Происхождение метагалактик

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Муниципальное образовательное учреждение

«Стрелецкая средняя общеобразовательная школа»

Реферат

Метагалактики

Работу выполнил:

ученик 11 класса

Мусаев Руслан

учитель:

Марковской В.А.

2014 год

В одном из выступлений А. Энштейн сказал (в 1929 г.): "Если говорить честно, мы хотим не только узнать, как устроена, но и по возможности достичь цели утопической и дерзкой на вид - понять, почему природа является именно такой... В этом состоит прометеевский элемент научного творчества".

Галактики стали предметом космогонических исследований с 20-х годов нашего века, когда была надежно установлена их действительная природа, и оказалось, что это не туманности, т.е. не облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас, а огромные звездные миры, лежащие от нас на очень больших расстояниях от нас. Открытия и исследования в области космологии прояснили в последние десятилетия многое из того, что касается предыстории галактик и звезд, физического состояния разряженного вещества, из которого они формировались в очень далекие времена. В основе всей современной космологии лежит одна фундаментальная идея - восходящая к Ньютону идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремиться создать в нем сгущения тех или иных масштабов и масс. В ранней Вселенной гравитационная неустойчивость усиливала первоначально очень слабые нерегулярности в распределении и движении вещества и в определенную эпоху привела к возникновению сильных неоднородностей: "блинов" - протоскоплений. Границами этих слоев уплотнения служили ударные волны, на фронтах которых первоначально невращательное, безвихревое движение вещества приобретало завихренность. Распад слоев на отдельные сгущения тоже происходил, по-видимому, из-за гравитационной неустойчивости, и это дало начало протогалактикам. Многие из них оказывались быстро вращающимися благодаря завихренному состоянию вещества, из которого они формировались. Фрагментация протогалактических облаков в результате их гравитационной неустойчивости вела к возникновению первых звезд, и облака превращались в звездные системы - галактики. Те из них, которые обладали быстрым вращением, приобретали из-за этого двухкомпонентную структуру - в них формировались гало более или менее сферической формы и диск, в котором возникали спиральные рукава, где и до сих пор продолжается рождение звезд Протогалактики, у которых вращение было медленнее или вовсе отсутствовало, превращались в эллиптические или неправильные галактики. Параллельно с этим процессом происходило формирование крупномасштабной структуры Вселенной - возникали сверхскопления галактик, которые, соединяясь своими краями, образовывали подобие ячеек или пчелиных сот; их удалось распознать в последние годы.

Метагалактика - часть наблюдаемой Вселенной, доступной для изучения современными астрономическими методами. За пределами Метагалактики располагаются гипотетические внеметагалактические объекты.

Некоторые теории (например, большинство инфляционных космологических моделей) предсказывают, что полная Вселенная имеет размер намного больший, чем наблюдаемая.

Теоретически, граница наблюдаемой Вселенной доходит до самой космологической сингулярности, однако на практике границей наблюдений является реликтовое излучение. Именно оно (точнее, поверхность последнего рассеяния) является наиболее удалённым из объектов Вселенной, наблюдаемых современной наукой. В то же время в настоящий момент по мере хода времени, наблюдаемая поверхность последнего рассеяния увеличивается в размерах, так что границы Метагалактики растут, и растёт, например, масса наблюдаемого вещества во Вселенной.

Наблюдаемую Вселенную можно, хотя и грубо, представлять как шар с наблюдателем в центре.

Наша Галактика, или система Млечного Пути, -- одна из звёздных систем, входящих в состав метагалактик. Иногда метагалактика неудачно называется Большой Вселенной. С возрастанием мощи телескопов становится доступной для наблюдений всё большая область метагалактики (некоторые авторы называют метагалактикой только эту, доступную для наблюдений область).

Возможности конкретного исследования метагалактики открылись после того, как в 20-х годах ХХ века при помощи наибольших тогда телескопов удалось доказать, что многие из известных ранее светлых туманностей, звёздная природа которых долгое время оставалась под сомнением, являются в действительности гигантскими звёздными системами, подобными нашей Галактике.

Детальные исследования внегалактических объектов привели к открытию галактик разных типов, в частности радиогалактик, квазаров и др. В пространстве между галактиками находятся отдельные звёзды, а также межгалактический газ, космические лучи, электромагнитное излучение; внутри скоплений галактик, по-видимому, иногда содержится и космическая пыль.

Средняя плотность вещества в известной нам части метагалактик оценивается различными авторами от 10^-31 до 10^-30г/см³. Наблюдаются, однако, значительные местные неоднородности, иногда крупного масштаба, связанные с наличием структурных образований внутри метагалактики. Многие галактики составляют группировки различной степени сложности -- двойные и более сложные кратные системы; скопления, включающие десятки, сотни и тысячи галактик; облака, содержащие десятки тысяч (и более) галактик. Так, например, наша Галактика и около полутора десятков ближайших к ней галактик являются членами небольшого скопления, т. н. местной группы галактик. Последняя, по-видимому, входит в состав гигантского облака, в центральном ядре которого находится скопление, содержащее несколько тысяч галактик и видимое в созвездиях Девы и Волос Вероники на расстоянии около 12--14 млн. парсек (около 40 млн. световых лет) от нас. О размерах, форме и строении метагалактики в целом пока ничего не известно. Распределение галактик в масштабе всей известной части метагалактики не обнаруживает систематического падения плотности в каком-либо направлении, что могло бы указывать на приближение к границам метагалактики. Отсутствие такого падения плотности может свидетельствовать об относительно малых размерах известной нам области по сравнению с размерами метагалактик. Каковы бы ни были эти размеры, метагалактику нужно рассматривать как огромную, но конечную совокупность галактик, обладающую в течение длительного времени определёнными особенностями строения и движения. К таким особенностям может относиться и взаимное удаление галактик, охватывающее всю метагалактику или её часть. Таким образом, метагалактика представляет собой конечное и преходящее структурное образование в вечной и бесконечной Вселенной, содержащей, в частности, бесчисленное множество галактик. Галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Наша Галактика и Туманность Андромеды входят в Местную группу галактик, размеры которой достигают сотен тысяч парсек. Местная группа представляет собой сравнительно небольшую систему, так как существуют скопления, содержащие сотни и тысячи галактик. Ближайшее к нам скопление галактик находится в созвездии Девы и насчитывает сотни крупных галактик. Расстояние до него порядка 20 Мпк, это система диаметром более 6 Мпк. Крупные скопления галактик находятся в созвездиях Волосы Вероники, Северная Корона, Геркулес и др. Данные внегалактической астрономии указывают на то, что возможно, существует Местное сверхскопление галактик, насчитывающее примерно 10 тыс. галактик и имеющие диаметр около 50 Мпк. В его центре расположено скопление галактик в созвездии Девы. В конце 70-х гг. в. астрономы обнаружили, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ, внутри которых галактик почти нет. Теоретически предвидели возможность такого распределения галактик, а потому не было неожиданным. Итак, в крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых, чем-то выделяющихся мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенную можно считать не только однородной, но и изотопной. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разреженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют гравитационные и электромагнитные поля, а возможно, и невидимые массы вещества. И все-таки нет оснований отождествлять Метагалактику со всей Вселенной. В принципе возможно существование других, пока неизвестных нам Метагалактик. Расстояние до целого ряда галактик были определены американским астрономам Э. Хабблом. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления (скорости были определены еще Слайфером и другими астрономами и только исправлялись за счет учета движения Солнца в Галактик) позволило Э. Хабблу установить в 1929г. замечательную закономерность: «чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления от нас». Оказалось, что существует простая зависимость между скоростью удаления галактик и расстоянием до нее:

v = HR

Коэффициент пропорциональности H называют теперь постоянной Хаббла (H = 2,3·10^?18 с^?1). Неизмеримо возросла мощность астрономических исследований, и эти исследования подтвердили закон Хаббла закон пропорциональности скорости удаления галактик их расстояние. Однако оказалось, что величина коэффициента пропорциональности H была Хаббла сильно завышена. Согласно современным оценкам H почти в десять раз меньше. Это открытие показывало, что галактики удаляются от нас во все стороны и скорость этого удаления прямо пропорциональна расстоянию. Можно убедиться в том, что картина расширения, связанная с законом Хаббла, представляется одинаковой для наблюдателя, находящегося в любой точке пространства. Возьмем однородный шар и затем увеличим его размеры, скажем, вдвое, так, чтобы шар оставался по-прежнему однородным. Ясно, что при этом расстояние между любыми парами точек внутри шара тоже увеличатся вдвое, как бы мы эти точки ни выбирали внутри шара. Значит, при раздувании шара, где бы наблюдатель ни находился внутри него, он будет видеть одинаковую картину удаления от него всех точек внутри шара. Если взять шар неограниченно большого размера, то мы и получим картину, описанную выше, не зависящую от положения наблюдателя. Разбегание галактик вообще никак не влияет на отдельные тела. Мы видели, что бесконечное однородное вещество не создает никакого тяготения внутри шаровой полости, т. е. никак не влияет на тела. Точно так же как в разлетающемся облаке газа отдельные молекулы не расширяются, точно как же и в расширяющейся Вселенной гравитационно связанные тела - галактики, звезды, Земля -не подвержена космическому расширению. Разумеется, они могут и расширятся и сжиматься, но это вызывается внутренними причинами - процессами, которые происходят внутри этих тел. Расширение Метагалактике протекает с замедлением, и для будущего есть две возможности. Замедление пропорциональна плотности вещества в Метагалактике. С расширением плотность падает, уменьшается замедление. Возможна ситуация, когда при сегодняшней скорости расширения плотность вещества достаточно мола и замедление мало. Тогда расширение будет протекать неограниченно. Но возможно, что плотность достаточно велика, а значит, велико замедление расширения. В результате расширение прекращается и сменяется сжатием. Итак, для Метагалактики при нынешней скорости расширение и при малой плотности характерно неограниченное расширение, при большой - 2 - плотности - расширение, сменяющееся сжатием. Существует критическая значение плотности вещества Р_крит, отделяющее один случай от другого. Мы видим, что от величины фактической средней плотности всех видов материи в Метагалактике зависит будущее Метагалактики. "Горячая вселенная" До сих пор говорили главным образом о "механике" и "геометрии" Метагалактике и почти не касались вопроса о физических процессах с расширяющейся Метагалактике. Для расчетов физических процессов в первую очередь надо знать, как происходит расширение Метагалактики. Модель Фридмана, описывающая однородную, изотропную Метагалактику, дает закон расширения. Наблюдения показывают, что в настоящее время большой точности Метагалактика расширяется изотропно, и плотность в больших масштабах в среднем однородна. Теория "горячей Вселенной " дает определенные предсказания о содержании гелия в дозвездном веществе. В начале, 60-х годов советский физик Я.Б. Зельдович заметил, что предположение о "горячести" вещества вовсе не обязательно для того, чтобы избежать превращения всего вещества в гелий. Можно оставаться в рамках холодной модели, но считать, что лептонный заряд не равен нулю. В этой модели предполагалось, что вещество в начале космологического расширения состоит из протонов, электронов и нейтрино в равных количествах. Лептонный заряд L равен двум; энтропия S равна нулю. Равное число электронов и протонов необходимо из условия электронейтральности вещества. Смысл гипотезы введения нейтрино "холодной" модели заключается в том, что при высокой плотности в холодном веществе превращение протонов в нейтроны согласно уравнению p+e n+v не происходит, если уже есть нейтрино. Это нейтрино не позволяют возникать новым нейтрино и процесс оказывается запрещенным. Первоначально теории горячей и холодной Вселенной связывались с попытками дать полное объяснение распространенности химических элементов в дозвездном веществе. Попытки выяснить, какая теория верна, сначала направлялись в основном по пути анализа наблюдений распространенности химических элементов. Однако такие наблюдения и в особенности их анализ очень сложны и зависят от многих предположений. Но теория "горячей Вселенной" даёт наблюдательное важнейшее предсказание, которое является прямым следствием "горячести" - большой энтропии вещества. Это - предсказание существования в нашу эпоху реликтового электромагнитного излучения во Вселенной, оставшегося от - 3-той эпохи, когда вещество в прошлом было плотным и горячим. Реликтовое излучение. Реликтовое излучение было открыто совершенно случайно в 1965 г. сотрудниками американской компании " Bell " Пензиасом и Вильсоном при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдения спутника " ЭХО ". Они обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса, не зависящий от направления антенны. Дикке, Пиблс, Ролл и Вилкенсон сразу же дали космологическое объяснение изменение Пензиаса и Вилсона, как доказательство горячей модели вселенной. Реликтовое излучение не возникло в каких - либо источниках подобно свету звёзд или радиоволны, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовала с самого начала расширения Метагалактики. Оно было в горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности. Если подчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звёзд, радиогалактик и других источников вместе взятых. Открытие реликтового излучения является грандиозным достижением современной науки. Она позволяет сказать, что на ранних стадиях расширения Метагалактики было горячей. Предсказание реликтового излучения было сделано в рамках теории расширяющейся Метагалактики, поэтому его открытие ещё раз показывает правильность и плодотворность для космологии пути, указанного работами А.А. Фридмана.

галактика космология звезда

Размещено на Allbest.ru