Строение и эволюция Вселенной

 

Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное  учреждение высшего

профессионального образования

АМУРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУВПО «АмГУ»)

 

 

 

Кафедра ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Тема:  Строение и эволюция Вселенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:                                                                        студентка 004 группы

второго курса  ФМО

А.П. Лапина

 

Проверила:                                                                         доцент С.А. Лескова

 

 

 

 

 

 

 

 

Благовещенск

                                                              2011

Содержание

 

Введение

 

1. Изучение Вселенной

2. Типы галактик и их внешний вид

2.1 Радиогалактики 

3. Состояния  Метагалактики

4.Теория об эволюционной вихревой модели Вселенной Р. Декарта

5. Концепция эволюционирующей Вселенной

5.1 Теория относительности

5.2 Теории эволюции Вселенной

5.3 Теория стационарного взрыва

6. Возраст космических объектов и их систем

Заключение

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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. Химия  изучает мир молекул, физика –  мир атомов и элементарных частиц, биология – явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама вселенная. 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, при этом не следует смешивать понятия Вселенной в целом и «наблюдаемой» (видимой) Вселенной. Во втором случае речь идет лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований. 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.

1. Изучение Вселенной

Построение приближенных моделей  различных явлений помогает нам  всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного  времени астрономы занимались изучением  однородной и изотропной 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 неизотропной 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 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 1 Парсек. 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а. е. = 3*10¹³ км.) или 100000 световых лет (световой год - расстояние пройденное светом в течении 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 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, 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, бедном 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 от того, 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.

2. Типы галактик и их внешний вид

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 I (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, 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, развивающимся сходным симметричным образом и теряющая 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.

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 в следствии 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 в следствии 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 Магеллановых 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 Магелланово  облако, Малое Магелланово облако и туманность Андромеды. В таблицы  приведены данные о десяти ярчайших галактиках неба. (БМО, ММО - Большое  Магелланово облако и Малое Магелланово  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.

2.1 Радиогалактики

Особый интерес представляют галактики  с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся галактика Лебедь. Это слабая двойная галактика  с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися  мощнейшим дискретным источником. Объекты  подобные галактике Лебедь безусловно очень редки в метагалактике, но Лебедь 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 Лебедь. 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 потки 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 квазары - 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.