Что такое вселенная и какова ее структура: Какова структура Вселенной?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Какова структура Вселенной?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]

Какова структура Вселенной?. Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина

Вселенная: ответы на самые известные вопросы космоса

Что мы знаем о мироздании, каков космос? Вселенная – это трудно постижимый человеческим разумом безграничный мир, который кажется нереальным и нематериальным. На самом деле нас окружает материя, безграничная в пространстве и во времени, способная принимать различные формы. Чтобы попытаться понять истинные масштабы космического пространства, как устроена Вселенная, строение мироздания и процессы эволюции, нам потребуется переступить порог собственного мироощущения, взглянуть на окружающий нас мир под другим ракурсом, изнутри.

Взгляд на бескрайние просторы космоса с Земли

Образование Вселенной: первые шаги

Космос, который мы наблюдаем в телескопы, является только частью звездной Вселенной, так называемой Мегагалактикой. Параметры космологического горизонта Хаббла колоссальные – 15-20 млрд. световых лет. Эти данные приблизительны, так как в процессе эволюции Вселенная постоянно расширяется. Расширение Вселенной происходит путем распространения химических элементов и реликтового излучения. Структура Вселенной постоянно меняется. В пространстве возникают скопления галактик, объекты и тела Вселенной – это миллиарды звезд, формирующие элементы ближнего космоса – звездные системы с планетами и со спутниками.

А где начало? Как появилась Вселенная? Предположительно возраст Вселенной составляет 20 млрд. лет. Возможно, источником космической материи стало горячее и плотное протовещество, скопление которого в определенный момент взорвалось. Образовавшиеся в результате взрыва мельчайшие частицы разлетелись во все стороны, и продолжают удаляться от эпицентра в наше время. Теория Большого взрыва, которая сейчас доминирует в научных кругах, наиболее точно подходит под описания процесса образования Вселенной. Возникшее в результате космического катаклизма вещество представляло собой разнородную массу, состоящую из мельчайших неустойчивых частиц, которые сталкиваясь и разлетаясь, стали взаимодействовать друг с другом.

Большой взрыв – теория возникновения Вселенной, объясняющая ее образование. Согласно этой теории изначально существовало некоторое количество вещества, которое в результате определенных процессов взорвалось с колоссальной силой, разбросав в окружающее пространство массу матери.

Спустя некоторое время, по космическим меркам – мгновение, по земному летоисчислению – миллионы лет, наступил этап материализации пространства. Из чего состоит Вселенная? Рассеянное вещество стало концентрироваться в сгустки, большие и малые, на месте которых впоследствии стали возникать первые элементы Вселенной, огромные газовые массивы – ясли будущих звезд. В большинстве случаев процесс формирования материальных объектов во Вселенной объясняется законами физики и термодинамики, однако существует ряд моментов, которые пока не поддаются объяснению. К примеру, почему в одной части пространства расширяющееся вещество концентрируется больше, тогда как в другой части мироздания материя сильно разрежена. Ответы на эти вопросы можно будет получить только тогда, когда станет понятен механизм образования космических объектов, больших и малых.

Сейчас же процесс образования Вселенной объясняется действием законов Вселенной. Гравитационная нестабильность и энергия в разных участках запустили процессы формирования протозвезд, которые в свою очередь под воздействием центробежных сил и гравитации образовали галактики. Другими словами, в то время как материя продолжала и продолжает расширяться, под воздействием сил тяготения начались процессы сжатия. Частицы газовых облаков стали концентрироваться вокруг мнимого центра, образуя в итоге новое уплотнение. Строительным материалом в этой гигантской стройке является молекулярный водород и гелий.

Химические элементы Вселенной – первичный строительный материал, из которого шло впоследствии формирование объектов Вселенной

Дальше начинает действовать закон термодинамики, приводятся в действие процессы распада и ионизации. Молекулы водорода и гелия распадаются на атомы, из которых под действием сил гравитации формируется ядро протозвезды. Эти процессы являются законами Вселенной и приняли форму цепной реакции, происходят во всех далеких уголках Вселенной, заполнив мироздание миллиардами, сотнями миллиардов звезд.

Эволюция Вселенной: основные моменты

На сегодняшний день в научных кругах бытует гипотеза о цикличности состояний, из которых соткана история Вселенной. Возникнув в результате взрыва протовещества скопления газа, стали яслями для звезд, которые в свою очередь сформировали многочисленные галактики. Однако достигнув определенной фазы, материя во Вселенной начинает стремиться к своему изначальному, концентрированному состоянию, т.е. за взрывом и последующим расширением вещества в пространстве следует сжатие и возврат к сверхплотному состоянию, к исходной точке. Впоследствии все повторяется, за рождением следует финал и так на протяжении многих миллиардов лет, до бесконечности.

Начало и конец мироздания в соответствии с цикличностью эволюции Вселенной

Однако опустив тему образования Вселенной, которая остается открытым вопросом, следует перейти к строению мироздания. Еще в 30-е годы XX века стало ясно, что космическое пространство поделено на районы – галактики, которые являются огромными образованиями, каждое со своим звездным населением. При этом галактики не являются статическими объектами. Скорость разлета галактик от мнимого центра Вселенной постоянно меняется, о чем свидетельствует сближение одних и удаление других друг от друга.

Все перечисленные процессы с точки зрения продолжительности земной жизни длятся очень медленно. С точки зрения науки и этих гипотез – все эволюционные процессы происходят стремительно. Условно эволюцию Вселенной можно разделить на четыре этапа – эры:

адронная эра;
лептонная эра;
фотонная эра;
звездная эра.

Космическая шкала времени и эволюции Вселенной, в соответствии с которой можно объяснить появление космических объектов

На первом этапе все вещество было сконцентрировано в одной большой ядерной капле, состоящей из частиц и античастиц, объединенных в группы – адроны (протоны и нейтроны). Соотношение частиц и античастиц составляет примерно 1:1,1. Далее наступает процесс аннигиляции частиц и античастиц. Оставшиеся протоны и нейтроны являются тем строительным материалом, из которого формируется Вселенная. Продолжительность адронной эры ничтожна, всего 0,0001 секунды – период взрывной реакции.

Далее, спустя 100 секунд, начинается процесс синтеза элементов. При температуре миллиард градусов в процессе ядерного синтеза образуются молекулы водорода и гелия. Все это время вещество продолжает расширяться в пространстве.

С этого момента начинается длительный, от 300 тыс. до 700 тыс. лет, этап рекомбинации ядер и электронов, формирующих атомы водорода и гелия. При этом наблюдается снижение температуры вещества, падает интенсивность излучения. Вселенная становится прозрачной. Образовавшийся в колоссальных количествах водород и гелий под действием сил гравитации превращает первичную Вселенную в гигантскую строительную площадку. Через миллионы лет начинается звездная эра – представляющая собой процесс образования протозвезд и первых протогалактик.

Такое деление эволюции на этапы вписывается в модель горячей Вселенной, которая объясняет многие процессы. Истинные причины Большого взрыва, механизм расширения материи остаются необъяснимыми.

Строение и структура Вселенной

С образования водородного газа начинается звездная эра эволюции Вселенной. Водород под действием гравитации скапливается в огромные скопления, сгустки. Масса и плотность таких скоплений колоссальны, в сотни тысяч раз превышают массу самой сформировавшейся галактики. Неравномерное распределение водорода, наблюдавшееся на начальной стадии формирования мироздания, объясняет различия в размерах образовавшихся галактик. Там, где должно было существовать максимальное скопление водородного газа, образовались мегагалактики. Где концентрация водорода была незначительной, появились галактики меньших размеров, подобные нашему звездному дому – Млечному Пути.

Версия, в соответствии с которой Вселенная представляет собой точку начала-конца, вокруг которой вращаются галактики на разных этапах развития

С этого момента Вселенная получает первые образования с четкими границами и физическими параметрами. Это уже не туманности, скопления звездного газа и космической пыли (продукты взрыва), протоскопления звездной материи. Это звездные страны, площадь которых огромна с точки зрения человеческого разума. Вселенная становится полна интересных космических феноменов.

С точки зрения научных обоснований и современной модели Вселенной, сначала формировались галактики в результате действия гравитационных сил. Происходило превращение материи в колоссальный вселенский водоворот. Центростремительные процессы обеспечили последующую фрагментацию газовых облаков в скопления, которые стали местом рождения первых звезд. Протогалактики с быстрым периодом вращения превратились со временем в спиральные галактики. Там, где вращение было медленным, и в основном наблюдался процесс сжатия вещества, образовались неправильные галактик, чаще эллиптические. На этом фоне во Вселенной происходили более грандиозные процессы – формирование сверхскоплений галактик, которые тесно соприкасаются своими краями друг с другом.

Сверхскопления – это многочисленные группы галактик и скоплений галактик в составе крупномасштабной структуры Вселенной. В пределах 1 млрд св. лет находится около 100 сверхскоплений

С этого момента стало ясно, что Вселенная представляет собой огромную карту, где континентами являются скопления галактик, а странами – мегагалактики и галактики, образовавшиеся миллиарды лет назад. Каждое из образований состоит из скопления звезд, туманностей, скоплений межзвездного газа и пыли. Однако все это население составляет лишь 1% от общего объема вселенских образований. Основную массу и объем галактик занимает темная материя, природу которой выяснить не представляется возможным.

Разнообразие Вселенной: классы галактик

Стараниями американского ученого астрофизика Эдвина Хаббла мы теперь имеем границы Вселенной и четкую классификацию галактик, населяющих ее. В основу классификации легли особенности структуры этих гигантских образований. Почему галактики имеют разную форму? Ответ на этот и многие другие вопросы дает классификация Хаббла, в соответствии с которой Вселенная состоит из галактик следующих классов:

спиральные;
эллиптические;
иррегулярные галактики.

К первым относятся наиболее распространенные образования, которыми заполнено мироздание. Характерными чертами спиральных галактик является наличие четко выраженной спирали, которая вращается вокруг яркого ядра либо стремится к галактической перемычке. Спиральные галактики с ядром обозначаются символами S, тогда как у объектов с центральной перемычкой обозначение уже SB. К этому классу относится и наша галактика Млечный Путь, в центре которой ядро разделено светящейся перемычкой.

Типичная спиральная галактика. В центре отчетливо видны ядро с перемычкой от концов которой исходят спиральные рукава.

Подобные образования разбросаны по Вселенной. Ближайшая к нам спиральная галактика Андромеда – гигант, который стремительно сближается с Млечным Путем. Наибольшей из известных нам представительниц этого класса является гигантская галактика NGC 6872. Диаметр галактического диска этого монстра составляет примерно 522 тысячи световых лет. Находится этот объект на расстоянии от нашей галактики в 212 млн. световых лет.

Следующим, распространенным классом галактических образований являются эллиптические галактики. Их обозначение в соответствии с классификацией Хаббла буква Е (elliptical). По форме эти образования эллипсоиды. Несмотря на то, что подобных объектов во Вселенной достаточно много, эллиптические галактики не отличатся выразительностью. Состоят они в основном из гладких эллипсов, которые наполнены звездными скоплениями. В отличие от галактических спиралей, эллипсы не содержат скоплений межзвездного газа и космической пыли, которые являются основными оптическими эффектами визуализации подобных объектов.

Типичный представитель этого класса, известный на сегодняшний день – эллиптическая кольцевая туманность в созвездии Лиры. Этот объект расположен от Земли на расстоянии 2100 световых лет.

Вид эллиптической галактики Центавр А в телескоп CFHT

Последний класс галактических объектов, которыми населена Вселенная – иррегулярные или неправильные галактики. Обозначение по классификации Хаббла – латинский символ I. Основная черта – это неправильная форма. Другими словами у подобных объектов нет четких симметричных форм и характерного рисунка. По своей форме такая галактика напоминает картину вселенского хаоса, где звездные скопления чередуются с облаками газа и космической пыли. В масштабах Вселенной иррегулярные галактики – явление частое.

В свою очередь неправильные галактики делятся на два подтипа:

иррегулярные галактики I подтипа имеют сложную неправильной формы структуру, высокую плотную поверхность, отличающуюся яркостью. Нередко такая хаотическая форма неправильных галактик является следствием разрушившихся спиралей. Типичный пример подобной галактики – Большое и Малое Магелланово Облако;
иррегулярные, неправильные галактики II подтипа имеют низкую поверхность, хаотическую форму и не отличаются высокой яркостью. Вследствие снижения яркости, подобные образования трудно обнаружить на просторах Вселенной.

Большое Магелланово Облако является самой ближайшей к нам неправильной галактикой. Оба образования в свою очередь являются спутниками Млечного Пути и могут быть в скором времени(через 1-2 млрд. лет) поглощены более крупным объектом.

Неправильная галактика Большое Магелланово облако – спутник нашей галактики Млечный Путь

Несмотря на то, что Эдвин Хаббл достаточно точно расставил галактики по классам, данная классификация не является идеальной. Больше результатов мы могли бы достичь, включи в процесс познания Вселенной теорию относительности Эйнштейна. Вселенная представлена богатством разнообразных форм и структур, каждая из которых имеет свои характерные свойства и особенности. Недавно астрономы сумели обнаружить новые галактические образования, которые по описанию являются промежуточными объектами, между спиральными и эллиптическими галактиками.

Млечный Путь – самая известная нам часть Вселенной

Две спиральные ветви, симметрично расположенные вокруг центра, составляют основное тело галактики. Спирали в свою очередь состоят из рукавов, которые плавно перетекают друг в друга. На стыке рукавов Стрельца и Лебедя расположилось наше Солнце, находящееся от центра галактики Млечный Путь на расстоянии 2,62·10¹⁷км. Спирали и рукава спиральных галактик – это скопления звезд, плотность которых увеличивается по мере приближения к галактическому центру. Остальную массу и объем галактических спиралей составляет темная материя, и только малая часть приходится на межзвездный газ и космическую пыль.

Положение Солнца в рукавах Млечного Пути, место нашей галактики во Вселенной

Толщина спиралей составляет примерно 2 тыс. световых лет. Весь это слоеный пирог находится в постоянном движении, вращаясь с огромной скоростью 200-300 км/с. Чем ближе к центру галактики, тем выше скорость вращения. Солнцу и нашей Солнечной системе потребуется 250 млн. лет, чтобы совершить полный оборот вокруг центра Млечного Пути.

Наша галактика состоит из триллиона звезд, больших и малых, сверхтяжелых и средней величины. Самое плотное скопление звезд Млечного Пути – рукав Стрельца. Именно в этой области наблюдается максимальная яркость нашей галактики. Противоположная часть галактического круга наоборот, менее яркая и плохо различима при визуальном наблюдении.

Центральная часть Млечного Пути представлена ядром, размеры которого предположительно составляют 1000-2000 парсек. В этой самой яркой области галактики сосредоточено максимальное количество звезд, которые имеют различные классы, свои пути развития и эволюции. В основном это старые сверхтяжелые звезды, находящиеся на финальной стадии Главной последовательности. Подтверждением наличия стареющего центра галактики Млечный Путь является наличие в этой области большого числа нейтронных звезд и черные дыры. Действительно – центр спирального диска любой спиральной галактики – сверхмассивная черная дыра, которая словно гигантский пылесос всасывает в себя небесные объекты и реальную материю.

Сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центральной части Млечного Пути – место гибели всех галактических объектов

Что касается звездных скоплений, то ученым сегодня удалось классифицировать два вида скоплений: шарообразные и рассеянные. Помимо звездных скоплений спирали и рукава Млечного Пути, как и любой другой спиральной галактики, состоят из рассеянной материи и темной энергии. Являясь последствием Большого взрыва, материя пребывает в сильно разреженном состоянии, которое представлено разреженным межзвездным газом и частицами пыли. Видимая часть материи представляет собой туманности, которые в свою очередь делятся на два типа: планетарные и диффузные туманности. Видимая часть спектра туманностей объясняется преломлением света звезд, которые излучают свет внутри спирали по всем направлениями.

В этом космическом супе и существует наша Солнечная система. Нет, мы не единственные в этом огромном мире. Как и у Солнца, многие звезды имеют свои планетарные системы. Весь вопрос в том, как обнаружить далекие планеты, если расстояния даже в пределах нашей галактики превышают продолжительность существования любой разумной цивилизации. Время во Вселенной измеряется другими критериями. Планеты со своими спутниками, самые мелкие объекты во Вселенной. Количество подобных объектов не поддается исчислению. Каждая из тех звезд, которые находятся в видимом диапазоне, могут иметь собственные звездные системы. В наших силах увидеть только самые ближайшие к нам существующие планеты. Что происходит по соседству, какие миры существуют в других рукавах Млечного Пути и какие планеты существуют в других галактиках, остается загадкой.

Kepler-16 b — экзопланета у двойной звезды Kepler-16 в созвездии Лебедь

Заключение

Имея только поверхностное представление о том, как появилась и как эволюционирует Вселенная, человек сделал лишь маленький шаг на пути постижения и осмысливания масштабов мироздания. Грандиозные размеры и масштабы, с которыми ученым приходится сегодня иметь дело, говорят о том, что человеческая цивилизация – лишь мгновение в этом пучке материи, пространства и времени.

Модель Вселенной в соответствии с понятием присутствия материи в пространстве с учетом времени

Изучение Вселенной идет от Коперника и до наших дней. Сначала ученые отталкивались от гелиоцентрической модели. На деле оказалось, что космос не имеет реального центра и все вращение, движение и перемещение происходит по законам Вселенной. Несмотря на то, что существует научное объяснение происходящим процессам, вселенские объекты распределены на классы, виды и типы, ни одно тело в космосе не похоже на другое. Размеры небесных тел примерны, так же как и их масса. Расположение галактик, звезд и планет условно. Все дело в том, что во Вселенной нет системы координат. Наблюдая за космосом, мы делаем проекцию на весь видимый горизонт, считая нашу Землю нулевой точкой отсчета. На самом деле мы только микроскопическая частичка, затерявшаяся в бесконечных просторах Вселенной.

Вселенная – это субстанция, в которой все объекты существуют в тесной привязке к пространству и времени

Аналогично привязки к размерам, следует рассматривать время во Вселенной, как главную составляющую. Зарождение и возраст космических объектов позволяет составить картину рождения мира, выделить этапы эволюции мироздания. Система, с которой мы имеем дело, тесно связана временными рамками. Все процессы, протекающие в космосе, имеют циклы – начало, формирование, трансформацию и финал, сопровождающийся гибелью материального объекта и перехода материи в другое состояние.

Структура Вселенной. Масштабы Вселенной.

Подробно:

Звёздные системы: от планет к звёздам и галактикам

Вы знаете, что наша Земля со своим спутником Луной, другие планеты и их спутники, кометы и малые планеты обращаются вокруг Солнца, что все эти тела составляют Солнечную систему. В свою очередь, Солнце и все другие звёзды, видимые на небе, входят в огромную звёздную систему — нашу Галактику. Самая близкая к Солнечной системе звезда находится так далеко, что свет, который распространяется со скоростью 300000 км/с, идёт от неё до Земли более четырёх лет. Звёзды являются наиболее распространённым типом небесных тел, в одной только нашей Галактике их насчитывается

несколько сотен миллиардов. Объём, занимаемый этой звёздной системой, так велик, что свет может пересечь его только за 100 тыс. лет.

Основными структурными единицами Вселенной являются «звёздные острова» — галактики, подобные нашей. Одна из них находится в созвездии Андромеды. Это — гигантская галактика, похожая по своему строению на нашу и состоящая из сотен миллиардов звезд. Свет от неё до Земли идет более 2 млн. лет. Галактика Андромеды вместе с нашей Галактикой и еще несколькими галактиками меньшей массы образуют так называемую Местную группу. Некоторые из звездных систем этой группы, в том числе Большое и Малое Магеллановы Облака́, галактики в созвездиях Скульптора, Малой Медведицы, Дракона, Ориона, являются спутниками нашей Галактики. Вместе с ней они обращаются вокруг общего центра масс. Именно расположение и движение галактик определяет строение и структуру Вселенной в целом.

Галактики так далеки друг от друга, что невооруженным глазом можно видеть лишь три ближайшие: две — в Южном полушарии — Большое Магелланово облако, Малое Магелланово облако, а с северного всего одну — туманность Андромеды.

Карликовая галактика в созвездии Стрельца — самая близкая к нашей галактике Млечный Путь. Эта небольшая галактика настолько близка, что Млечный Путь как бы поглощает её. Галактика в Стрельце лежит на расстоянии 80 тыс. световых лет от Солнца и 52 тыс. световых лет от центра Млечного Пути. Следующая самая близкая к нам галактика — Большое Магелланово Облако, находящееся в 170 тысячах световых лет от нас. До 1994 го́да, когда была открыта карликовая галактика в созвездии Стрельца, думали, что самой близкой галактикой является Большое Магелланово Облако.

Первоначально карликовая галактика в Стрельце представляла собой сферу примерно в 1000 световых лет в поперечнике. Но теперь её форма искажена гравитацией Млечного Пути, и галактика растянулась в длину на 10 тыс. световых лет. Несколько миллионов звёзд, которые принадлежат карлику в Стрельце, ныне рассеяны по всему созвездию Стрельца. Поэтому, если просто смотреть на небо, то звёзды этой галактики невозможно отличить от звёзд нашей собственной Галактики.

От наиболее удаленных галактик свет доходит до Земли за 10 млрд. лет. Значительная часть вещества звёзд и галактик находится в таких условиях, создать которые в земных лабораториях невозможно. Всё космическое пространство заполнено электромагнитным излучением, гравитационными и магнитными полями, между звездами в галактиках и между галактиками находится очень разреже́нное вещество в виде газа, пыли, отдельных молекул, атомов и ионов, атомных ядер и элементарных частиц. Как известно, расстояние до ближайшего к Земле небесного тела — Луны составляет примерно 400000 км. Наиболее удаленные объекты располагаются от нас на расстоянии, которое превышает расстояние до Луны более чем в 10 раз. Попробуем представить размеры небесных тел и расстояния между ними во Вселенной, воспользовавшись хорошо известной моделью — школьным глобусом Земли, который в 50 млн. раз меньше нашей планеты. В этом случае мы должны изобразить Луну шариком диаметром примерно 7 см, находящимся от глобуса на расстоянии около 7,5 м. Модель Солнца будет иметь диаметр 28 м и находиться на расстоянии 3 км, а модель Плутона — самой далекой планеты Солнечной системы — будет удалена от нас на 120 км. Ближайшая к нам звезда при таком масштабе модели будет располагаться на расстоянии примерно 800000 км, т. е. в 2 раза дальше, чем Луна. Размеры нашей Галактики сократятся примерно до размеров Солнечной системы, но самые далекие звезды всё же будут находиться за её пределами.

Поскольку все галактики от нас удаляются, невольно складывается впечатление, что наша Галактика находится в центре расширения, в неподвижной центральной точке расширяющейся Вселенной. В действительности же мы имеем дело с одной из астрономических иллюзий. Расширение Вселенной происходит таким образом, что в нём нет «преимущественной» неподвижной точки. Какие бы две галактики мы ни выбрали, расстояние между ними с течением времени будет возрастать. А это значит, что на какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он также увидит картину разбегания звездных островов, аналогичную той, какую видим и мы.

Местная группа со скоростью, равной нескольким сотням километров в секунду, движется по направлению к ещё одному скоплению галактик в созвездии Девы. Скопление в Деве является центром ещё более гигантской системы звёздных островов — Сверхскопления галактик, которое включает в себя и Местную группу вместе с нашей Галактикой. Согласно наблюдательным данным, сверхскопления включают в себя свыше 90 % всех существующих галактик и занимают около 10 % всего объема пространства нашей Вселенной. Сверхскопления обладают массами порядка 10¹⁵ масс Солнца. Современным средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства радиусом около 10-12 млрд. световых лет. В этой области, по современным оценкам, расположено 10¹⁰ галактик. Их совокупность получила название Метагалактики.

Итак, мы живем в нестационарной, расширяющейся Вселенной, которая изменяется со временем и прошлое которой нетождественно её современному состоянию, а современное — будущему.

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript. Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!

Презентация “Структура и масштабы Вселенной”

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Структура и масштабы Вселенной

Номер слайда 2

Основные понятия: Космология – учение о Вселенной в целом, основанное на результатах исследований, доступных для астрономических наблюдений. Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Номер слайда 3

Метагалактика – часть Вселенной, доступная для астрономических наблюдений (т.е. те галактики, скорость «убегания» от нас которых меньше скорости света)Вселенная существует около 15 млрд лет.

Номер слайда 4

Существующие знания о Вселенной основаны на астрономических наблюдениях и на предположении о том, что законы природы, установленные на Земле, могут быть применены ко всей Вселенной.

Номер слайда 5

Систематические целенаправленные наблюдения за Вселенной ведутся с момента появления первых телескопов (1609-1610 годы). Начиная с 1931 года, для изучения Вселенной используют также методы радиолокации – по отраженному радиосигналу определяют положение и скорость движения космического объекта.

Номер слайда 6

Строение Вселенной. Наиболее распространённым типом небесных тел являются звезды (невооружённым глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3 тыс. звёзд). Гигантские звёздные системы, состоящие из сотен миллиардов звёзд образуют галактику.

Номер слайда 7

Солнечная система и окружающие её звезды составляют ничтожную часть нашей Галактики – Млечный Путь. Ближайшие соседи нашей Галактики – Туманность Андромеды, Большие Магеллановы облака и Малые Магеллановы облака.

Номер слайда 8

Кроме звёзд в состав галактик входят туманности – газопылевые скопления (межзвёздный газ, состоящий из атомарного водорода, и космическая пыль)

Номер слайда 9

Пространство между галактиками и звездами внутри галактик заполнено очень разреженным веществом: межзвёздным газом, космической пылью, элементарными частицами, а также электромагнитным излучением.

Номер слайда 10

Схема строения Вселенной

Номер слайда 11

Расстояния между звездами внутри галактик значительно больше размеров самих звезд. Расстояния между галактиками сравнимы с размерами самих галактик. Масштабы Вселенной велики (например, размеры нашей Галактики таковы, что луч света, распространяясь со скоростью 300000 км/с проходит расстояние от одного ее края до другого за сто тысяч лет)

Номер слайда 12

Единицы расстояний в астрономии: Астрономическая единица (1 а.е.) – средний радиус орбиты Земли при её обращении вокруг Солнца.1 а.е. = 149,6 млн км (расстояние от Солнца до Земли)

Номер слайда 13

Световой год – расстояние, которое свет проходит за один земной год.1 с.г. = 63241 а.е.= 9,5 *10 12 км

Номер слайда 14

Парсек (пк) – расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну угловую секунду.1 пк = 206265 а.е. = 3,3 с.г. = 3.09 * 1013 км

Номер слайда 15

– Самая близкая к Солнцу звезда – Проксима Центавра удалена от него на 1,3 пк.- Солнце удалено от центра нашей Галактики на расстояние 8000 пк.- Диаметр Млечного Пути составляет 40000 пк.- Самая близкая звезда в созвездии Андромеды находится на удалении 720000 пк.

Номер слайда 16

– Средняя плотность галактик в наблюдаемой части Вселенной – около 8-10 тысяч на один кубический миллион парсеков.- Оценочное время вероятного столкновения галактик составляет около 1013 лет, что больше времени существования Вселенной в 1400 раз.

Астраномія. Галактыкі

Панорама Галактики

Галактика Млечный Путь (или просто Галактика) — гигантская звёздная система, в которой находится Солнечная система, все видимые невооружённым глазом отдельные звёзды, а также огромное количество звёзд, сливающихся вместе и наблюдаемых в виде млечного пути. Млечный Путь — одна из многочисленных галактик Вселенной. Является спиральной галактикой с четырьмя рукавами и перемычкой типа SBb по классификации Хаббла, и вместе с галактикой Андромеды (M31) и галактикой Треугольника (М33), а также несколькими десятками меньших галактик-спутников образует Местную группу галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.

Компьютерная модель Галактики: вид «сверху»

Галактика Млечный Путь представляет собой огромную сплюснутую систему, симметричную относительно главной плоскости и состоящую из более чем 150 млрд. звёзд, разреженного газа, пыли и космических лучей. Поперечник Галактики составляет около 30 кпк (100 тыс. св. лет). Важнейшими элементами структуры Галактики являются сферическая составляющая, центральное сгущение (балдж), звёздно-газово-пылевой диск, спиральные рукава (ветви).

Схема строения Галактики

В средней части Галактики находится утолщение (балдж), составляющее около 5 кпк в поперечнике. Центр Галактики при наблюдении из Солнечной системы проецируется в созвездие Стрельца. В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется в 10¹² раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне. Галактический центр наблюдается в радио-, ИК, рентгеновском и гамма-диапазонах. Масса центрального скопления составляет примерно 10⁹ℳ_☉.

Your browser does not support the video tag.

Строение Галактики

Ядра галактик являются центрами их конденсации и начального звёздообразования. Там должны находиться самые старые звёзды. По всей видимости, в самом центре ядра Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец А*) массой около 3,7 × 10⁶ℳ_☉, что показано исследованием орбит близлежащих звёзд. По направлению к центру Галактики, а также по мере приближения к её плоскости звёздная плотность возрастает и в центре составляет 10⁵–10⁶ звёзд в пк³, при этом в окрестности Солнца звёздная плотность всего 0,12 пк^–3.

Центр Галактики в ИК диапазоне

Звёздный диск содержит основное количество звёзд Галактики. В диске Галактики находится Солнце и практически все звёзды, наблюдаемые невооружённым глазом. В экваториальной плоскости диска концентрируются наиболее молодые объекты Галактики – звёзды ранних спектральных классов О и В, классические цефеиды, сверхновые второго типа, пыль и газ. Все эти объекты образуют наиболее тонкий диск (плоскую составляющую Галактики) толщиной 100–200 пк. Старые звёзды и связанные с ними планетарные туманности образуют более толстый диск. Толщина всего звёздного диска составляет 500–600 пк.

Рукава Галактики

Галактика относится к классу спиральных галактик, что означает, что у Галактики есть спиральные рукава (ветви), расположенные в плоскости диска. Именно в рукавах находятся наиболее молодые объекты (массивные концентрации газа и молодых звёзд) звёздного диска Галактики. Сферическая составляющая включает старые звёзды и шаровые звёздные скопления, окружённые очень разреженным горячим слабо намагниченным газом. Гало Галактики — невидимый компонент Галактики сферической формы, который простирается за видимую часть Галактики. В основном состоит из разреженного газа, звёзд и тёмной материи. Последняя составляет основную массу Галактики.

Пузыри Ферми

В 2010-м году в результате наблюдений в гамма-диапазоне с помощью космического телескопа им. Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) над и под ядром Галактики открыты пузыри Ферми (названы в честь телескопа) – гигантские (диаметр каждого около 25 тыс. св. лет) области пространства, испускающие электромагнитное излучение в рентгеновском (ближе к ядру Галактики) и гамма-диапазонах (на периферии). Пузыри Ферми образуются в результате уменьшения длины волны излучения при рассеянии фотонов на движущихся электронах (обратное комптоновское рассеяние), выбрасываемых чёрной дырой, находящейся в ядре Галактики.

Your browser does not support the video tag.

Пузыри Ферми

Солнце расположено в рукаве Ориона на 20–25 пк выше плоскости симметрии нашей Галактики и удалено от центра на расстояние 7,5–8 кпк (26000 св. лет). Для ориентации среди объектов Галактики принята галактическая система координат. Положение объектов в этой системе небесных координат задаётся галактическими долготой λ и широтой β.

Близкие к Солнцу звёзды движутся вместе с ним перпендикулярно к направлению на центр Галактики. Это движение является следствием общего вращения Галактики, скорость которого меняется с расстоянием от её центра (дифференциальное вращение). Такое вращение имеет следующие особенности: 1. Вращение происходит по часовой стрелке, если смотреть на Галактику со стороны её северного полюса. 2. Угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра. Однако это убывание медленнее, чем если бы вращение звёзд вокруг центра Галактики происходило по законам Кеплера. 3. Центральная часть диска в области балджа вращается почти твёрдотельно, и поэтому линейная скорость вращения растёт пропорционально расстоянию вплоть до максимального значения около 250 км/с. 4. Солнце и звёзды в его окрестности совершают полный оборот вокруг центра Галактики примерно за 240–250 млн. лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с. 5. Масса Галактики может быть оценена из условия, что движение объектов происходит по кривой, близкой к окружности. Из условия равенства центростремительного ускорения на расстоянии r = 15 кпк и гравитационного, обусловленного массой, заключённой внутри радиуса r, получаем массу Галактики: ℳ_Galaxy = v²r/G ≈ 3 × 10⁴¹ кг ≈ 10¹¹ℳ_☉.

Кривая вращения звёзд Галактики

Из всей видимой массы Галактики примерно 98% процентов приходится на массы звезд и около 2% – на газ, пыль и другие составляющие. Таким образом, в результате наблюдений установлено, что звёзды вращаются вокруг центра Галактики с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от центра галактики, причём гораздо быстрее, чем ожидалось, если бы они находились в потенциале Ньютона. Проблема вращения галактик – это несоответствие между наблюдаемыми скоростями вращения материи в дисковых частях спиральных галактик и предсказаниями классической динамики, учитывающими только видимую массу. В настоящее время считается, что это несоответствие выдаёт присутствие «тёмной материи», которая пронизывает Галактику и простирается до галактического гало.

Согласно современным представлениям, Галактика образовалась примерно через 400 тыс. лет после Большого Взрыва из медленно вращавшегося газового облака, по своим размерам превосходившего её современные размеры в десятки раз. Первоначально оно состояло из смеси 75% водорода и 25% гелия (по массе) и почти не содержало тяжёлых элементов.

Your browser does not support the video tag.

Эволюция Галактики

В течение примерно миллиарда лет это облако свободно сжималось под действием сил гравитации. Коллапс неизбежно привёл к фрагментации и началу процесса звёздообразования. Сначала газа было много, и он находился на больших расстояниях от плоскости вращения. Возникли звёзды первого поколения, а также шаровые скопления. Их современное распределение (гало) соответствует первоначальному распределению газа, близкому к сферическому. Наиболее массивные звёзды первого поколения быстро проэволюционировали и обогатили межзвёздную среду тяжёлыми элементами (главным образом за счёт вспышек сверхновых). Та часть газа, которая не превратилась в звёзды, продолжала свой процесс сжатия к центру Галактики. Из-за сохранения момента количества движения, её вращение становилось быстрее, образовался диск, и в нём снова начался процесс звёздообразования. Второе поколение звёзд оказалось более богатым тяжёлыми элементами. Оставшийся газ сжался в более тонкий слой, в результате чего возникла плоская составляющая – основная область современного звёздообразования.

Концепция тёмной (или скрытой) материи (массы) (Cold Dark Matter) Вселенной основана на необходимости объяснения ряда наблюдаемых астрофизических эффектов: распределения скоростей звёзд в Галактике, гравитационного линзирования излучения удалённых объектов тёмными гало (сферическими составляющими) галактик, вириального парадокса, формирования крупномасштабной структуры Вселенной и др. Скопления галактик обнаруживают следующую особенность: для многих из них масса, определённая по скоростям собственного движения галактик в скоплении, оказывается заметно больше массы, определённой по общей светимости галактик. Массу скопления, определённую на основе теоремы вириала, называют вириальной. В соответствии с теоремой вириала для связанной стационарной системы, части которой взаимодействуют друг с другом по закону 1/r, кинетическая энергия такой системы равна половине модуля её потенциальной энергии. Для частицы массой m, обращающейся по круговой орбите вокруг центральной массы ℳ: E_кин = ½|E_грав| = mv²/2 = Gℳm/(2R). Если известны размер скопления R и дисперсия скоростей галактик v, то можно получить оценку вириальной массы скопления: ℳ_vt ≈ v²R/G. Другой способ определения массы скопления состоит в том, что полную наблюдаемую светимость скопления умножают на стандартное отношение масса/светимость, найденное независимо для отдельных галактик. Такое отношение различно для галактик различных типов, но если известно, что в данном скоплении преобладают галактики какого-то определённого типа, то суммарную массу этих галактик таким способом действительно можно оценить. Оказывается, что суммарная масса галактик меньше вириальной массы скопления (вириальный парадокс): ℳ_vt > ℳ_L. Для разрешения вириального парадокса, объяснения кривых дифференциального вращения галактик и некоторых других явлений необходимо наличие в галактиках и их скоплениях значительных масс скрытого (тёмного, т.е. несветящегося) вещества. По современным данным средняя плотность наблюдаемого вещества составляет 3 × 10^–31 г/см³, а средняя плотность Вселенной на два порядка больше (10^–29 г/см³). В отличие от обычного барионного «светящегося» вещества, под тёмной понимается материя, которая не принимает участия в электрослабом взаимодействии (т.е., в частности, не испускает и не поглощает электромагнитное излучение), и присутствие которой обнаруживается только по гравитационным эффектам. В настоящее время предполагается, что на долю обычной барионной материи приходится не более 5% плотности Вселенной. Примерно половину барионной материи составляют светящиеся объёкты (видимая материя) – звёзды, межзвёздные газопылевые облака, планеты. Тёмная барионная материя – это макроскопические объекты гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO): маломассивные звёзды (коричневые карлики), очень массивные юпитероподобные планеты, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Около 23% плотности Вселенной составляет тёмная материя, носители которой имеют небарионную природу. В зависимости от скоростей частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино. Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся («холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы пока не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP): аксионы, фотино, гравитино и др. (дополнительно о тёмной материи см. в разделе 7.3.12).

Невооружённым глазом в безлунную ночь на небе видны только три объекта, не принадлежащие нашей Галактике – Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака (два последних видны только в южном полушарии). Каждый из этих объектов представляет собой отдельную галактику.

Туманность Андромеды

Туманность Андромеды — спиральная галактика типа Sb. Эта ближайшая к Млечному Пути сверхгигантская галактика находится на расстоянии 2,54 млн. св. лет от Солнечной системы. Её протяжённость составляет 260 тыс. св. лет, что в 2,6 раза больше, чем у Млечного Пути. По современным данным, в её состав входит около триллиона звёзд.

Большое Магелланово Облако

Большое Магелланово Облако (БМО) — карликовая галактика типа SBm, расположенная на расстоянии около 168 тыс. св. лет от нашей Галактики. Она занимает область неба южного полушария в созвездиях Золотой Рыбы и Столовой Горы и на наших широтах никогда не видна. БМО приблизительно в 20 раз меньше по диаметру, чем Млечный Путь и содержит около 5 млрд. звёзд. Малое Магелланово Облако — карликовая галактика типа SBm, спутник Млечного Пути. Находится на расстоянии около 200 тыс. св. лет в созвездии Тукана. Содержит только 1,5 млрд. звёзд.

Малое Магелланово Облако

Ближайшая к Солнечной системе галактика (расстояние 25 тысяч св. лет) – это карликовая галактика в созвездии Большого Пса (CMa Dwarf), состоящая всего из 1 млрд. звёзд. Приблизительно через 5 млрд. лет должно произойти столкновение галактик Млечный Путь и Туманность Андромеды. Как и при всех подобных столкновениях, из-за малой концентрации вещества в галактиках и крайней удаленности объектов друг от друга маловероятно, что объекты вроде звёзд действительно столкнутся. Если это предположение верно, то звёзды и газ Туманности Андромеды станут видны невооруженным взглядом примерно через 3 млрд. лет. Если столкновение произойдет, то галактики, скорее всего, сольются в одну большую галактику. В настоящее время известно, что Туманность Андромеды приближается к Млечному Пути со скоростью около 300 км/с, но произойдёт ли столкновение или галактики просто разойдутся, пока точно не известно. По крайней мере, даже если не произойдёт столкновения самих дисков, гало тёмной материи двух галактик столкнутся.

Your browser does not support the video tag.

Столкновение галактик

Дополнительная литература: В.Н. Лукаш, Е.В. Михеева. Тёмная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной J. Dubinski. The great Milky Way – Andromeda collision F. Bournaud, F. Combes. Gas accretion on spiral galaxies: bar formation and renewal

Структура Вселенной

Какова структура нашей Вселенной? Каким образом в ней регулируются глобальные и локальные процессы? Эти вопросы волновали, волнуют и будут волновать человечество во все времена. Много раз казалось, что ответ найден, однако за одними «кулисами» обнаруживались другие, за другими – третьи и так далее. В данной статье мы попробуем объяснить структуру Вселенной, опираясь на исследования В. Д. Плыкина.

Виктор Дмитриевич Плыкин является автором более ста публикаций научного характера. Это ученый, известный в научной среде как крупный специалист по вычислительной технике и информатике. Плыкину удалось доказать, что Вселенная конечна, но непрерывно увеличивается. Основной задачей ученых В. Плыкин считает не научно-технический прогресс человечества, а повышение его духовного уровня. Открытия Виктора Дмитриевича помогают человеку расширить сознание и сформировать новое мировоззрение.

Как возникла Вселенная? Вселенная не могла возникнуть в результате Большого Взрыва. Простой пример: взорвите склад с автозапчастями и попробуйте в результате взрыва получить автомобиль. Конечно же, у вас ничего не выйдет. Структура Вселенной слишком сложна, продуманна и имеет множество закономерностей и уровней, чтобы быть созданной случайно. Однако современная религия не может предложить человеку более сложного метафизического объяснения возникновения Вселенной, чем антропоморфный (человекоподобный) Бог. По мнению Плыкина, настало время дать людям новые знания о возникновении и строении Вселенной. Эти знания будут совмещать науку с этикой и смогут объяснить человеку его место и связь со всеми объектами во Вселенной.

По теории Плыкина изначально существовало разумное информационное ядро. Сейчас оно является центром бесконечно растущей Вселенной. Это ядро выпускает из себя энергоинформационные потоки, которые движутся к границам Вселенной, расширяя их, и возвращаются обратно. Информация обрабатывается в ядре и снова отправляется к границам Вселенной. Таким образом осуществляется координация развития. Плыкин утверждает, что в мире нет случайностей, всё подчинено замыслу Творца. Современные религии совершают единственную ошибку, очеловечивая эту творящую силу. В действительности она является неким Сверхразумом, который не имеет ничего общего с человеческими понятиями.

Все мы связаны проходящими через нас энергоинформационными потоками. Каждый из нас получает задачи развития и реализует их. Энергия непрерывно движется от ядра и обратно, упорядочивая бытие. Как утверждает В. Плыкин, всё есть информация и энергия, а материя – вторична, не смотря на то, что современная образовательная система до сих пор учит иначе. Материя – просто сверхплотная энергия, собранная в определённую структуру благодаря информации. Это подтверждают опыты Плыкина с водой: будучи заряжена определённым образом, она способна растворить речной песок.

Опыты с водой стали тем, с чего началась научная деятельность В. Д. Плыкина. Первые же опыты ученого показали, что всё во вселенной имеет ячеистую структуру. Эти ячейки имеют вид гексов (пчелиных сот) и возникают под воздействием спиралевидных потоков, исходящих от центрального ядра нашей Вселенной. Глобальную жесткую энергоинформационную структуру Плыкин уподобляет тверди из Ветхого Завета Библии. Наша Земля также имеет гексограмную ячеистую структуру. Там, где гексы соприкасаются друг с другом, образуются так называемые «места Силы». В этих местах часто наблюдаются аномалии, люди испокон веков строят здесь храмы или используют их как объект для паломничеств с целью медитации.

Наша Земля, как утверждает Плыкин, проходит этап биологической жизни. Он закончится приблизительно через 650-670 млн. лет. Так как мы удаляемся от Солнца по спирали, то к этому моменту Земля отодвинется от него так далеко, что существование биологической жизни станет невозможным. Жизнь перенесётся на Венеру, которая к тому времени станет землеподобной планетой с морями, океанами, материками и атмосферой. Точно так же жизнь когда-то существовала на Марсе, а до этого – на Юпитере. К моменту, когда на Венере возникнет жизнь, её нынешнее место займёт Меркурий, а около Солнца будет сформирована новая планета. Так было и будет всегда, просто люди не могут заметить эти процессы из-за своей недолговечности. Точно так же, только за более длительные сроки, ядро галактики формирует новые Солнца, а ядро Вселенной – новые галактики.

Во Вселенной нет хаоса. Всё подчинено строгому иерархическому порядку. Там, где мы видим хаос, нам просто не хватает ключа, чтобы увидеть порядок. Не всегда это дано нам, не каждый порядок мы способны понять и осознать. Ясно одно, человек вовсе не отдельная частица, он является микрокосмом, частью большого макрокосма, в который входит множество связанных с нами элементов, среди которых вода, земля, животные, воздух и многие другие.

Нас окружает огромный неизведанный мир, полный чудес, загадок и тайн. Исследовать его можно до бесконечности. Все теории, которые в процессе исследования разрабатывает человек, могут быть оспорены, как и теория В. Д. Плыкина. Помните об этом, но пусть жажда познания никогда не покидает ваши сердца!

Структура Вселенной – Вселенная сегодня

[/ caption] Крупномасштабная структура Вселенной состоит из пустот и волокон, которые можно разбить на сверхскопления, скопления, группы галактик, а затем и на галактики. В относительно меньшем масштабе мы знаем, что галактики состоят из звезд и их составляющих, и наша Солнечная система является одной из них.

Понимая иерархическую структуру вещей, мы можем получить более ясную визуализацию ролей, которые играет каждый отдельный компонент, и того, как они вписываются в общую картину.Например, если мы спустимся в мир очень маленьких, мы узнаем, что молекулы можно разделить на атомы; атомы на протоны, электроны и нейтроны; затем протоны и нейтроны в кварки и так далее.

А как насчет очень большого? Какова крупномасштабная структура Вселенной? Что такое суперкластеры, волокна и пустоты? Давайте начнем с изучения групп галактик и перейдем к еще большим структурам.

Хотя было обнаружено, что некоторые галактики удаляются из-за своего одиночества, большинство из них на самом деле объединены в группы и скопления.Группы меньше по размеру, обычно состоят из менее чем 50 галактик и могут иметь диаметр до 6 миллионов световых лет. Фактически группа, в которую входит наш Млечный Путь, состоит всего из немногим более 40 галактик.

Вообще говоря, скопления представляют собой сгустки от 50 до 1000 галактик, диаметр которых может достигать 2-10 мегапарсек. Одно очень своеобразное свойство скоплений состоит в том, что скорости их галактик должны быть слишком высокими, чтобы одна гравитация могла удерживать их вместе… и тем не менее это так.

Идея о существовании темной материи начинается с этого масштаба структуры. Считается, что темная материя обеспечивает гравитационную силу, которая удерживает их всех вместе.

Большое количество групп, скоплений и отдельных галактик могут объединиться, чтобы сформировать следующую большую структуру – сверхскопления. Сверхскопления – одни из крупнейших структур, когда-либо обнаруженных во Вселенной.

Самая большая отдельная структура, которую нужно идентифицировать, – это Великая стена Слоуна, обширный слой галактик, охватывающий длину 500 миллионов световых лет, ширину 200 миллионов световых лет и толщину всего 15 миллионов световых лет.

Из-за ограничений современных измерительных устройств существует максимальный уровень, до которого мы можем уменьшить масштаб. На этом уровне мы видим вселенную, состоящую в основном из двух компонентов. Существуют нитевидные структуры, известные как волокна, которые состоят из изолированных галактик, групп, скоплений и сверхскоплений. А затем появляются огромные пустые пузыри пустого пространства, называемые пустотами.

Вы можете узнать больше о структуре Вселенной здесь, во «Вселенной сегодня». Хотите прочитать о космической пустоте: можем ли мы оказаться в ее центре? Мы также писали о исследовании крупномасштабной структуры Вселенной.

В НАСА об этом больше. Вот там пара источников:

Вот два эпизода Astronomy Cast, которые вы, возможно, тоже захотите посмотреть:

Источники: NASA WMAP, NASA: Sheets and Voids

Нравится:

Нравится Загрузка …

Структура и эволюция Вселенной

Великое приключение

С тех пор, как человек стал «разумным», он вопросительно смотрел на небеса с большим интересом и трепетом.И это вполне естественно, ведь то, что происходит над нашими головами, оказывает на нас огромное влияние. Первобытный человек имел прямое представление о влиянии небес на нашу жизнь, поскольку он находился в постоянном контакте с природой и полностью зависел от рождения и смерти Солнца, Луны и звезд, которые определяли ритм дня и ночи, и сезонов. Он узнал предсказания, глядя на положение небесных тел, так как ему нужно было знать, что должно было произойти, чтобы найти пищу, не говоря уже о том, чтобы избежать того, чтобы его съели другие хищники.Более того, мы можем представить себе ступор и страх, которые, должно быть, испытывали наши предки перед лицом непредвиденных и драматических явлений, которые они могли наблюдать в небе: молнии, грома, полярных сияний, падающих звезд, метеоритов, комет и солнечных или лунных затмений. . Как они могли не видеть в них признаки намного превосходящих существ? Таким образом, логично, что они считали небеса местом обитания их богов. Некоторые быстро осознали, что знание секретов таких явлений и убеждение других в их способности использовать их для помощи или вреда друг другу принесет им огромную силу и статус божественных посредников.Вот почему даже у самых архаичных цивилизаций были небесные мифы, обряды и предзнаменования, которые хранились их жрецами. И даже сегодня, в наиболее развитых и технологичных обществах двадцать первого века, эти примитивизмы проявляются в форме астрологии, астральных сект и других подобных уловок. И самые сложные и умозрительные научные теории и космологические модели сегодня защищают многие из эрудированных людей нашего мира с фанатизмом, граничащим с религиозным. Все это необходимо иметь в виду, пытаясь, как и я сейчас, предложить сжатый и доступный обзор того, что мы знаем сегодня о структуре и эволюции огромной Вселенной, к которой мы принадлежим.

Мы должны начать с запоминания и подчеркивания того, что поместит следующие наблюдения в контекст: все научные знания являются временными и полностью подлежат пересмотру. Более того, то, что я собираюсь объяснить ниже, – это предположения, основанные на строгой науке – но все же предположения, – которые пытаются объяснить то, что мы смогли наблюдать с помощью самых передовых телескопов и инструментов нашего времени. Настоящая и полная реальность необъятного Космоса не может быть постигнута нами из-за нашей собственной конечности.В общем, хотя мы узнали огромное количество вещей, есть гораздо большая часть, о которой мы все еще не знаем. И при написании этого обзора я испытывал сильное искушение сопровождать каждое утверждение кластером неотвеченных вопросов, которые его охватывают. Но такую деталь нужно оставить для специализированных книг.

При этом еще более увлекательно созерцать прекрасное и незавершенное приключение людей, слепо, но решительно двигающихся вперед в поисках бесконечных тайн, движимых своим любопытством и врожденным желанием учиться.Таковы характеристики, которые позволили нам преодолеть наши собственные сильные ограничения, достигнув ранее немыслимых высот. Например, в конкретном случае со зрением – мы, в конце концов, практически слепы, неспособны различать удаленные объекты и способны видеть только чрезвычайно ограниченный диапазон длин волн электромагнитного спектра – мы смогли изобрести чудесные «протезы», то есть телескопы. Итак, теперь мы можем «видеть» небесные объекты, которые находятся на таких огромных расстояниях, что нам приходится измерять их в тысячах миллионов световых лет.

По мере того, как наша способность «видеть» дальше и более детально выросла, наше представление о Космосе изменилось, и это изменение было драматическим в последнее время (рис. 2). Если мы оглянемся только до эпохи Возрождения, то обнаружим «Коперниканскую революцию», которая удалила Землю из центра Вселенной, превратив ее в простой спутник Солнца и показав нам, что небесная материя имеет ту же природу. как и мы – не более божественны, чем собственная пыль Земли. Какое-то время мы были в восторге от таких неожиданных и фантастических вещей, и нас развлекала точная механика небес, изучая движение тел, составляющих нашу Солнечную систему.В результате мы поверили в совершенство космических часов и неизменность Вселенной.

Менее века назад это совершенство и безмятежность рухнули. Во-первых, наука подтвердила существование множества других «островных вселенных», расположенных за пределами нашего Млечного Пути – до тех пор мы считали его уникальным скоплением звезд и туманностей, окруженным бесконечной пустотой. Затем мы обнаружили, что чем дальше они были, тем быстрее отделялись друг от друга.Итак, наконец, мы должны были признать, что Вселенная расширяется, становится больше и холоднее. Достаточно было постулировать это расширение в обратном порядке, чтобы прийти к первоначальному сингулярному моменту, а оттуда к идее «Большого взрыва», который был источником всего. Наряду с этим было открытие энергии, заставляющей звезды сиять, что заставило нас признать, что Вселенная находится в постоянной эволюции. Он не статичен и не вечен, и все, что в нем есть, «живое», включая звезды и галактики.Таким образом, мы можем наблюдать рождение и смерть небесных объектов во всех частях Вселенной в непрерывных процессах трансформации и повторного использования.

И внезапно мы с удивлением обнаруживаем, что расширение Вселенной ускоряется! Итак, снова наша космология находится в перевороте. Это глобальное ускорение заставляет нас перестроить здание космической физики с нуля, придумав некий вид таинственной энергии, связанной с тем, что мы называем вакуумом, который заполняет и толкает все.Энергия, которая производит антигравитационные силы, способные противостоять предсказуемому взрыву, и обладающая такой огромной силой, что она может ускорить расширение пространства.

Итак, дорогой читатель, давайте исследуем узкую тропу, проложенную наукой в поисках структуры и эволюции Вселенной, к которой мы принадлежим.

Вселенная ускоряется

Одна из больших практических проблем, связанных с исследованием краев Вселенной, – это точное определение расстояний.Не вдаваясь в технические подробности, мы можем сказать, что мы используем сверхновые звезды «типа 1a» (конечные звезды, каждая из которых имеет практически одинаковую внутреннюю яркость) в качестве маркерных маяков, что позволяет нам определять расстояние до очень далеких галактик. Идея проста: если все такие звезды одинаково ярки в точке своего происхождения, то степень яркости данной сверхновой при наблюдении с Земли покажет расстояние до нее и, следовательно, расстояние до галактики, к которой она принадлежит.

Используя эту технику, исследовательские группы под руководством Сола Перлмуттера и Адама Рисса смогли независимо определить расстояние до галактик, в которых произошли взрывы сверхновых такого типа.Когда они сравнили полученные данные с красным смещением этих галактик, которое измеряет расширение Вселенной, они с удивлением обнаружили, что чем дальше галактики, тем медленнее скорость расширения. Другими словами, в прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем сегодня. Итак, Вселенная теперь управляется ускоренным расширением.

Эти наблюдения групп Перлмуттера и Рисса представляют собой первые данные наблюдений о том, что скорость расширения Вселенной не была однородной на протяжении всей ее очень долгой истории.Этот факт чрезвычайно важен, как мы увидим позже.

Но перед этим давайте задумаемся на мгновение об идее расширения Вселенной. Это одна из фундаментальных концепций современной науки, но она по-прежнему остается одной из самых малоизученных. Большинство людей представляют Большой взрыв как некую огромную бомбу, которая взорвалась в какой-то точке космоса, выталкивая материю наружу из-за разницы давлений, вызванной этим взрывом. Но для астрофизиков Большой взрыв был не взрывом «в космосе», а скорее взрывом «космоса», и это действительно важный нюанс.В этом типе своеобразного взрыва плотность и давление в космосе поддерживаются постоянными, хотя со временем они уменьшаются.

Визуальная метафора этого взрыва – воздушный шар. По мере надувания любые детали, напечатанные на поверхности, отдаляются друг от друга, так что все становится дальше от всего остального. Эта двухмерная идея очень наглядна, но у нее есть проблема: она может заставить нас поверить, что, как и у воздушного шара, у Большого взрыва также был центр, единственная точка, из которой он расширялся.Фактически, Большой взрыв произошел во всех точках пространства одновременно, а не в какой-либо конкретной, что согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна. Согласно наиболее распространенным моделям, Вселенной не нужен ни центр, из которого она могла бы расширяться, ни пустое пространство, в которое она могла бы расширяться. Эти модели даже не требуют более трех измерений, несмотря на тот факт, что некоторые теории, такие как «теория струн», требуют еще нескольких измерений. Их теоретическая основа – теория относительности, которая устанавливает, что пространству нужно только три измерения, чтобы расширяться, сжиматься и искривляться.Более того, нам не следует думать, что сингулярное событие в источнике Большого взрыва было чем-то маленьким, «начальным атомом», как иногда говорят. Потому что это генерируется независимо от того, какой размер может иметь Вселенная, конечная она или бесконечная.

Давайте теперь вспомним, что атомы излучают и поглощают свет на очень определенных длинах волн, независимо от того, находятся ли они в лаборатории или в далекой галактике. Но в последнем случае мы видим сдвиг в сторону более длинных волн («красное смещение»). Это потому, что по мере расширения пространства электромагнитные волны растягиваются, становясь краснее.Этот эффект позволяет измерить скорость, с которой галактики отделяются друг от друга, называемую скоростью удаления. Следует подчеркнуть, что космологическое красное смещение не является нормальным эффектом Доплера, который происходит в космосе, и его формулы также различны.

Несмотря на общее расширение пространства, есть галактики, такие как наша соседка Андромеда, которые приближаются и, кажется, не подчиняются закону расширения. Это очевидные исключения, вызванные тем фактом, что вблизи больших скоплений материи гравитационная энергия становится преобладающей, заставляя эти гигантские рои звезд вращаться друг вокруг друга.Далекие галактики также представляют эти локальные динамические эффекты, но с нашей чрезвычайно далекой точки зрения они затмеваются своей огромной скоростью удаления.

Что еще более усложняет ситуацию, Вселенная не только расширяется, но и делает это со все более быстрыми темпами. Эта ситуация побудила ученых восстановить константу, которую Эйнштейн ввел в своей Общей теории относительности для поддержания парадигмы стационарной Вселенной. Когда мы думали, что живем в замедляющейся Вселенной, было логично думать, что со временем мы сможем видеть все больше и больше галактик, но в ускоряющейся Вселенной должно быть все наоборот.Космический горизонт событий, определяемый конечной скоростью света и возрастающей скоростью удаления пространства, отмечает границу, за которой происходящие события никогда не будут нами видны, потому что информация, которую они излучают, не может достичь нас. По мере увеличения скорости расширения космоса мы постепенно теряем расположение одной галактики за другой, начиная с самых далеких.

Темная энергия

Тот факт, что Вселенная ускоряется, застал астрономов и физиков врасплох, и они полны научных предположений, чтобы объяснить это.Человеческое воображение способно изобрести множество поистине гениальных теорий, но останутся только те, которые могут объяснить все наши наблюдения. Астрономические наблюдения продолжают оставаться пробным камнем любой теории, и какой бы элегантной она ни была, ее нужно будет подтверждать наблюдениями. Именно поэтому ученые кажутся медлительными и консервативными, действующими крайне осторожно, изменяя устоявшиеся теории и парадигмы.

Одной из непосредственных форм интерпретации ускоренного расширения было бы рассмотрение того, что гравитация не подчиняется тем же законам в нашем ближайшем окружении, что и в супергалактическом масштабе, и что такие расстояния не могут тормозить расширение, потому что сила притяжения гравитации не распространяется до бесконечности. расстояние.Другое предположение, которое уже было сформулировано, состоит в том, что наблюдаемое ускорение на самом деле вызвано самим временем, которое постепенно замедляется. Но космологи предпочитают поддерживать универсальность физических законов, установленных на планете Земля и ее окрестностях, и они начали постулировать существование своего рода космической жидкости с противоречивыми свойствами, которая наполняет все и проявляется в форме неизвестной энергии, называемой « темная энергия », которая скорее отталкивает, чем привлекает.Его мощность будет настолько велика, что он очень эффективно преодолеет гравитационное притяжение огромных масс галактических кучевых образований и суперкумулей.

В настоящее время имеющиеся наблюдения, похоже, подтверждают эту темную энергию. Как мы упоминали выше, первые наблюдения были сделаны с помощью фотометрии сверхновых типа 1a, которые показали, что самые старые галактики расширяются медленнее, чем в настоящее время. Но измерения излучения космического микроволнового фона (или «фонового излучения») приводят к тому же выводу.

Обнаруженное в 1965 году Пензиасом и Уилсоном, это излучение представляет собой фоновый шум, который заполняет все, и его открытие послужило подтверждением моделей Большого взрыва. Намного позже стало возможным обнаруживать анизотропию (зависимость от направления) в космическом микроволновом фоне, и хотя они чрезвычайно малы – около 0,00001% – они полны информации о происхождении структуры гигантского Космоса, который мы видим. Итак, теперь вклад темной энергии кажется необходимым для завершения плотности Вселенной, измеряемой космическим микроволновым фоном.Поскольку размеры неоднородностей фонового излучения являются отражением глобальной геометрии пространства, они служат для количественной оценки плотности Вселенной, и эта плотность значительно больше, чем простая сумма обычной и экзотической материи. Более того, модификации, которые гравитационные поля больших космических структур вызывают в этом излучении, зависят от того, как изменилась скорость расширения. И этот показатель согласуется с предсказаниями моделей темной энергии.

Распределение скоплений галактик следует определенным закономерностям, соответствующим «пятнам», наблюдаемым в фоновом излучении, и эти пятна можно использовать для оценки общей массы Вселенной (рис.3). Оказывается, эти модели тоже требуют темной энергии. И исследования распределения гравитационных линз (помните, что очень массивные объекты ведут себя как линзы, искривляя траектории света), похоже, нуждаются в темной энергии, чтобы объяснить рост скоплений материи с течением времени. Но не все подтверждает его существование. Есть наблюдения, которые невозможно объяснить с помощью этих моделей, в том числе обилие самых далеких скоплений галактик.

Многие исследователи пытаются предположить, что темная энергия является причиной аспектов, необъяснимых предыдущими моделями.Накапливаются данные, и модели становятся все более точными, и, несомненно, будут добавлены новые указания и даже доказательства, учитывая лихорадочную активность, вызванную этим удивительным ускорением Вселенной среди ученых.

Вездесущность темной энергии настолько тонка, что, несмотря на то, что она наполняет все, до сих пор оставалась незамеченной. Он очень разбавлен и не накапливается в виде «комков», как материя. Для того, чтобы его эффекты были заметны, необходимо очень много пространства и времени, даже если это самая мощная энергия в Космосе.Позвольте мне добавить, что в этой энергии, которая действует как сила отталкивания и, следовательно, имеет отрицательное давление, есть две возможности: так называемая «фантомная энергия» и то, что было названо «квинтэссенцией». Все это вызывает очень много воспоминаний, но с научной точки зрения их трудно переварить, поскольку это силы, которые мы не понимаем и не можем наблюдать.

Совершенно логично думать, что если такая энергия представляет более трех четвертей нашей Вселенной, она должна была иметь огромное влияние на всю эволюцию последней, определяя ее крупномасштабную структуру и образование кумулов галактик.Сама эволюция галактик должна быть отмечена ее вездесущностью. Мы знаем, что образование галактик и их группировка в кучевые образования определяется их собственными взаимодействиями, столкновениями и слияниями – наш собственный Млечный Путь считается результатом слияния, возможно, миллиона карликовых галактик – поэтому темная энергия, должно быть, сыграла значительная роль во всем этом. Тем не менее ясное подтверждение придет, когда мы сможем определить, совпадает ли начало преобладания ускоренного расширения по времени с концом образования больших галактик и сверхкумулов.

Вселенная в четырех измерениях

Я много думал о том, как проиллюстрировать то, что мы знаем сегодня о структуре нашей Вселенной. Это совсем непросто по многим причинам, и не только из-за сложности упрощения для неспециалистов, не оставляя никаких незавершенных деталей, которые мы принимаем как должное.

Если мы рассматриваем Вселенную как все, что существует, от мельчайших до самых гигантских сущностей, одним из способов показать их структуру будет инвентаризация всех таких элементов и их иерархическое упорядочение в пространстве.Но это было бы неполным, если бы мы не перечислили их взаимосвязь и взаимосвязь. Более того, ничто из этого – ни элементы, ни их взаимосвязи – не статичны, все это постоянно взаимодействует и изменяется. Мы должны понимать, что, как таковые, у нас не может быть «снимка» того, что есть во Вселенной в настоящее время, потому что, когда мы смотрим в телескоп в одном направлении, чем глубже смотрит наш взгляд, тем дальше мы идем назад во времени. . Таким образом, мы смотрим на клин истории Вселенной, а не на снимок.Тем не менее, поскольку все направления во Вселенной статистически идентичны, то, что мы видим в любом направлении на расстоянии в тысячи миллионов световых лет, должно быть представлением того, как была наша собственная или любая другая область пространства на тысячи миллионы лет назад.

Давайте сделаем это шаг за шагом. Во-первых, мы должны помнить, что в соответствии с тем, что мы уже сказали, более трех четвертей нашего Космоса теперь являются формой той загадочной сущности, которую мы называем темной энергией, а более 85% остального – это то, что называется «темной материей». , ”Которого мы не можем видеть, потому что, хотя он взаимодействует с гравитацией, он не взаимодействует с излучением.Другими словами, «обычная материя» составляет не более трех процентов всей Вселенной. И нам удается увидеть лишь крохотную часть последних, сосредоточенную в звездах и галактиках. То, что мы называем обычной материей, на самом деле является барионной материей – протонами, нейтронами и т. Д., Из которых мы сами созданы. Большая часть такого вещества принимает форму ионизированной газовой плазмы, и лишь малая ее часть находится в твердом или жидком состоянии. Как трудно осознать, что необъятные океаны и твердый грунт на поверхности Земли, по которому мы так уверенно ступаем, невероятно редки в нашей Вселенной! Но наука научила нас признать, что мы живем в очень экзотическом месте в повседневной части Космоса.

С другой стороны, панорама не может быть более обескураживающей: несмотря на наши элегантные научные предположения, мы не имеем ни малейшего представления о природе 97% того, что составляет нашу Вселенную! Конечно, просто осознание этого – уже большой триумф великого человеческого приключения в поисках знаний.

Наша собственная природа побуждает нас двигаться и понимать вещи в трех пространственных измерениях плюс время. И это пространство-время является контекстом, в котором разрабатывается большинство релятивистских моделей.Вот почему я собираюсь описать структуру Вселенной в четырех измерениях. Но сначала я должен хотя бы упомянуть модели «мультивселенных», полученные из теории суперструн. Это элегантные физико-математические рассуждения о множественных вселенных, в которых наша трехмерная Вселенная будет всего лишь одной трехмерной проекцией, установленной в глобальном пространстве из девяти.

Ниже я постараюсь предложить доступное описание того, как астрономы представляют себе Вселенную в настоящее время в ее истории.После этого я остановлюсь на некоторых наиболее важных этапах его эволюции.

В больших масштабах Вселенная, которую мы теперь можем рассматривать с помощью наших телескопов, кажется немного старше 13 миллиардов лет и чрезвычайно пуста. Материя, по-видимому, очень сконцентрирована и иерархически организована вокруг гравитационных полей звезд с их планетными системами, галактик, галактических кучевых образований и суперкумулей (рис. 4). Огромные планетарные, межзвездные и межгалактические пустоты заполнены очень разбавленным веществом, которое фактически составляет большую часть обычного вещества.Темная материя также накапливается и упорядочивается аналогичным образом, поскольку она тоже управляется гравитацией. Однако темная энергия действует как раз наоборот: она равномерно распространяется по всей Вселенной.

Если бы мы увеличивали масштаб, приближаясь к каждой части нашей собственной галактики – Млечному Пути, – мы бы обнаружили блестящие планетные системы с одним или несколькими солнцами, с их планетами, спутниками, кометами и мириадами более мелких объектов, вращающихся вокруг друг друга. и вокруг их соответствующих центров масс. И поскольку в любой галактике их может быть сотни тысяч миллионов, некоторые из них будут новыми, появятся из облаков межзвездной пыли и газа, среди конвульсий и перестроек, в то время как другие находятся на заключительной стадии, взрываясь и взрываясь, изгоняя раскаленную материю. , частицы и радиация в очень красивом, но кошмарном зрелище.Большинство галактических объектов, конечно же, будут на промежуточных стадиях своей жизни. Описание жизни и чудес такой многогранной и разнообразной галактической «фауны» вышло бы за рамки данной статьи, хотя и было бы полно красок, красоты и драматизма. Другой вопрос, который для нас гораздо важнее, – это вопрос о существовании жизни за пределами нашей планеты. Если бы жизнь существовала в разных частях Вселенной, она должна была бы влиять – хотя мы еще не знаем, что это могло бы быть – на ее структуру.Это вполне может привести к корректировке нашего представления о Космосе, даже большей, чем те, которые мы сейчас должны внести в результате ускорения Вселенной.

Огромные рои звезд, газа, пыли и большого количества темного вещества, из которых состоят галактики, не изолированы в космосе. Напротив, мы видим, что они сильно связаны друг с другом гравитацией. И эти связи ведут к группам, называемым галактическими кучами, которые, в свою очередь, связаны, образуя галактические сверхкумулы. Такие огромные скопления материала, похоже, организованы в сетки, похожие на паутину, с предпочтительными нитевидными направлениями в десятки миллионов световых лет.И все это плавает в огромных пустотах.

Мы не должны забывать, что вся эта грандиозность полностью активна и что все небесные объекты движутся с невероятной скоростью. Таким образом, представить себе Вселенную, которая механически регулируется, как некие совершенные часы, – это самое далекое от реальности. Взаимодействия многочисленны, а столкновения часты. Эти столкновения – внешних слоев звезд с их окружением, межзвездных облаков и супероблаков, или даже между галактиками – оказываются наиболее эффективными механизмами точной настройки галактик и мобилизации космического окружения (рис.1). Кажется, что энергия высвобождается в невероятно жестоких явлениях, которые мы можем наблюдать по всей Вселенной, порождая новые небесные объекты.

И каждая частичка этой надстройки также пропитана темной энергией, которая эффективно противодействует гравитации, расширяя пространство с ускоряющейся скоростью и, несомненно, порождая прямую или косвенную активность на всех уровнях космической структуры. Тот факт, что мы еще не знаем об этом, не означает, что этого не происходит.

Мы можем сохранить это упрощенное изображение гигантской бурной Вселенной в ускоренном расширении с ее материей – обычной материей, из которой мы сами сделаны, и темной материей – сосредоточенной в островах, полных действия, толкаемых гравитацией, равномерно погруженных в темная энергия и купалась в электромагнитном излучении.И в одном крошечном пятне, нашей крошечной Земле, наполненной жизнью, танцующей в космосе.

После этого полукинематографического изображения того, как мы понимаем, какой должна быть текущая структура Вселенной, мы должны немного сказать об основных этапах ее жизни. Потому что то, что мы видим сегодня, включая жизнь, которая процветает на планете Земля, является следствием ее общей эволюции, которая определяется законами, которые мы пытаемся открыть. Фактически, поиски знаний о рождении и эволюции каждой части Космоса – это то, что в настоящее время лежит в основе всех астрономических исследований.

Эволюция Вселенной

Много было написано о стреле времени, пытаясь выяснить, куда движется эволюция нашей Вселенной, и, поскольку у нее было начало, выяснить, каким будет ее конец. Посмотрим, что обо всем этом можно внятно сказать, стоя обеими ногами на земле.

С тех пор, как Вселенная перестала казаться неизменной в начале прошлого века, мы стремились узнать ее историю и, прежде всего, ее эволюцию.Потому что это ключ к происхождению нашей собственной истории и разумной жизни на других планетах в других звездных системах. Но история – это история событий во времени, и кажется, что время, наше время, началось с той самой Вселенной, к которой мы принадлежим. И мы еще не знаем наверняка, в чем может заключаться реальная сущность этого физического параметра. Не вдаваясь в глубокие рассуждения, мы можем считать время таким, каким мы его интуитивно представляем: единообразная непрерывность, идущая от Большого взрыва к далекому будущему.

Почти вся информация, которую мы получили из космоса, приходит в форме электромагнитного излучения, и первый ретроспективный снимок Вселенной сделан на космическом микроволновом фоне. К тому времени Вселенной было около 400 000 лет, и уже произошло много событий огромной важности. Мы можем сделать вывод о том, что это за вещи, используя наши космогонические модели, наиболее распространенная из которых известна как Стандартная модель. Мы не должны забывать, что эта модель описывает то, что произошло после Большого взрыва, но не дает информации об этом событии как таковом.Мы также должны помнить, что модель была разработана до открытия ускоренного расширения, и три столпа, на которых она стоит, – это замедление расширения, космический микроволновый фон и первичный нуклеогенез, который произвел первые легкие элементы, которые продолжают доминировать над материей. Ключ к этой модели заключается в том, что вначале Вселенная была очень горячей и очень плотной, а по мере расширения становилась все холоднее и менее плотной.

Продолжает появляться множество новых и весьма умозрительных моделей, объясняющих природу и рождение материи и ее взаимодействия, и они настолько сложны, что понятны только тем, кто работает в этой области.Однако их эмпирическим обоснованием являются астрономические наблюдения и эксперименты с крупными ускорителями частиц, которых все еще недостаточно, чтобы пролить свет на такое количество физико-математических спекуляций. Я говорю все это, чтобы избежать неправильного представления о том, что большинство сбивающих с толку вещей, которые говорится о первых моментах Вселенной, включая то, что я собираюсь сказать, являются научным фактом.

Сразу после Большого взрыва, с которого все началось, всего за первые 1035 секунд, когда все фундаментальные силы еще были объединены, космос подвергся колоссальному экспоненциальному расширению.Он вырос в 1026 раз всего за 1033 секунды. Это то, что предлагают инфляционные модели, и они полагаются на данные по радиационному фону. Это ускоренное расширение уменьшило все, что существовало ранее, сгладило возможные вариации его плотности. Таким образом, это первое ускоренное расширение, подразумевающее нечто столь непостижимое, как идея о том, что энергия должна быть положительной и оставаться почти постоянной – «почти» здесь очень важно – в то время как давление отрицательное (рис. 5). Это заканчивается внезапным падением плотности.Очевидно, мы не знаем, как и почему эта инфляция началась и остановилась.

Рисунок 5 . Хотя невозможно реалистично представить расширение пространства, не говоря уже о его необычайном «раздувании», мы можем получить предварительное, хотя и значительно упрощенное, представление о его расширении во времени, используя график, показанный выше. Он использует логарифмическую шкалу, чтобы детали были видны. И «инфляция», и «ускоренное расширение» разделяют отрицательное давление, которое противостоит гравитационному притяжению.Нам еще предстоит раскрыть природу этих явлений. МАК.

В период инфляции плотность пространства колебалась минимально из-за статистической природы квантовых законов, действующих на субатомных уровнях. Но эти неоднородности экспоненциально расширились за счет инфляции, что привело к анизотропии космического микроволнового фона. Это семена, знаменующие грандиозную судьбу Вселенной; они являются зародышами макроструктур галактик и галактических кучевых образований, которые мы видим сегодня.Вселенная вышла из этого периода в нагретом состоянии, а потенциальная энергия пустоты преобразовалась в горячие частицы.

Продолжить это краткое описание эволюции Вселенной, основанное на наиболее распространенных моделях; различные частицы и античастицы вместе с их взаимодействием создали сами себя, поскольку это было разрешено продолжающимся расширением и охлаждением Вселенной. Всего через 105 секунд после Большого взрыва барионы уже существовали. Этот «суп» из частиц в непрерывном рождении и смерти продолжал охлаждаться, и почти все частицы вещества и антивещества аннигилировали друг друга.Но по неизвестным причинам был небольшой избыток барионов, которые не нашли частицы антивещества, против которых аннигилировали, и, таким образом, пережили вымирание.

Когда температура упала примерно до 3000 градусов, протоны и электроны стали способны объединяться и образовывать электрически нейтральные атомы водорода. Таким образом, материя перестала быть связанной с излучением, поскольку фотоны перестали так интенсивно взаимодействовать с веществом, и свет распространился по всему телу. Эти самые первые фотоны составляют излучение микроволнового фона.К тому времени Вселенной было около 400 000 лет, и, как мы видели, произошли очень важные события. Одним из них был «изначальный нуклеосинтез», который определил абсолютное преобладание водорода и гелия во Вселенной. Этот процесс, управляемый расширением, должен был произойти всего за несколько минут, поэтому нуклеосинтез генерировал только самые легкие элементы.

За этим последовал серый период, простирающийся от высвобождения излучения, составляющего космический микроволновый фон, до возрождения света при рождении первых галактик и звезд.Мы очень мало знаем об этом периоде Вселенной, потому что здесь нет излучений, которые нужно наблюдать. Тем не менее, это было решающим, потому что именно тогда гравитация начала собирать объекты, которые теперь населяют Космос. Это закончилось в первые миллионы лет, когда звездный свет стал достаточно сильным, чтобы его ультрафиолетовое излучение могло ионизировать газ, который сейчас доминирует в межгалактическом пространстве. Звезды, излучающие этот свет, были очень своеобразными – сверхмассивными звездами массой в сотню и более солнечных масс, состоящими исключительно из водорода и гелия.Все это подтверждается наблюдениями за спектрами самых далеких квазаров, галактик и взрывами гамма-лучей, а также открытием далеких галактик менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

Считается, что галактики и звезды начинают формироваться, когда область пространства с большей плотностью, чем ее окружение, начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Не будем забывать, что галактики состоят в основном из темного материала, который нельзя наблюдать напрямую.Несмотря на то, что такая область подвержена общему расширению, избыток материи приводит к ее сжатию, создавая связанный объект, который может быть звездой, звездным кучевым облаком или галактикой. Конечно, придется внести много дополнений и нюансов, чтобы объяснить, что мы знаем обо всем этом, а это довольно много. И в настоящее время ведется бесчисленное количество исследовательских проектов по изучению происхождения и эволюции звезд и галактик. Здесь я могу указать только основной механизм, который породил большинство наблюдаемых нами объектов.

Судя по всему, в течение первых нескольких миллиардов лет существования Вселенной происходили частые столкновения между галактиками, гигантские вспышки звездообразования внутри них и образование черных дыр с массой более миллиарда миллионов солнечных. Таким образом, это был чрезвычайно энергичный и волнующий период. Сейчас эта беспорядочная активность, похоже, снижается, возможно, в результате ускоренного расширения. В ближайших частях Вселенной мы обнаруживаем такую огромную активность только в меньших галактиках.Более крупные, такие как Млечный Путь или Андромеда, более спокойны и, кажется, вступили в стадию зрелости.

Мы еще не можем сказать, когда ускорение стало преобладать над замедлением, хотя было указано, что это должно было произойти, когда Вселенной было около восьми миллиардов лет. Ранее мы упоминали, насколько ученые размышляют о влиянии темной энергии. Несомненно, как только подтвердится реальность двух конкурирующих энергий – гравитации, которая пытается соединить материал; и темная энергия, которая пытается разделить ее – потребуются новые модели, чтобы объяснить все наши наблюдения.Но нам придется подождать, пока новые телескопы на Земле и в космосе не начнут производить важные данные, прежде чем мы сможем считать их заслуживающими доверия. В этом смысле мы возлагаем большие надежды на Gran Telescopio Canarias, который будет полностью готов к эксплуатации в 2009 году (рис. 6). Телескопы – единственные машины времени, и чем больше их зеркала, тем глубже они могут заглядывать в Космос и тем дальше во времени мы можем видеть. С их помощью мы стремимся наблюдать за рождением и эволюцией самых ранних объектов.

Ввиду их важности для нас, мы должны добавить, что наше Солнце и его Солнечная система родились, когда Вселенной должно было быть около девяти миллиардов лет.Они происходят из облака переработанной материи, произведенной внутри предыдущих звезд, и выброшенной в межзвездную пустоту. Химические элементы органических молекул, которые поддерживают все формы жизни на нашей планете, не могли быть созданы in situ и должны были уже находиться в протопланетном диске, что позволяет нам с уверенностью сказать, что «мы – звездная пыль». И это гораздо больше, чем просто стихи.

Еще совсем недавно будущее Вселенной предсказывалось на основе гравитационной энергии и термодинамики в зависимости от количества материала, который она содержала.Если его масса была больше критического значения, рассчитанного в соответствии с общепринятыми моделями, было предсказано, что его расширение будет расти медленнее, пока он не взорвется, как часть колеблющегося процесса Больших взрывов и их последующих взрывов. Если бы это было не так, мы бы продолжали расширяться бесконечно. Теперь мы должны принять во внимание ускорение Вселенной, и это заставляет нас вообразить иное будущее.

Конец

Если ускоренное расширение продолжится, галактики начнут исчезать из поля зрения по мере того, как они пересекают горизонт событий, начиная с самых далеких.Через несколько миллиардов лет соседние галактики сольются, образуя гигантскую группу звезд, связанных гравитацией, мегасупергалактику или «месугу», окутанную темным пустым пространством. Излучение микроволнового фона будет настолько разбавлено, что его невозможно будет обнаружить. Задолго до того, как все остынет и закончится, мы будем изолированы в космосе, и наша доступная Вселенная будет только нашей собственной «месугой».

Мрачный конец нашего физического мира. Но так ли это конец? Какой будет внутренняя эволюция бесчисленных миллионов «месуг», когда они станут изолированными? Будет ли существовать механизм, который каким-то образом связывает их, даже если расстояние между ними продолжает расти с ускоряющейся скоростью?

Ясно, что мы никогда не теряем надежды и не теряем воли к вечности! Потому что мы такие.Более того, мы созданы для того, чтобы быть любопытными. У нас есть желание знать, и у Sapiens-Sapiens это стремление кажется таким же основным, как и желание воспроизводить. Может ли это иметь какое-то отношение к расширению Вселенной?

В настоящее время совместное существование двух противоположных энергий – гравитации и темной энергии – кажется необходимым для образования Вселенной, а также нашего Солнца и Земли внутри нее, так что, следуя трудоемкому процессу эволюции, наши собственные родители могли родить каждого из нас.Если бы темная энергия была немного слабее или немного мощнее, вы бы не читали эту книгу сейчас, и я не был бы здесь, чтобы написать ее. Спускаемся ли мы до минимального уровня недавно открытых субъядерных частиц или теряемся в необъятности Космоса, мы обнаруживаем, что все находится в постоянной активности, движимой мощными силами. И то же самое можно сказать о жизни во всех ее аспектах, будь то одноклеточные организмы или непроходимые леса – и там активность непрерывна.Это должно быть что-то созвучное нашей Вселенной: нет ничего статичного, все есть действие и эволюция. Энергия в изобилии и, кажется, тратится впустую: катастрофические эпизоды огромной мощности часты в галактиках и звездах. Это постоянное и часто катастрофическое волнение является проявлением того, что мы могли бы назвать «космическим импульсом», который наполняет и подталкивает все. Этот импульс выражается в виде энергий, которые мы могли бы попытаться систематизировать, каталогизировав их в двух больших группах: «физические энергии» и «жизненные энергии».«В какой-то момент необходимо будет концептуализировать все это в математической форме.

Любой, кто наслаждался звездными ночами в пустыне, вдали от грязной суеты и суеты наших городов, и позволял себе увлечься своими ощущениями, чувствами и воображением в этом состоянии благодати, почувствует глубокую силу фундаментальные вопросы. Даже если ни один из них не получил ответа на предыдущих страницах, внимательный читатель почувствует блестящую искру человеческого разума, успешно противостоящую необъятности Вселенной и ее заманчивым загадкам.Истина в том, что даже несмотря на то, что наше невежество граничит с бесконечностью, то, что мы уже знаем, весьма значимо и представляет собой заметный триумф, возвышающий достоинство всего человечества. Пока этот невероятный, злой и упрямый, но любящий и умный вид продолжает существовать, он будет продолжать вопросительно смотреть в небеса.

Библиография

Адамс, Фред С. и Грег Лафлин. Пять возрастов Вселенной: внутри физики вечности. Free Press, 2000.

Колдуэлл, Роберт Р.«Темная энергия». Мир физики, л.17 / 5, 2004, 37–42.

Колдуэлл, Роберт Р., М. Гамионковски и Н. Н. Вайнберг. «Призрачная энергия и космический конец света». Письма о физических проверках, 91/071301, 2003.

Дайн, М. и А. Кусенко. «Происхождение асимметрии материи и антивещества». Обзоры современной физики, 76, 2004, 1–30.

Фридман, У. Л. и Майкл Тернер. «Измерение и понимание Вселенной». Обзор современной физики, 75, 2003, 1433–1447.

Харрисон, Эдвард Р.Космология: наука о Вселенной. Издательство Кембриджского университета, 2000.

Герцберг, Марк, Р. Тегмарк, Макс Шамит Качру, Джесси Шелтон и Онур Озкан. «Поиск инфляции в простых моделях теории струн: астрофизическая перспектива». Physical Review, 76/103521, 2007, 37–45.

Киршнер, Роберт П. Экстравагантная вселенная: взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос. Princeton University Press, 2004.

Краусс, Лоуренс и Гленн Старкман. «Жизнь, вселенная и ничего: жизнь и смерть в постоянно расширяющейся вселенной.”Астрофизический журнал, 531/22, 2000, 22–30.

Пиблз, П. Дж. Э. и Б. Ратра. «Космологическая постоянная и темная энергия». Обзор современной физики, 75, 2003, 559–606.

Примак, Джоэл и Нэнси Эллен Абрамс. Взгляд из центра Вселенной: открытие нашего необыкновенного места в космосе. Риверхед, 2006.

Шелк, Джозеф. Бесконечный космос: вопросы с рубежей космологии. Oxford University Press, 2006.

Шриананд Т.А., Петижан П. и К.Леду. «Температура космического микроволнового фонового излучения при красном смещении 2,34». Природа, 408/6815, 2000, 93–935.

Уилсон, Джиллиан и др. «История звездообразования с момента z = 1, полученная на основе эволюции плотности ультрафиолетовой светимости в неподвижном кадре». Астрономический журнал, 124, 2002, 1258–1265.

Структура Вселенной | Наука и технологии

Лаборатория реактивного движения по исследованию структуры Вселенной охватывает широкий круг вопросов, касающихся понимания эволюции Вселенной, начиная с образования первых галактик и продолжаясь до настоящего времени.Эти исследования включают наблюдения сверх- и сверхсветовых галактик, активных ядер галактик, темной энергии и распределения материи во Вселенной. Исследователи изучают их физику и их влияние посредством наблюдений на всех длинах волн. Это исследование также включает исследования общей теории относительности и ее приложений, коричневых карликов, звездообразования и его влияния на Галактику и локальную вселенную.

Текущие исследовательские задачи

Эволюция галактик, галактики и скопления галактик на большом красном смещении, активные ядра галактик, выравнивание галактик, темная материя и темная энергия
Исследования излучения межзвездных линий с помощью зондирования межзвездных молекулярных облаков и областей звездообразования Млечного Пути и других галактик
Отображение интенсивности для исследования галактик в ранней Вселенной по их совокупному излучению

Избранные темы исследований

Гравитационное линзирование

Изображение

Космический телескоп Хаббла показывает кольцо Эйнштейна одной из гравитационных линз Слоановской линзы ACS (SLACS) с линзовой фоновой галактикой, усиленной синим цветом.

Слабое и сильное гравитационное линзирование может помочь решить загадку темной энергии, помогая составить карту истории расширения Вселенной, измерить рост структуры и даже исследовать саму природу темной материи. Исследовательские усилия JPL сосредоточены на теории и моделировании, работе с новейшими данными из космоса, а также наземных обсерваторий, а также на разработке будущих космических миссий, которые будут оптимально использовать слабое линзирование и обнаруживать и использовать сильные гравитационные линзы для решения этих фундаментальных проблем. проблемы.С этой целью исследователи JPL являются активными участниками многих миссий и совместных проектов, включая Euclid, WFIRST, LSST, обзор ACS Sloan Lens (SLACS), космический телескоп Хаббла (HST), координаты, размеры, величины, ориентации и формы ( COSMOS), Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH) и другие.

NuSTAR

Составное изображение, состоящее из данных NuSTAR (пурпурного цвета) и оптического изображения спиральной галактики IC 342. Два пурпурных пятна показывают две очень активные системы черных дыр – слишком мощные, чтобы быть черными дырами звездной массы, но недостаточно мощные, чтобы быть AGN.Это могут быть кандидаты на роль неуловимых черных дыр «промежуточной массы», которые часто предсказывают, но еще не подтверждают. Изображение предоставлено: NASA

Ядерная спектроскопическая телескопическая решетка (NuSTAR) – это первый фокусирующий телескоп с жестким рентгеновским излучением на орбите, позволяющий получать достоверные изображения в этой в значительной степени неизвестной области спектра. Группа телескопов проводила учет черных дыр во всех масштабах, составляя карту недавно созданного радиоактивного материала в туманностях от недавно взорвавшихся звезд и исследуя струи плазмы, выбрасываемые со скоростью почти со скоростью света из самого мощного АЯГ, чтобы понять что приводит в действие эти гигантские двигатели.

Космический телескоп Спитцер

Помимо изучения происхождения звезд и планет, инфракрасная обсерватория Спитцера также используется для изучения галактик на столь больших расстояниях, что позволяет нам видеть их такими, какими они существовали миллиарды лет назад. Весь свет этих галактик растягивается при расширении Вселенной примерно вдвое по сравнению с нормальной длиной волны. (Например, линия излучения кислорода с длиной волны 0,501 мкм и линия H | | с длиной волны 0,656 мкм смещены на 1.0 и 1,3 мкм.) В то время как местные галактики можно изучать в оптическом диапазоне длин волн, галактики с большим красным смещением лучше всего изучать в инфракрасном диапазоне. Спитцер исчерпал свой криогенный хладагент согласно плану, но обсерватория по-прежнему работает как теплая миссия (только охлаждение до температуры холодного космоса).

Структура Вселенной (объяснение за 10 минут)

(Как понять Вселенную за 10 минут)

Эта страница описывает то, что я считаю наиболее важным для понимания космоса: базовую структуру Вселенной.Это длинная страница, но на самом деле это не очень сложно. Если вы сможете понять все на этой странице, вы поймете о Вселенной больше, чем большинство людей.

Прежде чем мы начнем, вам нужно знать несколько вещей:

Солнце – звезда, похожая на все другие звезды, которые вы видите на ночном небе. Есть разные типы звезд, некоторые меньше Солнца, а некоторые намного больше.
Небесные объекты (например, звезды, планеты, луны) имеют тенденцию к вращению на вокруг своей оси, как волчок.Это делает Земля, это делает Луна и даже Солнце.
Небесные объекты стремятся к орбите (путешествуют вокруг) других небесных объектов. Более мелкие объекты вращаются вокруг более крупных (более массивных) объектов. Многие объекты могут вращаться вокруг одного и того же объекта. Один объект может вращаться вокруг другого объекта, который, в свою очередь, вращается вокруг еще более массивного объекта (и так далее).

А теперь приступим …

Мы живем на планете.

Он называется Земля . Как и все планеты, он имеет примерно сферическую форму.Земля вращается вокруг своей оси, и мы называем время, необходимое для совершения одного оборота, сутками .

У Земли есть одна луна, которая называется Луна . Луна обращается вокруг Земли каждые 27,32 дня. Мы аппроксимируем этот орбитальный период в единицы времени, которые мы называем месяцами (месяц = луна).

Если у вас есть небесный объект, вокруг которого вращается хотя бы одна вещь, вы можете назвать все это системой . Земля и Луна вместе с любыми другими объектами, вращающимися вокруг Земли, могут называться системой Земля (или иногда системой Земля / Луна).Система Земля путешествует как единое целое в космосе.

Система Земля вращается вокруг Солнца . Оборот вокруг Солнца занимает 365,25 дня, и мы называем это годом .

Есть восемь крупных планет (о которых мы знаем) и множество более мелких объектов, вращающихся вокруг Солнца. Солнце и все, что вращается вокруг него, составляют Солнечную систему , то есть систему, которая сосредоточена вокруг Солнца ( солнечная система = солнечная система ). Это означает, что…

Наша планета является частью Солнечной системы.

Все планеты вращаются против часовой стрелки, если смотреть «над» Солнечной системой (то есть над Северным полюсом Земли). Все планеты вращаются примерно в одной плоскости, образуя общую форму диска.

Одиночные орбиты Меркурия и Венеры без спутников. У Земли одна луна, у Марса – две, а на всех планетах-гигантах много лун.

Есть также бесчисленное множество более мелких объектов, вращающихся вокруг Солнца, включая Плутон, другие карликовые планеты, астероиды, метеороиды и кометы.

ПОМНИТЕ: Солнечная система состоит из Солнца и всего, что вращается вокруг Солнца.

Мы называем ее Солнечной системой , как будто она единственная, но на самом деле это не так. Далеко в глубоком космосе есть еще миллиарды «солнечных систем». Астрономы называют их планетными системами , то есть набором планет, вращающихся вокруг звезды.

На самом деле вы можете видеть другие планетные системы (вроде как), потому что, когда вы смотрите на звезды в ночном небе, вы смотрите на другие «солнца».У большинства этих звезд есть свои собственные группы планет, вращающихся вокруг них, точно так же, как наша звезда имеет семейство из восьми планет. Вы не можете видеть планеты в других системах, потому что они слишком маленькие и тусклые, но вы можете видеть их солнца.

Ясной ночью можно увидеть несколько тысяч звезд / планетных систем. Некоторые молодые, многие среднего возраста, а некоторые старые.

Большинство звезд на этой фотографии – солнца других планетных систем.

Планетарные системы – основные строительные блоки Вселенной.Каждая звезда и ее семейство планет – это единица, которая рождается вместе, живет и в конечном итоге умирает вместе (когда звезда умирает, это в значительной степени смертный приговор для всего, что находится на ее орбите).

Почти все, что вы видите в небе, находится далеко за пределами нашей Солнечной системы, но в целом это все еще относительно локально. Наряду с Солнечной системой, все отдельные звезды и планетные системы, которые вы видите, являются частью более крупной структуры …

Солнечная система является частью Галактики Млечный Путь.

Солнечная система и все соседние планетные системы являются частью галактики , которую мы называем Млечный Путь . Эта галактика состоит из примерно 200 миллиардов звезд, большинство из которых имеют планетные системы. Помните, что вы можете увидеть своими глазами только несколько тысяч этих звезд, поэтому вы смотрите только на очень небольшую часть Млечного Пути.

Млечный Путь имеет форму диска с яркой выпуклостью в центре, окружающей центр галактики .Выпуклость вызвана более высокой плотностью звезд около середины диска.

На изображениях ниже галактика показана “сверху” и сбоку. Вся наша Солнечная система представляет собой крошечную точку в этом масштабе.

Все в Млечном Пути, включая нашу Солнечную систему, вращается вокруг галактического центра. В самом центре галактики находится сверхмассивная черная дыра . Эта черная дыра для галактики то же самое, что Солнце для нашей Солнечной системы. Другими словами, Земля вращается вокруг звезды, вращающейся вокруг черной дыры.Нашей Солнечной системе требуется около 250 миллионов лет, чтобы совершить один оборот вокруг галактического центра. В последний раз, когда мы были в нашем нынешнем положении в галактике, динозавры еще не эволюционировали.

ПОМНИТЕ: Луна вращается вокруг Земли, которая вращается вокруг Солнца, которое вращается вокруг галактического центра.

Мы почти закончили, но нам нужно сделать еще один большой скачок в масштабе …

Галактика Млечный Путь является частью Вселенной.

Млечный Путь – одна из по крайней мере 100 миллиардов галактик известной Вселенной.Каждая галактика состоит из миллиардов звезд и планетных систем.

Млечный Путь, довольно типичная галактика, окружена несколькими карликовыми галактиками, которые вращаются вокруг нашей галактики. Ближайшая к нам похожая галактика – Андромеда, она находится на расстоянии около 2,5 миллионов световых лет и также окружена карликовыми галактиками. Галактики, показанные ниже, вместе с некоторыми другими, составляют набор галактик, называемый Местной группой .

В этом масштабе галактики могут двигаться в любом направлении относительно друг друга.В нашем случае галактика Андромеды движется по курсу столкновения с Млечным путем. Не волнуйся, это не твоя проблема.

Как следует из названия «Местная группа», это лишь некоторые из самых близких к нам галактик. Вся Вселенная невообразимо больше и действительно может быть бесконечно большой (мы точно не знаем). На изображении ниже показан гораздо больший участок Вселенной, в котором Местная группа представляет собой крошечную точку посередине (часть «скопления Девы»). Каждая крошечная белая точка представляет группу галактик.

В этот момент вы начинаете видеть крупномасштабную структуру Вселенной, в которой скопления и суперкластеры галактик расположены в виде структуры нитей накала. Примерно так Вселенная выглядит так далеко, как мы можем видеть.

В этом масштабе также есть отчетливая картина движения. Похоже, что, за некоторыми местными исключениями, все галактики имеют тенденцию удаляться от всех других галактик. Другими словами, Вселенная расширяется.Это была первая подсказка, которая в конечном итоге привела к теории Большого взрыва, но это уже другая история.

Мы закончим одним последним изображением … видимой Вселенной. Это не вся Вселенная, потому что мы не можем видеть так далеко, но мы предполагаем, что за ее пределами есть нечто подобное. Это вызывает вопросы о том, насколько все это велико, во что оно расширяется и т. Д. Извините, но эти вопросы придется подождать до следующего руководства (спойлер: мы действительно не знаем).

Вот и все. В идеале вы должны быть в состоянии пройти следующие тесты, но не беспокойтесь, если вы не сможете или это не произойдет естественным путем.Большинство людей считают, что для овладения этим материалом нужно время, но большинство людей также считает, что оно того стоит.

Проверьте себя

Вы должны быть в состоянии с уверенностью ответить на следующий вопрос: «В чем разница между Солнечной системой, галактикой Млечный Путь и Вселенной?»
Вы должны уметь представить каждый из следующих объектов на их правильных орбитах относительно друг друга: луны, планеты, звезды, центры галактик.
Если вы видите новость об астрономии, вы должны быть в состоянии представить себе, где во Вселенной разворачивается эта история.Это где-то «локально» в Солнечной системе, за пределами Солнечной системы, но внутри нашей галактики, или далеко во Вселенной?

Предыдущее: Единицы измерения | следующий: Размеры вещей в космосе

3. Строение и эволюция Вселенной | Физика в новую эру: обзор

стр. 63

Благодаря новым инструментам мы вступаем в эпоху точной космологии. Взятые вместе, наблюдения темной материи, темной энергии и флуктуаций остаточного излучения от Большого взрыва в следующие несколько лет дадут нам точность на процентном уровне по нескольким критическим космологическим параметрам, проверив основы нашего понимания Вселенная.Из-за глубокой взаимосвязи между физикой на самых малых расстояниях и деталями ранней Вселенной и темной массы-энергии это откроет новое окно для физики.

Космология затрагивает фундаментальную физику по-разному. В физике элементарных частиц единой теории основных составляющих материи является главная цель. Если новые частицы составляют темную материю, они должны естественным образом вписываться в такую схему; наоборот, единые теории предсказывают природу темной материи.Таким образом связаны космология и физика фундаментальных частиц. Если недостающая энергия – это энергия вакуума (космологическая постоянная), то связь еще сильнее. Значение космологической постоянной – одна из основных нерешенных проблем теории основных взаимодействий. Простые оценки приведут к значениям, которые в 10 ¹²⁰ раз превышают допустимые по космологическим данным. Окончательное измерение этого центрального параметра из космологии критически важно для будущего развития физики элементарных частиц.

Многие особенности нынешней Вселенной можно объяснить, если предположить, что она претерпела очень быстрое расширение в самом начале своей истории. Инфляция – это общее название этой идеи. Было предложено множество различных инфляционных механизмов, связанных с природой основных составляющих материи и их поведением в ту раннюю эпоху. Физика ускорителей при самых высоких энергиях, которая измеряет свойства этих составляющих, исследует связь между микрофизикой и космологией.Сценарий нерелятивистской (холодной) темной материи и инфляции согласуется с большим количеством косвенных наблюдений: измерениями анизотропии космического микроволнового фона, обзорами красного смещения распределения светящейся материи сегодня и исследованиями ускорения сверхновых. Однако наблюдения только начали различать разные инфляционные механизмы и разные версии холодной темной материи.

Сильная связь между космологией и физикой элементарных частиц возникает отчасти потому, что самые высокие энергии, характеризующие границы физики элементарных частиц, недостижимые ни в одном мыслимом ускорителе на Земле, фактически достигаются во время Большого взрыва.Таким образом, Большой взрыв представляет собой одну из немногих «лабораторий» для такого рода физики, хотя и не является объектом наших манипуляций и контроля. Ближе к дому находятся недавно обнаруженные загадочные космические лучи сверхвысокой энергии, в миллиард раз более энергичные

Из чего состоит Вселенная?

Наука и исследования

16.12.2003 160922 просмотры 396 классов

Считается, что Вселенная состоит из трех типов веществ: нормальная материя, «темная материя» и «темная энергия».

Нормальная материя состоит из атомов, из которых состоят звезды, планеты, люди и любой другой видимый объект во Вселенной.

Как ни унизительно это звучит, нормальная материя почти наверняка составляет наименьшую часть Вселенной, где-то между 1% и 10%.

В популярной в настоящее время модели Вселенной 70% составляют темная энергия, 25% темная материя и 5% нормальная материя. Но рентгеновская обсерватория ЕКА, XMM-Newton, вернула новые данные об этом содержании.XMM-Newton обнаружил загадочные различия между сегодняшними скоплениями галактик и скоплениями галактик во Вселенной около семи миллиардов лет назад.

Некоторые ученые интерпретируют это как означающее, что «темная энергия», которая, по мнению большинства астрономов, доминирует во Вселенной, просто не существует.

Скопления галактик излучают много рентгеновских лучей, потому что они содержат большое количество высокотемпературного газа. Измеряя количество рентгеновских лучей от скопления, астрономы могут определить как температуру кластерного газа, так и массу скопления.

XMM-Ньютон

Теоретически, во Вселенной с высокой плотностью материи скопления галактик будут продолжать расти, и поэтому в среднем они должны содержать больше массы, чем в прошлом.

Большинство астрономов считают, что мы живем во Вселенной с низкой плотностью, в которой таинственная субстанция, известная как «темная энергия», составляет 70% ее содержания и, следовательно, пронизывает все.

В этом сценарии скопления галактик должны перестать расти в начале истории Вселенной и выглядеть практически неотличимыми от нынешних.

Представление художника о том, как могла бы выглядеть очень ранняя Вселенная

Астрономы с помощью XMM-Newton Европейского космического агентства показали, что скопления галактик в далекой Вселенной не похожи на сегодняшние. Кажется, они излучают больше рентгеновских лучей, чем ожидалось.

Эти скопления галактик изменили свой внешний вид со временем, и расчеты также показывают, что в прошлом скоплений галактик было меньше.

Это указывает на то, что Вселенная должна быть средой с высокой плотностью, что противоречит современным представлениям. Этот вывод очень спорен, потому что для объяснения этих результатов во Вселенной должно быть много материи, а это оставляет мало места для темной энергии.

XMM-Newton дал астрономам новый взгляд на Вселенную и новую загадку, над которой стоит задуматься.Эти результаты подтверждаются другими рентгеновскими наблюдениями, и, если они дадут такой же ответ, нам, возможно, придется переосмыслить наше понимание Вселенной.

Нравиться

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

Галактик и структуры, в которые они встроены

Исследователи из Лейденской обсерватории изучают фундаментальную физику, которая создает структуру во Вселенной.Эти процессы собирают материю в галактики, а газ – в звезды. Используя мощные телескопы, продвинутые вычисления и компьютерное моделирование, лейденские астрономы стремятся понять происхождение, структуру и эволюцию галактик в целом и галактики Млечный Путь в частности. Через эти структуры раскрывается неизвестная физика темной материи и темной энергии, которые занимают 95% Вселенной.

Вскоре после Большого взрыва гравитация начала формировать структуру во Вселенной, в которой преобладали темная материя и темная энергия.«Нормальная» (барионная) материя собрана в наблюдаемые строительные блоки, известные как галактики. Лейденских астрономов задает вопрос, как фундаментальные физические процессы приводят к возникновению этой структуры, как формируются и развиваются галактики, какова их структура и динамика и как галактики превращают материю в звезды. Почему одни галактики подвержены вспышкам звездообразования, в то время как другие задерживаются и сохраняют большое количество первичного газа? Почему кажется, что в большинстве центров галактик есть массивные черные дыры? И как энергия, выделяемая при аккреции вещества на эти черные дыры, влияет на эволюцию родительской галактики и пространства вокруг нее? Как галактики через звезды, которые они образуют, обогащают газ внутри и вокруг себя элементами тяжелее гелия? В Лейденской обсерватории изучаются галактики в ближайшей Вселенной, а также в далекой и ранней Вселенной.Наша собственная галактика Млечный Путь дает возможность изучить «среднюю» галактику вблизи и попытаться понять, как было получено ее звездное население и содержание темной материи, и как массивная черная дыра в центре Млечного Пути формирует ее окружающую среду.

Сотрудники Лейденской обсерватории изучают эти темы в рамках своих исследовательских программ и сотрудничества, связанных с крупномасштабной структурой и космологией, галактиками и активными ядрами галактик, межзвездным веществом и вычислительной астрофизикой.У них есть доступ к самым мощным телескопам в мире, таким как VLT, ALMA, LOFAR, HST, Gaia, Chandra и XMM-Newton, а также к новым объектам, таким как E-ELT, JWST, Euclid и SKA. Разработка приборов в Лейденской обсерватории обеспечивает ключевую технологию, позволяющую совершать прорывные наблюдения с помощью этих средств. Многоволновые / спектроскопические крупномасштабные исследования и глубокие наблюдения анализируются с привлечением специалистов в области гравитационного линзирования, синтеза звездного населения, астрометрии, галактической динамики и молекулярной астрофизики.

Какова структура Вселенной?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]

Читайте также

Какова скорость звука?

Какова прочность алмаза?

Какова её тема?

Какова высота Эйфелевой башни?

Какова сила притяжения?

1.5 Первобытное племя. Функциональная структура. Структура иерархии. Структура межполовых отношений

Какова структура Вселенной?

Где находится селезенка и какова ее функция?

Какова температура тел у животных?

Какова скорость мысли?

Какова ваша формула плавания?

Какова структура Вселенной?. Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина

Читайте также

I. Начало Земли во Вселенной

Жизнь во вселенной

17 КРИСТОФЕР ЧЕРНЯК Загадка Вселенной и ее решение

Где находится полюс холода Вселенной?

Как много во Вселенной пыли?

Как много звезд во Вселенной?

Почему цефеиды называют маяками Вселенной?

Какова основная ошибка мужчин, ухаживающих за женщинами?

Какова этологическая характеристика тиранов и убийц-маньяков?

Какова этологическая природа ревности?

Глава 3 МЫСЛЕКОД Язык и мышление — какова связь между ними?

Вселенная: ответы на самые известные вопросы космоса

Образование Вселенной: первые шаги

Эволюция Вселенной: основные моменты

Строение и структура Вселенной

Разнообразие Вселенной: классы галактик

Млечный Путь – самая известная нам часть Вселенной

Заключение

Структура Вселенной. Масштабы Вселенной.

Звёздные системы: от планет к звёздам и галактикам

Уважаемые посетители!

Презентация “Структура и масштабы Вселенной”

Астраномія. Галактыкі

Структура Вселенной

Структура Вселенной – Вселенная сегодня

Нравится:

Структура и эволюция Вселенной

Великое приключение

Вселенная ускоряется

Темная энергия

Эволюция Вселенной

Конец

Структура Вселенной | Наука и технологии

Текущие исследовательские задачи

Избранные темы исследований

Гравитационное линзирование

NuSTAR

Космический телескоп Спитцер

Структура Вселенной (объяснение за 10 минут)

(Как понять Вселенную за 10 минут)

Мы живем на планете.

Наша планета является частью Солнечной системы.

Солнечная система является частью Галактики Млечный Путь.

Галактика Млечный Путь является частью Вселенной.

Проверьте себя

3. Строение и эволюция Вселенной | Физика в новую эру: обзор

Из чего состоит Вселенная?

Галактик и структуры, в которые они встроены

Оставить комментарий Отменить ответ