Звездные системы и метагалактика

Категория реферата: Рефераты по математике
Теги реферата: краткое изложение, кризис реферат
Добавил(а) на сайт: Чайка.

                            рис.9. Красные смещения квазаров подобны таковым у обычных галактик

Астрономам были знакомы вызываемые эффектом Доплера красные смещения. Квазары поражали огромными скоростями удаления от нас. Они имели красные смещения, соответствующие таким большим скоростям, как 150 000 км/с. В этом случае они не могли быть звездами нашей Галактики, потому что, двигаясь так быстро, должны были скоро покинуть Млечный Путь и унестись в межгалактическое пространство.

Что же это за объекты? За более чем 25 лет после открытия квазаров было обнаружено более 3000 квазаров.

Наиболее вероятным объяснением красных смещений стала так называемая космологическая гипотеза: подобно галактикам, квазары удаляются от нас в рамках общего расширения Вселенной и получаемые из красных смещений громадные скорости квазаров говорят о том, что они находятся на расстоянии самых далеких галактик. Красные смещения некоторых квазаров гораздо больше, чем у любой исследованной галактики. Этот факт ставит нас перед еще одной проблемой. Галактики с такими большими красными смещениями не наблюдаются просто потому, что на таких расстояниях они слишком слабые, чтобы их можно было увидеть и измерить. Расстояния, определенные по красному смещению, для многих квазаров превышают 5 млрд. световых лет. Это означает, что по светимости квазары превосходят даже самые яркие из галактик. Например, светимость 3С 273 примерно в 100 раз больше светимости нормальной гигантской галактики, и при этом объект выглядит как звезда.

Кроме того, у квазаров была обнаружена переменность блеска. Например, у 3С 273 в течение более 50 лет блеск менялся неправильным образом. Астрономы обнаружили, что светимости могут меняться во много - даже в 100 раз. В некоторых случаях блеск менялся очень быстро - на протяжении всего одного дня. Это открытие поставило космологическую интерпретацию квазаров в очень трудное положение. Быстро меняющийся объект не может быть очень большим. Так, свет проходит за день расстояние в один световой день, и если за это время наблюдается значительное изменение блеска, то излучающий объект должен быть меньше одного светового дня: в противном случае любые изменения блеска окажутся смазанными из-за времени, которое требуется свету от дальней части объекта, чтобы достичь его ближней для нас части (рис.10). Световой день очень мал - всего лишь порядка размеров Солнечной системы. Как может объект размером всего только с Солнечную систему излучать света в 100 раз больше, чем галактика из сотен миллиардов звезд?

                          Рис.10. Иллюстрация изменения блеска квазара

В 1980 году был пролит новый свет на загадочные квазары. Были, наконец, созданы астрономические инструменты, способные проникнуть в непосредственно окружающую сияющий центр квазара область пространства. Еще раньше был поставлен вопрос, на который не удавалось дать ответ: не скрывается ли за ярким передержанным изображением квазара галактика? Не являются ли квазары центрами галактик?

Одни из первых успешных исследований для проверки этой гипотезы были проведены для квазара 3С 273, который оказался окруженным чем-то с распределением яркости как у нормальной эллиптической галактики. У спектров этих туманных объектов, окружающих квазары, были в точности такие же красные смещения, как и у самих квазаров. Следовательно, если туманное пятно - это действительно галактика, то она удаляется со скоростью, которая соответствует большому расстоянию, и, следовательно, квазар тоже должен находиться на космологическом расстоянии и участвовать в расширении Вселенной.

К 1983 г. было окончательно установлено, что квазары действительно являются ядрами далеких галактик, находящиеся в состоянии очень высокой активности. Многие квазары оказались пересеченными спиральными галактиками.

Спектры квазаров дают достаточно информации, чтобы сделать вывод о наличии в самом их центре небольшого компактного объекта, окруженного несколькими горячими газовыми облаками и несколькими областями более холодного газа (рис. 11). По-видимому, по всему облаку разбросаны облака пыли, движущиеся с высокими скоростями, как если бы они были выброшены из более близких к центру областей. Во всем этом, в условиях сильного магнитного поля движутся испускающие синхротронное излучение частицы высоких энергий. Именно это излучение делает из квазаров такие мощные радиоисточники. Хотя квазары были открыты именно как мощные радиоисточники, большинство их в радиодиапазоне ведет себя тихо, так что у этих замечательных объектов могут быть весьма разнообразные физические свойства.

Больше всего квазаров в интервале красных смещений от 2 до 3, а квазары с красными смещениями больше 3,5 почти не встречаются. Очень мало также квазаров с небольшими красными смещениями, так что распределение этих объектов по красным смещениям имеет максимум в области скоростей удаления, соответствующей ранней эпохе истории Вселенной. В этот период квазары были больше распространены, чем сейчас или когда-либо до этого. Под впечатлением этого странного факта, астрономы назвали интервал, составляющий всего около 10% истории Вселенной, эпохой квазаров. Почему тогда вспыхнули квазары? Почему не раньше и не сейчас? Это одни из тех вопросов, что остались без ответа и все еще ждут решения.

10. Космология. Космологические модели Вселенной

Космология (от космос и ...логия) - это физическое учение о Вселенной как целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.

Теоретический фундамент космологии составляют основные физические теории (общая теория относительности, теория поля и др.) и внегалактическая астрономия. Общие выводы космологии имеют важное общенаучное и философское значение. В современной космологии наиболее распространена модель горячей Вселенной, согласно которой в расширяющейся Вселенной на ранней стадии развития вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение привело к их постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем протогалактик, галактик, звезд и других космических тел.

К важнейшим, еще не решенным проблемам космологии относятся проблемы начального сверхплотного состояния Вселенной, так называемой сингулярности, и конечной фазы ее существования - возможности возвращения в состояние сингулярности.

10.1. Закон всеобщего разбегания галактик

Согласно современной модели происхождения Вселенной наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики сформировались из материи, разбросанной взрывом. При этом те из них, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хаббла (2).

Закон Хаббла (2) утверждает, что галактики имеют положительные скорости, пропорциональные их расстояниям, и приводит к выводу, что некогда в прошлом все галактики, или куски материи, из которых они сформировались, вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объема.

Так как все обозреваемое пространство Вселенной заполнено галактиками, то закон Хаббла можно трактовать как общее расширение наблюдаемой области Вселенной - расширение Метагалактики. Можно даже считать, что происходит равномерное и изотропное, т.е. одинаковое во всех точках и во всех направлениях, расширение пространства, влекущее удаление друг от друга тел в нем находящихся.

Удаление галактик по всем направлениям от земного наблюдателя вовсе не означает, что Земля или, лучше сказать, наша Галактика занимает центральное положение во Вселенной, в Метагалактике. Если представить себе сплошной резиновый шар, который мы равномерно растягиваем по всем направлениям, то в какой бы точке этого шара ни находился наблюдатель, в центральной или любой иной, ему будет казаться, что все остальные точки шара от него удаляются, причем удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям.

Общую картину движения галактик можно представить так: все пространство Метагалактики изотропно расширяется и увлекает с собой находящиеся в нем галактики. В то же время каждая галактика имеет еще индивидуальное движение, направление которого может быть любое - и от нас, и к нам, и в любую другую сторону.

Именно благодаря индивидуальным движениям спектры некоторых из самых близких галактик смещены не в красную, а в фиолетовую сторону, т. е. эти галактики к нам приближаются. У близких галактик удаление, вызванное расширением пространства, мало вследствие сравнительной малости расстояния, и эта скорость вполне может быть перекрыта индивидуальной скоростью, если последняя направлена к нам. У далеких же галактик скорость удаления, вызываемая расширением пространства, настолько велика, что влияние индивидуальной скорости становится незаметным.

Величины красных смещений спектров указывают на очень большие скорости слабых далеких галактик и квазаров. Скорости галактик и квазаров на основании теории относительности определяются из соотношений

где V - скорость удаления галактики или квазара,

с - скорость света равная 300000 км/с,

- длина волны излучения звезды, приходящая к наблюдателю на Земле,

- длина волны, излучаемая звездой.

По мере усовершенствования наблюдательной техники становится доступным измерение красных смещений спектров у все более слабых объектов. Список спектров, у которых

уже стал обширным, а самое большое обнаруженное красное смещение спектра соответствует значению равному 3,4. Согласно формуле (3) это означает скорость удаления объекта 270000 км/с.

Стало очевидным, что закон разбегания во все стороны галактик является универсальным, всеобщим законом. Происходит расширение, экспансия всей Вселенной в целом.

10.2. Расширение Вселенной. Модель Вселенной

Теория расширения Вселенной, заложенная Эйнштейном, опирается на два главных наблюдаемых явления. Первое из них состоит в том, что галактики и их скопления сравнительно равномерно распределены по небу. Второе важное наблюдаемое явление - закон разбегания во все стороны галактик со скоростями, пропорциональными их расстояниям. Сопоставление этих наблюдение привело ученых к заключению, что Вселенная подобна однородному расширяющемуся шару.

Каковы закономерности эволюции этого расширяющегося шара, в котором галактики и их скопления притягивают друг друга согласно закону всемирного тяготения? Что ждет Вселенную в будущем? Будет ли она безгранично расширяться, или взаимное тяготение отдельных ее частей, замедлив и остановив расширение, заставит Вселенную затем сжиматься?

Из того, что взаимное тяготение отдельных частей Вселенной замедляет ее расширение, следует, что расширение в прошлом происходило быстрее. При этом процесс зависит средней плотности материи во Вселенной. Чем плотность материи больше, тем сильнее замедление скорости и тем больше замедление расширение Вселенной.

Если при данной скорости расширения плотность материи в шаре достаточно велика, то гравитационные силы будут в состоянии остановить расширение и сменить его сжатием. Если же плотность материи мала и гравитационные силы, следовательно, слабы, процесс экспансии никогда не прекратится, Вселенная будет расширяться безгранично и средняя плотность материи в ней будет стремиться к нулю.

Очевидно существует некоторое критическое значение средней плотности материи - . Если средняя плотность материи во Вселенной больше , то в будущем расширение Вселенной прекратиться и сменится сжатием, а гравитация материи будет замыкать пространство на себя. Не существует пространства вне расширяющегося объема, содержащего материю. Такую Вселенную принято назвать закрытой.

Если же плотность равна или меньше его, то экспансия Вселенной будет продолжаться безгранично. Такую Вселенную принято назвать открытой.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: оформление доклада, реферат на английском языке.