Происхождение и развитие галактик и звезд

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Происхождение и развитие галактик и звёзд. 3

2. Строение и эволюция Вселенной. 7

3. Происхождение звезд. 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 19

ВВЕДЕНИЕ

Образование галактик рассматривают  как естественный этап эволюции горячей  Вселенной. По-видимому, более 15 млрд. лет  назад в первичном веществе благодаря  гравитационной неустойчивости началось обособление протоскоплений с характерными массами порядка 1016М Солнца. В  протоскоплениях в ходе разнообразных  динамических процессов происходило  выделение групп протогалактик. Дальнейшая эволюция протогалактик  определялась их собственным гравитационным полем и гравитацией протоскопления. Многообразие форм галактик связано  с разнообразием начальных условий  образования протогалактик. Например, если галактика возникла из быстро вращающейся протогалактики, то быть ей спиральной, если из медленно вращающейся  – то эллиптической.

Процесс рождения звезд идет при  продолжающемся сжатии протогалактики, поэтому формирование звезд происходит все ближе к центру системы, и  чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых  элементов. Этот вывод хорошо согласуется  с данными о содержании химических элементов в звездах гало нашей  Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся протогалактике звезды будущего гало образуются на более  ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму  протогалактики.

Реликтами этой эпохи в нашей  Галактике являются шаровые звездные скопления. Своим положением они  как бы очерчивают первоначальную почти  сферическую форму молодой Галактики. Масса газа, не вошедшая в образовавшиеся звезды, а также выброшенная в  ходе эволюции этих звезд, имела некоторый  орбитальный момент и под влиянием тяготения системы опускалась к  плоскости симметрии, образуя диск. Здесь в самых плотных фрагментах газа зарождалось новое поколение  звезд.

1. Происхождение  и развитие галактик и звёзд.

Небесные тела находятся в непрерывном  движении и изменении. Десятки тысяч  лет назад небо Земли украшали фигуры других созвездий, миллиарды  лет назад вообще еще не было Земли, Луны, планет, Солнца, многих звезд и  галактик. Когда и как именно они  произошли, наука стремится выяснить, изучая небесные тела и их системы. Раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел, называется космогонией.

Существуют две основные концепции  происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования  солнечной системы, выдвинутой еще  французским физиком и математиком Пьером Лапласом и развитой немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности.

Принятие модели Большого Взрыва и  расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования  небесных тел и привело Виктора  Амбарцумяна к гипотезе о возникновении  галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц-гиперонов), находящегося в ядрах  галактик, путем его фрагментации.

Открытие В.Амбарцумяном звездных ассоциаций очень молодых звезд, стремящихся друг от друга, было понято как подтверждение гипотезы образования  звезд из первоначального сверхплотного  вещества.

Какая из этих концепций ближе к  истине, решит последующее развитие естествознания.

Современные научные космогонические  гипотезы – результат физического, математического и философского обобщения многочисленных наблюдательных данных. В космогонических гипотезах  в значительной мере находит свое отражение общий уровень развития естествознания. Дальнейшее развитие науки, обязательно включающее в  себя астрономические наблюдения, подтверждает или опровергает эти гипотезы.

Подтверждаются те гипотезы, которые  не только могут объяснить известные  из наблюдений факты, но и предсказать  новые открытия. Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Большинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно формировались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концентрируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивного звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами.

Наиболее изученный газово-пылевой  комплекс нашей Галактики находится  в созвездии Ориона, он включает в себя туманность в Орионе, более  плотные газово-пылевые облака и  другие объекты. Представим себе холодное газово-пылевое облако. Силы тяготения  сжимают его, оно принимает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и температура облака. Возникнет будущая, рождающаяся  звезда (протозвезда). Температура ее поверхности пока еще мала, но протозвезда  уже излучает в инфракрасном диапазоне, а поэтому рождающиеся звезды можно попытаться обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях.

Одно из основных отличий протозвезды  от звезды заключается в том, что  в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, то есть в ней  нет еще основного источника  энергии обычных звезд. Термоядерные реакции начинаются, когда в процессе сжатия протозвезды температура  в ее недрах станет порядка 107 К. С  этого времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения внешних частей звезды.

Стадия сжатия звезд, массы которых  значительно больше массы Солнца, продолжается всего лишь сотни тысяч  лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов  лет. Чем больше масса звезды, тем  при большей температуре достигается  равновесие. Поэтому у массивных  звезд большие светимости.

Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постепенным  «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть  своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые  располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр – светимость». Таких звезд больше всего. Время  пребывания звезды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так  как от этого зависит запас  ядерного горючего, и обратно пропорционально  светимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего.

А поскольку светимость звезды пропорциональна  примерно четвертой степени ее массы, то массивные звезды, массы которых  в несколько раз больше массы  Солнца, эволюционируют быстрее. Они  находятся в стационарной стадии только несколько миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу – миллиарды  лет.

Когда весь водород в центральной  области звезды превратится в  гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород будет  превращаться в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем  к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься  и при этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 * 107 К, гелий начнет превращаться в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры  звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превратится  в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, а некоторое  время пульсируют, как бы проходя  в своем развитии стадию цефеид.

Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решающим образом зависит от массы звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но с массами, не большими 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются и в конце концов совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Это значит, что многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь «потухшими звездами».

Иная судьба у более массивных  звезд. Если масса звезды примерно вдвое  превышает массу Солнца, то такие  звезды на последних этапах своей  эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами (которые  образовались внутри звезды и во время  ее взрыва), а затем катастрофически  сжаться до размеров шаров радиусом в несколько километров, то есть превратиться в нейтронные звезды.

Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 химических элементов, а во время  взрыва сверхновых – остальные элементы периодической системы. Из обогащенной  тяжелыми элементами межзвездной среды  образуются звезды следующих поколений. Если масса звезды вдвое превышает  массу Солнца, то такая звезда, потеряв  равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достигнуть устойчивого  состояния. В процессе неограниченного  сжатия (коллапса) она, вероятно, способна превратиться в «черную дыру». Такое название связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лучи и т.д.). Поэтому «черную дыру» нельзя увидеть ни в каком диапазоне электромагнитных волн. Предположено, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии.

Процесс эволюции звезд представлен  на схеме.

Все небесные тела можно разделить  на испускающие энергию - звезды, и  не испускающие - планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности- нейтрино.

Звезды – это фабрики по производству химических элементов и источники  света и жизни. Тем самым решаются сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным  орбитам. Могут быть звезды, у которых  меняются блеск и спектр - переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно, из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения  и образование туманностей (скоплений  газов).

Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних представлений  о происхождении галактик и звезд  окажутся правильными. Но нет сомнения в том, что звезды рождаются, живут, умирают, а не есть однажды созданные  и вечно неизменные объекты Вселенной; звезды рождаются группами, причем процесс звездообразования продолжается в настоящее время.

2. Строение и  эволюция Вселенной.

Вселенная бесконечна во времени и  пространстве. Каждая частичка вселенной  имеет свое начало и конец, как  во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и  вечна, так как она является вечно  самодвижущейся материей. Вселенная  это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем.

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе  которой как рядовая звезда находится  наше Солнце, называется Галактикой. Число  звезд в галактике порядка 1012 (триллиона). Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Млечный путь  светлая серебристая полоса звезд  опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно сделать заключение, что солнечная система находится не в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Размеры Галактики были замечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это  цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1º. 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013 км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние, пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

В центре Галактики расположено  ядро диаметром 10002000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно  находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении  созвездия Стрельца, но почти целиком  скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим  наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и  короткопериодических цефеид.

Звезды верхней части главной  последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодые население. Оно  располагается дальше от центра и  образует сравнительно тонкий слой или  диск. Среди звезд этого диска  находится пылевая материя и  облака газа. Субкарлики и гиганты  образуют вокруг ядра и диска Галактики  сферическую систему. Масса нашей  галактики оценивается сейчас разными  способами и равна 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном  газе и пыли. Поперечник нашей Галактики  составляет 100000 световых лет.

Ближайшая к нашей галактике (которую  световой луч достигает за 2 млн. лет) – «туманность Андромеды». Она  названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике былы доказана в 1923г. Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

А в 1963г. были открыты квазары (квазизвездные  радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной  со светимостью в сотни раз  большей светимости галактик и размерами  в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало  быть процесс образования галактик продолжается и поныне.

Известно более 100 шаровых и сотни  рассеянных скоплений, но в Галактике  последних десятки тысяч. Кроме  звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно  рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Пример: газопылевая туманность в  созвездии Ориона и темная пылевая  туманность Конская голова. Во Вселенной  нет ничего единственного и неповторимого  в том смысле, что в ней нет  такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями. Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны.

В основном классификация галактик делится на 4 вида: эллиптические – обозначаемые Е (elliptical); спиральные S (Spiral); неправильные – обозначаемые Irr (irregular) и линзовидные S0.

1. Эллиптические галактики (E) — галактики, у которых дисковой составляющей нет, либо она слабоконтрастна. Все остальные галактики дисковые.
2. Спиральные галактики (S) — галактики, обладающие спиральными ветвями. Иногда ветви могут вырождаться в кольца.
3. Линзовидные галактики (S0) — галактики, по своей структуре не отличающиеся от спиральных, за исключением отсутствия чёткого спирального узора. Объясняется это низким содержанием межзвёздного газа, а значит, и низким темпом звездообразования.
4. Неправильные галактики (Irr) — для них характерна неправильная клочковатая структура. Как правило, в них очень много межзвёздного газа, до 50 % от массы галактики.

Во многих случаях очень  удобной оказывается несколько  более подробная Хаббловская классификация галактик по подвидам. Хаббловское деление (или камертон Хаббла), охватывающее все галактики, основывается на их визуально воспринимаемом строении. И если эллиптические она описывает вполне точно, то одна и та же спиральная галактика может классифицироваться по-разному.

В 2003 году Майклом Дринкуотером (Michael Drinkwater) из университета Квинсленда (University of Queensland) был открыт новый вид галактик, классифицируемый как ультракомпактные карликовые галактики.

Эллиптические галактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к  периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что эллиптические  галактики состоят из второго  типа звездного населения. Они построены  из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень  высокой светлости. Отсутствуют  белоголубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать  в виде ярких сгустков, придающих  структурность системе, нет пылевой  материи, которая, в тех галактиках где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звездной системы.

С несколько однообразными эллиптическими галактиками контрастируют спиральные галактики, являющиеся может быть даже самыми живописными объектами во Вселенной. У эллиптических галактик внешний вид говорит о статичности, стационарности. Спиральные галактики, наоборот, являют собой пример динамики формы. Их красивые ветви, выходящие  из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывает на мощное стремительное  движение. Поражает также многообразие форм и рисунков ветвей. Как правило, у галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных  точках ядра, развивающимися сходным  симметричным образом и теряющимися  в противоположных областях периферии  галактики. Однако известны примеры  большего, чем двух числа спиральных ветвей в галактике. В других случаях  спирали две, но они неравны –  одна значительно более развита, чем вторая.

Перечисленные до сих пор типы галактик характеризовались симметричностью  форм, определенным характером рисунка. Но встречаются большое число  галактик неправильной формы, без какой-либо закономерности структурного строения. Им дают обозначение от английского  слова irregular – неправильные.

Неправильная форма у галактики  может быть вследствие того, что  она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в  ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать неправильной вследствие искажения формы в  результате взаимодействия с другой галактикой.

В отдаленном прошлом материя в  нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем  произошел «взрыв», в результате которого и началось расширение. Чтобы  выяснить дальнейшую судьбу метагалактики, необходимо оценить среднюю плотность межзвездного газа. Если она выше 10 протонов на 1м3, то общее гравитационное поле метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. И оно сменяется сжатием.

Наблюдения показывают, что галактики, подобно звездам, группирующиеся в  рассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы и  скопления различной численности. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть  Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике  пространство между галактиками  заполнено чрезвычайно разряженным  межгалактическим газом, пронизывается  космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля, и, возможно, невидимые массы веществ. 
От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас много миллионов лет. Но все-таки нет оснований утверждать, что метагалактика  это вся Вселенная. Возможно, существуют другие, пока не известные нам метагалактики.

Расширение Метагалактики проявляется  только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик. Метагалактика имеет одну особенность: не существует центра, от которого разбегаются галактики. Удалось  вычислить промежуток времени с  начала расширения Метагалактики. Он равен 2013 млрд. лет. Расширение Метагалактики  является самым грандиозным из известных  в настоящее время явлений  природы.

Эволюцией галактики называется изменение  её интегральных характеристик со временем: спектра, цвета, химического состава, поля скоростей. Описать жизнь галактики непросто: на эволюцию галактики влияют не только эволюция отдельных её частей, но также и её внешнее окружение. Вкратце процессы, влияющие на эволюцию галактики, можно представить следующей схемой:

В центре указаны процессы, связанные с  отдельными объектами внутри галактики. Процессы, масштаб которых сравним  с масштабом галактики, делятся  на внешние и внутренние, с одной  стороны, и быстрые (характерное  время которых сравнимо со временем свободного сжатия) и медленные (чаще связанные с обращением звёзд  вокруг центра галактики), с другой.

Малое слияние галактик отличается от большого тем, что в большом участвуют  равные по массе галактики, а в  малом одна галактика значительно  превосходит вторую.

До сих пор  нет единой теории о том, как все  эти процессы согласуются между  собой.

Ниже  приведены несколько таблиц с  примечательными галактиками, галактиками  с собственными именами и галактиками, видимыми невооруженным глазом.

Примечательные  галактики

Галактики с собственными именами

Видимые невооружённым  глазом

Галактики, видимые  невооружённым глазом для наблюдателя  с острым зрением при очень  тёмном небе во время ясной погоды.