РЕФЕРАТ

       по  астрономии

       На  тему: Вселенная   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2010 год 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       План: 
 

1.    Происхождение вселенной

       Мир, Земля, Космос, Вселенная…

       Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.

       Величественная  картина небесного купола, усеянного  мириадами звезд, с незапамятных звезд волновала ум и воображение ученых, поэтов, каждого живущего на Земле  и зачарованного любующегося торжественной и чудной картиной, по выражению Лермонтова.

       Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где  начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания?

       В своем реферате я изложила всё  то, что известно на сегодняшний  день науке о происхождении, строении и эволюции Вселенной.  

       Изучение  Вселенной, даже только известной  нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений. 

       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. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную, точнее, тем или иначе её стороны. Химия изучает мир молекул, физика – мир атомов и элементарных частиц, биология – явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама вселенная или «Вселенная как целое». Это особая отрасль астрономии так называемая космология. Космология – учение о Вселенной в целом, включающая в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области, как части Вселенной, кстати не следует смешивать понятия Вселенной в целом и «наблюдаемой» (видимой) Вселенной. Во II случае речь идет  лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований.    

         Проблема начала вселенной, подобна  старому вопросу:

       Что произошло первым - цыпленок или яйцо. Другими словами, какая сила создала вселенную. И что создало эту силу. Или возможно, вселенная, или сила, которая создавало все это, существовали всегда, и не имели начала. 

         Вплоть до недавнего времени,  ученые имели тенденцию не  касаться  таких вопросов потому, что они принадлежали к метафизике или религии, а не к науке. 

         Тем не менее, в последнее  время  возникло учение о том, что Законы Науки могут быть даже в начале вселенной. В этом случае, вселенная могла определяться полностью Законами Науки.  

         Многие ранние традиции,  Еврейская, Христианская и Исламская религии, считали что вселенная создалась  довольно недавно.  Например,  Епископ Ушер  вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет, для создания вселенной, прибавляя  возраст людей в Ветхом Завете.  Фактически, дата библейского создания не так далека от даты конца последнего Ледникового Периода,  когда появился первый современный человек.  

         С другой стороны, некоторые  люди, как например, Греческий философ  Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей не признавали идею о том, что вселенная имела начало. Они чувствовали, что это могло, было быть. Но они предпочли верить в то, что вселенная, существовала, и должна была существовать всегда то есть вечно и бесконечно. 

         Вселенная была по существу  неменяющейся во времени. Время абсолютно однородно и синхронизировано. В любой точке вселенной оно одинаково. Пространство тоже однородно и изотропно. Масштаб одинаков в любой точке вселенной.   Или она была создана в своей настоящей форме, или она существовал всегда, подобно сегодняшней. Это было естественное убеждение в то время, поскольку человеческая жизнь,  на самом деле, очень короткий отрезок истории, которую вселенная значительно не изменила по сравнению с возрастом самой вселенной.  В статической, неменяющейся вселенной, вопрос о том, что вселенная существовала всегда, или создалась  в прошлом, - действительно  материал для метафизики или религии: каждая теория могла бы принять во внимание такую вселенную. 

       На  самом деле, в 1781, философ, Иммануил Кант, написал необычную и очень неясную работу, Критику Чистого Разума. Там, он решил, что были одинаково правильные доводы, оба для веры, что вселенная имела начало, и для веры же, что его не было. Как говорит его название, его выводы были основаны просто на причине. Другими словами, они не взяли в счет наблюдения о вселенной. В конце концов, в неменяющейся вселенной, было ли что наблюдать? 

         Таким образом перед учеными  вставала проблема выбора между  верой в бога и материальной  верой. Они еще не знали первопричин происхождения вселенной так как у них не было в то время достаточной научной базы. Вера в Бога была более предпочтительна. Исторически христианство было старше чем наука и естественно немногие воспринимали науку серьезно, но со временем она набирала силу и все чаще люди поворачивали голову в ее сторону. 

         Тайна в науке - это то, что  наука не может объяснить, как  она не может объяснить то, что было до большого взрыва. Ведь все, что происходило до  момента возникновения вселенной,  точки сингулярности, не обсуждается - это догма. А непознанное в науке - это та тайна, которая в ближайшее время не может быть раскрыта.   

         В 19-м столетии подтверждение  начала вселенной накапливались.  Земля и остальная часть вселенной,  фактически изменились со временем. С одной стороны, геологи поняли что образование скал, и ископаемых в них, имело возраст сотни или тысячи миллионов лет. Это было намного более длинным сроком, чем возраст Земли, согласно Христианству.  

         С другой стороны, немецкий  физик, Больцман, вывел так называемый Второй Закон Термодинамики. Он указывает на то, что общая сумма беспорядочно движущихся частиц во вселенной (который измеряется количеством называющимся энтропия), всегда увеличивается со временем. Это, предполагает, что вселенная могла быть в сжатом состоянии только в одно время в точке начала. В противном случае, вселенная должна  вырождаться в состояние полного беспорядка с одинаковой температурой.  

         Другая трудность с идеей статической  вселенной была в том, что  согласно Закону Силы Тяжести  Ньютона, каждая звезда во вселенной должна притягиваться к каждой другой звезде.  То как они могли бы остаться на постоянном расстоянии друг от друга? Не будут ли они все вместе падать?  Ньютон был осведомлен об этой проблеме о звездах, привлекающих друг друга. В письме к Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное скопление звезд не может остаться неподвижным: они  бы все упали вместе, в некоторой центральной точке. Тем не менее, он поспорил, что бесконечное скопление звезд, не должно падать вместе: для них не было бы  центральной точки, чтобы туда упасть. Этот аргумент является примером западней,  одну из которых мы можем встретить, когда одни говорят о бесконечных системах.  Используя другие пути, чтобы добавить силу в каждой звезде, из бесконечного количества других звезд во вселенной, однажды мы можем получить другие ответы на вопрос: они могут оставаться на постоянном расстоянии друг от друга.  Мы теперь знаем, что правильная методика должна рассматривать случай начальной точки, откуда произошел мир. 

         Несмотря на эти трудности  с идеей статической и неменяющейся  вселенной никто в семнадцатых,  восемнадцатых, девятнадцатых или  ранних двадцатых столетиях, не  считал что вселенная могла  развиваться со временем. Ньютон  и Эйнштейн, оба пропустили шанс предсказывания, что вселенная могла бы или сокращаться, или расширяться. Нельзя действительно ставить это против Ньютона, из-за того, что он жил двести пятьдесят лет перед  открытием расширения вселенной. Но Эйнштейн должен был знать это  лучше. Когда он сформулировал  Теорию Относительности, чтобы проверить теорию Ньютона с его собственной Специальной Теорией Относительности, он добавил так называемую, "космическую константу''. Это представляло собой отталкивающий гравитационный эффект, который мог бы балансировать  эффект притяжения материала во вселенной. Таким образом, было возможно иметь статическую модель вселенной.   

         Эйнштейн позже сказал: космическая  константа  была величайшей ошибкой моей жизни.  Это произошло после наблюдений отдаленных галактик, Эдвином Хабблом в 1920 году, и показало, что они перемещаются далеко от нас, со скоростями, которые были приблизительно пропорциональными  их расстоянию от нас. Другими словами, вселенная не статическая, как прежде было принято думать: она расширяется. Расстояние между галактиками возрастает со временем. 

         В 1929 году Хаббл открывает эффект  так называемый эффект «красного  смещения». Он утверждает, что  во всех наблюдаемых спектрах  всех наблюдаемых галактик он  видит красную подсветку в  части спектра. Он брал в пример наблюдателя, стоящего около источника света, который удалялся или приближался. При удалении  источника света мы наблюдаем красный свет спектра, а при приближении - фиолетовый.

       V=HR - Закон Хаббла, где R- расстояние до исследуемой галактики. H- постоянная Хаббла V- скорость разбегания галактики.

       H=15км/с  на 1млн. световых лет  

         Это означает, что все галактики  от нас удаляются. Но наука,  как ни странно, забыла об  этом до 1964 года. И лишь в 1964 году ученые Пензиас и Вильсон  открывают эффект «реликтового фона». Они утверждают, что во всех точках вселенной наблюдается постоянный и однородный шум - реликтовый фон равный 3 градусам К.

       Это означает, что галактики удаляются  с определенной скоростью. А если они удаляются, значит была и начальная точка отсчета. 

         Эти два неоспоримых и полностью  доказанных факта подтверждают  теорию Большого Взрыва. Значит  начало было и все ранние  научные догмы по проблеме  начала вселенной полностью опровергаются.  С этого момента научное понятие  начала вселенной пришло в некоторое согласие с христианской точкой зрения на этот вопрос. Ведь христиане также считают, что начало было, но правда у них началом был БОГ и он же создал вселенную. 

         Бог сотворил мир за шесть  дней, но если исходить из теории  Большого Взрыва возраст образования вселенной равен примерно 15-20 млрд. лет. Сейчас теоретические физики пытаются как бы свернуть вселенную, чтобы точнее узнать ее возраст. Но для нас же важен сам факт, что вселенная имела начало.   

         В момент, который был назван  Большим Взрывом, плотность вселенной была равна 1000 000 г/м (куб), а температура равнялась 10 в 32 степени градусов К. Этот момент был назван точкой сингулярности, то есть была точка, было начало, возникла масса, абсолютное пространство и все законы, которым сейчас подчиняется вселенная.  

         Если исходить из фактов, то  теория Большого Взрыва кажется  очень убедительной, но так как  мы до сих пор не знаем,  что же было до него, это  напускает немного тумана на  эту проблему. Но все-таки наука  продвинулась гораздо дальше, чем это было раньше и как любая революционная теория, теория Большого Взрыва дает хороший толчок развитию научной мысли.

2.    Строение вселенной

       С развитием кибернетики в различных  областях научных исследованиях  приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо  того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением однородной и изотронной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям  добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель – это еще не само явление, а только более или менее точная его копия, так сказать  образ реального мира. Поэтому все результаты полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки, приписывать природе те свойства которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного «слепка» Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и неизотронной Вселенной. 

       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). 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 вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко  в этих направлениях тянется звездная система. В общем наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефиды 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 1”. 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.

       В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 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 обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефид. 

       Звезды  верхней части главной последовательности а особенно сверхгиганты и классические цефиды, 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, равна 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астрономом В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедными звездами. 

       В некоторых местах на небе в телескоп, а кое - где даже невооруженным глазом  можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

       Существует  два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

       Рассеянные  скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру.

       Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они  содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений – несколько парсек. Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике  последних должно быть 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. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность Конская голова.

       Расстояние  до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр центральной  части туманности – 6 пк, масса приблизительно в 100 раз больше массы Солнца. 

       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. Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном – наблюдатель, избрал самый простой метод классификации  галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что, хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации галактик.

       Хаббл предложил разделить все галактики на 3 вида:

       1.      Эллиптические – обозначаемые  Е (elliptical);

       2.      Спиральные (Spiral);

       3.      Неправильные – обозначаемые (irregular). 

       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 бело-голубые 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.

       Внешне  эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной  чертой – большим или меньшим  сжатием (NGG и 636, NGC 4406, NGC 3115 и др.)

       С несколько однообразными эллиптическими галактиками контрастируют спиральные галактики (рис. ) 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, развивающиеся сходным симметричным образом и теряющиеся 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. Примеры спиральных галактик: М31, NGC 3898, NGC 1302, NGC 6384, NGC 1232 и др.

       Перечисленные мною до сих пор типы галактик характеризовались  симметричностью форм определенным характером рисунка. Но встречаются большое число галактик неправильной формы. Без какой-либо закономерности структурного строения. Хаббл дал им 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. По-видимому эти оба случая встречаются среди неправильных галактик и может быть с этим связанно разделение неправильных галактик на 2 подтипа.

       Подтип II характеризуется сравнительно высокой  поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры (NGM 25744, NGC 5204). Французский астроном Вакулер в некоторых галактиках этого подтипа, например Магелановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры.

       Неправильные  галактики другого подтипа обозначаемого III, отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько галактик подтипа III расположенных сравнительно близко (галактика в созвездии Льва.).

       Только 3 галактики можно наблюдать невооруженным глазом, Большое Магеланово облако, Малое Магеланово облако и туманность Андромеды. В таблицы приведены данные о десяти ярчайших галактиках неба. (БМО, ММО – Большое Магеланово облако и Малое Магеланово облако.).

       Не  вращающаяся звездная система по истечении некоторого срока должна принять форму шара. Такой вывод  следует из теоретических исследований. Он подтверждается на примере шаровых  скоплений, которые вращаются и  имеют шарообразную форму.

       Если  же звездная система сплюснута, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер.

       Особый  интерес представляют галактики  с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся галактика Лебедьl. Это слабая двойная галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным источником. Объекты подобные галактике Лебедьl безусловно очень редки в метагалактике, но Лебедьl не единственный объект подобного рода во Вселенной. Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200Мпс).

       Поток проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от источника Лебедьl.

       Несколько ярких галактик, входящих в каталог NGC, также отнести к разряду радиогалактик, потому что их радиоизлучение аналогично сильное хотя оно значительно уступает по энергии световому. Из этих галактик  NGC 1273, NGC 5128, NGC 4782 и NGC 6186 являются двойными. Одиночные  NGC 2623 и NGC 4486.  

       Когда английские и австралийские астрономы, применив интерференционный метод  в 1963 г. определили с большой точностью  положения значительного числа  дискретных источников радиоизлучения, они одновременно определили и другие угловые размеры некоторого числа радиоисточников. Диаметры большинства из них исчислялись минутами или десятками секунд дуги, но у 5 источников, а именно у 3С48, 3С147, 3С196, 3С273 и 3С286, размеры оказались меньше секунды дуги. 

       Но  поток их радиоизлучения не уступали потоки радиоизлучения других фирм дискретных источников, превосходящих их по площади излучения в десятки тысяч раз. Эти  звездоподобные источники радиоизлучения были названы квадрами. Сейчас их открыто более 1000. Блеск квадра не остается постоянным. Массы квадров достигают миллиона солнечных масс.  Источник энергии квадров до сих пор не ясен. Есть предположения, что квадры – это исключительно активные ядра очень далеких галактик.  

       Теоретическое  моделирование имеет важное значение так же и для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной. В 1922 г. А.А. Фридман занялся разработкой оригинальной теоретической модели Вселенной. Он предположил, что средняя плотность не является постоянно, а меняется с течением времени. Фридман пришел к выводу, что любая достаточно большая часть Вселенной, равномерно заполняемая материя не может находиться в состоянии равновесия: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Еще в 1917 г. В.М. Слайдер обнаружил «красное смещение» спектральных линий в спектрах далёких галактик. Подобное смещение наблюдается тогда, когда источник света удаляется от наблюдателя. В 1929 г. Э. Хаббл объяснил это явление взаимным разбеганием этих звездных систем. Явление «красного смещения» наблюдается в спектрах почти всех галактик, кроме ближайших (нескольких). И чем дальше от нас галактика, тем больше сдвиг линий в её спектре, т.е. все звездные системы удаляются от нас с огромными скоростями в сотни, тысячи десятки тысяч километров в секунду, более далекие галактики обладают и большими скоростями. А после того, как эффект «красного смещения» был обнаружен и в радиодиапазоне, то не осталось, никаких сомнений в том, что наблюдаемая Вселенная расширяется. В настоящее время известны галактики, удаляющиеся от нас со скоростью 0,46 скорости света. А сверхзвезды и квадры – 0,85 скорости света. Но почему они движутся, расширяются? На галактики постоянно действует какая-то сила. 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 смещается сжатием.