(4 оценок, среднее: 4,75 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Наш дом — Вселенная
Вот дом, который выстроил Джек.
Англ. народная песенка. Пер. С.Маршака
Как буквально написать собственный адресок?
Сначало просто: квартира, дом, улица, город, страна. Позже, чуток подумав: планетка Земля, звезда солнце, галактика Млечный Путь. Дальше (по мере укрупнения масштаба и фантазии): Местное скопление галактик, Сверхскопление в созвездии Дева, Вселенная (она же Метагалактика). Все. Лишь одно замечание: написав слово «Вселенная» с большенный буковкы, мы допустили существование огромного количества остальных вселенных, составляющих что-то еще наиболее большое, чему пока нет наименования. Но мы никогда не сможем войти в контакт с ними ввиду конечной скорости распространения сигналов и ограниченного возраста нашей Вселенной. Включать их в адресок совсем никчемно.
Можно надежды, что письмо с таковым адресом дойдет по предназначению, пройдя все обозначенные пункты.
Видимая Вселенная
Любой, естественно, отлично понимает собственный дом, улицу, город, страну. Наверняка, Земля и солнце тоже довольно знакомы. А вот представления о Галактике (Млечном Пути), может быть, нуждаются в уточнении. Упомянутая в первый раз английским астрологом В.Гершелем, создававшим в XVIII в. самые огромные в мире телескопы, Галактика представляет собой совокупа звезд, планетных систем, газа и пыли, удерживаемых совместно гравитационными силами. Млечный Путь – большая галактика (1012 звезд) с 4-мя спиральными рукавами, выходящими из центральной области, где находится ядро Галактики, объект не совершенно понятной природы, может быть, весьма мощная темная дыра. Большая часть звезд сосредоточено в узком диске (отношение радиус/толщина = 100 : 1), приметно утолщенном в центре, – юная часть галактического населения, участвующая в общем вращении периодом 250 млн лет. Древняя популяция – маломассивные звезды, шаровые звездные скопления – заполняет наиболее необъятную область – гало Галактики, по форме напоминающую сплюснутый эллипсоид с приметной концентрацией объектов к центру. На рис. 1 Галактика показана так, как она быть может видна с огромного расстояния в телескоп иной разумной цивилизации.
Наше пространство в Галактике никак не центральное (что нужно признать большенный фортуной). Галлактика находится примерно на половине расстояния от центра до края диска (четкий радиус равен 8 кпк) и практически посреди диска по высоте. Фортуна, основным образом, в том, что тут плотность звезд мала, их столкновения редки, а поля излучения (от радиоволн до твердого рентгена) не весьма небезопасны. жизнь и возникает там, где ей меньше угроз: навряд ли адаптирована для обитания центральная часть Галактики, где много ярчайших переменных звезд и таковых чудовищ, как нейтронные звезды и темные дыры. солнце – маленькая, размеренная, довольно щедрая на свет и тепло звезда, очень комфортная для жизни рядом с ней, в чем нам тоже очень подфартило.
Галактики нередко под действием гравитационных сил образуют разные по форме скопления (кластеры галактик). Млечный Путь совместно с 20 галактиками, наиблежайшие из которых – его сателлиты (Огромное и Маленькое Магеллановы Облака и ряд остальных миниатюрных галактик), образуют Местный кластер. Он, в свою очередь, заходит в состав огромного Сверхскопления, центром которого является активная галактика Дева-А и которое насчитывает наиболее тыщи галактик, расположенных в радиусе 30 Мпк. Местный кластер находится кое-где на краю Сверхскопления.
Наиболее больших единиц, чем сверхскопления, не найдено. Видимо, на этом иерархия структур завершается, так что Вселенная, на 1-ый взор, состоит из скоплений и сверхскоплений галактик и пустого места меж ними. Что-то вроде огромного водоема, в каком взвешены и неторопливо движутся «комки» вещества, различные по форме и размерам. Этот галлактический водоем, добавим, не так очень богат веществом – расстояния меж «комками» много больше их собственных размеров.
Таковая картина, представшая посреди XX в., казалась естественной и полностью согласующейся с представлением о нашей Вселенной, показавшейся примерно 15 миллиардов лет вспять. Она однородна и изотропна, умеренно расширяется: расстояния меж скоплениями вырастают, в ее большенном масштабе действует лишь одна сила притяжения, заставляющая вещество скучиваться в «комки» – галактики и их скопления. Но четкие наблюдения проявили, что скопления галактик распределены в пространстве далековато не умеренно.
Ячеистая структура Вселенной
Рис. 1. Вид галактики Млечный Путь сбоку: видны дисковая (юная) и квазисферическая (древняя) популяции звезд
прогресс наблюдательных средств астрономии происходит безпрерывно. Вырастают размеры телескопов (уже достигнули 15 м в поперечнике зеркала). Совершенствуются приемники света – сейчас это не фотопластинки, а ПЗС-матрицы, владеющие большенными чувствительностью и точностью изображения. Улучшается разрешающая способность спектрометров – основных поставщиков сведений о изучаемых объектах. Многочисленны заслуги техники проведения наблюдений. Компьютерная революция произвела переворот в средствах сбора, обработки и хранения инфы. К этому нужно добавить, что центр энтузиазма точно сместился в область внегалактической астрономии, к исследованию все наиболее дальних миров.
анализ большого массива данных привел к представлению о том, что Вселенная заполнена не равномерной «консистенцией» скоплений галактик, а их «пеной», плотность которой в отдельных местах весьма велика, а в остальных – фактически нулевая. Иными словами, Вселенная состоит из отдельных ячеек размером 50–150 Мпк, в местах пересечения стен которых (ребрах) галактики расселены весьма плотно, а в центральных областях практически отсутствуют (эти ячейки именуют войдами – от британского void – лишенный, пустой). Никакими статистическими флуктуациями ячеистая структура не быть может объяснена. Она – настоящий факт, который отражает условия появления первичных неоднородностей вещества на ранешней стадии Метагалактики. Таковым образом, наблюдения отторгают старенькые модели и стимулируют поиски новейших, в рамках которых ячеистая структура Вселенной была бы так же естественна, как шарообразная форма небесных тел в ньютоновской теории тяготения.
Нестационарная космология
Все пробы от Ньютона до Эйнштейна сделать теорию стационарного мира, как понятно, не дали результата. мир упрямо не желал быть устойчивым и постоянным. Самые принципиальные свидетельства этому, приобретенные из наблюдений, – разбегание галактик (определяемое по красноватому смещению линий в их диапазонах) и термическое реликтовое излучение температурой Т = 2,7 К, регистрируемое как изотропный радиофон. Обоюдное разбегание галактик – прямой итог образования Вселенной в Большенном Взрыве (Big Bang), в каком она появилась 15 миллиардов лет вспять, как считают, из состояния с нескончаемой плотностью. Реликтовое излучение – это остывшее в итоге расширения термическое поле Взрыва, температура которого в исходный момент была также нескончаемой. Нестационарная космология, пионерами которой были российские физики Александр Фридман и Жора Гамов, основывается на постулате о однородном и изотропном распределении вещества. В самом ординарном представлении Вселенная, возникнув из точечной сингулярности, во все эры представляла собой расширяющийся шар вещества, состав которого изменялся в согласовании с уменьшающейся температурой излучения, находящегося в термодинамическом равновесии с веществом.
А.Фридман первым отыскал три вероятных варианта нестационарной космологии. В первом (модель открытой Вселенной) расширение длится неограниченно длительно, что вызвано превышением энергии разлета вещества над энергией его обоюдного притяжения. 2-ой (модель плоской Вселенной) представляет тот редчайший вариант, когда обозначенные виды энергий в точности совпадают. Тогда разлет вещества будет также длиться, с тем лишь различием, что его скорость, уменьшаясь, стремится к нулю. 3-ий (модель замкнутой Вселенной) дает абсолютно новое решение: расширение остановится на неком предельном радиусе, опосля чего же энергия сил притяжения, превосходящая энергию кинетического разлета, принудит вещество сжиматься (галактики начнут сближаться, будет наблюдаться голубое смещение линий) прямо до возврата в начальную сингулярность.
Г.Гамов дополнил фридмановские модели учетом первичного нагрева вещества, которое во всех вариантах владеет определенной температурной зависимостью. Его модель окрестили моделью Жаркой Вселенной, получившей веское доказательство открытием термического реликтового фона. Излучение доминировало на исходных шагах жизни Вселенной, определяя ее состав. Высочайшая температура первых 3-х минут Огромного Взрыва благоприятствовала протеканию термоядерных реакций синтеза, в процессе которых из первичной консистенции протонов и нейтронов образовались ядра дейтерия (томного водорода), гелия и, в малом количестве, лития. До наиболее тяже
Появление структуры
Когда излучение доминирует, вещество представляет собой плазму, состоящую из протон-антипротонных пар в 1-ые микросекунды, электрон-позитронных пар через секунду и из электронов и протонов (с примесью дейтронов и ядер гелия) в течение миллиона лет. Излучение, интенсивно взаимодействующее с заряженными частичками, ведет себя как вязкая среда, в какой гасятся все движения частиц, в том числе вызванные обоюдным притяжением. Структурных образований в плазме не возникает.
Но вот прошел миллион лет и излучение остыло до 4000 К, что ниже потенциала ионизации водорода. Ничто не мешает сейчас протонам и электронам объединяться, образуя нейтральный газ (рекомбинация), к которому остывшее излучение «теряет всякий энтузиазм», проходя через него без приметного взаимодействия. Вот тут-то гравитация и припоминает о для себя, заставляя газ сжиматься. Гравитационная неустойчивость вещества – следствие деяния одной лишь силы притяжения – приводит к формированию всех видимых структур: от астероидов до сверхскоплений галактик.
С чего же начинался этот процесс в сначало однородном газе? Какие структуры появились первыми? Как они развивались и во что перебежали за млрд лет? Прямых ответов на эти вопросцы теория пока не дает. В согласовании с предложенных моделей рост первичных структур был обоснован гравитационной неустойчивостью, при всем этом «центрами конденсации» вещества служили случайные уплотнения (флуктуации) среды. Раз возникнув, они продолжали расти за счет новейших порций притягиваемого вещества, становясь большенными газовыми тучами. При всем этом были вероятны флуктуации 2-ух типов: изотермические и адиабатические. 1-ые, затрагивающие лишь газ, должны были порождать облака умеренных размеров, сравнимые с наблюдаемыми на данный момент шаровыми звездными скоплениями. Чтоб образовать структуры типа галактик, таковым тучам нужно укрупняться, соединяясь при столкновениях. Как это происходило, не весьма понятно.
2-ой тип флуктуаций мог происходить сразу в газе и излучении и был должен приводить к возникновению туч циклопических размеров и массы. Сталкиваясь, они сжимали газ в тонких слоях контакта, образно именуемых блинами, где и появлялись условия для образования будущих структур. Модель блинов развивала группа академика Я.Б.Зельдовича в 70-х гг. Открытие ячеистой структуры Вселенной в почти всех чертах подтверждает эту модель: стены ячеек – это места первичных блинов, ребра ячеек – их пересечения, а войды – межблинное место, где не было требуемых критерий роста структур. естественно, расмотренные модели очень условны.
Быстрее всего, природа употребляла флуктуации обоих типов, создавая разномасштабные структуры. Но даже высококачественное совпадение теории и наблюдений вселяет уверенность в то, что ячеистая структура Вселенной – не только лишь наблюдательный, да и полностью объяснимый познавательный факт.
неувязка сокрытой массы
Эту и без того непростую картину Вселенной еще больше усложнили две «жаркие» задачи. 1-ая, именуемая неувязкой сокрытой массы (либо черной материи), занимает ученых уже наиболее 30 лет. Сущность ее заключается в том, что не все вещество во Вселенной заключено в звездах, галактиках и их скоплениях, т.е. в объектах светящихся и поэтому просто наблюдаемых. Еще бо1льшая масса (по различным оценкам, от 5 до 10 раз) оказывается невидимой. Вещество-неведимку не рассмотреть в телескопы, оно не «засвечивает» себя в различных длинах волн, но довольно накрепко находится через гравитационное взаимодействие с окружающим обыденным веществом, влияя на его движение. Наблюдения проявили, что сокрытая масса существует фактически во всех подструктурах – галактиках, скоплениях и сверхскоплениях.
Кто прячется за маской черной материи, до сего времени не понятно. Она быть может как обыденным веществом, но находящимся в объектах весьма слабенькой светимости (маломассивные звезды в коронах галактик, нейтронные звезды, прохладные газовые облака), так и совсем новеньким видом материи, не участвующим ни в которых взаимодействиях, не считая гравитационного. Кандидатов современная физика подбрасывает довольно много: мощные нейтрино, новейшие частички и остальные диковины, вышедшие из-под пера физиков-теоретиков. Раскрытие потаенны невидимок, – пожалуй, одна из самых захватывающих задач современной физики и астрофизики.
Но, кем бы ни была сокрытая масса, совсем ясно, что ее воздействие на структуру и динамику Вселенной очень велико. Ведь конкретно гравитация описывает лицо мира, его нынешнее поведение и будущее устройство. действие черной материи, в 10 раз наиболее мощное, чем всех видимых галактик и скоплений, нужно буквально знать и учесть в космологических моделях.
Инфляционная эпоха
2-ая неувязка – маленький, но очень принципиальный шаг жизни Вселенной, получивший заглавие инфляционной эпохи. Он самый исходный и так мимолетный – всего 10–32 с (!), – что, чудилось бы, мог пройти незамеченным. Вроде бы не так. В это время лишь что появившаяся Вселенная – крошечный пузырек размером меньше атома – быстро раздувалась (inflation и есть раздувание), вырастая до астрономических размеров.
Необходимость введения инфляционной эпохи появилась у космологов тогда, когда они поняли невозможность разъяснить некие парадоксальные характеристики реликтового излучения, к примеру, схожую температуру дальних друг от друга и поэтому причинно не связанных частей Вселенной (расстояние меж которыми больше пути, проходимого светом за время жизни Вселенной). Разгадка ординарна: сначала инфляционной эпохи они-таки были причинно связанными и могли обмениваться сигналами, уравнивая свою температуру, а разошлись так далековато в итоге быстрого раздувания.
Инфляционная эпоха – реальный Клондайк современной астрофизики. Конкретно в этот крошечный просвет времени появилась вся масса Вселенной – как пена на нескончаемо глубочайшей возможной энергии вакуума, выделилась большущая энергия, нагревшая вещество до высочайшей температуры (сделавшая Вселенную жаркой), и произошли распады томных частиц, создавшие излишек вещества над антивеществом (протонов, нейтронов и электронов над антипротонами, антинейтронами и позитронами), в итоге чего же наша Вселенная и состоит лишь из вещества (опосля того как аннигилировали – взаимно уничтожились – равные количества частиц и античастиц). Понятен тот большой Энтузиазм, который проявляют к данной нам «золотой жиле» физики-теоретики. нужно отметить также, что инфляционная эпоха – самая близкая к моменту Огромного Взрыва. Кто понимает, какие еще открытия и потрясения ждут въедливых космоархеологов в данной нам «равнине царей».
Выбор Вселенной
Вариантов космологических моделей много, а Вселенная одна. Означает, нужно отобрать тот единственный вариант, который был реализован, и в конце концов осознать, в котором Доме мы живем. Практически весь ХХ в. прошел под знаменем данной нам величавой задачки – в поисках тестов выбора правильной модели и их проверок в наблюдениях. Но до сего времени итог остается неопределенным: Вселенная быть может хоть каким из обозначенных Фридманом типов – открытой, плоской и замкнутой. Мы все еще не знаем в точности устройства, основных характеристик и грядущего поведения нашего мира. Будет ли Вселенная нескончаемо расширяться, либо когда-нибудь расширение сменится сжатием и она уйдет в исходную сингулярность? Разве можно расслабленно жить, не зная ответа?
По сути все не так трагично. Более умудренные космологи уже интуитивно получили ответ и считают, что, быстрее всего, мы живем в плоской Вселенной, где средняя плотность вещества (видимого и укрытого) приравнивается критичной, геометрия места евклидова и мир в целом не имеет кривизны. К этому их склоняют не только лишь результаты анализа космологических тестов, да и суждения «эстетической красы», которые так ценил Эйнштейн и которые посодействовали ему избрать конкретно тот вариант теории тяготения (общую теорию относительности), который до сего времени считается наилучшим, согласуясь со всеми плодами наблюдений.
Но в науке самый основной аспект правды все таки не интуиция (даже самых выдающихся людей, которые тоже время от времени ошибаются), а результаты опыта и четкого анализа. Потому с прежним упорством наблюдатели, получающие в свое распоряжение все наиболее утонченные приборы и способы анализа, продолжают поиски единственного варианта нашего вселенского дома. На этом пути, не считая уточняющихся результатов старенькых тестов, возникла в крайнее время совсем новенькая возможность, сплетенная с подробными исследовательскими работами температуры реликтового излучения.
Анизотропия реликтового излучения
Так ли уж изотропен реликтовый фон? С точностью до 0,01 % он вправду схож во всех направлениях, чего же довольно, чтоб откинуть все пробы разъяснить его близкими источниками и принять как излучение всей Метагалактики. А что будет, если еще повысить точность измерений?
20 лет вспять таковой опыт провела южноамериканская группа на высотном самолете-лаборатории и нашла приметную анизотропию реликта: в некой области небесной сферы температура излучения была чуток выше – наибольшая разница составляла 3,5 мК, а в обратной – на такую же величину меньше. Был открыт так именуемый дипольный компонент анизотропии, получивший весьма обычное и естественное разъяснение. Он обоснован доплеровским смещением частоты (а означает, и температуры) излучения, принимаемого передвигающимся наблюдателем. Это этот же эффект, по которому высота гудка приближающегося поезда выше, а удаляющегося – ниже, чем стоящего. Реликтовые фотоны налетают со всех сторон; парящие навстречу наблюдающему окажутся наиболее энергичными, а догоняющие «в хвост» – наименее энергичными, чем приходящие сбоку. Этот системы нет и эфира с приписываемыми ему качествами упругой среды не существует. Эфир вправду на данный момент физике не нужен, но избранная система отсчета (в неком смысле абсолютная) все таки, оказывается, существует.
За вычетом дипольного компонента реликтовое излучение на небесной сфере представляет равномерную «рябь», вызванную статистическими и приборными погрешностями. Конечных значений наиболее маленькой анизотропии длительно не находили, пока не были проведены на спутниках неповторимые опыты РЕЛИКТ (СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — много меньше скорости света). 2-ой открыл целый диапазон анизотропных компонент, которые, как сыпь, покрывают все небо и имеют очень огромные размеры (1 – 90о). Это следы тех первичных флуктуаций плотности вещества, которые возникли в момент рекомбинации плазмы и из которых развились все наблюдаемые структуры Вселенной. большенный размер неоднородностей – аргумент в пользу инфляционной эпохи, так как зарождались они (в черной материи) конкретно в то дальнее время и успели очень вырасти.
Анизотропия реликтового фона на уровне 20–40 мкК – установленный факт. Ее составляющие, сохранившие отпечатки прошедших эпох, могут сослужить верную службу, став космологическим Розетским камнем в воссоздании истории «издавна прошлых дней».
Измерения реликтового излучения сенсорами на высотных аэростатах подтвердили выводы спутниковых тестов и смогли продлить диапазон анизотропных компонент до больших моментов. Результаты всех опытов приведены на рис. 2.
Рис. 2. Диапазон неоднородностей (анизотропии) реликтового излучения: по оси абсцисс – мультипольный момент, по оси ординат – температурные флуктуации; точки с погрешностями – экспериментальные данные, кривые – результаты расчета по инфляционной модели (а) и модели топологических изъянов (б)
Точками показаны экспериментальные данные, кривыми – ожидаемые диапазоны в различных моделях первичных флуктуаций плотности. Хотя ошибки измерений еще весьма значительны, опыты лучше согласуются с пророчеством инфляционной модели (кривая а) и практически наверное отторгают модель топологических изъянов (кривая б). В расчет заложены все космологические характеристики Вселенной и, если измерения будут наиболее точными, индивидуальности расчетного диапазона (возрастающая часть, положение и амплитуды 3-х пиков, крутой спад) могут быть буквально «привязаны», в итоге чего же характеристики станут известны с точностью, труднодоступной для остальных космологических тестов (пока неопределенность составляет 50%). на данный момент готовятся два новейших прецезионных спутниковых опыта: MAP (США (Соединённые Штаты Америки — характеристики Вселенной с точностью до 5% (рис. 3), – и неувязка выбора модели будет снята с повестки денька. Тяжело переоценить общенаучную значимость проводимых исследовательских работ – она сравнима с самыми звучными открытиями прошедших веков, заложившими базы познания о внешнем мире.
Рис. 3. Этот же диапазон анизотропии реликтового излучения, как он будет измерен в опытах МАР и Planck для модели плоской Вселенной с определенным набором космологических характеристик
А что далее?
И все таки на этом дело не остановится – наука постоянно в пути. Уже видны новейшие задачи и задачки, которые ставит неугомонная природа. одной из их, касающейся структуры Вселенной, является неувязка «130 Мпк шкалы». Сущность ее состоит в том, что скопления галактик и воиды размещены не беспорядочно, а строго точно: наблюдается периодичность их чередования с шагом 130 Мпк. Ни из современной теории, ни из модели блинов таковая периодичность совсем не следует. Что это – указание на неведомые еще детали устройства нашего дома либо следствие лишней подозрительности исследователей – покажут последующие, наиболее четкие наблюдения.
К числу беспокоящих (нерешенных либо непонятых) заморочек относится и так именуемый антропный принцип, обсуждаемый с переменным фуррором в течение крайних десятилетий. Он является формальным ответом на вопросец, почему мировые физические константы так буквально «подогнаны» (до нескольких процентов) к тому эволюционному пути, которым прошла Вселенная: большенный Взрыв – расширение Метагалактики – образование звезд, галактик и скоплений – синтез частей, включая С, N, О, из которых строятся органические вещества – зарождение жизни – возникновение человека, наблюдающего природы. Согласно антропному принципу, Вселенная устроена таковым образом, что в ней непременно должен показаться наблюдающий. Остальные вселенные, с другим набором констант, ненаблюдаемы, т.к. в их эволюционная цепь оборвалась на промежном звене: синтез частей не начал двигаться далее гелия, не успели образоваться звезды и т.д. Что в реальности кроется за антропным принципом и мыслью огромного количества вселенных, пока непонятно. Но, как понятно, нераскрытых загадок в науке не бывает – будет дан четкий ответ и на этот тяжелый вопросец.
Может быть, нам все-же придется дополнить собственный адресок указанием скопления вселенных либо остальных структурных единиц.
Просто дом продолжает строиться в нашем сознании, уточняясь и совершенствуясь.
]]>