Эволюция галактик и звезд. 2
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАМСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-
Кафедра «Физика»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине: « Концепции современного естествознания »
на тему: «Эволюция галактик и звезд»
Выполнил студент
группы 4150
Проверил: доцент
2011г.
Оглавление
Введение 3
Глава 1. Классификация галактик. 5
Глава 2. Рождение галактик 10
Глава 3. Рождение звезд 13
Глава 4.Образование и эволюция солнечной системы 15
Глава 5. Строение, активность и эволюция солнца. 21
5.1 Строение солнца 21
5.2 Эволюция Солнца 24
5.3 История изучения солнечной активности 26
Заключение 28
Список используемой литературы. 29
Введение
С древнейших времен людей интересовало,
что же находится за горизонтом,
и они отправлялись исследовать
далекие и незнакомые земли. По мере
того как Земля открывала человеку
большинство своих белых пятен,
астрономы стали выходить в область
новых и не исследованных территорий
за пределами нашей маленькой
планеты. Сегодня исследователи
Вселенной, используя современные
телескопы и ЭВМ, продвигаются в
направлении всё больших
Столетия мы были узниками Солнечной системы, считая звезды просто украшениями сферы, расположенной за планетами. Потом человек признал в этих крошечных светящихся точках другие солнца, настолько далекие, что их свет идет до Земли многие годы. Казалось, что космос населен редкими одинокими звездами, и ученые спорили о том, простирается ли звездное население в пространстве неограниченно или же за некоторым пределом звезды кончаются и начинается пустота. Проникая все дальше и дальше, астрономы нашли такой предел, и оказалось, что наше Солнце - одна из огромного числа звезд, образующих систему под названием Галактика. За границей Галактики была тьма.
XX век принес новое открытие:
наша Галактика - это еще не
вся Вселенная. За самыми
Постоянство и непознаваемость звёзд наши предки считали непременными условиями существования мира. Древние египтяне полагали, что, когда люди разгадают природу звёзд, наступит конец света. Другие народы верили, что жизнь на Земле прекратится, как только созвездие Гончих Псов догонит Большую Медведицу. Наверное, для них очень важно было сознавать, что в этом неверном и изменчивом мире остаётся что-то неподвластное времени.
Не удивительно, что любые изменения в мире звёзд издавна считались предвестниками значительных событий. Согласно Библии, внезапно вспыхнувшая звезда возвестила миру о рождении Иисуса Христа, а другая звезда – Полынь – будет знаком конца света.
В течение многих тысячелетий астрологи сверяли по звёздам жизни отдельных людей и целых государств, хотя и предупреждали при этом, что роль звёзд в предначертании судьбы велика, но не абсолютна. Звёзды советуют, а не приказывают, говорили они. Но шло время, и люди стали всё чаще смотреть на звезды с другой, менее романтической точки зрения. Звёзды стали рассматриваться как физические объекты, для описания которых вполне достаточно известных законов природы.
Астрономы не в состоянии проследит жизнь одной звезды от начала и до конца. Даже самые короткоживущие звёзды существуют миллионы лет – дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Однако учёные могут наблюдать много звёзд, находящихся на самых разных стадиях своего развития, - только что родившиеся и умирающие. По многочисленным звездным портретам они стараются восстановить эволюционный путь каждой звезды и написать её биографию.
Глава 1. Классификация галактик.
Первую классификацию галактик разработал Эдвин Пауэл Хаббл, американский астроном в далёком 1926 г. Классификация оказалась столь удачной, что с незначительными изменениями, сделанными самим Хабблом в 1936 г. (добавлены линзовидные галактики), используется астрономами всего мира и сегодня.
Классификацию галактик, предложенную Хабблом, часто называют камертонной, так как последовательность расположения в ней типов галактик напоминает вилку камертона.
Классификация галактик Э.
– эллиптические (Е);
– линзообразные (S0);
– спиральные (S);
– пересеченные спиральные или спиральные галактики с перемычкой (SB);
– неправильные (Irr).
Эллиптические галактики (тип Е) составляют 13% от общего числа галактик. Они выглядят как нерезкий круг или эллипс, яркость которого быстро уменьшается от центра к периферии. Полагают, что в центре ярких эллиптических галактик находится массивная черная дыра. Размеры галактик колеблются от от десятых частей до более 100 кпк. Масса может достигать 1013 ¤.
Это наиболее простые по структуре
галактики. Состоят, преимущественно,
из звёзд следующих типов: старых
красных и желтых гигантов, красных,
желтых и белых карликов. Образование
звезд в галактиках этого типа
не идет уже несколько миллиардов
лет. Холодного газа, как и космической
пыли почти нет; наиболее массивные
галактики заполнены очень
Примерами эллиптических галактик служат галактики M32, M87 и M110.
Спиральные галактики – самый многочисленный тип – составляют около 50 % всех наблюдаемых галактик. Чаще всего наблюдаются за пределами скоплений галактик. Большая часть звёзд галактики занимает линзообразный объём (галактический диск). На галактическом диске заметен спиральный узор из двух или более закрученных в одну сторону ветвей или рукавов, выходящих из центра галактики. Различаются два типа спиралей. У одних, обозначаемых SA или S, спиральные ветви выходят непосредственно из центрального уплотнения. У других они начинаются у концов продолговатого образования, в центре которого находится овальное уплотнение. Создаётся впечатление, что две спиральные ветви соединены перемычкой, почему такие галактики и называются пересеченными спиралями; они обозначаются символом SB.
Спиральные галактики
Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов спектральных классов О и В говорит об активных процессах звёздообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик.
Диск спиральных галактик погружён в разреженное слабосветящееся облако звёзд – гало. Гало состоит из молодых звезд «Населения II», образующих многочисленные шаровые скопления.
В некоторых галактиках центральная часть имеет шарообразную форму и ярко светится. Эта часть называется балдж (от англ. bulge – утолщение, вздутие). Балдж состоит из старых звезд «Населения II» и, часто, сверхмассивной черной дыры в центре. У других галактик в центральной части располагается "звёздная перемычка" – бар. В некоторых ядрах помимо звёзд наблюдается яркий звёздоподобный источник в центре и светящийся газ, движущийся со скоростью тысячи километров в секунду.
Такие галактики получили название галактик с активными ядрами, или сейфертовских (по имени открывшего их в 1943 г. американского астронома К. Сейферта).
Масса спиральных галактик до ~1012 М (масс Солнца).
Наиболее известные спиральные галактики – это наша Галактика Млечный Путь и туманность Андромеды. В ясную безлунную ночь туманность Андромеды видна как облако к западу от звезды v Андромеды. Свет от неё до Земли идёт 2 млн. лет.
Промежуточным типом между спиральной и эллиптической галактиками является линзовидная галактика типа S0. У галактик этого типа яркое центральное сгущение (балдж) сильно сжато и похоже на линзу, а ветви отсутствуют или очень слабо прослеживаются.
Состоят линзовидные галактики из старых звёзд-гигантов, поэтому и цвет их – красноватый.
Две трети линзовидных галактик, подобно эллиптическим, не содержат газа, в одной трети содержание газа такое же как у спиральных галактик. Поэтому процессы звездообразования идут очень медленными темпами.
Пыль в линзовидных галактиках сосредоточена вблизи галактического ядра. К линзовидным галактикам относится около 10% известных галактик.
Для неправильных или иррегулярных галактик (Ir) характерна неправильная, клочковатая форма. Неправильные галактики характеризуются отсутствием центральных уплотнений и симметричной структуры, а также низкой светимостью. Такие галактики содержат много газа ( в основном нейтрального водорода) – до 50% их общей массы. К этому типу относится около 25% всех звёздных систем.
Неправильные галактики
Ко второй группе (типу) неправильных
галактик относятся все остальные
галактики с хаотичной
Есть еще и третья группа неправильных галактик – карликовые, обозначаемые как dI или dIrrs. Считается, что карликовые неправильные галактики похожи на наиболее ранние галактические образования, существовавшие во Вселенной. Некоторые из них представляют собой небольшие спиральные галактики, разрушенные приливными силами более массивных компаньонов.
Галактики, которые обладают теми или иными особенностями, не позволяющими отнести их ни к одному из перечисленных выше классов, называются пекулярными.
В расширенной классификации
1) Тип линзовидных галактик S0 и SB0.
Галактики S0 разделили на 2 типа: к типу 1 отнесли не имеющие структуры в галактическом диске; к типу 2 имеющие зачаточные структурные признаки в виде темных колец и областей. Между этими 2 типами выделили третий – S0/a – галактики с зарождающейся спиральной структурой.
Галактики типа SB0 имеет в своей структуре бар и, иногда, сформировавшиеся кольца. В эту категорию были перенесены некоторые спиральные галактики типа SBa у которых спиральные ветви нечеткие, но зато имеется обнаруживается развитое центральное сгущение. По классификации Хаббла галактики типа SB0 разделены на 3 группы, в зависимости от выраженности в структуре галактики бара и наличия колец:
1 группа. К ней относят галактики с неясным баром и протяженной неструктурированной оболочкой;
2 группа. Сюда входят галактики со слабо выраженным широким баром и одним кольцом;
3 группа. Бар и кольцевая структура галактик этой группы хорошо выражены.
2) В типе спиральных галактик появились группы Sd и SBd. Подобные галактики характеризуются низкой яркостью поверхности, представляющей собой сложную клочковатую структуру и слабо выраженным галактическим ядром. Для обозначения спиральных галактик
3) В типе эллиптических галактик ввели новый класс dE. К нему относят карликовые галактики с низкой поверхностной яркостью, хотя во всем остальном это типичные эллиптические галактики.
Особой разновидностью галактик являются радиогалактики. Радиоволны в той или иной степени излучают все галактики. Однако у большинства обычных галактик на радиоизлучение приходится лишь ничтожная доля всей их мощности, в то время как поток радиоволн от некоторых галактик оказывается сравнимым с мощностью их оптического излучения. Такие галактики называются радиогалактиками. Мощность их радиоизлучения часто в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем у обычных галактик.
Компактные далекие галактики, обладающие мощным нетепловым радиоизлучением, называются N-галактиками.
Примером очень мощной радиогалактики может служить галактика, связанная с одним из источников радиоизлучения в созвездии Лебедя, называемым Лебедь-А. Между двумя его компонентами находится слабая галактика 18m, пересечённая широкой тёмной полосой (возможно, две галактики).
Глава 2. Рождение галактик
Колоссальные водородные сгущения зародыш сверх галактики и скоплений галактик медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, то есть зародыш галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.
Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактик, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого ращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.
В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Не трудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне ее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величена протогалактики от плотности и температуры водородного газа.
Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделяться и сжиматься сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжается относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, то есть очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.
Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей (в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме того вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная центробежная силы.
Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после ее возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвездный водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.
Но межзвездный газ в те далекие времена не
улетучился, и, таким образом гравитация
и вращение могли продолжать строительство
нашей и других спиральных галактик. На
каждый атом межзвездного газа действовали
две силы гравитация, притягивающая его к центру
галактики и центробежная сила, выталкивающая его по
направлению от оси вращения. В конечном
итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости.
В настоящее время межзвездный газ
Глава 3. Рождение звезд
Ещё Гершель обнаружил на фоне Млечного Пути тёмные провалы, которые он называл «дырами в небесах». В конце XIX в. на Ликской обсерватории (США) астроном Эдуард Барнард начал систематическое фотографирование неба. К 1913 г. он нашел около 200 тёмных туманностей. По его мнению, они представляли собой облака поглощающей свет материи, а вовсе не промежутки между звёздами, как считал Гершель. Это предположение подтвердилось. Когда рядом с облаком межзвёздного газа или внутри него горячей звезды, газ остаётся холодным и не светится.
В 1946 г. американский астроном Барт Бок обнаружил на фоне светлых туманностей NGC 2237 в Единороге и NGC 6611 в Щите маленькие чёрные пятна, которые назвал глобулами. Размер их от 0,01 до 1 пк. Они ослабляют свет лежащих за ними звёзд в десятки и сотни раз. Это значит, что вещество глобул в тысячи раз плотнее окружающего их газа. Их масса оценивается в пределах от 0,01 до 100 масс Солнца.
После открытия глобул появилось убеждение,
что сжимающиеся облака дозвёздной
материи уже найдены, что они-то
и являются непосредственными
И только созданные в 50-е годы радиотелескопы позволили обнаружить по излучению в линии 21 см атомарный водород, заполняющий почти всё пространство между звёздами. Это очень разреженный газ: примерно один атом в кубическом сантиметре пространства (по меркам земных лабораторий -–высочайший вакуум!). Но поскольку размер Галактики огромен, в ней набирается около 8 млрд. солнечных масс межзвёздного газа, или примерно 5% от её полной массы. Межзвёздный газ более чем на 67% (по массе) состоит из водорода, на 28% из гелия, и менее 5% приходится на все остальные элементы, самые обильные среди которых – кислород, углерод и азот.
Межзвёздного газа особенно много вблизи плоскости Галактики. Почти весь он сосредоточен в слое толщиной 600 световых лет и диаметром около 30 кпк, или 100 тыс. световых лет (это диаметр галактического диска). Но и в таком тонком слое газ распределён неравномерно. Он концентрируется в спиральных рукавах Галактики, а там разбит на отдельные крупные облака протяженностью в парсеки и даже в десятки парсек, а массой в сотни и тысячи масс Солнца. Плотность газа в них порядка 100 атомов на кубический сантиметр, температура около -200°С. Оказалось, что критические масса и радиус Джинса при таких условиях почти совпадают с массой и радиусом самих облаков, а это значит, что они готовы к коллапсу. Но главное открытие было ещё впереди.
Начавшиеся в 1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с ракет и спутников позволили открыть главную молекулу межзвёздной среды – молекулу водорода (Н2). А при наблюдении межзвёздного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены десятки других молекул, порой довольно сложных, содержащих до 13 атомов. В их числе молекулы воды, аммиака, формальдегида, этилового спирта и даже аминокислоты глицерина.
Как выяснилось, около половины межзвёздного газа содержится в молекулярных облаках. Их плотность в сотни раз больше, чем у облаков атомарного водорода, а температура всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Именно при таких условиях возникают неустойчивые к гравитационному сжатию отдельные уплотнения в облаке массой порядка массы Солнца, и становится возможным формирование звёзд.
Глава 4. Образование и эволюция солнечной системы
Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.
На протяжении нескольких лет канадскими
учеными измерялись очень слабые
периодические изменения
Но следует отметить, что одиночные звезды типа Солнца - явление не столь уж частое, обычно они составляют кратные системы. Нет уверенности, что планетные системы могут образовываться в таких звездных системах, а если они в них возникают, то условия на таких планетах могут оказаться нестабильными, что не способствует появлению жизни.
О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключении. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.
Вообще, сегодня мы больше знаем
о происхождении и эволюции звезд,
чем о происхождении
И нет гарантии, что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевернут все наши представления о процессе ее образования.
Сегодня существует довольно много гипотез образования Солнечной системы. В качестве примера изложим гипотезу шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого они привлекают совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.
К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает определенное критическое значение, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разреженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.
Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий. Венера, Земля, Марс) практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца распространялась до современной орбиты Плутона.
Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.
Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изо¬топном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.
Молодое Солнце, предположительно обладавшее
значительным магнитным моментом, имело
размеры, превышавшие нынешние, но не
доходившие до орбиты Меркурия. Его
окружала гигантская сверхкорона, представлявшая
собой разреженную
Существование критической скорости,
с достижением которой
