Астрономическая картина мира

Возможности человека в изучении Вселенной сильно ограничены привязанностью его к Земле, огромными масштабами расстояний временных рамок происходящих во Вселенной процессов.

По существу единственным экспериментальным методом является метод наблюдения. Многие поколения астрономов работают на будущее. Они вынуждены проводить тщательные измерения и фиксировать их результаты, для того, чтобы ученые из далекого будущего смогли заметить процесс развития звездных систем. астрономический вселенная кеплер звезда

Сегодня мы не можем знать, какая точность потребуется в будущем для того чтобы в будущем сделать те или иные теоретические выводы. Поэтому астрономы всегда стремились к максимальной точности предельной аккуратности в измерениях. Измерения астрономов всегда поражали современников своей основательностью.

Результаты астрономических наблюдений позволили Кеплеру открыть свои законы, Ньютону создать теорию тяготения. Точнейшие данные о движении планеты Меркурий были важнейшим свидетельством в пользу теории гравитации Эйнштейна.

Современная астрономия располагает мощнейшими оптическими и радиотелескопами. Появилась возможность прямого исследования планет Солнечной системы при помощи космических аппаратов.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории гравитации Эйнштейном и зарождением внегалактической астрономии (1920 гг.).

Решение уравнений гравитации Эйнштейна впервые было найдено советским математиком А.А. Фридманом в 1922-1924 гг. Из решения А.А. Фридмана следовало, что Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться.

Астрономом Э. Хабблом в 1929 г. было обнаружено красное смещение - сдвиг линий в спектрах далеких звезд, которое говорит о том, что звезды нашей Вселенной разбегаются. Это могло произойти, если в какой-то момент все небесные тела получили бы толчок. Если толчок сильный, то звезды так и будут всегда удаляться друг от друга и наш видимый мир будет становиться все больше и больше. Но если звезды в сегодняшней Вселенной разбегаются друг от друга, то когда-то они находились очень близко друг от друга.

Следовательно в далеком прошлом был момент, когда все вещество Вселенной находилось в одной большой куче и вследствие огромных гравитационных сил, которые возникают в большой массе вещества, эта куча должна быть сжата до сравнительно небольших размеров. Чтобы из этой праматерии могла возникнуть современная Вселенная, должен произойти некий взрыв огромной мощности. Теорию возникновения Вселенной в результате взрыва впервые предложил в 1940 г. Г. Гамов. Эта теория так и называется - "Теория большого взрыва".

Под действием гигантских гравитационных сил вещество было сжато до состояния точки. В таком состоянии ничто находиться не может, поэтому физики так и говорят, что Вселенная возникла из ничего. В первоначальной праматерии не могли существовать не только атомы, но и элементарные частицы и фотоны. Через 10-12 с. температура упала настолько, что появились кварки. В настоящее время кварки не могут появиться в свободном состоянии: температура слишком низкая. Спустя примерно 10-3 с. из кваркового бульона выкристаллизовались протоны, нейтроны и другие элементарные частицы. Спустя несколько секунд начинается синтез водорода и гелия. Так из ничего за несколько секунд образовалось 1050 т. Вселенной.

Теория самого раннего этапа быстрого расширения Вселенной была создана Аланом Гутом (1980 г.). В соответствии с этой теорией размеры Вселенной удваивались каждые 10-34 с. Такое сверхбыстрое расширение Вселенной было названо инфляцией. Инфляция продолжалась недолго - до 10-32 с. За период инфляции Вселенная выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров.

В момент же предшествующий инфляции не было совсем ничего, что физики называют "ложным" или возбужденным вакуумом. Не было вещества, не было излучения. За период инфляции вакуум расширился и следовательно сильно охладился. Вселенная была пустой и холодной - почти как по Библии. Откуда же образовалась огромная температура? Оказывается, ложный вакуум, расширившись и охладившись, потерял устойчивость и, именно он и взорвался, породив то огромное количество энергии, которое мы наблюдаем и за счет которого и живем сегодня.

Схема рождения Вселенной.

Возбужденный вакуум, сжатый до состояния точки.

Быстрое расширение - инфляция.

Через 10-32 с.

Холодная и пустая Вселенная размером в несколько сантиметров.

Взрыв возбужденного вакуума. Рождение энергии, резкое повышение температуры.

10-12 с.

Кварковый бульон.

10-3 с.

Рождение элементарных частиц.

Конец первой секунды.

Вселенная занимала пространство не менее 1014 км.

Первые секунды

синтез водорода и гелия. Рождение вещества в современном смысле.

10 - 15 млрд. лет и мы в настоящем времени.

Равномерное расширение видимой части Вселенной.

Как тут не вспомнить священное писание?

Правда не следует забывать, что все это только гипотезы и теориями они называются не вполне законно.

Возникновение и эволюция звезд

Звезды и звездные скопления имеют возраст от 106 до 1010 лет.

В общем виде звезды проходят в своем развитии следующие этапы:

1. Возникновение звезды в результате конденсации межзвездных пыли и газа, богатого водородом;

2. Превращение водорода в гелий в центре звезды (наиболее длительный и полезный этап);

3. При исчерпании водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется. Температура поверхности падает. Звезда превращается в красного гиганта.

4. Термоядерное загорание гелия в ядре, сопровождаемое иногда сбросом оболочки и образованием планетарной туманности.

5. Остывание остатка звезды, переход в период белого карлика.

В зависимости от начальной массы имеются варианты, о которых мы уже говорили. Общая теория относительности дала возможность разрешить парадоксы ньютоновской космологии (см. 8.2.1), сформулировать конкретное представление о предмете космологии (физико-геометрические свойства Вселенной как целого), создать теоретические модели явлений галактических и космологических масштабов. По сути ОТО впервые поставила космологию -- эту важную отрасль астрономии -- на твердую научную почву.

Создание квантовой механики обеспечило переориентацию задач астрономии с изучения в основном механических движений космических тел (под влиянием гравитационного поля) на изучение их физических характеристик, послужило мощным импульсом развития как астрофизики, так и космогонического аспекта астрономии (в частности, построения теории строения звезд, источников энергии и механизмов эволюции звезд, звездных систем и др.).

Наряду с этим существенно совершенствовались и эмпирические методы астрономического познания. Уже в первой трети XX в. с созданием новых более мощных телескопов и разработкой более совершенных методов спектроскопии был открыт грандиозный мир галактик, получила мощный импульс внегалактическая астрономия (Э.Хаббл), кардинально продвинулись исследования в области звездной астрономии, что дало возможность выяснить эмпирические зависимости между параметрами звезд (диаграмма Герцшпрунга--Рессела) и др. Еще более радикальные изменения в эмпирическом базисе астрономии произошли во второй половине XX в. Если в классической астрономии существовал по сути один узкий канал получения информации об астрономических объектах -- видимый свет (наблюдения невооруженным глазом, оптический телескоп), то во второй половине XX в. и в начале XXI в. получение такой информации осуществляется по четырем каналам.

Во-первых, это электромагнитные волны, причем не только в оптическом диапазоне. Астрономия стала всеволновой. Это значит, что наблюдения проводятся на всех диапазонах электромагнитных волн (радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны).

В настоящее время свыше 60% информации о космических объектах и процессах несут в себе внеоптические диапазоны электромагнитных волн, начиная с самых длинных радиоволн и заканчивая самым коротким гамма-диапазоном. Очень велико значение информации, которую несут, в частности, рентгеновские и гамма-лучи.

Так, рентгеновские телескопы предоставляют сведения о черных дырах, фоновом излучении и др.; гамма-астрономия -- о вспышках на Солнце, пульсарах, нейтронных звездах и др. При этом рентгеновские и гамма-лучи, излучаемые особенно мощными источниками, поглощаются в земной атмосфере, и поэтому непосредственно могут наблюдаться только из космоса, со спутников, орбитальных станций либо (в некоторых случаях гамма-излучения) с высотных аэростатов.

Во-вторых, это космические лучи. На Землю из глубин космоса, а также от Солнца непрерывно льются потоки лучей. Некоторые из них достигают поверхности Земли, другие взаимодействуют с ее атмосферой. В космических лучах выделяется первичный состав (высокоэнергетические электроны, протоны, позитроны, антипротоны, тяжелые ядра и др.) и вторичный состав (частицы, образующиеся в результате взаимодействия частиц первичного состава со звездным, межзвездным, межпланетным и другим веществом).

В-третьих, это нейтринная астрономия. Как мы уже отмечали, нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом и трудно регистрируется (см. 10.1.4). Зато оно несет ценнейшую информацию о процессах, протекающих внутри звезд, Солнца, в глубинах Вселенной, вспышках сверхновых звезд и др. [1] В частности, поток нейтрино был зафиксирован в 1987 г. во время вспышки сверхновой звезды в галактике, именуемой Большим Магеллановым облаком. Показательно, что детектор зафиксировал в этом потоке 12 нейтрино из 116 прошедших через него! На другой установке за 30 лет наблюдений удалось зафиксировать 2000 нейтрино от Солнца.

1 Нобелевская премия по физике за 2002 г. присуждена за изыскания в области астрофизики, в частности за обнаружение космических нейтрино (Р. Дэвису и М. Кошибе), и за открытие космических источников рентгеновского излучения (Р. Джиаккони).

И, в-четвертых, это гравитационные волны, которые возникают в результате грандиозных взрывов звезд. И хотя детектирование гравитационных волн пока остается серьезной проблемой, существует немало данных, свидетельствующих о существовании таких волн и перспективности гравитационной астрономии.

Не остались в забвении и старые, верные оптические методы наблюдения. Совсем недавно вступили в строй (и уже успели дать ценнейшую информацию) телескопы нового поколения, обладающие рекордной чувствительностью и разрешающей способностью: 10-метровая пара телескопов, состоящая из 36 шестиугольных сегментов с адаптивной оптикой, которые управляются как единое целое, а также 8-метровый телескоп на Гавайских островах; группа из четырех телескопов с зеркалами диаметром 8,2 м, управляемые как единое целое (как интерферометр), в Чилийских Андах. Значительный прогресс достигнут и в оптических наблюдениях из космоса. Много лет работает на внеземной орбите космический телескоп им. Э.Хаббла, передающий ценнейшие изображения далеких галактик.

Размещено на Allbest.ru