Курсовая работа (т): Сучасні уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту

Сучасні уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту

НАЦІОНАЛЬНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ

М. П. ДРАГОМАНОВА

ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНИЙ ІНСТИТУТ

Кафедра експериментальної і теоретичної фізики та астрономії

Курсова робота

Сучасні уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту

Виконала: студентка 52 АФІ групи

Дика Оксана Олександрівна Науковий керівник: старший викладач

Ващенко Олена Петрівна

Київ 2015

ВСТУП

Однією з найзагадковіших на сьогоднішній день наук є астрономія. У ній, як ні в якій іншій скільки питань, на які ми не можемо, але пробуємо знайти відповіді. Одним з таких глобальних питань - це питання про виникнення и розподілення різних форм матерії нашого Всесвіту. Коли з моменту Великого Вибуху протоматерія почала формуватися у зорі, галактики, які ми можемо спостерігати сьогодні?

Численні вісники світів приносять нам цінні відомості про Всесвіт. Але ця інформація була б просто набором різних фактів, якби людина не уміла аналізувати їх, знаходити можливі зв’язки між ними, розкривати закономірності, які ними управляють, якби людина не володіла можливістю мислити. Саме розум людини дозволив їй створити ті чудові прилади та інструменти, за допомогою яких отримуються та розшифровуються майже всі сигнали, вісті Всесвіту.

Мало того, далеко не всі явища в оточуючому нас світі можливо безпосередньо спостерігати. І далеко не кожна подія, яку ми спостерігаємо у Всесвіті, безпосередньо випливає з чогось іншого, відомого для нас. У такому випадку на допомогу досліднику приходить навчальна теорія. Вона дозволяє розкривати залежності між різними явищами та процесами, досліджувати такі здачі, які не можливо вирішити за допомогою самих спостережень та вимірів.

Мета роботи полягає у розробці методичних підходів при вивченні зоряної та позагалактичної астрономії у вищих навчальних закладах.

Об ̓ єкт дослідження: великомасштабна структура Всесвіту.

Предмет дослідження: вивчення космології в курсі астрономії.

Завдання роботи:

ввести поняття Всесвіту, розглянути його будову;

розглянути теорію Великого Вибуху;

розглянути, у чому полягає парадокс Ольберса, парадокс Зеєлігера;

закон Хаббла, стала Хаббла;

моделі Всесвіту: теорія де Сітера, Всесвіт Ламетра, Всесвіт Мілна, Всесвіт Фрідмана, Всесвіт Ейнштейна- де Сітера, модель «гарячого Всесвіту»

розробити практичне заняття з теми : «Великомасштабна структура Всесвіту»

РОЗДІЛ І. Сучасні уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту

Короткий опис будови Всесвіту

За багато століть свого розвитку астрономія зібрала колосальний фактичний матеріал, який дозволяє скласти деякі уявлення про будову оточуючого нас світу. Спостереженням з Землі доступно велика кількість різних об́ єктів. Займана ними область простору називається Метагалактикою. Близькі об́єкти - Сонце, Місяць, планети, як правило, виявляються і найяскравішими на нашому небі. Разом з роєм твердих малих частинок, розрідженим газом і потоками елементарних частинок вони утворюють нашу Сонячну систему. Сонце знаходиться в її центрі. Сила його тяжіння визначає рух всіх інших тіл по різним орбітам. Площини цих орбіт близькі до деякої спільної площини, а самі орбіти часто не дуже відрізняються від колових.

Сонце - головне джерело енергії в нашій планетній системі і тут же зосереджена майже вся її маса. Речовина у Всесвіті також сконцентрована у подібних до Сонця газових самосвітних тілах - зорях. У них постійно проходить один із найважливіших процесів природи - утворення різних хімічних елементів в результаті термоядерних реакцій. Ці реакції - важливе джерело енергії зір. В результаті, завдяки процесам на зорях наш світ володіє набором атомів усіх відомих хімічних елементів.

Зорі у Всесвіті володіють тенденцією утворювати системи різних масштабів. Важливою частиною цієї ієрархії є великі системи сотень мільярдів зір, які називаються галактиками. Частина речовини, можливо навіть, значна, відводиться на розріджену зону, яка заповнює простір між зорями і галактиками.

Майже всі об́ єкти, які можна спостерігати неозброєним оком, належать нашій зоряній системі - Галактиці. Решта галактик доступні тільки телескопам. Вони, так як і зорі, утворюють більш обширі системи - скупчення галактик, які мають сотні і тисячі членів. Скупчення галактик - найбільші об́ єкти у Всесвіті. У ще більшому масштабі помітна тенденція скупчення галактик розміщуватися вздовж границь великих комірок, подібних бджолиним сотам. В межах галактик речовина розподілена вкрай неоднорідним способом. Зорі - дуже компактні об́ єкти, а середня відстань між ними в десятки мільйонів разів перевищують їхні розміри. У межах скупчення галактик, у яких відстань між окремими частинами спів розмірні з їхніми розмірами, речовина розподілена значно більш рівномірно. Ще більш рівномірно, ймовірно, розподілена речовина у масштабах всієї Метагалактики. В астрономії досліджується як це розподілення речовини впливає на спільні властивості простору - часу нашого світу.

Сучасні методи астрономії дозволяють вивчати Всесвіт на великих відстанях, масштаби яких важко навіть уявити. Від найбільш віддалених об́ єктів світло, яке розповсюджується зі швидкістю 300 000 км/с, йде до нас десятки мільярдів років, що виявляється спів розмірним з віком більшості об́ єктів у Всесвіті. Звідси випливає що спостерігаючи деякі галактики, ми можемо ніби заглянути в далеке минуле Всесвіту и скласти собі визначене представлення про її еволюцію. На рис.1 зображено порядок деяких об́ єктів Всесвіту, масштаби яких утворюють геометричну прогресію: кожен наступний квадрат відповідає збільшенню лінійних розмірів об́ єктів приблизно у 1000 разів.

Почнемо з масштабу в 500 тис. км. У «вікно» такого розміру можна побачити найбільш знайому систему двох тіл - Землю та її супутник Місяць. Змінивши масштаб у 10 разів, отримаємо відстань в мільйони кілометрів.

У таке «вікно» можна побачити Сонце та ряд цікавих утворень в його атмосфері. Ще у 10 разів більше «вікно» дозволить спостерігати Сонце разом з далеко розповсюдженою його короною (рис. 1а). Квадрат зі стороною у 100 млн км охвачує Сонце разом з найближчою до нього планетою - Меркурієм. Орбіта Венери трошки не поміщається в ньому. Квадрат зі стороною в мільярд кілометрів (рис. 1 б) охвачує орбіти всіх планет до Марса та багатьох малих планет - астероїдів.

Рис.1. Просторові масштаби Всесвіту. Сторона квадрату а порядку млн. км, а кожного наступного - у 1 000 разів більше.

Змінивши масштаб ще у 10 разів, наблизимося до границь Сонячної системи і досягнемо орбіт Нептуна та системи Плутон - Харон. Відстані між зорями настільки великі, що тільки при масштабах в сотні трильйонів кілометрів ми зможемо охватити Сонце разом з найближчими до нього зорями, включаючи систему α Центавра. Далі не зручно користуватися кілометрами. Масштаб 1013 км майже відповідає світловому року, тобто шляху, який проходить світло за один рік, а приблизно три світлових роки утворюють важливу в астрономії одиницю довжини - парсек. Відстань до найближчої зорі в системі α Центавра складає 1,3 пк. Масштаб в один світловий рік спів розмірний з газовою туманністю, яка виникла навколо зорі (рис. 1 в), а відстань в сотні і тисячі світлових років відповідає скупченням зір і великим газопиловим туманностям, з яких ці зорі, як правило, виникають (рис. 1 г). Далі квадрат зі стороною в тисячі і мільйони парсеків, поступово переходимо до найважливіших структурних одиниць Всесвіту - галактикам (рис. 1 д), групам і скупченням галактик (рис. 1 е)

Місцева група галактик - сукупність галактик, до якої належить наша Галактика.

Розміри: радіус приблизно 3 млн. світлових років. Інші групи галактик віддаленні на відстані вдвоє чи втроє більші.

До неї належать:

туманнсть Андромеди (найбільша з групи), (відстань 2,3 млн. св. років), (ядро m=4m).

М33 (Спіраль в трикутнику) (спіральна галактика, третя за роміром, друга - Мол. шлях) (m=6m)

Молочний шляг

Велика Магеланова Хмара (поблизу нашої Галактики), (170 тис св років).

Мала Магеланова Хмара (210 тис. св. рокв)

Інші галактики (еліптичні і неправильні галактики, а також деяка кількість карликових сферичнихгалактик, що нагадують ізольовані шарові сукупчення). Ці карликові галактики такі малі, що на ві станнях, більших за відстань до Андромеди, виявити їх дуже складно. Тому загальна кількість їх невідома. Чотирі невеликих еліптичні галактики (NGC 221, 205, 185 і 147) є супутниками галактики М31, а Маггеланові хмари і різні карликові галактики - супутники нашої Галактики. Таким чином місцева група не має центрального згущення, а складається з двух підгруп, сконцентрованих навколо двох найбільш масивних її представників Андромеда і Молочний шлях.

Скупчення Галактик - група галактик, зв¢язаних взаємним гравітаційним тяжінням. Просторовий розподіл галактик нерівномірний: вони мають тенденцію збиратися при відстанях порядку мільйонів світлових років. Скупчення галактик мають багато форм.

Сферичні, симетричні, неправильні, можуть мати декілька галактик, можуть мати тисячі галактик, можуть мати концентрацію до центра, а можуть і не мати, регулярні скупчення очевидно складаються тільки з еліптичних галактик, тоді як неправильні скупчення складаються з різних типів галактик, скупчення, що мають багато зір називають багатими (надскупчення).

Надскупчення галактик (рис 2)

Місцеве надскупчення галактик з центром в скупченні галактик в Діві, (50 -60 млн св років) яке містить: місцеву групу, розташовану на його периферії. Місцеве надскупчення галактик має розмір більше ста мільйонів світлових років. Вперше гіпотезу по існування запропонував Г де Вокулером в 1956 р.

Налічує понад 2000 галактик. Займає місце 120 квадратних градусів.

Космологічні моделі Всесвіту

Формування великомасштабної структури Всесвіту є центральною проблемою сучасної космології. До її елементів відносять галактики, скупчення та надскупчення галактик, порожнини в їх розподілі, хмари нейтрального водню в міжгалактичному середовищі, збурення густини, швидкості та метрики-простору часу в епоху космологічної рекомбінації, які зумовлюють флуктуації температури реліктового випромінювання. Характеристиками великомасштабної структури є просторові (дво- і триточкові) кореляційні функції галактик, їх пекулярні швидкості, функція мас та рентгенівської світності скупчень галактик, розподіли об’єктів за червоними зміщеннями. Їхні значення залежать від спектра потужності скалярних збурень густини речовини на лінійній стадії розвитку, який називають початковим спектром збурень. Його форма ( залежність амплітуди від масштабу) на великих масштабах (більших за масштаб горизонту частинки на момент рекомбінації) збігається з формою первісного спектра, який згенерований у ранню епоху внаслідок квантових флуктуацій метрики простру-часу. На менших масштабах - залежить від точних значень параметрів космологічної моделі та співвідношень густин компонентів речовини й енергії, які заповнюють Всесвіт.

Спостережувані властивості Всесвіту вказують на те, що на ранній стадії

(10-43 10-10 cек) він пройшов принаймні через одну короткочасну епоху експотенційного розширення - інфляційну стадію. Такі моделі називають інфляційними космологічними моделями.

Всесвіт Ламетра

Модель Всесвіту, яка починається з великого вибуху, потім статична фаза і наступне нескінченно довге розширення. Модель названа по імені Дж. Ламетра (1894-1966), який опублікував цю роботу в 1927 році. Він перший запропонував розглядати процес розширення Всесвіту від стану “первинного атома”, в той час, коли як Ейнштейн все ще був прибічником теорії статичного Всесвіту.

Модель Великого Вибуху

Гамов та його аспірант Ральф Алфер побудували нову, реалістичнішу версію цієї моделі. Всесвіт Леметра народилася з вибуху гіпотетичного «первинного атома», котрий вочевидь переходив рамки уявлень фізиків про природу мікросвіту. Відсотковий склад розподілу хімічних елементів у Всесвіті з урахуванням леметровскої моделі (вперше цю працю 1942 року виконав Чандрасекар) явно суперечив реальності.

У основі цієї теорії лежить припущення, що фізично Всесвіт утворилася внаслідок гігантського вибуху приблизно 15-20 мільярдів років тому, коли вся речовина і енергія сучасного Всесвіту була сконцентрована навколо одного згустку з щільністю понад 1025г/смЗ і температурою понад 1016 К. Модель Великого Вибуху було запропоновано в 1948г. нашим співвітчизником Г.А.Гамовим.

Величезний радіаційний тиск всередині згустку призвів до надзвичайно швидкого його розширенню - до Великого Вибуху. Складові частини цього згустку тепер утворюють далекі галактики. Ми бачимо їх нині такими, якими вони були приблизно 10-14 млрд. років тому назад. Отже, розширення Всесвіту виявляється природним наслідком теорії Великого Вибуху.

Дуже важливим є становлення структурної організації Всесвіту впродовж трьох хвилин, коли температура знижувалася до 109 К. Саме тоді відбувався процес первинного нуклеосинтезу - освіту ядер водню і гелію з низькою добавкою ядер дейтерію і літію. Тоді сформувалася дуже щільна плазма, що складалася з ядер водню, гелію (з добавкою ядер дейтерію і літію), електронів і фотонів. Позитивно заряджені частки (ядра водню, гелію та інших.) і негативно заряджені (електрон) обмінювалися між собою фотонами, яким у щільній плазмі було неможливо пролетіти досить далеко, тому вони були поглиненими чи відхиленими зарядженими частинками. Пробіг фотона від одного акта розсіювання до іншого був дуже незначним; тобто можна говорити про стан термодинамічної рівноваги первинної плазми і первинного випромінювання. У цей час Всесвіт являв собою гарячу швидко дедалі ширшу (отже, поступово охолоджену) непрозорий «вогневу кулю».

Принаймні охолодження цієї вогняної кулі до температури близько 4000К (коли вік Всесвіту становив близько 400 тис. років, а розмір в 1000 разів менша сучасного) електрони сповільнилися до швидкості, що дозволило ядрам водню і гелію захоплювати їх й утворити електрично нейтральні атоми. Цей процес називається рекомбинацією протонів і нейтронів. Плазма з іонізованої перетворилася на суміш нейтральних атомів водню і гелію. У ній зникли перепони на шляху руху фотонів, які перестали взаємодіяти з речовиною й одержали можливість вільного пересування у Всесвіті. Коли вік Всесвіту був 1 млн. років, випромінювання відокремилося від плазми. Всесвіт став цілком прозорим для випромінювання.

З теорії Гамова слід було уявити, що це фотони, які звільнилися після рекомбінації протонів і нейтронів, куди зникли й збереглися донині. Але в міру розширення Всесвіту їх температура знижувалася назад пропорційно розмірам Всесвіту. На цей час вона має становити близько 3К. Ці фотони повинні рівномірно заповнювати весь простір і створювати особливий космічний фон електромагнітного випромінювання. Їх кількість в одиниці об’єму висока: приблизно 400-500 фотонів в м3. Адже це випромінювання не генерується космічними тілами сучасного Всесвіту, а збереглося.

Реліктове випромінювання

У 1965 році А. Пензіас і Р. Вілсон (США) зареєстрували космічне випромінювання, інтенсивність якого не залежала від напрямку і яке не можна було приписати відомим радіоджерелам. Це зареєстроване реліктове випромінювання є доказом того, що Всесвіт був гарячим. Температура реліктового випромінювання становить 2,7 К.