектам более позднего поколения, т. е. образовались после рождения квазаров. Возникает вопрос: не являются ли квазары протоядрами будущих галактик, теми «зародышами», вокруг которых впоследствии сформировались десятки и сотни миллиардов звезд -- звездные острова Вселенной? При попытке ответить на эти вопросы родилась гипотеза о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа-- гравитационный коллапс.

В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи . Излучение черной дыры оказывается «запертым» гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение. На рисунке изображена воображаемая картина прохождения лучей вблизи черной дыры. Луч, проходящий на близком расстоянии от нее, поглощается, а более отдаленные лучи искривляются.



Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной происходит различными путями. Например, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вследствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры.

Результаты наблюдения галактики М --87 позволяют предполагать, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд солнечных масс. Похожие результаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигантские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования пока неизвестной природы. Существование черных Дыр следует из общей теории относительности, и об их астрономическом открытии говорить не приходится. Совершенно другой точки зрения на данную проблему придерживаются известный российский специалист в области квантовой теории поля, выдающийся ученый, академик РАН А.А. Логунов (р. 1926) и его последователи. Исходя из понимания гравитации как проявления реального физического поля, а не как следствия искривления пространства - времени в соответствии с общей теорией относительности, ученые находят логическое объяснение наблюдаемым в мегамире явлениям, не прибегая к понятию черной дыры.

Сравнительно недавно основные положения космологии базировались на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгущаются в звезды и т.д. Однако наблюдения последних десятилетий свидетельствуют и о другом: в развитии материи во Вселенной играют определенную роль и нестационарные процессы, в частности, взрывные процессы. Можно предполагать, что нестационарные процессы представляют собой своеобразные поворотные пункты в развитии космических объектов, где совершаются переходы из одного качественного состояния в другое, образуются новые небесные тела - происходит самоорганизация Вселенной.

Вопрос об образовании космических объектов в результате нестационарных процессов и о самоорганизации Вселенной еще окончательно не решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествознания состоит в том, чтобы установить, в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Вселенной. Видимо, это было состояние чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений, происходящих при столь высокой плотности, современные фундаментальные физические теории, к сожалению, неприменимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для процессов микромира, А теории, которая объединяла бы их, пока нет -- ее предстоит создать.

Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации, заключается в том, что первоначальный сгусток материи возник из физического вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось,-- своеобразная форма материи, способная при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения,

Последние столетия принесли немало открытий, приблизивших человечество к тайнам рождения Вселенной. Все известные к настоящему времени концепции эволюции Вселенной, в том числе основанной на самоорганизации, носят гипотетический характер. Какие же причины могли привести к образованию упорядоченной структуры Вселенной? На этот и другие вопросы пока нет ясных и понятных ответов. «Сколько бы миллионов раз ни бросать кубик с буквами, строчки стихов из них никак не получатся. А вселенная, которая окружает нас, гораздо сложнее, чем самая сложная машина и полна гораздо большего смысла, чем самое глубокомысленное стихотворение», -- утверждал в древние времена Цицерон (106 -- 43 до н. э.), римский оратор и писатель.

Вселенная в широком смысле -- это среда нашего обитания. Поэтому важно помнить: во Вселенной господствуют необратимые физические процессы, и она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные космические масштабы. И для того чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они могут внести в среду нашего обитания, мы должны изучать не только земные, но и космические явления и процессы.

3. Структура Вселенной

Глядя на усеянное звездами небо, человек приходит в восторг, не оставаясь равнодушным к созерцаемому. «Открылась бездна, звезд полна. Звездам числа нет, бездне - дна»,-- эти прекрасные строки М.Б. Ломоносова, написанные на заре зарождения русской поэзии, образно и наиболее полно описывают первое впечатление, которое испытывает человек, любуясь завораживающей картиной звездного неба. Про звезды сложено множество стихов, песен. Звезды и бескрайнее небесное пространство всегда притягивали и притягивают всех: и самого обыкновенного человека, и поэта, и ученого. Но для ученых, естествоиспытателей звездное небо не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный, неисчерпаемый объект исследований.

В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно наблюдать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть звезд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная.

Вселенная -- это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика -- охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта.

Структура Вселенной -- предмет изучения космологии, одной из важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др.

Главные составляющие Вселенной -- галактики -- громадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет галактики содержат разреженный газ и космическую пыль.

Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой, и состоит примерно из150 млрд звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Млечного пути, на его окраине, расположено Солнце.

Основное «население» галактик-- звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды -- раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд раз. Если эту громадную звезду можно было бы поместить в центре нашей планетной системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет -- Марса, Юпитера, даже Сатурна -- оказались бы внутри такого сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов, существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые из них меньше Земли и ее спутника Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Так, если из вещества одного из наиболее плотных белых карликов удалось бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой гире, то на Земле она весила бы 4 тыс т.

Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды, состоящие главным образом из ядерных частиц-нейтронов. Их диаметр небольшой -- всего около 20 -- 30 км, а средняя плотность вещества огромна -- более 100 млн т/см3. Существование нейтронных звезд было предсказано еще в 30-х годах XX века. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды, быстро вращаясь, излучают импульсы. Поэтому они называются пульсарами.

Звезды обладают различными поверхностными температурами -- от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различается и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды -- с температурой 3 -- 4 тыс. градусов -- красного цвета. Наше Солнце с поверхностью, «нагретой» до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды -- с температурой выше 12 тыс. градусов -- белые и голубоватые.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются»,-сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют громадное количество энергии -- в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность. Так, на месте сверхновой звезды образовалась, например, Крабовидная туманность. Она является мощным источником излучения, что свидетельствует о происходящих внутри нее интенсивных процессах.

Звезды нашей Галактики движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью -- около 250 км/с -- движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за время более 200 млн лет.

Своеобразные звездные системы в виде небольших туманных пятен наблюдаются на небе Южного полушария. Они удалены от нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Впервые их подробно описал спутник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю астрономии под названием Магеллановых облаков -- Большого и Малого. Радиоастрономические исследования последних десятилетий показали, что Магеллановы облака -- это спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра.

На расстоянии около 1 млн световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика -- Туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по своим размерам. Туманность Андромеды включает спутники -- две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звезд.

По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые и неправильной формы галактик. Почти четверть всех известных галактик, относятся к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звезды -- красные гиганты. Одна из типичных спиральных галактик показана на ил. 5.2. К спиральным галактикам относятся наша Галактика, Туманность Андромеды и многие другие. В созвездии Центавра наблюдается шаровая галактика, являющаяся источником радиоизлучения. Галактики неправильной формы не имеют центральных ядер; закономерность распределения звезд в них пока не установлена. Наша Галактика, Туманность Андромеды вместе с другими соседними звездными системами образуют Местную группу галактик. Она объединяет 25 галактик, расстояние до которых не превышает 1 Мпк. Звездные острова, галактики - типичные объекты Вселенной. К настоящему времени известно множество звездных образований, которые таят в себе еще немало загадок.

4. Галактики. Эволюции Галактик

1.Общие представления о галактиках.

Галактики - это совокупности огромного количества звезд, межзвездных пыли, газа и других небесных объектов, объединенных в единую систему силами всемирного тяготения. Их размеры составляют примерно 1020-1022м. Число звезд в галактиках может достигать сотен и даже тысяч миллиардов. Однако существуют и карликовые галактики, содержащие десятки миллионов звезд. В видимой Вселенной, размер которой в настоящее время составляет 1026m, могут находиться, по оценкам ученых, сотни миллиардов галактик. Солнечная система входит в состав галактики, которая называется Первые галактики стали формироваться во Вселенной через несколько сотен миллионов лет после ее рождения. В 1948 г. Г.Гамов. (1904-1968) выдвинул гипотезу' рождения Вселенной в результате Большого Взрыва, который создал пространство, время, материю, а, следовательно, и энергию окружающего нас мира. В настоящее время считается, что это было около 13-15 млрд. лет. назад. Существует предположение, что большинство известных галактик образовались приблизительно в одно время.

Из теории Г.Гамова следует, что ранняя Вселенная имела очень высокую температуру (100 млрд. К) и большую плотность (1012кг/м3). Расширяясь, она охлаждалась. Начальная стадия быстрого расширения Вселенной названа инфляцией. До возраста, приблизительно равного 300 тыс. лет, она состояла из горячего вещества (электронов, позитронов, протонов, нейтронов, нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотонов), которые взаимодействовали между собой и равномерно заполняли пространство ранней Вселенной. Когда ее температура снизилась до нескольких тысяч градусов, стали образовываться первые атомы (водорода, гелия и их изотопов), и вещество отделилось от излучения. В настоящее время температура такого излучения, которое назвали реликтовым, равна приблизительно 2.7 К, оно является изотропным (одинаковым по всем направлениям) и равномерно заполняет пространство Вселенной. Реликтовое излучение открыли в 1965 г. американские физики А. Пензиас и Р.Вилсон. В 1992 г. были обнаружены небольшие колебания его температуры в пределах от 2.7249 К до 2.7251 К в зависимости от направления. Температурные флуктуации реликтового излучения соответствуют слабым сгущениям материи в ранней Вселенной, благодаря которым стало возможным образование звезд и галактик.

Долгое время Вселенная была темной и холодной, т.к. ничто ее не освещало. Эта стадия развития Вселенной, названная «Темными, веками», закончилась, когда образовались первые звезды. Они возникли в результате концентрации водорода и гелия в местах с повышенной плотностью вещества. Силы гравитации сжали и нагрели такие сгустки, что привело к термоядерным реакциям синтеза химических элементов в их недрах, обеспечивающим энергией светимость звезд и галактик. По оценкам ученых переход от однородной водородно-гелиевой Вселенной к структурной Вселенной с галактиками и звездами длился от 1-го до 3-х миллиардов лет.

Ученые считают, что образование звезд и галактик в расширяющейся Вселенной было обусловлено существованием пространственной неоднородности вещества, возникшей из квантовых флуктуаций материи при рождении Вселенной, и гравитационной неустойчивостью любого неравномерного распределения масс (область пространства с большей плотностью вещества притягивает окружающие массы и таким образом способствует еще большему его уплотнению).

Галактики распределены во Вселенной не хаотично. Они сгруппированы в скопления, которые являются составными частями более крупных объектов -сверхскоплений галактик. Характерный размер скоплений - 1023 м, сверхскоплений -1024м. Млечный Путь вместе с Туманностью Андромеды и 34 меньшими галактиками 'входит в состав скопления, названного Местной группой, поперечный размер которой приблизительно равен нескольким миллионам лет. Ученые предполагают, что многие галактики, включая Млечный Путь, образовались миллиарды лет назад путем соединения более мелких.

В конце 70-х годов XX века было установлено, что Вселенная имеет ячеистую структуру и что галактики располагаются вблизи границ ее ячеек.

Большинство галактик во Вселенной вращаются, и если сложить их моменты импульса, то получится небольшая, но отличная от 0 величина. Согласно закону сохранения момента импульса именно такое значение имел момент импульса в рождающейся Вселенной. Поэтому она родилась вращающейся.

2. Разбегание галактик.

В 1922 г. российский математик А.А.Фридман (1888-1925) получил из уравнений общей теории относительности А.Эйнштейна (1879-1955) такие решения, из которых следовала нестационарность нашей Вселенной: ее расширение или сжатие.

Приблизительно в то же время астрономы обнаружили, что спектры излучения далеких звезд смещены в красную сторону по сравнению со спектрами ближних звезд. Это можно было объяснить с помощью эффекта 'Доплера, если предположить, что галактики удаляются от Земли. Согласно эффекту Доплера, если объект, излучающий волны любой природы, приближается к наблюдателю, то наблюдатель будет регистрировать волны меньшей длины, а если объект удаляется -то большей. Таким образом, излучение приближающегося объекта смещается для наблюдателя в фиолетовую часть спектра, а удаляющегося - в красную.

Разбегание галактик, обнаруженное Э.Хабблом, свидетельствовало о расширении Вселенной и таким образом подтвердило гипотезу А.А.Фридмана. Однако имеются и исключения из общего правила: некоторые галактики сближаются. Например, Млечный путь и Туманность Андромеды

У Вселенной нет центра, от которого разлетались бы галактики. Их разбегание непрерывно увеличивает расстояние между ними. При этом размеры самих галактик практически не меняются, т.к. между их объектами действуют огромные силы гравитационного притяжения.

3. Типы галактик.

В центральных областях галактик (ядрах) расположение звезд является более плотным, чем на их окраинах. Предполагается, что в ядрах галактик могут находиться черные дыры -объекты, обладающие огромным гравитационным полем, затягивающим вещество и излучение и не позволяющим им вырваться наружу.

По типам строения все галактики делятся на эллиптические, спиральные и неправильные. Эллиптические галактики (к этому типу относятся 13% галактик в видимой Вселенной) имеют красноватый цвет, который определяется излучением их старых звезд, распределенных в объеме, форма которого напоминает эллипсоид. Большинство таких галактик находятся в огромных галактических скоплениях.

Спиральными являются 34% галактик в наблюдаемой Вселенной. В их ядрах находятся старые звезды, а в спиральных рукавах - молодые, в основном, голубые звезды. Спиральными галактиками являются, например, Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Оставшиеся 53% галактик видимой Вселенной называются неправильными, т.к. в их строении не выявлено характерных особенностей. Около половины вещества в таких галактиках составляет межзвездный газ, а среди их звезд присутствуют как молодые, так и старые. Неправильными являются ближайшие к нам галактики - Большое и Малое Магеллановы Облака, которые находятся на расстоянии около 170 тыс.световых лет от Млечного Пути. Обе эти галактики меньше нашей. Их можно увидеть невооруженным глазом только в южном полушарии. Впервые их наблюдали участники кругосветного путешествия Ф.Магеллана.

Массы галактик, оцениваемые по светящемуся веществу, изменяются в широком диапазоне: от 106 Мс до 1012 Мс (Мс ~ масса Солнца, равная 1.99*1030 кг).

Полная энергия, испускаемая галактикой в окружающее пространство, определяется суммой излучений всех ее звезд - видимых и невидимых. Если в центре галактики с большой плотностью вещества расположена черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс, то она будет поглощать это вещество. Под действием огромного гравитационного притяжения черной дыры падающее в нее вещество должно разогреваться и излучать энергию. В настоящее время ученые периодически регистрируют мощные вспышки рентгеновского излучения из центральных областей некоторых галактик, что свидетельствует о возможном нахождении там массивных черных дыр.

Во Вселенной существуют мощные источники электромагнитного излучения. размеры которых больше звезд, но меньше галактик. Они были открыты в 1963 г. и названы квазарами - квазизвёздными радиоисточниками. Диаметр квазаров составляет приблизительно несколько световых недель, а масса превосходит 106 Мс. Возраст самых отдаленных квазаров - около 12 млрд. лет. Светимость квазара может быть эквивалентной излучению десятков галактик. В настоящее время открыты тысячи квазаров, большинство которых расположены на границах видимой Вселенной. Предполагается, что квазары - это гигантские черные дыры с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенные в плотных ядрах галактик и преобразующие гравитационную энергию падающего вещества в излучение.

Эволюция галактик. Непосредственно проследить эволюцию отдельной галактики из-за огромного времени ее жизни нельзя. Но ученым предоставлена возможность изучения эволюционных этапов галактик по наблюдению за различными звездами и галактиками, находящимися на разных этапах своего развития. Из-за огромных расстояний во Вселенной и наличия предельной скорости распространения сигналов в ней мы видим звезды и галактики такими, какими они были много лет назад. Чем дальше от Земли находится галактика, тем более молодой она предстает перед нами. Туманность Андромеды мы видим такой, какой она была 2.3 млн. лет назад. В марте 2003 г. японские ученые обнаружили в созвездии Волосы Вероники с помощью телескопа «Субару» самую удаленную из известных в настоящее время галактик: свет, достигающий Земли сейчас, был испущен ею около 12.8 млрд. лет назад.

За многие миллиарды лет существования Вселенной галактики рождались, умирали, разбегались и соединялись, поглощая друг друга и образуя новые звездные системы.

Первыми... структурами, образовавшимися в ранней Вселенной, были небольшие протогалактики, массы которых равнялись нескольким тысячам солнечных масс. Вероятнее всего главными движущими силами эволюции галактик и причиной их разнообразия являются взаимодействие между ними и столкновения галактик друг с другом. При этом вероятность столкновения звезд, входящих в галактики, очень мала. т.к. межзвездные расстояния велики по сравнению с их размерами. Поэтому при галактических столкновениях в основном взаимодействуют межзвездные пыль и газ, что приводит к нарушению структур газопылевых сред и перекачиванию вещества из одной галактики в другую. Трение между газами в сталкивающихся галактиках порождает ударные волны, которые могут способствовать рождению новых звезд. Процессы слияния галактик длятся миллионы лет.

Считается, что в ранней Вселенной столкновения галактик были очень частыми. Млечный Путь, видимо, тоже является результатом соединения двух небольших галактик. В настоящее время одна небольшая галактика вливается в нашу, а еще 8 недалеких карликовых галактик войдут в Млечный Путь через некоторое время.

В настоящее время существуют две модели образования во Вселенной первых звезд и галактик. Согласно первой модели концентрация материи в больших структурах привела к последующему формированию в них звезд. Согласно второй модели вначале образовались звезды, а потом уже они объединились в большие структуры. Пока неизвестно, чем были первые источники света во Вселенной -звездами с их термоядерным синтезом или излучением, вызванным падением материи на черные дыры.

Черные дыры могут способствовать формированию галактик, собирая материю вместе посредством мощной гравитации. Однако в настоящее время ученые не располагают окончательными данными о том, что появилось раньше -галактики или черные дыры.

Если в центре галактики находится черная дыра, то она постоянно увеличивает свою массу, постепенно поглощая галактическое вещество и излучение. Но чтобы «проглотить» всю галактику ей потребуются, вероятно, миллиарды лет.

Наблюдения за реликтовым излучением и развитие физики частиц высоких энергий дают представления о молодой Вселенной, возраст которой не превышает 1 млн. лет. Однако для периода от 1 млн. лет до нескольких миллиардов лет, когда начали формироваться первые звезды и галактики, наблюдения практически отсутствуют. Излучение объектов, имеющих такой возраст, сильно сдвинуто в инфракрасную область из-за нахождения их на границе видимой Вселенной. Поэтому и наблюдения за ними надо проводить в указанном частотном диапазоне.

5. Галактика Млечный Путь.

Диаметр нашей Галактики составляет приблизительно 100 тыс. световых лет (световой год - это расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год), а масса находится в пределах от 750 млрд. до одного триллиона солнечных масс. Ее скорость в космическом пространстве огромна - 1,5 млн. км/ч. По оценкам ученых Млечный Путь состоит из 200-400 млрд. звезд, которые вращаются вокруг общего центра масс, называемого Галактическим Центром. Млечный Путь является спиральной галактикой и имеет форму плоского диска с шарообразным утолщением в центре. Толщина диска - 10 тыс. световых лет. Возраст нашей Галактики, по оценкам ученых, составляет около 10-12 млрд. лет.

Солнечная система находится на окраине галактики на расстоянии 28 тыс. световых лет от ее центра и вращается вокруг него по орбите, близкой к круговой, со скоростью около 240 км/с.

Центральная область Млечного Пути, как и многих других галактик, является более плотной, чем внешняя часть и содержит массивный объект, названный Стрельцом А, внутри которого, вероятно, находится черная дыра, постепенно поглощающая вещество галактики.

В ясную ночь на небе Млечный Путь наблюдается в виде светящейся туманной полосы, расположенной поперек неба. Г.Галилей (1564-1642) первым обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд. У.Гершель (1738-1822) составил каталог многих его звезд с указанием расстояний до них. К началу XX века сформировалось представление о том, что Млечный Путь - часть единственной во Вселенной галактики, в которую входят миллиарды звезд. В 1924 г. Э.Хаббл экспериментально доказал, что Млечный Путь является одной из многих галактик в нашей Вселенной.

Через несколько миллиардов лет наша Галактика и Туманность Андромеды, которая примерно в 2 раза больше Млечного Пути, сольются а единую галактику. Силы гравитации изменят их форму и процессы, происходящие в них.

5. Эволюция звезд

Звёздная эволюция в астрономии -- последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. За такие колоссальные промежутки времени звезда претерпевает значительные изменения.

Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура газового шара возрастает. Когда температура в ядре достигает нескольких миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. В таком состоянии звезда пребывает бомльшую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга -- Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.

В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается -- звезда становится красным гигантом. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда масса её изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно тяжела, возрастающая при этом температура может вызвать термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы.

Изучение звёздной эволюции невозможно наблюдением лишь за одной звездой -- многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, чтобы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Выход из положения кроется в изучении множества звёзд, каждая из которой находится на определённой стадии жизненного цикла. За последние несколько десятилетий широкое распространение в астрофизике получило моделирование структуры звёзд с использованием вычислительной техники.

Рождение звёзд NGC 604, огромная звёздообразующая туманность в Галактике Треугольника

Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемым звёздной колыбелью. Большая часть «пустого» пространства в галактике в действительности содержит от 0,1 до 1 молекулы на смі. Молекулярное облако же имеет плотность около миллиона молекул на смі. Масса такого облака превышает массу Солнца в 100 000--10 000 000 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике.

По мере того, как молекулярное облако вращается вокруг какой-либо галактики, несколько факторов могут вызвать гравитационный коллапс. К примеру, облака могут столкнуться друг с другом, или одно из них может пройти через плотный рукав спиральной галактики. Другим фактором может стать близлежащий взрыв сверхновой звезды, ударная волна которого столкнётся с молекулярным облаком на огромной скорости. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются и возбуждаются в результате столкновения.

При коллапсе молекулярное облако разделяется на части, образуя всё более и более мелкие сгустки. Фрагменты с массой меньше ~100 солнечных масс способны сформировать звезду. В таких формированиях газ нагревается по мере сжатия, вызванного высвобождением гравитационной потенциальной энергии, и облако становится протозвездой, трансформируясь во вращающийся сферический объект.

Звёзды на начальной стадии своего существования, как правило, скрыты от взгляда внутри плотного облака пыли и газа. Часто силуэты таких звёздообразующих коконов можно наблюдать на фоне яркого излучения окружающего газа. Такие образования получили название глобул Бока.

Очень малая доля протозвёзд не достигает достаточной для реакций термоядерного синтеза температуры. Такие звёзды получили название «коричневые карлики», их масса не превышает одной десятой солнечной. Такие звёзды быстро умирают, постепенно остывая за несколько сотен миллионов лет. В некоторых наиболее массивных протозвёздах температура в из-за сильного сжатия может достигнуть 10 миллионов К, делая возможным синтез гелия из водорода. Такая звезда начинает светиться. Начало термоядерных реакций устанавливает гидростатическое равновесие, предотвращая ядро от дальнейшего гравитационного коллапса. Далее звезда может существовать в стабильном состоянии.

Середина жизненного цикла звезды

Среди сформировавшихся звёзд встречается огромное многообразие цветов и размеров. По спектральному классу они варьируются от горячих голубых до холодных красных, по массе -- от 0,5 до более чем 20 солнечных масс. Светимость и цвет звезды зависит от температуры её поверхности, которая, в свою очередь, определяется массой. Как правило, новые звезды «занимают своё место» на главной последовательности согласно диаграмме Герцшпрунга--Рассела. Речь не идёт о физическом перемещении звезды -- только о её положении на указанной диаграмме, зависящем от параметров звезды. То есть, речь идёт, фактически, лишь об изменении параметров звезды.

...