Десять важных открытий в астрономии

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная геодезическая академия

ИНСТИТУТ ГЕОДЕЗИИ И МЕНЕДЖМЕНТА

Кафедра радиоэлектроники

Реферат

по дисциплине: Концепции современного естествознания

на тему: Десять важных открытий в астрономии.

Выполнил:

Проверил:

Новосибирск - 2006

Благодаря космическому телескопу мы расширяем наши представления, пересматриваем предварительные теории и строим новые, подробнее объясняющие астрономические явления.

В апреле 2006 г. исполнилось 16 лет одному из таких телескопов - «Хабблу» с тех пор, как он находится в космосе. С его помощью совершено десять важнейших открытий в астрономии. За последние годы, вместе с другими обсерваториями, «Хаббл» обнаружил два новых спутника Плутона, неожиданно (и парадоксально) -- обширную галактику в очень молодой Вселенной, а также спутник с массой планеты у коричневого карлика, весящего ненамного больше самой планеты. Нам удалось уточнить характеристики Вселенной, которые прежде существовали лишь в нашем воображении.

1. Столкновение с кометой.

По космическим масштабам столкновение кометы Шумеикеров-Леви 9 с Юпитером было рядовым событием: усеянные кратерами поверхности планет и их спутников показывают, что Солнечная система -- настоящий тир. Но в масштабе жизни человека с таким событием можно столкнуться лишь однажды: в среднем комета врезается в планету раз в тысячу лет.

За год до гибели кометы Шумейкеров-Леви 9 полученные Хабблом изображения показали, что она раскололась на две дюжины фрагментов, которые растянулись в цепочку. Первый из них врезался в атмосферу Юпитера 16 июля 1994 г., а за ним в течение недели упали и остальные. На изображениях видны выбросы, похожие на гриб ядерного взрыва, поднимающиеся над горизонтом Юпитера, а затем оседающие и рассасывающиеся через 10 минут после столкновения. Но последствия взрыва наблюдались еще в течение нескольких месяцев.

Следы столкновений помогают выяснить состав газового гиганта. От каждого из них волны разбегались со скоростью 450 м/сек. Характер распространения волн указывает, что отношение кислорода к водороду в атмосфере Юпитера может быть в 10 раз больше, чем на Солнце. Однако если Юпитер сформировался в результате гравитационной неустойчивости первичного газопылевого диска, то его состав должен быть таким же, как у диска, т.е. соответствовать химическому составу Солнца. Это противоречие так и остается не разгаданным.

2. Внесолнечные планеты.

В 2001 г. Американское астрономическое общество обратилось к специалистам с просьбой выбрать наиболее значимое, с их точки зрения, открытие последнего десятилетия. По мнению большинства, им стало обнаружение планет вне Солнечной системы. Сегодня известно около 180 таких объектов. Значительная их часть найдена с помощью наземных телескопов по небольшим колебаниям звезды, вызванным гравитационным воздействием обращающейся вокруг нее планеты. Пока такие наблюдения дают минимум информации: только размер и эллиптичность орбиты планеты, а также нижний предел ее массы.

Исследователи сосредоточились на тех планетах, орбитальные плоскости которых ориентированы вдоль нашего луча зрения. Наблюдение при помощи «Хаббла» первого из обнаруженных прохождений спутника звезды HD 209458 дало наиболее полную информацию о планете вне Солнечной системы. Она на 30% легче Юпитера, но при этом на столько же больше его в диаметре, возможно, потому, что излучение близкой звезды заставило ее раздуться. Данные «Хаббла» достаточно точны, чтобы выявить широкие кольца и массивные спутники, но их не оказалось. «Хаббл» впервые определил химический состав планеты вблизи другой звезды. В ее атмосфере содержится натрий, углерод и кислород, а водород испаряется в пространство, создавая кометообразный хвост. Эти наблюдения - передача поисков химических признаков в дальние уголки Галактики.

3.Агония звезд.

Согласно теории, звезда с массой от 8 до 25 масс Солнца завершает свою жизнь взрывом сверхновой. Исчерпав запасы топлива, она резко теряет способность удерживать собственный вес. Ее ядро коллапсирует (затухает, умирает), превращаясь в нейтронную звезду -- массивный, сверхплотной объект, а внешние слои газа выбрасываются в пространство со скоростью 5% от скорости света. Но проверить данную теорию нелегко, поскольку в нашей Галактике сверхновые не взрывались с 1680 г. Однако 23 февраля 1987 г. Астрономам улыбнулась удача: произошел взрыв сверхновой в соседней галактике, спутнике Млечного Пути, -- Большом Магеллановым Облаке. В этот момент Хаббл» еще не был запущен, но через 3 года он начал отслеживать процесс и вскоре открыл три кольца, окружающие взорвавшуюся звезду. Центральное (кольцо) видно на месте узкой перемычки у газового облака, имеющего форму песочных часов, а большие кольца -- края двух чашеобразных полостей, вероятно, образованных звездой за несколько десятков тысяч лет до взрыва.

В 1994 г. «Хаббл» начал фиксировать яркие пятна, возникающие одно за другим на центральном кольце: это в него врезался выброс сверхновой. Наблюдения за агонией звезды продолжаются. В отличие от своих более массивных собратьев, звезды типа Солнца умирают более элегантно, сбрасывал свои внешние газовые слои постепенно, без взрыва. Это длится около 10 тыс. лет. Когда горячее центральное ядро звезды обнажается, оно ионизует своим излучением извергнутый газ, заставляя его светиться ярко-зеленым (ионизованный кислород) и красным (ионизованный водород). В результате возникает планетарная туманность. Сегодня их известно около 2 тыс. В некоторых туманностях наблюдается несколько концентрических кругов, похожих на бычий глаз, что свидетельствует об эпизодическом, а не непрерывном выбросе газа. Причем предполагаемое время между двумя выбросами составляет примерно 500 лет, что слишком долго для динамических пульсаций (при которых звезда сжимается и расширяется в результате противоборства гравитации и газового давления) и слишком быстро для тепловых пульсаций (при которых звезда выходит из равновесного состояния). Истинная же природа наблюдаемых колец остается не ясной.

4.Космическое рождение.

Установлено, что узкие и быстрые струи газа свидетельствуют о рож-дении звезды. Формируясь, она мо-жет извергнуть две тонкие струи длиной в несколько световых лет. Согласно одной из гипотез, крупно-масштабное магнитное поле прони-зывает газопылевой диск, окружаю-щий молодую звезду. Ионизованное вещество, вынужденное течь вдоль магнитных силовых линий, распо-лагается как бусины на вращаю-щейся нитке. Наблюдения «Хаббла» подтвердили теоретический про-гноз, согласно которому струи рож-даются в центре диска.

В то же время данные, полученные «Хабблом» опровергли другое предпо-ложение, касавшееся околозвездных дисков. Считалось, что они сидят так глубоко в родительском облаке, что увидеть их невозможно. «Хаббл» же обнаружил с дюжину протопланетных дисков -- проплидов, часто заметных в виде силуэта на фоне туманности. По крайней мере, поло-вина изученных молодых звезд об-ладает такими дисками, свидетель-ствующими о том, что сырья для формирования планет в Галактике достаточно.

5. Галактическая археология.

Астрономы считают, что крупные галактики, такие как Млечный Путь и наша соседка туманность Андро-меды, выросли, поглощая мелкие га-лактики. Признаки «галактического каннибализма» должны быть замет-ны по расположению, возрасту, со-ставу и скоростям входящих в них звезд. Благодаря наблюдениям «Хаб-бла» за звездным гало (слабым сфе-рическим облаком звезд и звездных скоплений вокруг основного галак-тического диска) туманности Андро-меды, исследователи обнаружили, что в гало входят различающиеся по возрасту звезды: у самых ста-рых он достигает 11-13,5 млрд. лет, а у самых юных -- 6-8 млрд. лет. Последние, должно быть, случайно забрели сюда из какой-то молодой галактики (например, из поглощен-ной галактики-спутника) или же из более ранней области самой Ан-дромеды (например, из диска, если часть его разрушилась при близком прохождении небольшой галакти-ки или столкновении с ней). В га-ло нашей галактики нет заметного числа относительно молодых звезд. Так что при всей схожести формы туманности Андромеды и Млечно-го Пути, как показывают наблюде-ния «Хаббла», истории двух галак-тик значительно отличаются друг от друга.

6.Сверхмассивные черные дыры.

С 1960-х гг. астрономы получили до-казательства того, что источником энергии квазаров и других актив-ных ядер галактик служат гигант-ские черные дыры, захватывающие окружающее их вещество. Наблюде-ния «Хаббла» подтверждают данную теорию. Почти у каждой детально наблюдавшейся галактики нашлись указания на спрятанную в ее центре черную дыру. Особенно важными оказалось одно обстоятельств: изображения квазаров, по-лученные с высоким угловым разре-шением, показали, что они распола-гаются в ярких эллиптических или взаимодействующих галактиках. Это говорит о том, что нужны особые условия, чтобы питать централь-ную черную дыру.

7.Самые мощные взрывы.

Галактика, в которой наблюдался гамма-всплеск.

Гамма-всплески -- короткие вспыш-ки гамма-излучения, длящиеся от нескольких миллисекунд до десят-ков минут. Их разделяют на два типа в зависимости от их длительности. Границей считаются примерно 2 се-кунды: в более длительных вспыш-ках образуются менее энергичные фотоны, чем в более коротких. На-блюдения, проведенные Комптоновской гамма-обсерваторией, рент-геновским спутником ВерроSАХ и наземными обсерваториями, по-зволили предположить, что продол-жительные вспышки возникают при коллапсе ядер массивных короткоживущих звезд, иными сло-вами, звезд типа сверхновой. Но по-чему только малая доля сверхновых дает гамма-всплески?

«Хаббл» обнаружил, что, несмотря на то, что во всех областях звездо-образования в галактиках вспыхи-вают сверхновые, продолжитель-ные гамма-всплески сконцентри-рованы в наиболее ярких областях, как раз там, где сосредоточены са-мые массивные звезды. Более того, продолжительные гамма-всплески чаще всего возникают в небольших, неправильных, бедных тяжелыми элементами галактиках. И это важ-но, поскольку дефицит тяжелых эле-ментов в массивных звездах делает их звездный ветер менее мощным, чем у звезд, богатых тяжелыми эле-ментами. Поэтому на протяжении жизни бедные тяжелыми элемен-тами звезды сохраняют большую часть своей массы и, когда прихо-дит время взрываться, они оказы-ваются более массивными. Коллапс их ядер приводит к образованию не нейтронной звезды, а черной дыры. Астрономы считают, что продол-жительные гамма-всплески вызва-ны тонкими струями, выброшенны-ми быстро вращающимися черны-ми дырами. Решающим факторами для того, чтобы коллапс ядра звезды вызвал мощный гамма-всплеск, яв-ляются масса и скорость вращения звезды в момент ее смерти.

Отождествление коротких гамма-всплесков оказалось более сложным. Только в последние годы несколько таких событий произошло и было за-фиксировано с помощью спутников НЕТЕ 2 и Swift. «Хаббл» и Рентгенов-ская обсерватория «Чандра» устано-вили, что энергия таких вспышек сла-бее, чем продолжительных, и возни-кают они в совершенно разных типах галактик, включая и эллиптические, где звезды сейчас почти не формиру-ются. Похоже, что короткие вспышки связаны не с массивными, короткоживущими звездами, а с остатками их эволюции. Согласно наиболее по-пулярной гипотезе, короткие гамма-всплески возникают при слиянии двух нейтронных звезд.

8.Край Вселенной.

Одна из фундаментальных задач астрономии -- исследовать развитие галактик и их предков во временном интервале, максимально приближенном к моменту Большого взрыва. Чтобы понять, как выглядел ког-да-то наш Млечный Путь, исследователи решили получить изображения галактик различного возраста -- от самых юных до самых старых. Что- бы запечатлеть наиболее далекие (а значит, самые древние) галактики, «Хаббл» совместно с другими об-серваториями получил с длительными экспозициями изображения нескольких маленьких участков не-ба: глубокие снимки «Хаббла», сверх-глубокий снимок «Хаббла» и глубокий обзор Великих обсерваторий NASA «Происхождение».

Сверхчувствительные снимки по-казывают галактики во Вселенной, когда ей было лишь несколько со-тен миллионов лет, что составляет всего 5% от ее нынешнего возраста. Тогда галактики были меньше раз-мером и имели менее правильную форму, чем теперь, чего и следовало ожидать, если современные галак-тики образовывались путем слия-ния маленьких галактик (а не путем распада более крупных). Создавае-мый сейчас космический телескоп «Джеймс Уэбб», наследник «Хаббла», сможет проникнуть в еще более да-лекие эпохи.

Глубокие снимки позволяют так-же проследить, как изменялась ин-тенсивность звездообразования во Вселенной от эпохи к эпохе. По-хоже, что она достигла своего пика примерно 7 млрд. лет назад, а затем постепенно ослабла примерно в де-сять раз. В молодости Вселенной (т.е. в возрасте 1 млрд. лет) скорость звездообразования уже была велика и составляла 1/3 ее максимального значения.

9. Возраст Вселенной.

Наблюдения Эдвина Хаббла и его коллег в 1920-х гг. показали, что мы живем в расширяющейся Вселен-ной. Галактики разбегаются друг от друга так, как будто бы простран-ство Вселенной равномерно растя-гивается. Постоянная Хаббла (Н₀), указывающая современную ско-рость расширения, позволяет опре-делить возраст Вселенной. Объясне-ние простое: постоянная Хаббла -- это скорость разбегания галактик, поэтому, если пренебречь ускоре-нием и торможением, величина, об-ратная Н₀, дает время, когда все га-лактики были рядом. Кроме того, значение постоянной Хаббла игра-ет принципиальную роль для роста галактик, формирования легких элементов и установления продол-жительности фаз космической эво-люции. Не удивительно, что точное измерение постоянной Хаббла было с самого начала основной целью од-ноименного телескопа.

На практике для вычисления дан-ной величины требуется измерить расстояния до ближайших галак-тик, а это гораздо более трудная за-дача, чем считалось в XX в. «Хаббл» детально исследовал цефеиды -- звезды с характерными пульсаци-ями, периоды которых указывают на их истинный блеск, а значит, и на расстояние до них, -- в 31 га-лактике. Точность полученного зна-чения постоянной Хаббла состави-ла около 10%. В совокупности с ре-зультатами измерений реликтового излучения это определяет возраст Вселенной-- 13,7 млрд. лет.

10. Ускоряющаяся Вселенная.

В 1998 г. две независимые группы исследователей пришли к порази-тельному выводу: расширение Все-ленной ускоряется. Обычно астро-номы считали, что Вселенная тор-мозится, поскольку притяжение галактик друг к другу должно замед-лять их разбегание. Сложнейшая за-гадка современной физики -- вопрос о том, что вызывает ускорение. Со-гласно рабочей гипотезе, во Вселен-ной содержится невидимая состав-ляющая, называемая «темной энер-гией». Совокупность наблюдений «Хаббла», наземных телескопов и из-мерений реликтового излучения указывает, что в этой темной энер-гии содержится 3/4 полной плотно-сти энергии Вселенной.

Ускоренное расширение началось примерно 5 млрд. лет назад, а до того момента оно тормозилось. В 2004 г. «Хаббл» обнаружил шестнадцать да-леких сверхновых. Данные наблю-дения накладывают основательные ограничения на теории о том, чем может быть темная энергия. Про-стейшая (и наиболее загадочная) возможность заключается в том, что энергия принадлежит самому про-странству, даже если оно совершен-но пустое. Сегодня наблюдение да-леких сверхновых остается лучшим методом изучения темной энергии.

Литература:

«В мире науки» №10 2006 год, главный редактор С.П. Капица.