Конспект урока: Физические характеристики звёзд. Эволюция звёзд. Вселенная

Устройство Вселенной

В ХХ в. было установлено, что Солнечная система является частью Галактики, в которую входят миллиарды звёзд. В Галактике принято выделять три структурных элемента: диск, сферическую подсистему и гало (рис. 1). Диск образован миллиардами звёзд, которые движутся по орбитам, имеющим форму эллипса, вокруг центра Галактики — ядра. Центральное уплотнение диска получило название балдж, от которого отходят спиральные рукава. Расстояние от центра Галактики до Солнца составляет 26 000 св. лет.

В центре Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, сама Галактика равномерно вращается вокруг своего центра. Продолжительность одного оборота Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет приблизительно 200 млн лет. Скорость Солнечной системы при таком движении составляет около 220 км/с. Наша Сферическая подсистема содержит около 100 млрд звёзд, многие из которых образуют шаровые скопления.

Рис. 1. Устройство Галактики

Рис. 2. Шаровое скопление в представлении художника

Шаровые скопления могут включать сотни тысяч звёзд и являются наиболее древними структурными элементами Галактики, возраст таких скоплений составляет 10 млрд лет и более. На рисунке 2 представлена фотография одного из шаровых скоплений нашей Галактики.

 

Диск и сферическая подсистема находятся в так называемом гало, размер которого в 10 раз больше размеров диска. В гало отсутствуют звёзды, оно представляет собой тёмную материю. Темная материя невидима, но обнаруживается по гравитационному взаимодействию с другими телами. Масса гало превышает массу всех звёзд Галактики приблизительно в 10 раз. Тёмная материя была обнаружена лишь в 80-х гг. XXI в., поэтому изучена ещё недостаточно.

Рис. 3. Галактика Млечный путь

С поверхности Земли можно наблюдать только часть Галактики, которая носит название Млечный путь (рис. 3).

Тёмные разрывы вдоль Млечного пути объясняются тем, что в Галактике существуют газопылевые туманности, поглощающие свет.

 

В 1923 г. впервые было доказано существование других Галактик, помимо нашей: американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) обнаружил звёздные скопления, находящиеся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного пути. Одна из обнаруженных Хабблом Галактик — Галактика М33 — представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Спиральная галактика М11 в представлении художника

Млечный путь, а также три десятка ближайших галактик, образуют устойчивую систему, получившую название Местная группа. Галактика Андромеды (Галактика М31) является наиболее крупным объектом местной группы звёздных скоплений. Эта галактика примерно вдвое больше Млечного пути в диаметре, содержит в несколько раз больше звёзд и удалена от нашей галактики на расстояние порядка 7,5 ∙ 10⁴ св. лет.

 

Местная группа является маленькой частью Местного сверхскопления галактик, имеющего диаметр порядка 100 млн св. лет.

В зависимости от внешнего вида галактики делят на спиральные, эллиптические и неправильные. Известно, что в ветвях спиральных галактик (рис. 5) находится множество молодых звёзд. В спиральных и неправильных галактиках протекают процессы образования новых звёзд из газопылевых туманностей. Эллиптические галактики состоят из старых звёзд, в них практически нет вещества, необходимого для образования новых звёзд.

Рис. 5. Спиральная галактика

В середине прошлого века были обнаружены мощные источники излучения, расположенные на расстояниях миллиардов световых лет и имеющие размеры, близкие к размерам Солнечной системы. Данные образования были названы квазарами. Установлено, что мощное излучение квазаров не может быть обусловлено только термоядерными реакциями. Предполагается, что энергия квазара является результатом действия гравитационных сил, действующих со стороны чёрной дыры, находящейся в его центре.

С помощью современных телескопов были получены и изучены тысячи фрагментов Вселенной, что позволило создать карту распределения галактик во Вселенной — распределение оказалось однородным. Этот факт получил название космологический принцип.

В 1922 г. советским учёным Александром Фридманом (1888–1925) было установлено, что Вселенная должна изменятся в объёме. В 1929 г. Хаббл подтвердил данное утверждение, обнаружив, что все галактики с течением времени удаляются друг от друга. Учёный установил, что скорость движения галактик зависит от расстояния между ними: чем дальше они расположены друг от друга, тем быстрее происходит их отдаление. Данное утверждение называется законом Хаббла и выражается следующей формулой:

$v=H·r$,

где $v$ — модуль скорости удаления галактики;
$H$ = (13 млрд лет)^-1 — постоянная Хаббла;
$r$ — радиус удаления галактики.

Закономерности, открытые Фридманом и Хабблом, позволяют сделать вывод, что Вселенная образовалась около 13 млрд лет назад, когда вся материя начала распределяться в пространстве, удаляясь от одной точки.

В 1946 г. советский физик Георгий Гамов (1904–1968) выдвинул так называемую теорию Большого взрыва (рис. 6). Гамов развил теорию Фридмана о расширении Вселенной из очень маленького объёма вещества: он предположил, что изначально всё вещество было не только очень плотным, но и очень горячим: радиус Вселенной был равен ∼10^-35 м, а температура ∼10³³ К. В первичном веществе происходили ядерные реакции, в результате которых в течение нескольких минут были образованы лёгкие химические элементы. Гамов предсказал наличие космического фона излучения — реликтового излучения, которое должно было существовать вместе с горячим веществом. Излучение не исчезает при расширении Вселенной и сохраняется до сих пор. Температура излучения, согласно теории Гамова, должна быть равна ∼3К.

Рис. 6. Этапы формирования Вселенной на оси времени

В 1965 г. было обнаружено слабое однородное электромагнитное излучение, спектр которого соответствовал температуре ∼3К, приходящее на Землю со всех сторон космического пространства в любое время дня. Таким образом, теория Большого взрыва Гамова получила косвенное подтверждение.

Реликтовое излучение, будучи однородным и постоянным во времени, является удобным телом отсчёта для описания движения различных небесных тел. В данной системе отсчёта центр нашей Галактики движется со скоростью ∼500 км/с, Земля движется в сторону созвездия Льва со скоростью ∼300 км/с.

Существуют и другие теории возникновения Вселенной, такие как теория «Бесконечно пульсирующей Вселенной», креационизм, теория «Разбиения сосудов» и др. В настоящее время эти теории слабо разработаны, а теория Большого взрыва является общепринятой.