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

Згідно з теорією гарячого Всесвіту, просторово-часові властивості останнього надзвичайно точно описує одна із трьох моделей Фрідмана - відкрита, замкнута або плоска. За будь-якої умови Всесвіт повинен був народитися в сингулярному стані з нескінченно великими густиною і температурою на момент Великого Вибуху. Коли відбувалося подальше розширення, температура Всесвіту знижувалася й поступово досягла сучасного значення 2,7 К.

Маючи ряд незаперечних достоїнств, теорія гарячого Всесвіту, проте, з деяких поглядів є недостатньо задовільною. Так, зокрема, вона не дає відповіді на питання: чому доступна для спостережень частина Всесвіту однорідна; звідки в цьому однорідному світі з'явилися первинні неоднорідності, необхідні для утворення галактик; чому різні ділянки Всесвіту, що сформувалися незалежно одна від однієї, у наш час мають практично однаковий вигляд.

Нині особливої популярності набули теорія Калуци-Клейна і теорія суперструктур, згідно з якими простір-час Всесвіту спочатку мав розмірність d > 4, але в деяких напрямках простір нібито стиснувся в тонку трубку. Тому макроскопічні тіла не можуть рухатися в цих напрямках і простір-час видається чотиривимірним. Від того, скількох змін зазнало стиснення і як саме воно відбулося, залежить і ефективна розмірність простору Всесвіту та властивості елементарних частинок у ньому.

Перший прорив у цій спокійній класичній космології було зроблено у XVIII столітті. У 1744 році астроном Р. Шезо висловив сумнів у просторовій нескінченності Всесвіту. Якщо припустити, стверджував Р. Шезо, що в нескінченному Всесвіті існує безліч зірок і вони розподілені в просторі рівномірно, то тоді в будь-якому напрямку погляд земного спостерігача неодмінно натикався б на яку-небудь зірку. Легко підрахувати, що небосхил, суцільно всіяний зірками, мав би таку яскравість, що навіть Сонце на його тлі виглядало 6, як чорна пляма! Незалежно від Шезо в 1823 році до таких же висновків прийшов німецький астроном Ф. Ольберс. Це парадоксальне твердження дістало в астрономії назву фотометричного парадоксу Шезо-Ольберса.

В 1826 році німецький астроном Генріх Ольберс (1758 - 1840) звернув увагу на той факт, що при нескінченному віці Всесвіту, більш-менш однорідно заповненої зорями, небо повинно бути залите світлом, тому що кожен промінь зору від спостерігача, в кінцевому рахунку, натикається на зорю. Парадокс в тому, що не дивлячись на це небо вночі темне.

Ольберс пояснив це явище поглинанням світла у міжзоряному просторі в силу того що простір частково заповнений речовиною, яка поглинає світло, наприклад міжзоряними пиловими хмарами. Але з появою першого закону термодинаміки це пояснення стало неправильним, тому що поглинаючи світло, міжзоряна речовина безперервно нагрівалася б, і сама почала би випромінювати світло.

Остаточно парадокс Ольберса вдалося вирішити у ХХ ст. тепер відомо, що Всесвіт має свій вік. Якщо, як вважається, Великий Вибух стався близько 15 мільярдів років тому, то астрономи можуть спостерігати об’єкти на відстані не більшій ніж 15 мільярдів світлових років. Тому число зір на нічному небі хоча і велике, але не по кожному напрямі ми бачимо зорю. Крім того, ми знаємо що зорі з часом «помирають» і перестають випромінювати світло.

Парадокс Зеєлігера

Наприкінці XIX століття німецький астроном К. Зеєлігер звернув увагу і на інший парадокс, що неминуче випливає з уявлень про нескінченний Всесвіт із рівномірно розподіленими в ньому небесними тілами: сила тяжіння, що діє з боку всіх тіл Всесвіту на дане тіло, є нескінченно великою. При цьому відносні швидкості небесних тіл теж могли бути нескінченно великими. Так як нічого подібного не спостерігається, то К. Зеєлігер зробив висновок, що кількість небесних тіл обмежена, а Всесвіт не є нескінченним.

Парадокси Зеєлігера й Ш підірвали впевненість у нескінченності Всесвіту. Ці космічні парадокси залишалися без відповіді до двадцятих років ХХ століття, коли на зміну класичній космології прийшла гіпотеза про скінченний Всесвіт, який розширюється. Цю гіпотезу в 1917 році висунув Альберт Ейнштейн.

Закон Хаббла. Стала Хаббла

всесвіт парадокс ольберс закон хаббл

Космологічний закон, який характеризує розширення Всесвіту, відомий саме як закон Хаббла. Він допомагає під час оцінки часу обчислення Всесвіту. Обрахунки проводяться з урахуванням коефіцієнта пропорційності, який називається сталою Хаббла. За допомогою залежності «період- світність», Хаббл виміряв відстань до деяких цефеїди. Ще він помітив червоні зміщення їх галактик, що дозволило знайти радіальні швидкості. Ці експерименти бул провелені у 1929 році.

Величина коефіцієнта пропорційності, якого він вивів, складала приблизно 500 км/сек на 1 Мпк. Цей недолік пояснюється тим, що Хаббл не врахував пправки на поглинання, яка в його час ще не була відкрита. Плюс до цього, не були прийняті до уваги власні швидкості галактик, разом зі швидкістю, яка спільна для загальної групи галактик. Також варто враховувати що під «розширенням Всесвіту» розуміється не простий розліт галактик у просторі.

Ця величина, що входить до складу закону Хаббла, яка показує значення відстані до об’єкта, який знаходиться за межами нашої галактики та швидкості, та і віддалення. Використовуючи сталу Хаббла можна визначити, що галактика, відстань до якої 10 Мпк, віддаляється зі швидкістю 700 км/с.

Перше, що зробив Хаббл, - розрахував відстань до цефеїд околицях туманності Андромеди, отже, й аж до туманності: 900 000 світлових років (точніше інтерв'ю, розраховане сьогодні відстань до галактики Андромеди (а її тепер називають) становить 2,3 мільйона світлових років. - прим. автора) - тобто туманність перебуває далеко поза Чумацького Шляху - нашої галактики. Проспостерігавши цю та інші туманності, Хаббл дійшов базовому висновку про структуру Всесвіту: вона з набору величезних зоряних скупчень - галактик. Саме які й видаються в небі далекими туманними «хмарами», оскільки окремих зірок настільки величезному видаленні ми розглянути просто ні можемо. Одного цього відкриття, взагалі-то, вистачило б Хабблу для всесвітнього визнання його заслуг перед наукою.

Вчений, проте, цим обмежився, і підгледів одне важливе аспект у даних, який астрономи стежили і колись, але інтерпретувати важко було. Як-от: що спостерігається довжина спектральних світлових хвиль, випромінюваних атомами віддалених галактик, трохи нижче довжини спектральних хвиль, випромінюваних тими самими атомами за умов земних лабораторій. Тобто спектрі випромінювання сусідніх галактик квант світла, випромінюваний атомом при стрибку електрона з орбіти на орбіту, зміщений за частотою у бік червоною частини спектра проти аналогічним квантом зіпсований настільки ж атомом Землі. Хаббл взяв він сміливість інтерпретувати це спостереження як вияв ефекту Доплера, що СРСР розвалився, що це спостережувані сусідні галактики видаляються від Землі, тому що в практично всіх галактичних об'єктів поза Чумацького Шляху спостерігається саме червоне спектральне усунення, пропорційне швидкості їх видалення.

Найголовніше, Хабблу вдалося зіставити результати своїх вимірів відстаней до сусідніх галактик (за спостереженнями змінних цефеїд) з вимірами швидкостей їх видалення (по червоному зміщення). Хаббл з'ясував, що далі ми перебуває галактика, то з більшою швидкістю вона видаляється. Цю саму явище центронапрямленого «розбігання» видимої Всесвіту з наростаючою швидкістю у міру віддалення від локальної точки спостереження та одержало назву закону Хаббла. Математиго він формулюється досить легко:

де v - швидкість видалення галактики ми,r - відстань досяжна, а H - так звана стала Хаббла. Остання визначається експериментально, і сьогодні оцінюється як рівна приблизно 70км/(с·Мпк) (кілометрів на секунду на мегапарсек; 1Мпк приблизно дорівнює 3,3 мільйонам світлових років). І це означає, що галактика, віддалена ми на відстань 10мегапарсек, втікає ми зі швидкістю 700 км/с, галактика, віддалена на 100Мпк, - зі швидкістю 7000 км/с, тощо. буд. І, хоча спочаткуХаббл прийшов до цього закону по результатом спостереження всього кілька найближчих до нас галактик, жодна з багатьох відкритих відтоді нових, дедалі більше віддалених від Чумацького Шляху галактик видимої Всесвіту з-під дії цього закону не випадає.

Отже, головне і - начебто - неймовірний висновок закону Хаббла: Всесвіт розширюється! Мені цей спосіб найнаочніше представляється так:, Галактики розбігаються за однією простої причини: розширюється сама тканину світового простору. Усі спостерігачі (і ми із Вами не виняток) вважають для себе які у центрі Всесвіту. Найліпше це сформулював мислитель 15 століття Микола Кузанский: «Будь-яка точка є центр безмежної Всесвіту».

Проте закон Хаббла підказує нас і ще щось про природу Всесвіту - і це «щось» є просто-таки екстраординарної. У Всесвіту був початок у часі. І це дуже нескладне умовивід: досить взяти й подумки «прокрутити тому» умовну кінокартину спостережуваного нами розширення Всесвіту - і ми дійдемо до точки, коли все речовина світобудови стискалося в щільний клубо кротоматерии, укладений у зовсім невеличкому у порівнянні з теперішніми масштабами Всесвіту обсязі. Ставлення до Всесвіту, яка зверх плотного згустку надгарячої речовини і відтоді розширення іостивающей, одержало назву теорії Великого Вибуху, і більше вдалою космологічної моделі походження і еволюції Всесвіту сьогодні немає. Закон Хаббла, до речі, допомагає також оцінити вік Всесвіту (звісно, дуже спрощено і близько). Припустимо, що це галактики від початку віддалялися ми з тією ж швидкістю v, яку ми бачимо сьогодні. Нехай - час, що минув від почала їх розльоту. Це буде вік Всесвіту, й він співвідношеннями:

де H - стала Хаббла. Отже, вимірявши швидкості видалення зовнішніх галактик і експериментально визначивши М, ми цим отримуємо й оцінку часу, протягом якого галактики розбігаються. Це і передбачене час існування Всесвіту. Постарайтеся запам'ятати: із найбільш останніми оцінками, вік нашого Всесвіту становить близько 15 мільярдів років, плюс-мінус кілька мільярдів років. (Порівняйте: вік Землі становить 4,5 мільярдів років, а життя в ній зародилася близько чотирьох мільярдів років тому )

Теорія де Сітера

Ця нереалістична гіпотеза мала, тим щонайменше, історично важливого значення, що у ній вперше висувалася ідея про розширення, а чи не статичної Всесвіту. [6]

Відсутність речовини було, звісно, слабким місцем моделі де Ситтера. Але була в неї родовищ і одне істотне гідність. Відповідно до теорії деСиттера, що далі погляд земного спостерігача проникав у простір, то повільніша мали йому здаватися що відбуваються там процеси. Варто було ж здійснити подорож «у ці віддалені області ліні і неквапливості» на космічний корабель, як у міру нашого наближення ми побачили б поступове пожвавлення часоплину. І моменту нашого прибуття життя вирувало там у звичайному темпі. Це можна було витлумачити, як пророцтво майбутнього червоного усунення. На жаль, у роки цього хто б звернув увагу.

В Всесвіті не існує ні речовини ні випромінення. Ця нереалістична гіпотеза мала важливе значення, оскільки в ній вперше висувалась теорія Всесвіту, що розширюється.

Всесвіт Мілна

Модель розширення Всесвіту без використання загальної теорії відносності, запропонована в 1948 році Едвардом Мілном. Всесвіт розширюється, ізотропний і однорідний, не містить речовини. Має негативну кривизну і не замкнутий.

Всесвіт Фрідмана

Модель Всесвіту, яка може колапсувати всередину себе. У 1922 р. радянський математик А.А. Фрідман, аналізуючи рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, дійшов висновку, що Всесвіт неспроможний перебувати у стаціонарному стані - він повинен переважно або розширюватися, або пульсувати. Спочатку цю роботу (1922 і 1924 рр.) повністю проігноровано, але згодом неї звернули увагу у зв'язку з моделлю Всесвіту Леметра. Всесвіт Фрідмана можливо замкнутий, якщо щільність речовини у ньому досить велика, щоб зупинити розширення. Це призвело до пошуку так званої маси, які бракує. Надалі висновки Фрідмана отримали підтвердження у астрономічних спостереженнях, які виявили в спектрах галактик так зване червоний зсув спектральних ліній, що відповідає взаємному видалення цих зоряних систем.

Всесвіт Ейнштейна - де Сітера

Найпростіша із сучасних космологічних моделей, у якій Всесвіт має нульовий тиск, нульову кривизну (тобто. пласку геометрію) і безмежну протяжність, та її розширення необмежена у просторі та у часі. Запропонована в 1932 р., ця модель є приватною випадком (за нульової кривизні) більш загальній всесвіту Фрідмана

Сама простіша з існуючих теорій розвитку Всесвіту. В ній Всесвіт має нульовий тиск, нульову кривизну (евклідова геометрія). Запрпонована в 1932 році.

Всесвіт ієрархічний

Модель, в якій аналогічні процеси об¢єднання ідуть на всіх рівнях: зорі утворюють галактики, галактики утворюють скупчення ті в свою чергу утворюють надскупчення. Сучасні дані говорять про те, що об¢єднання галактик реалізуються в масштабі порядку 150 млн св років. В більшому масштабі Всесвіт е більш-менш однорідний..

Всесвіт, що роздувається

Клас моделей Великого вибуху, у яких на ранній стадії еволюції є період прискореного розширення Всесвіту. При таких умовах вивільнилось би велика кількість енергії, що містилась до цього в вакуумі простору-часу. На протязі деякого часу горизонт Всесвіту розширювався б зі швидкістю, що набагато перевищує швидкість світла. Ця теорія здатна пояснити існування Всесвіту, який розширюється і його однорідність.

Модель “гарячого всесвіту”

Існує проблема прихованої маси, яка в свою чергу може бути або холодною або гарячою. За допомогою комп¢ютерного моделювання встановлено, що холодна темна матерія не могла утворити існуючу кількість неоднорідностей (зорі, галактики, скупчення, надскупчення). Якщо припустити що на ранніх стадіях розвитку всесвіту (до настання рівноваги між випроміненням і речовиною) мала місце темна гаряча матерія, то кількість неоднорідностей повинна була би бути набагато більша. Отже жодне з припущень (гарячої і холодної темної матерії) не має логічного підтвердження.

Інфляційна модель Всесвіту

У сучасній космології поряд з гіпотезою Великого вибуху обґрунтовується інфляційна модель Всесвіту, в якій розглядається ідея творіння Всесвіту. Ця ідея має складне обґрунтування і пов'язана з квантовою космологією. У даній моделі описується еволюція Всесвіту, починаючи з моменту 10 с після початку розширення.

Відповідно до інфляційної гіпотезою космічна еволюція в ранньому Всесвіті проходить ряд етапів.

Початок Всесвіту визначається як стан квантової супергравітації з радіусом Всесвіту в 10 см (розмір атома 10) Основні події в ранньому Всесвіті розігрувалися за нікчемно малий проміжок часу від 10 с до 10 с.

У стадії інфляції створювалося сам простір і час Всесвіту. Весь цей початковий період у Всесвіті не було ні речовини, ні випромінювання. Потім стан помилкового вакууму розпалося, вивільнити енергію пішла на народження важких частинок і античастинок, які, проанігілірували, дали потужний спалах випромінювання (світла), освітившись космос. Так відбувся перехід від інфляційної стадії до фотонів.

Етап відділення речовини від випромінювання: що залишився після анігіляції речовина стала прозорим для випромінювання, контакт між речовиною і випромінюванням пропав.

В подальшому розвиток Всесвіту йшло в напрямку від максимально простого однорідного стану до створення дедалі більш складних структур - атомів, галактик, зірок, планет, синтезу важких елементів в надрах зірок, в тому числі і необхідних для створення життя, виникнення життя і людини.

РОЗДІЛ ІІ. Методичні розробки до викладання теми: «Сучасні уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту»

Практичне заняття

Великомасштабна структура Всесвіту

Мета: навчитися використовувати спостереження червоних зміщень разом з їхніми координатами на небі для отримання тривимірної карти

найближчої області неба. Зрозуміти як матерія розташована у Всесвіті на великих масштабах. Оцінити деякі специфічні труднощі, що виникають при побудові та інтерпретації великомасштабної просторової карти Всесвіту.