Учебная работа. Реферат: Эволюция вселенной. Рождение галактик

Учебная работа. Реферат: Эволюция вселенной. Рождение галактик

.

Введение

процесс эволюции Вселенной происходит весьма медлительно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и совершенно людской культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является только жалким звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас дальнее прошедшее.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, примерно 10 млрд лет вспять, был огромный пламенный шар, раскаленный и плотный. Его состав очень прост. Этот пламенный шар был на столько раскален, что состоял только из вольных простых частиц, которые быстро двигались, сталкиваясь друг с другом.

В протяжении 10 млрд лет опосля “огромного взрыва” простейшее непонятное вещество равномерно преобразовывалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планетки. Рождались звезды, системы, состоящие из большого количества простых частиц с очень обычный организацией. На неких планетках могли появиться формы жизни.

Начало Вселенной

Вселенная повсевременно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась 1-ая и полная драматизма эпоха в истории вселенной, ее именуют “огромным взрывом” либо английским термином Big Bang.

Под расширением Вселенной предполагается таковой процесс, когда то же самое количество простых частиц и фотонов занимают повсевременно растущий объём. Средняя плотность Вселенной в итоге расширения равномерно снижается. Из этого следует, что в прошедшем Плотность Вселенной была больше, чем в истинное время. Можно представить, что в глубочайшей древности (приблизительно 10 млрд лет вспять) плотность Вселенной была весьма большенный. Не считая того высочайшей обязана была быть и температура, так высочайшей, что плотность излучения превосходила плотность вещества. По другому говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом ранешном шаге, в 1-ые мгновения “огромного взрыва” вся температуры Т от времени t дает нам возможность найти, что к примеру, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион Кельвинов.

Температура раскаленной плотной материи на исходном шаге Вселенной со временем снижалась, что и отражается в соотношении. Это означает, что снижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT снижалась и энергия фотонов. Это может быть только в том случае, если уменьшится их частота n. Снижение энергии фотонов во времени имело для появления частиц и античастиц методом материализации принципиальные последствия. Для того чтоб фотон перевоплотился (материализовался) в частичку и античастицу с массой mo и энергией покоя moc2, ему нужно владеть энергией 2moc2
либо большей. Эта зависимость выражается так :

hn >=2moc2

Со временем энергия фотонов снижалась, и как она свалилась ниже произведения энергии частички и античастицы (2mo
c2
), фотоны уже не способны были обеспечить появление частиц и античастиц с массой mo. Так, к примеру, фотон, владеющий энергией наименьшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, поэтому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

В прошлом соотношении можно поменять энергию фотонов hn кинетической энергией частиц kT ,

kT >= 2 moc2

другими словами

T >= 2 moc2
/k

символ неравенства значит последующее: частички и надлежащие им античастицы появлялись при материализации в раскаленном веществе до того времени, пока температура вещества T не свалилась ниже значения.

На исходном шаге расширения Вселенной из фотонов рождались частички и античастицы. Этот процесс повсевременно слабел, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Так как аннигиляция может происходить при хоть какой температуре, повсевременно осуществляется процесс частичка + античастица Ю 2 гамма-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. процесс материализации гамма-фотон Ю частичка + античастица мог протекать только при довольно высочайшей температуре. Согласно тому, как материализация в итоге понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась. Эволюцию Вселенной принято делить на четыре эпохи : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эпоха. При весьма больших температурах и плотности в самом начале существования Вселенной время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура T свалилась на 10 биллионов Кельвинов(1013
K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около млрд эв (103
Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов закончилась, потому что при температуре ниже 1013
K фотоны не владели уже достаточной энергией для ее воплощения. процесс аннигиляции барионов и антибарионов длился до того времени, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые томные из барионов) в процессе самопроизвольного распада перевоплотился в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной пропала наибольшая группа барионов — гипероны. Нейтроны могли далее распадаться в протоны, которые дальше не распадались, по другому бы нарушился законсохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на шаге с 10-6
до 10-4
секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достигнул одной десятитысячной секунды (10-4
с.), температура ее понизилась до 1012
K, а энергия частиц и фотонов представляла только 100 Мэв. Ее не хватало уже для появления самых легких адронов — пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новейшие не могли появиться. Это значит, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достигнул 10-4
с., в ней пропали все мезоны. На этом и кончается адронная эпоха, поэтому что пионы являются не только лишь самыми легкими мезонами, да и легчайшими адронами. Никогда опосля этого мощное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в таковой мере, как в адронную эру, длившуюся всего только одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная эпоха. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в границах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была довольно высочайшей, чтоб обеспечить интенсивное появление электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сопоставлению с лептонами и фотонами встречаться еще пореже.

Лептонная эпоха начинается с распада крайних адронов — пионов — в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010
K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов закончилась. Во время этого шага начинается независящее существование электрического и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё место Вселенной заполнилось не малым количеством реликтовых электрических и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эпоха либо эпоха излучения. На замену лептонной эпохи пришла эпоха излучения, как температура Вселенной понизилась до 1010
K , а энергия палитра фотонов достигнула 1 Мэв, произошла лишь аннигиляция электронов и позитронов. Новейшие электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, поэтому, что фотоны не владели достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов длилась далее, пока давление излучения на сто процентов не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эпохи Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эпохи фотонов было в два млрд раз больше, чем протонов и электронов. Важной составной Вселенной опосля лептонной эпохи стают фотоны, при этом не только лишь по количеству, да и по энергии.

Для того чтоб можно было ассоциировать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, поточнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено умеренно). Если сложить совместно энергию hn всех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения Er . Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества Em во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной снижалась плотность энергии фотонов и частиц. С повышением расстояния во Вселенной вдвое, объём возрос в восемь раз. Другими словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя по другому, чем частички. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не изменяется, энергия фотонов при расширении миниатюризируется. Фотоны снижают свою частоту колебания, будто бы “устают” с течением времени. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает резвее, чем плотность энергии частиц (Em). Доминирование во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) в протяжении эпохи излучения уменьшалось до того времени, пока не пропало на сто процентов. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (другими словами Er=Em). Кончается эпоха излучения и совместно с сиим период “огромного взрыва”. Так смотрелась Вселенная в возрасте приблизительно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тыщу раз короче, чем в истинное время.

“Большенный взрыв” длился сравнимо недолго, всего только одну тридцатитысячную сегодняшнего возраста Вселенной. Невзирая на краткость срока, это всё же была самая славная эпоха Вселенной. Никогда опосля этого эволюция Вселенной не была настолько быстра, как в самом её начале, во время “огромного взрыва”. Все действия во Вселенной в тот период касались вольных простых частиц, их перевоплощений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в настолько куцее время (всего только несколько секунд) из обеспеченного контраста видов простых частиц пропали практически все: одни методом аннигиляции (перевоплощение в гамма-фотоны), другие методом распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

Опосля “огромного взрыва” наступила длительная эпоха вещества, эра доминирования частиц. Мы называем её звездной эпохой. Она длится со времени окончания “огромного взрыва” (примерно 300 000 лет) до наших дней. По сопоставлению с периодом “огромным взрыва” её развитие представляется как как будто очень замедленным. Это происходит из-за низкой плотности и температуры. Таковым образом, эволюцию Вселенной можно сопоставить с фейерверком, который окончился. Остались пылающие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и сияние Вселенной. Взрыв суперновой либо огромный взрыв галактики — жалкие явления в сопоставлении с огромным взрывом.

Рождение сверхгалактик и скоплений галактик

Во время эпохи излучения длилось быстрое расширение галлактической материи, состоящей из фотонов, посреди которых встречались вольные протоны либо электроны и очень изредка — альфа-частицы. (Не нужно забывать, что фотонов было в млрд раз больше чем протонов и электронов). В период эпохи излучения протоны и электроны в главном оставались без конфигураций, уменьшалась лишь их скорость. С фотонами дело обстояло намного труднее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эпохи излучения гамма-фотоны равномерно преобразовывались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эпохи остыли уже так, что к любому из протонов мог, присоединится один электрон. При всем этом происходило излучение 1-го ультрафиолетового фотона (либо же нескольких фотонов света) и, таковым образом, появился атом водорода. Это была 1-ая система частиц во Вселенной.

С появлением атомов водорода начинается звездная эпоха — эпоха частиц, поточнее говоря, эпоха протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с не малым количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в разных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он создавал большие сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таковых галлактических водородных сгустков была в сотки тыщ, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. расширение газа снутри сгустков шло медлительнее, чем расширение разреженного водорода меж самими сгущениями. Позже из отдельных участков при помощи собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, наикрупнейшие структурные единицы Вселенной — сверхгалактики — являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранешних шагах истории Вселенной.

Рождение галактик

Колоссальные водородные сгущения — эмбрионы сверх галактик и скоплений галактик — медлительно вращались. Снутри их создавались вихри, похожие на водовороты. Их поперечник достигал приблизительно 100 тыщ световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. эмбрионами галактик. Невзирая на свои неописуемые размеры, вихри протогалактик были всего только жалкой частью сверхгалактик и по размеру не превосходили одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации создавала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некие из галактик до сего времени напоминают нам циклопическое завихрение.

Астрономические исследования демонстрируют, что скорость вращения завихрения предназначила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения описывает тип будущей галактики. Из медлительно крутящихся вихрей появились эллиптические галактики, в то время как из стремительно крутящихся родились сплющенные спиральные галактики.

В итоге силы тяготения весьма медлительно крутящийся вихрь сжимался в шар либо несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такового правильного огромного водородного облака были от нескольких 10-ов до нескольких сотен тыщ световых лет. Несложно найти, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, поточнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в галлактическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превосходила его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие именуется аспектом Джинса. С его помощью можно найти, в которой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая совершенно не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медлительно крутящихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней росла. Как плотность достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позднее эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой либо слегка приплюснутой галактике происходило практически сразу. Этот процесс длился относительно недолго, приблизительно 100 миллионов лет. Это означает, что в эллиптических галактиках все звезды примерно схожего возраста, т.е. весьма старенькые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сходу же в самом начале, приблизительно в первую сотую существования галактики. В протяжении следующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таковым образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из весьма старенькой сферической составляющей ( в этом они похожи на эллиптические галактики) и из наиболее юный плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Меж этими составляющими существует несколько переходных компонент различного уровня сплюснутости, различного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таковым образом, труднее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики не считая этого вращаются существенно резвее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из стремительно крутящихся вихрей сверхгалактики. Потому в разработке спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

Если б из нашей галактики через 100 миллионов лет опосля ее появления (это время формирования сферической составляющей) испарился весь межзвездный водород, новейшие звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

Но межзвездный газ в те дальние времена не испарился, и, таковым образом гравитация и вращение могли продолжать стройку нашей и остальных спиральных галактик. На любой атом межзвездного газа действовали две силы — гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В истинное время межзвездный газ сконцентрирован к галактической плоскости в очень узкий слой. Он сосредоточен до этого всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую либо промежную составляющую, нареченную звездным популяцией второго типа.

На любом шаге сплющивания межзвездного газа во все наиболее утончающийся диск рождались звезды. Потому в нашей галактике можно отыскать, как старенькые, возникшие приблизительно 10 млрд лет вспять, так и звезды родившиеся не так давно в спиральных рукавах, в так именуемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем наиболее сплющена система, в какой родились звезды, тем они молодее.

Заключение

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках появляются и погибают звезды. Вселенная продолжает расширятся.

Перечень литературы

Йосип Клечек и Петр Якеш “Вселенная и земля”, © 1985 Артия, Прага.Издание на российском языке 1986.

В.В. Кесарев “Эволюция вещества во вселенной”, © 1976 Атомиздат, Москва.

]]>