Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Московский государственный университет

имени М. В. Ломоносова

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

ТЕМА:

«Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции»

 

 

 

 

 

                                                        Выполнила:  Банникова А.А.

                                                  Студентка I  курса

Факультета Политологии.

 

 

2013

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение……………………………………………………………………….3

1. Анализ понятия «мегамир»  и характеристика современных космологических моделей Вселенной

 

1. Понятие «мегамир» и его структура…………………………………...4

2. Современные космологические модели Вселенной…………………..6

 

2. Сущность проблемы  происхождения и эволюции Вселенной

 

2.1. Проблемы происхождения  Вселенной. Теория большого взрыва…….10

2.2. Проблема эволюции  Вселенной. Будущее Вселенной…………………12

3. Анализ структуры  Вселенной……………………………………………...16

4. Заключение………………………………………………………………….20

5.  Список использованных  источников и литературы……………………..22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В современном естествознании проблема исследования мегамира, возникновения и эволюции Вселенной является центральной, поэтому данная тема на протяжении долгого времени была и остается актуальной.

Множество исследователей заинтересованы в этой проблеме, и это не удивительно, поскольку в эволюции Вселенной главным звеном является жизнь и разум. Судьба двух этих звеньев в ходе эволюции Вселенной неизвестна. Возможно их полное исчезновение, когда вся субстанция Вселенной распадется до фотонов и нейтрино, или же циклы развития Вселенной будут периодически повторяться.

Изучением Вселенной в целом занимается наука космология. Это изучение основывается на нескольких предпосылках. Физика формулирует универсальные законы функционирования мира, которые считаются действующими во всей Вселенной.

Наблюдения, которые производят астрономы, также распространяются на всю Вселенную. Однако истинными признаются только те выводы, которые не противоречат существованию наблюдателя – человека.

Современная наука рассматривает Мегамир, или космос, как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики.

Объектами мегамира также являются космические объекты- галактики, звезды, и так далее.

Результаты космологических исследований не являются законами, а лишь моделями происхождения и развития Вселенной, так как они не могут быть подтверждены экспериментально. Самой общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной расширяющейся Вселенной.

Цель данной работы: проанализировать современные астрофизические и космологические концепции мегамира, их историю развития.

Задачи работы:

• произвести анализ понятия «мегамир» и дать характеристику современных космологических моделей Вселенной;
• выяснить сущность проблемы происхождения и эволюции Вселенной;
• проанализировать структуру Вселенной.

 

1. Анализ понятия «мегамир» и  характеристика современных космологических моделей Вселенной

1.1. Понятие «мегамир» и его структура

В материальном мире существует множество структур различного масштаба. Обычно исследователи выстраивают их в определенной иерархии от самых больших до самых маленьких и называют структурно-масштабной лестницей.

Эти структуры в зависимости от их размеров относят к объектам разных миров: мегамира (от греч. megas- великий, грандиозный), макромира (от греч. makros- большой, крупный) или микромира (от греч. mikros- малый). Объектами мегамира являются космические объекты, такие как звезды, галактики и многие другие1.

Мегамир или кoсмoс, сoвременная наука раccматривает как взаимoдействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Bсе cуществующие галaктики вхoдят в cиcтему самoгo выcoкого порядка - Метагалактику. Pазмеры Метагалактики очень велики: радиус кoсмолoгического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика»  очень близкие пoнятия: oни характеризуют oдин и тoт же oбъект, но в разных aспектах. Пoнятие «Bселенная» обoзнaчает весь cущеcтвующий материальный мир; пoнятие «Метагалактика» - тoт же мир, но с точки зрения его структуры - как упoрядоченную cиcтему галактик.

Сoвременные кoсмoлогические мoдели Bселенной oснoвываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, сoгласно кoтoрой метрика прoстранства и времени опрeдeляется рacпределением грaвитационных масс во Всeлeнной. Ее свoйства как целого oбусловлены срeдней плoтнoстью материи и дрyгими кoнкретно-физическими фaкторами. Bремя сущecтвования Bселенной бескoнечнo, т.ё. не имeет ни нaчала, ни кoнца, а пространство безграничнo, но конечнo.

Мегамир coстоит из слeдующих компонентов2:

1. Метагалактикой называется дoступная наблюдениям часть Вселенной. Но наблюдать можно по-разному: невооруженным глазом, в бинокль, в 6-метровый телескоп. И каждый раз нашим наблюдениям будет доступна разная часть Вселенной. В данном определении Метагалактики речь идет о части Вселенной в принципе доступной наблюдениям.

Чтобы это пояснить, необходимо рассмотреть понятие космологического горизонта. Кocмолoгический горизонт находится на раccтоянии, кoторое свeт прошел за время рaвное возрасту Bселенной. Если Bселенная возникла 15 млрд лет тому назад, то космологический горизонт находится на расстоянии 15 млрд световых лет. Если возраст Вселенной 13 млрд лет, горизонт удален от нас на 13 млрд световых лет. Космологический горизонт окружает нас со всех сторон, но свет из-за горизонта к нам не доходит. Когда-нибудь дойдет до нас, он в пути, но нужно время, чтобы он достиг нас. Со временем свет приходит к нам от все более и более далеких объектов.

Космологический горизонт – это граница Метагалактики и находится очень далеко от нас. Точно возраст Вселенной неизвестен, поэтому никто не знает точно и расстояние до горизонта. Однако совершенно точно установлено, что горизонт отступает со скоростью света, то есть на 300000 км каждую секунду.

2. Современные подсчеты галактик  оперируют с миллионами галактик. "Глубокие" обзоры неба, позволяющие фиксировать предельно слабые объекты, дают еще большее число галактик: до полумиллиона галактик на маленькой площадке 1о х 1о(один квадратный градус) на небе насчитали сотрудники обсерватории Китт Пик в США!

В очень большом масштабе (больше масштаба ячеек) распределение вещества оказывается совершенно равномерным. То есть если взять в разных местах Вселенной два гигантских куба с ребрами в 100 млн световых лет и количество содержащегося в каждом из них вещества, то результат будет одинаковым, в каких бы местах Метагалактики мы не помещали эти кубы. Разделив полную массу на объем куба, мы получим среднюю плотность вещества во Вселенной: [`(r)]=3х10-27-10-26 кг/м3.

3. Скопления галактик имеют почти  сферическую форму; в них насчитывают  сотни и тысячи галактик. Ближайшее  к нам крупное скопление галактик  находится в созвездии Девы (Virgo), в него входят 3000 галактик. Для скоплений галактик характерны размеры от 1 до 3 Мпк.

4. Галактики – это звездные системы, звездные острова, которые разнообразны по форме и размерам. Свечение галактик обусловлено свечением многих миллиардов звезд, входящих в их состав. Также в галактиках присутствует газ (главным образом водород и гелий) и пыль. Обычно количество газа и пыли в галактиках невелико. Как правило, их масса составляет несколько процентов от суммарной массы звезд. Суммарная масса звезд, газа и пыли в свою очередь составляет 1/10 долю от полной массы галактик; 9/10 вещества галактик находится в скрытой, невидимой форме. Загадочная "скрытая масса" содержится в гигантских гало (оболочках) галактик в виде слабо светящегося газа, в форме многочисленных потухших или так никогда и не загоревшихся звезд (коричневых карликов) и темных планет.

В центральной части многих галактик имеется яркое плотное ядро, которое состоит в основном из звезд (как и ядро нашей Галактики), но в некоторых ядрах, в самом их центре, происходит колоссальное выделение энергии, которое нельзя объяснить излучением или взрывами обычных звезд. Такие галактики получили название галактик с активными ядрами.

В 1963 г. были обнаружены объекты, подобные активным ядрам галактик. Это квазизвездные (то есть похожие на звезды) объекты - квазары. Квазары – это самые далекие объекты, наблюдаемые во Вселенной. Некоторые из них находятся на таких расстояниях, на которых обычные галактики уже обнаружить нельзя. Самый далекий из известных квазаров находится на расстоянии 14 млрд световых лет. По-видимому, квазары - это ядра далеких галактик, находящиеся в состоянии очень высокой активности. Сейчас известно около 4 тыс. различных квазаров.

5. Скопления звезд бывают двух  типов: шаровые и рассеянные. В  нашей Галактике около 500 шаровых скоплений и примерно 20 тысяч рассеянных. Шаровые скопления - самые старые образования в Галактике, своего рода реликты ранней Галактики, типичный возраст которых около 15 млрд. лет.

Шаровые скопления - это массивные объекты правильной сферической формы, содержащие сотни тысяч или даже миллионы звезд. Их массы варьируются в широких пределах от 105 до 107 MС. Размеры шаровых скоплений около 100 пк.

Рассеянные звездные скопления можно найти в любой части неба, но больше всего их вблизи Млечного Пути. Они содержат десятки, сотни, а наиболее крупные - тысячи звезд.

6. Звезда является основной структурной единицей мегамира. Структуры большего масштаба, которые мы рассмотрели выше, состоят из звезд. Видимое излучение, приходящее от звездных скоплений, галактик и их скоплений,- это суммарное излучение звезд. Звезды – это природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества, переработка его на ядерном уровне.

Астрономам известно много различных типов звезд. В зависимости от массы и возраста одна и та же звезда проходит различные эволюционные фазы, переходит из одного типа в другой.

Все звезды можно разделить на две большие категории: обыкновенные звезды ("нормальные звезды") и компактные звезды. К компактным относятся белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, то есть все конечные продукты звездной эволюции. Размеры нормальных звезд варьируются от размеров Солнца (или немного меньших) до огромных размеров звезд-сверхгигантов. Размеры компактных звезд изменяются от нескольких километров (черные дыры, нейтронные звезды) до нескольких тысяч километров (белые карлики).

7. Планеты, кометы, астероиды и малые  планеты условно названы космическими  телами. Их максимальный размер определяется размерами планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) с кольцами, а минимальный - размерами малых планет и кометных ядер (приблизительно 10 км).

1.2. Современные космологические модели Вселенной

Модели Вселенной основываются на теоретических представлениях, существующих в данное время в космологии.

Наука современная космология возникла после появления общей теории относительности, и поэтому ее в отличие от прежней, классической, космологии называют релятивистской3.

На первом этапе развития открытия внегалактической астрономии послужили эмпирической базой для релятивистской космологии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления «разбегания» галактик. В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл (1889—1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении («разбегании») галактик от наблюдателя.

Находясь под влиянием идей и принципов общей теории относительности, на первом этапе релятивистская космология уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства-времени.

Второй этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого А.А. Фридмана (1888—1925), который впервые сумел теоретически доказать, что заполненная тяготеющим веществом Вселенная не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление «разбегания галактик», свидетельствующее о расширении Вселенной. В связи с этим на первый план выдвигаются именно проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Наконец, третий период развития космологии связан с исследованием физических процессов, происходивших на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Начало этим исследованиям положили работы известного американского физика Г.А. Гамова (1904—1968), русского по происхождению. В них он пытался раскрыть картину происхождения химических элементов во Вселенной.

Особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном, изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из стадий так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.