Мегамир. Основные космологические и космогонические представления.

Вселенная. Основные представления о мегамире. Вселенная – это совокупность всех форм материи и наблюдаемых явлений. Космология – это наука о свойствах и эволюции вселенной. Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Он начинается с расстояний около 10 7 м и масс кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28×10 7 м, масса 6×10 21 кг.

Мегамир имеет дело с большими расстояниями, поэтому для их измерения вводят специальные единицы: Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5×10 11 м. Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46×10 15 м. Парсек (параллакс-секунда) – расстояние равно а.е. = 3,08×10 16 м = 3,26 св.г.

Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Звезда Солнце и движущиеся вокруг него 8 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют маленькую часть звёзд, входящих в нашу Галактику.

Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, которую мы видим с Земли «сбоку» в виде туманной полосы – Млечного Пути. Наша Галактика называется Млечный Путь ( слово галактика происходит от греческого слова «галактос» – молочный, млечный).

Масштабы Вселенной

Солнечная система. Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 15…20 млрд. лет (среднее число – 18 млрд. лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд. лет, возраст Земли – 4,5 млрд. лет.

Восемь планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить на две группы: планеты Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Диаметр Солнечной системы равен приблизительно 6×10 16 м: на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.

Планеты Земной группы. Планеты Земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных суток, на Венере – 243 дня). У этих планет мало спутников (у Меркурия и Венеры нет, у Земли – один, у Марса – два совсем небольших).

У Меркурия атмосферы почти нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО 2, что приводит к сильному парниковому эффекту (температура на поверхности Венеры достигает 500 o K). Земля имеет плотную азотно- кислородную атмосферу. Атмосфера Марса состоит в основном из CО 2, однако она сильно разрежена (давление в 150 раз меньше, чем давление на поверхности Земли).

Поверхность планет Земной группы твёрдая, гористая. В Солнечной Системе только планеты Земной группы имеют твёрдую поверхность. Химический состав планет Земной группы приблизительно одинаковый. Они, в основном, состоят из соединений кремния и железа. В центре планет земной группы есть железные ядра разной массы. У этих планет есть магнитные поля.

Земля движется по орбите со скоростью 30 км/с. Ось Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66 о 34. Земля сплюснута у полюсов, её форма близка к эллипсоиду вращения.

Планеты-гиганты. Планеты-гиганты располагаются за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самый легкий гигант – Уран – в 14,5 раза тяжелее Земли. Их особенность – большие размеры и Радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в 318 раз больше земной. Планеты-гиганты имеют малую плотность. В среднем плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.

У планет-гигантов нет твёрдой поверхности. Газы их больших атмосфер, с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние. Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причём, они вращаются слоями: слой планеты, расположенный рядом с экватором, вращается быстрее всего.

Сами гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико.

Планеты-гиганты окружены спутниками. У Сатурна открыто 61 спутник, у Урана – 27, у Юпитера – 63, у Нептуна – 12. Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца – скопления мелких частиц, которые вращаются вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиболее крупными обладает Сатурн – они были обнаружены еще в 17- м веке.

Малые планеты и кометы. Между орбитами Юпитера и Марса располагаются орбиты 5,5 тысяч небольших тел, именуемых астероидами. Они не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении.

Кометы, состоят из смеси замерзших газов и пыли (грязные снежки). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Кометы обладают малыми размерами и массами.

Солнце. Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскалённый плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца в раз больше массы Земли. В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца, 5770 o K.

Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него всех его планет. Содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. Более 70-ти химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной системы, что доказывает единое происхождения Солнца и планет солнечной системы. Источником энергии являются ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в недрах Солнца.

Гипотеза Канта-Лапласа. Солнечная система образовалась из космического газопылевого облака. Планеты образовались в результате отделения от раскаленного протосолнца газовых колец, их охлаждения и конденсации. Кольца разделялись на несколько масс, образовавших затем разные планеты.

Звезды, их характеристики, источники энергии. Более 90% видимого вещества Вселенной сосредоточено в звёздах. Звёзды и планеты были первыми объектами астрономических исследований. Процессы эволюции звёзд и их внутреннее строение были поняты сравнительно недавно.

Характеристики звёзд. Основными характеристиками звёзд являются: масса, радиус, абсолютная величина, характеризующая ее светимость, температура, спектральный класс.

Изучение спектров звёзд дает очень важную информацию о звёздах, об их химических свойствах, температуре. В 1900-м году американский астроном Пикеринг ввёл понятие спектрального класса звёзды. Спектральные классы звёзд обозначаются буквами латинского алфавита O,В,А,F,G,К,М. Наше Солнце –это звёзда класса G подкласса 2.

Звёзды красного цвета (М) имеют температуру поверхности около 4000 o K. Жёлтое солнце (G) нагрето уже до 6000 К о, а горячие звёзды с температурами больше 10 тыс. o K видятся нам белыми и голубыми. Температуры звёзд спектрального класса О достигают o K. Таким образом, спектральный класс звёзды, или её цвет, характеризует и её температуру.

Важными характеристиками звезды являются её радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца, например, 1,2 М с, т.е. в 1,2 раза больше массы Солнца. Источником энергии звёзд типа Солнца является термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах (порядка o K). Светимость – полное количество энергии, излучаемой звездой за 1 секунду.

Эволюция звёзд. Самым распространенным элементом во Вселенной является водород. Второй по распространенности элемент – гелий. Только малая часть водорода и гелия содержится в звёздах – основное их количество распределено в межзвёздном и межгалактическом пространстве.

Распределение газа в межзвёздном пространстве неоднородно. Средняя плотность вещества в нашей Галактике – примерно 1 атом на 1 см 3, но в отдельных областях эта плотность выше. Там где количество вещества превосходит 1000 солнечных масс в этом месте возникают сильные гравитационные поля, и формируется газопылевое облако – глобула.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела

Эволюционное движение обычной звезды

Схема жизни звезды

«Крабовидная туманность», которая образовалась после взрыва Сверхновой звезды.

Нейтронная звезда. «Нейтронизация» вещества происходит за счет сверхмощного сжатия звезды.

Нейтронные звёзды с периодом пульсации порядка 1,4 с называются пульсарами.

Схема жизни звезды

При массах звёзд от 2 до 10 масс Солнца после вспышки Сверхновой скорость падения в поле тяжести такой звёзды становится равной скорости света, и звёзда сжимается до бесконечности. Она перестает излучать, сохраняя способность притягивать всё, что оказывается в поле её тяготения. За это она и получила название «чёрная дыра».

Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва. Основываясь на ОТО русские учёные А.А. Фридман и его ученик Г.А. Гамов создали теорию «Большого взрыва» для образования Вселенной. Вселенная внезапно возникла млрд. лет назад в очень малом, объеме огромной плотности (10 93 г/см³ ) и температуры (10 32 o K ) и стала стремительно расширяться. Размеры «зародыша» Вселенной равны м.

До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. В первую секунду образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества – кварки и антикварки. Из последних образовались протоны, антипротоны и нейтроны. К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и позитрон.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. При расширении, в однородной Вселенной в разных местах образовывались случайные области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. В местах таких уплотнений стали образовываться галактики и скопления галактик.

Галактики и метагалактики. Понятие «галактика» в современном языке обозначает огромную звёздную систему. Наша Галактика – Млечный Путь. Число звёзд в ней – порядка триллиона (10 12 ). Она имеет форму диска с утолщением в центре. Диаметр нашей Галактики равен примерно м, масса Галактики кг. Метагалактика – это часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям.

Межзвёздное пространство заполнено электромагнитным и гравитационным полями и разреженным межзвёздным газом. Галактика вращается вокруг своего центра. Линейная скорость движения Солнца вокруг центра Галактики равна 250 км/с. Полный оборот по своей орбите Солнце делает примерно за 200 миллионов лет (2108 лет). Этот период называется галактическим годом.

Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается. чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются.

Расширение проявляется только на уровне скоплений. Сами галактики не расширяются. Таким образом, можно говорить лишь о расширении Вселенной. Не существует центра, от которого происходит расширение.

Тонкая подстройка Вселенной Антропный принцип. Тонкая подстройка Вселенной – это совокупность многочисленных случайностей, которые привели к развитию именно такой вселенной, какой мы её наблюдаем, и которая привела к появлению разумной жизни.

Существование и развитие человека обусловлено закономерностями Вселенной, что он занимает во Вселенной привилегированное положение, т.е. Вселенная – дом человека. Мир таков, каков он есть, потому что в противном случае некому было бы спрашивать, почему он таков.

Фундаментальные постоянные: 1. скорость света; 2. гравитационная постоянная; 3. постоянна Планка; 4. заряд электрона 5. масса электрона; 6. масса протона; 7. масса нейтрона; 8. три координаты; 9. безразмерная энтропия вселенной.

Структурные образования вселенной очень чувствительны к значениям фундаментальных постоянных, и небольшое их изменение привело бы к невозможности существования наблюдаемой вселенной.

В 1958-м году Идлисом (СССР) сформулирован антропный принцип. Фундаментальные постоянные имеют именно те значения, при которых становится возможным существование во вселенной живых углеродных систем. В 1974 Картер: Слабый антропный принцип показывает возможность появления человека во вселенной: то, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя развития вселенной, так как если бы мир был другим, человек бы не появился. Сильный антропный принцип утверждает необходимость: вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции обязательно появился бы человек как наблюдатель, то есть, при зарождении вселенной. Антропный принцип ничего не предсказывает, просто объясняет: Границы применимости физических законов и фундаментальных постоянных пока ограничиваются близлежащими галактиками, и науке не известно, будут ли они выполняться при больших масштабах. По этим физическим законам с физическими постоянными предполагается только углеродная жизнь с водой в качестве растворителя.