Сообщение на тему изучение вселенной. Краткая история представления о вселенной. Реферат на тему: «Строение и эволюция вселенной»

Изучение космоса началось еще с самых древних времен, когда человек только учился считать по звездам, выделяя созвездия. И только всего четыреста лет назад, после изобретения телескопа, астрономия начала стремительно развиваться принося в науку все новые открытия.

XVII век стал переходным веком для астрономии, тогда начали применять научный метод в исследовании космоса, благодаря которому был открыт Млечный путь, другие звездные скопления и туманности. А с созданием спектроскопа, который способен разложить через призму свет, излучаемый небесным объектом, ученые научились измерять данные небесных тел, такие, как температура, химический состав, масса и другие измерения.

Начиная с конца XIX века астрономия вступила в фазу многочисленных открытий и достижений, главным прорывом науки в XX веке стало запуск первого спутника в космос, первый полет человека в космос, выход в открытое космическое пространство, высадка на луне и космические миссии к планетам Солнечной системы. Изобретения сверхмощных квантовых компьютеров в XIX веке также обещают многие новые изучения, как уже известных планет и звезд, так и открытия новых далеких уголков вселенной.

Уходящий век навсегда останется выделенным особо в истории астрономии. Открыть Вселенную можно только один раз. Астрономы вступили в XX век с представлениями о единственной всеобъемлющей звездной системе Млечного Пути. Мы расстаемся с этим веком в расширяющейся Вселенной, наполненной мириадами систем, подобных нашей Галактике, и с подозрением о существовании множества вселенных, совсем непохожих на нашу. В XX веке была также разгадана природа главных объектов астрономии, давших свое имя нашей науке. Потомки будут завидовать астрономам XX века за то, что именно нам удалось понять, почему светят звезды.

Попробуем набросать здесь, по неизбежности широкими мазками, очерк истории исследований, приведших к открытию Вселенной и созданию теории звезд. Эти великие достижения открыли новые горизонты и новые проблемы, о которых мы также вкратце расскажем.

Главный вопрос, волнующий нас при обращении к прошлому, состоит в том, может ли исследование путей познания утвердить нас в достоверности наших нынешних представлений о Вселенной. Кто владеет прошлым, тот может предсказать будущее. Обычно считается, что уже с конца XVIII века ученым людям каждого поколения было свойственно думать, что основы мироздания уже постигнуты, что остается лишь уточнить детали. Закон всемирного тяготения превосходно описывал движения планет и двойных звезд, и до XX века казалось, что законов ньютоновской механики достаточно для наблюдаемой картины мира. Это мнение приписывается обычно П. С. Лапласу, однако по существу он говорил лишь о перспективе обнять "в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением легчайших атомов", что остается в известном смысле величайшей задачей и современного естествознания.

Успехи астрономии будущего, по словам Лапласа, зависели от трех условий: измерения времени, измерения углов и от совершенства оптических инструментов, причем "первые два в настоящее время не оставляют желать почти ничего лучшего". Ныне, два века спустя, устарело лишь первое условие - измерение времени перешло в ведение атомной и молекулярной физики и достигло предела точности, определяемого законами квантовой механики. В измерениях углов после почти двухвекового застоя применение интерференционных методов и выход в космос привели недавно к радикальному прогрессу, пределов которому не видно. Совершенствование оптических инструментов, на которое Лаплас возлагал особые надежды (ибо измерения углов и времени, как ему казалось, почти достигли предела возможного...), также ничем не ограничено. В конце XX века количество гигантских наземных телескопов с зеркалами, превышающими пять метров в диаметре, превысило дюжину и скоро достигнет двух десятков; разрабатывается проект 100-м телескопа. Лаплас не подозревал о возможности наблюдений в других диапазонах электромагнитного спектра, помимо оптического. Тем более не мог он помыслить о делающей ныне первые шаги нейтринной астрономии или о приемниках гравитационного излучения, которые заработают через пару лет.

Как открыли галактики

Измерение углового расстояния между небесными объектами и приходящего от них излучения - на все века единственное оружие астрономов. Доставленные на Луну, Венеру и Марс приборы выводят эти планеты из ведения астрономии, хотя получаемые при этом данные все равно регистрируются астрономическими методами - радиотелескопами.

С какими же наблюдательными средствами вступила астрономия в XX век? Крупнейшими инструментами были 40-дюймовый рефрактор Йеркской обсерватории и 36-дюймовый рефлектор Кросслея, работавший на Ликской обсерватории. В 1908 г. вступил в строй 60-дюймовый телескоп на Ма-унт-Вилсон. Эти два рефлектора с помощью фотографических пластинок фактически и открыли мир галактик, исследование которых явилось главной задачей астрономии XX века.

Конечно, видели их давно. Магеллановы Облака на южном небе, Туманность Андромеды на северном заметны и невооруженным глазом. Вильям Гер-шель в конце XVIII века составил каталог звездных скоплений и туманностей (большинство которых составляли именно далекие галактики), в котором было около 2500 объектов. К концу XIX века 13673 объекта было занесено в NGC - Новый генеральный каталог туманностей и звездных скоплений. В начале XX века Кросслеевский рефлектор зарегистрировал на фотографических пластинках около 120000 "слабых туманностей", но об их природе еще долго продолжались споры, начавшиеся в XVIII веке.

Сам Вильям Гершель считал, что слабые пятнышки света, видимые в его гигантские рефлекторы, могут быть далекими системами звезд, хотя некоторые туманности, по его мнению, могут быть истинными и состоять из диффузной светящейся материи.

Однако итоговое суждение XIX века оказалось другим. В книге о развитии астрономии в XIX веке Агнес Кларк писала: "Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения. Прогресс исследований ответил на него. Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путем".

В первые два десятилетия нашего века по-прежнему господствовало убеждение, что все видимые на небе звезды и туманности принадлежат к гигантской всеобъемлющей системе Млечного Пути, близ центра которой находится Солнце. Это была так называемая "Вселенная Каптейна", схема, за которую голландский астроном Я. Каптейн боролся до самой смерти в 1922 г.

Для решения вопроса о природе "слабых туманностей" было необходимо знать расстояние до них. Здесь могли помочь только фотометрические методы, но для их применения надо было знать светимость (абсолютную величину) каких-либо объектов, находящихся внутри этих туманностей, и сравнить ее с видимой величиной. Эту задачу впервые решил американский физик Ф. Вери в 1911 г. Сначала он оценил расстояние до Новой Персея 1901 г., сравнивая со скоростью света угловую скорость расширения туманности, возникшей после вспышки вокруг звезды. Он предполагал (совершенно справедливо), что расширение туманности - это не что иное, как распространение волны освещения межзвездной среды, окружающей Новую звезду, ее вспышкой. Затем Вери сравнил (определенную им из расстояния и видимой величины) светимость Новой Персея с видимой величиной Новой 1885 г., вспыхнувшей близ центра Туманности Андромеды, и оценил расстояние до туманности в 500 пс. Более слабые "белые" (в отличие от зеленоватых газовых) туманности, заключил Вери, лежат на расстояниях в миллионы парсек. Все правильно в этом рассуждении, кроме того, что Новая 1885 г. была на самом деле Сверхновой, ярче обычных Новых в десятки тысяч раз - и значит, расстояние до М31 не 500 пс, а в тысячи раз больше...

К 1920 г. в Туманности Андромеды стали известны три подлинные Новые звезды, и все они были на 10-12т слабее звезды 1885 года. Это различие было одним из аргументов X. Шеп-ли против внегалактической природы М31 и вообще слабых туманностей (тогда еще не были известны сверхновые звезды).

Он использовал его в так называемом "великом споре" с астрономом Ликской обсерватории Г. Кертисом, который первым понял, что вспышка 1885 г. в М31 - особый случай. Этот диспут организовала Национальная академия наук США в 1920 г. Наиболее важным аргументом Шепли было то, что сгущения в спиральных рукавах галактик обнаруживали, по данным А. ван Маанена, заметные собственные движения. Сравнение угловой и линейной (по лучевым скоростям) скоростей вращения спиральных туманностей давало расстояние; для туманности Треугольника (МЗЗ), например, оно получалось равным 2000 пс. Это расстояние помещало МЗЗ глубоко внутри системы Млечного Пути, размеры которого Шепли незадолго перед тем оценил в 100 000 пс.

Шепли опирался на зависимость период-светимость для цефеид, обнаруженную Г. Ливитт в 1908 г. по наблюдениям этих звезд в Магеллановых Облаках. Сначала он определил расстояния до ряда шаровых звездных скоплений, содержащих цефеиды, а затем, опираясь на них, разработал способы оценки расстояний и для скоплений, цефеид не содержащих. Он предположил, что концентрация шаровых скоплений в созвездии Стрельца объясняется тем, что они сгущаются к центру звездной системы Млечного Пути, и нашел расстояние до него в 15000 пс.

Кертис же считал, что это расстояние намного меньше, а зависимость период-светимость для цефеид ненадежна. Но он был совершенно прав, отстаивая внегалактические расстояния "слабых туманностей" и объясняя их отсутствие в полосе Млечного Пути концентрацией в ней вещества, поглощающего свет. В такого рода дискуссиях всегда оказывается, что частично правы были обе стороны.

Таким образом, еще в начале 20-х гг. конкурировали две системы мироздания. По Шепли, в нашей гигантской Галактике, системе Млечного Пути, Солнце помещалось на далекой окраине, как и "слабые туманности". Вселенная Каптейна содержала Солнце близ центра и была намного меньше. О том, что же находится за пределами системы Млечного Пути, обе схемы мироздания поразительным образом умалчивали, хотя некоторые астрономы были убеждены (как и Гершель в XVIII веке!), что многочисленные слабые туманности являются огромными звездными системами, сравнимыми с нашей, и что спиральные Туманности Андромеды и Треугольника - лишь ближайшие из них.

Полностью уверен в этом был К. Лундмарк, который считал, что на фотографиях, полученных Дж. Ричи еще в 1908 г. на 60-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, в МЗЗ видны отдельные звезды и оценил расстояние туманности в 300 000 пс. Более того, еще в 1887 г. И. Робертс на своем 20-дюймовом рефлекторе получил фотографии, на которых во внешних частях галактики Андромеды можно увидеть отдельные звезды... Но увидеть можно только то, что считаешь возможным увидеть. Когда в начале 20-х гг. Хьюмасон показал Шепли несколько переменных звезд - вероятных цефеид, отмеченных им на пластинке с изображением туманности Андромеды, Шепли стер его отметки - в этой газовой туманности не могло быть звезд! Ошибочность этого мнения была окончательно доказана в 1924 г. Э. Хабблом, использовавшим новый 100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вилсон. Он нашел цефеиды в МЗЗ и в М31 и по ним определил расстояния, оказавшиеся близкими к оценкам Лундмарка; обе системы оказались далеко за пределами системы Млечного Пути даже при завышенных Шепли размерах нашей Галактики.

Что же касается собственных движений "узлов" спиральных рукавов, то лишь к середине 30-х годов было доказано, что они отражают лишь ошибки измерений.

Вскоре, опираясь на расстояния до ближайших галактик, Хаббл смог оценить расстояния и до более далеких систем и к 1929 г. представил доказательства того, что лучевые скорости галактик возрастают с увеличением расстояний до них. Тот факт, что далекие туманности имеют большие положительные лучевые скорости, был известен давно, но Хаббл впервые, располагая надежными расстояниями, смог уверенно определить коэффициент пропорциональности между расстояниями и скоростями галактик, известный ныне как постоянная Хаббла.

Из найденной Хабблом зависимости следовало, что Вселенная расширяется: все расстояния между всеми галактиками увеличиваются со временем. И это открытие остается величайшим результатом астрономии не только XX века. Вселенная населена галактиками, и она расширяется! Переворот, произошедший в сознании астрономов за какой-то десяток лет, сравним по своей значимости с революцией Коперника.

Теория строения и эволюции звезд

XIX век не принес понимания природы звезд, было лишь доказано старое предположение, что звезды - это далекие солнца. Гравитационное сжатие было предложено лордом Кельвином как источник энергии звезд, но этого источника хватало лишь на миллионы лет, а эволюция форм жизни на Земле требовала времени в сотни раз большего. Мы понимаем теперь, что во времена, когда даже понятие кванта света было неизвестно, сама постановка вопроса об источниках энергии звезд была преждевременна. Кто знает, о каких наших проблемах то же самое скажут наши потомки...

Наблюдательные данные, которые должна была объяснить теория строения и эволюции звезд, также появились лишь в нашем веке. Э. Герцшпрунг в 1908 г. и Г. Рессел в 1910 г. построили диаграмму, связывающую температуру поверхности звезды с ее светимостью. Было обнаружено, что большинство звезд расположено вдоль главной последовательности, тянущейся от горячих ярких звезд до слабых и холодных, но имеется еще и группа холодных, но ярких звезд - красных гигантов и сверхгигантов.

Объяснение этой диаграммы стало важнейшей задачей теории внутреннего строения звезд, в создании которой особая заслуга принадлежит А. Эддингтону. Он разработал к 1924 г. модель звезды, механическая устойчивость которой определяется балансом силы тяжести и лучевого плюс газового давления. Это давление удерживает звезду от безудержного сжатия, и обеспечивается оно очень высокой температурой, нарастающей к центру звезды. Но что создает эту температуру, что является источником звездной энергии? Дж. Джинс считал, что это аннигиляция, превращение вещества в энергию, а Эддингтон - что это ядерные реакции, превращение элементов. Он говорил в 1926 г., что возможное в лаборатории Резерфорда не может оказаться слишком трудным для природы, и что "разумно надеяться, что в не слишком отдаленном будущем мы будем способны понять такую простую вещь, как звезда".

В те же годы было разгадано происхождение линий в спектрах звезд и тем самым были определены температуры и химический состав их поверхностных слоев. Это сделала в 1925 г. Ц. Пейн, ученица Рессела, на основе теории возбуждения и ионизации атомов, которую разработал незадолго до того М. Саха. Выяснилось, что относительное содержание химических элементов у всех звезд примерно одинаково и близко к солнечному: на 96-99.9% внешние слои звезд состоят из водорода и гелия, а остальное составляет железо, кальций и др. примерно в той же пропорции, как и средний химический состав Земли и метеоритов.

Резкое различие спектров звезд было объяснено различием температур их поверхностей, хотя содержание элементов тяжелее гелия может отличаться в сотни раз. Перед теорией встала вторая задача принципиального значения - объяснить химический состав звезд и вообще вещества Вселенной.

Отныне, с 20-х годов XX века уже развитие астрономии стало зависеть от успехов физики, которая начала возвращать свой старый долг астрономии - основы механики были созданы Галилеем, Ньютоном, Лагранжем и Лапласом на основе астрономических данных. Успехи ядерной физики позволили Г. Бете (ныне здравствующему!) заложить в 1938 г. основы теории источников энергии звезд. Концентрация большинства звезд на главной последовательности диаграммы Герщшпрунга-Рессла была объяснена тем, что это самая длительная стадия эволюции, на которой источником энергии звезд является превращение водорода в гелий. Эта реакция в ее взрывном варианте была осуществлена на Земле в 1952-1953 гг., но начавшиеся в те же годы работы по созданию управляемого термоядерного реактора все еще не увенчались успехом. Достигнутое в середине XX века понимание природы звезд и, в особенности, источников их энергии является величайшим триумфом естествознания.

Теория источников энергии и строения звезд в соединении с данными о диаграммах Герцшпрунга-Рессла звездных скоплений, звезды в каждом из которых образовались, без сомнения, совместно и почти одновременно и отличаются лишь массами, позволила в середине века понять основные закономерности эволюции звезд. Она идет тем быстрее, чем больше их масса, а пропорциональная кубу массы светимость определяет темп расхода ядерного горючего.

Наиболее населенная часть диаграммы, главная последовательность, заполнена звездами на продолжительной стадии горения водорода в ядре, после выгорания которого ядро сжимается, а оболочка звезды распухает. Наиболее массивные звезды скопления первыми переходят в стадию красных сверхгигантов и гигантов, у которых идет горение гелия в ядре. По светимости самых ярких звезд, еще оставшихся на главной последовательности, определяется их возраст и, следовательно, возраст всего скопления. Более тяжелые элементы, вплоть до железа, образуются на последующих все более кратких стадиях эволюции, заканчивающейся у массивных звезд вспышкой звезды как Сверхновой, в процессе которой образуются и более тяжелые элементы. При вспышках сверхновых и образовании планетарных туманностей (на поздних стадиях эволюции менее массивных звезд) элементы тяжелее гелия поступают в межзвездную среду и участвуют затем в образовании космической пыли, комет и планет.

Уже в 40-х годах стало ясно, что запасов ядерного горючего у наиболее расточительных звезд высокой светимости хватает лишь на миллионы лет - они должны образовываться в наше время. Постоянное соседство этих звезд с газопылевыми туманностями указывало на их генетическую связь, и Ф. Уиппл еще в 1942 г. заключил, что межзвездное вещество является единственным очевидным источником вещества для построения звезд. Молодость звезд высокой светимости вскоре получила подтверждение из совсем других соображений. В 1947 г. В. А. Амбарцумян заключил, что в разреженных группировках этих звезд, звездных ассоциациях, звезды не могут долго удерживаться вместе взаимным тяготением, и, следовательно, эти группировки образовались недавно. Вывод о групповом образовании звезд, продолжающемся и в наше время, стал общепризнанным.

Строение галактик

Открытие населенной галактиками Вселенной было и открытием нашей Галактики как одной из многих. Мы могли теперь сравнивать нашу звездную систему с другими и, наоборот, опираться при их изучении на знания о нашей Галактике. Две трудности препятствуют исследованиям Галактики. Одна из них - поглощение (точнее, рассеивание) света в облаках газа, содержащих также примесь твердых частиц, в основном углерода, из-за чего уменьшается видимый блеск звезд и искажаются их фотометрические расстояния, единственно определяемые для удаленных объектов. Бороться с поглощением света научились лишь недавно, ведя наблюдения в далеком инфракрасном диапазоне, в котором оно мало. Развитие интерференционных наблюдений из космоса в ближайшие десятилетия позволит определять расстояния объектов в нашей Галактике геометрически, без знания их светимости и видимого блеска, исправленного с учетом поглощения. Однако вторая трудность носит принципиальный характер. Мы живем близ экватора нашей дискообразной звездной системы и не можем окинуть ее взглядом сверху. С этим уже ничего не поделаешь. Надежда на то, что когда-нибудь мы установим связь с разумными существами, живущими хотя бы в килопарсеке над (или под) плоскостью Галактики, и они поделятся своими фотографиями, слаба...

В 40-х гг. было установлено, что в Галактике имеются два типа звездного населения. Население типа I, к которому относится Солнце, рассеянные скопления, звезды-сверхгиганты, облака газа и пыли концентрируется к плоскости Галактики, а население типа II (шаровые скопления, планетарные туманности, некоторые звезды-гиганты и др.) - к ее центру, образуя сфероидальное гало.

Распознание двух типов звездного населения было итогом серии работ, начавшихся с доказательства вращения Галактики Я. Оортом в 1927 г. Он показал, что распределение лучевых скоростей и собственных движений звезд по небу такое, какое следует ожидать, если звезды вращаются вокруг центра Галактики. Несколько раньше Б. Линдблад объяснил высокую лучевую скорость шаровых скоплений тем, что на самом деле система этих скоплений вращается вокруг центра Галактики медленно, а Солнце и другие звезды галактического диска - быстро, и их высокие наблюдаемые скорости являются лишь отражением движения Солнца.

Направление, перпендикулярное векторам скоростей шаровых скоплений, указывало на созвездие Стрельца, где помещается также и область их наибольшей концентрации. Стало окончательно ясно, что Шепли был прав, предполагая, что центр системы шаровых скоплений является и центром всей Галактики.

В работах Линдблада, Оорта и Боттлингера было заподозрено различие не только кинематических характеристик, но и физических типов звезд диска и гало Галактики. Однако только в работе В. Бааде, опубликованной в 1944 г., появилась концепция двух типов звездного населения.

Пользуясь пластинками, чувствительными к красным лучам, и низкой яркостью ночного неба, связанной со светомаскировкой военного времени, благодаря которой огни Лос-Анджелеса перестали подсвечивать небо над обсерваторией Маунт-Вилсон, Бааде получил серию длинных экспозиций центральной части галактики Андромеды и смог разрешить ее на звезды. Хабблу это не удалось, и он даже считал возможным, что ближе к центру М31 состоит из газа. Что же это были за звезды? Конечно, красные гиганты. Однако в рассеянных скоплениях нашей Галактики они столь слабы, что если это были бы такие же звезды, то в М31 они были бы недоступны для наблюдений. Бааде предположил, что это гиганты, но только другого типа - типа тех, что наблюдаются в шаровых скоплениях (они на 3 звездные величины ярче). И тогда все сразу стало на место. Не только шаровые скопления, но и типичные для них звезды поля концентрируются к центру спиральных галактик. Бааде назвал их населением типа II, а звезды галактического диска и рассеянные скопления - населением типа I.

Вскоре было найдено, что два типа звездных населений отличаются не только кинематикой и распределением в пространстве (что было детально изучено в работах П. П. Паренаго и Б. В. Кукаркина). Содержание тяжелых элементов у объектов населения II оказалось в сотни раз меньше, чем у населения I. Создание к концу 50-х гг. теории звездной эволюции дало возможность оценить возраст звезд. У населения II он составляет около 10-15 млрд. лет, тогда как у подавляющего большинства объектов диска возраст не превышает 8 миллиардов лет и может быть сколь угодно мал. Иными словами, только в диске наблюдаются признаки звездообразования, идущего на наших глазах в газопылевых облаках, которые показывают наибольшую концентрацию к плоскости Галактики.

Содержание элементов тяжелее гелия у всех звезд населения I "нормальное" (близкое к солнечному) именно потому, что они образовались из газа, уже обогащенного этими элементами при вспышках сверхновых. Это обогащение шло очень быстро в первые миллиарды лет жизни Галактики. Образование звезд и скоплений населения II было кратковременным и бурным эпизодом, в конце которого началось и продолжается до сих пор образование звезд населения I.

Большинство спиральных галактик, видимых с ребра, четко показывают плоскую дискообразную систему голубых (молодых) звезд и газопылевых облаков, перпендикулярную оси вращения галактики, и сфероидальную систему шаровых скоплений, концентрирующихся к центру галактики. Эллиптические галактики состоят почти исключительно из объектов населения II, а в неправильных - преобладает население I.

Природа спиральных рукавов галактик долгое время была загадкой. Дж. Джинс писал в 1929 г., что пока спиральные рукава остаются необъясненными, нельзя доверять теориям строения галактик. Он допускал, что в рукавах закручивается вещество, выбрасываемое из ядер галактик из других пространственных измерений. Еще недавно защищал близкую точку зрения X. Арп. Однако движение вещества вдоль рукава отсутствует, наблюдается замедление движения звезд и газа вокруг центра галактики при их попадании в рукава. Это говорит о том, что тянущиеся на десятки килопарсек правильные симметричные относительно центра галактики рукава - это спиральные волны повышенной плотности газа и звезд, возникшие благодаря спиральному возмущению гравитационного поля галактики. Причиной его считают наличие спутника, как у М51, или наблюдающиеся у всех спиральных галактик с такими рукавами отклонения их центральных частей от осевой симметрии - они имеют овальную форму.

Космологическая проблема

Таким образом, к середине века был заложен незыблемый и ныне фундамент наших представлений о природе звезд, о строении галактик и их систем. В 1952 г. нашла разрешение, казалось бы, последняя проблема, препятствовавшая всеобщему признанию их правильности. Найденная Хабблом в 1929 г. скорость расширения Вселенной означала, что около двух миллиардов лет назад все вещество было в точке и имело бесконечно большую плотность.

Это следовало и из космологических построений, основанных на общей теории относительности Эйнштейна, но возраст Вселенной получался неприемлемо малым, около двух миллиардов лет - меньше возраста Земли, известного из данных геологии . Величина, обратная постоянной Хаббла, дает "возраст Вселенной" - время, прошедшее с начала ее расширения. Оно определяется расстояниями до галактик, которые до сих пор основаны на светимостях цефеид и их видимых величинах в близких галактиках. В 1952 г. В. Бааде в результате исследований галактики Андромеды на 5-м рефлекторе, регулярные наблюдения на котором начались в 1949 г., пришел к выводу, что цефеиды ярче примерно на полторы звездные величины, чем считал Хаббл. Выявилась и еще одна его ошибка. Расстояния далеких галактик Хаббл определял, измеряя яркость их ярчайших звезд, но многие из них оказались компактными звездными скоплениями, светимость которых намного больше, чем у индивидуальных звезд. В результате вместо 500 км/с/Мпс у Хаббла постоянная его имени стала составлять 50-100, а возраст Вселенной - около 15-20 млрд. лет. К этому времени было уже ясно, что возраст самых старых объектов населения II, шаровых звездных скоплений, составляет около 10-15 млрд. лет. В картине эволюции звезд, галактик и Вселенной не было больше противоречий.

Известное завершение она получила в 1965 г., когда было обнаружено микроволновое фоновое излучение, реликт первоначального горячего состояния Вселенной. Оно возникло в момент отделения вещества от излучения, когда его температура составляла около 4000 градусов, но ныне, из-за расширения Вселенной, температура реликтового излучения составляет 2.7 К. Подтвержденная этим открытием космологическая модель первоначально горячей расширяющейся Вселенной объяснила, почему даже в самых старых звездах населения II наблюдается высокое (25-30%) содержание гелия - он образовался, в основном, еще в дозве-здном газе на ранней стадии расширения. На более поздней стадии начальные флуктуации плотности развились в протоскопления галактик, над проблемой происхождения которых успешно работали Я. Б. Зельдович и его школа. Открытие реликтового излучения подтверждало космологическую модель Фридмана и делало ненужной модель квази-стационарной Вселенной Ф. Хойла и Г. Бонди, согласно которой плотность расширяющейся, но вечной Вселенной всегда остается постоянной из-за появления нового вещества.

Казалось, что основные проблемы астрономии решены - исходные мгновения расширения Вселенной составляли уже чисто физическую проблему, для решения которой требовалось развитие теории квантовой гравитации. Все трудности, вроде бы, удалось "смести под этот ковер".

Правда, оставалось облачко сомнений, зародыш которого возник еще в 1933 г. Ныне оно разрослось в гигантскую проблему ненаблюдаемой, темной материи, общую и для физики, и для астрономии.

В 1933 г. Ф. Цвикки обнаружил, что разброс (дисперсия) скоростей галактик в скоплении Волос Вероники составляет около 1000 км/с. В предположении гравитационной связанности этого скопления отсюда следовало высокое отношение массы к светимости для этих галактик, на порядок большее, чем следовало бы ожидать, исходя из их звездного состава.

Аналогичный результат был получен затем для скопления галактик в Деве. Цвикки не мог найти объяснений этой странности, и на проблему не обращали внимания до 1958 г., когда В. А. Амбарцумян предположил, что высокие скорости галактик в скоплениях объясняются тем, что они распадаются подобно звездным ассоциациям. Некоторое время это предположение пользовалось успехом, однако, вскоре стало ясно, что оно ведет к еще большим трудностям.

Большинство эллиптических галактик, возраст звезд в которых около 15 млрд. лет, находится в скоплениях, однако оценки массы галактик и их скорости в скоплениях приводили к выводу, что возраст самих скоплений не более миллиарда лет - намного меньше возраста звезд населения II. Вместе с предположением об образовании звезд из сверхплотного вещества, об особой роли ядер галактик, порождающих де окружающую галактику, эти представления получили название "бюраканской концепции"; несколько советских философов настойчиво противопоставляли ее взглядам большинства астрономов. Фактически они утверждали, что происхождение звезд и галактик все еще неизвестно.

Однако уже с конца 30-х годов начали появляться признаки того, что ненаблюдаемое вещество имеется и в индивидуальных галактиках, а не только в самих скоплениях. Это в первую очередь следовало из того, что диски галактик сохраняли высокие скорости вращения и на очень больших расстояниях от центра, там, где звезд уже не было видно. В 1974 г. Дж. Острайкер и Дж. Пиблс и независимо от них Я. Эйнасто и его сотрудники, анализируя зависимости скоростей вращения галактик от расстояния до их центров и плотность вещества в их дисках, пришли к выводу о существовании у галактик обширных корон из темного, ненаблюдаемого вещества, в которых может заключаться около 90% массы галактики. Массы галактик следовало увеличить на порядок, и их скопления при этом становятся гравитационно связанными, что следовало также и из скоростей движения горячего газа, обнаруженного в те же годы при изучении скоплений галактик в рентгеновском диапазоне.

С тех пор проблема скрытой массы остается нерешенной, носители ее неизвестны, хотя практически все уверены, что это не обычное барионное вещество. Нельзя, пожалуй, сказать, что эта проблема находится в центре внимания астрономов - наличие невидимого вещества проявляется только в динамике галактик, по ее гравитационному воздействию, и в большинстве исследований о нем можно не помнить; однако ныне эта проблема становится главной заботой теоретической физики. Нарастает понимание того, что телескопы, а не ускорители будут играть решающую роль на переднем краю физики не только макромира, но и микромира, как об этом пророчески писал Л. А. Арцимович еще в 1972 г. Фактически, это время уже настало.

По последним оценкам, масса барионной материи во Вселенной составляет всего лишь 4%, из которых 3% приходится на горячий газ, а 1% - на звезды и холодный газ. Темное вещество может составлять около 30% полной массы Вселенной, возможно, что носители его являются еще неизвестными элементарными частицами. Остальные 66%, возможно, приходятся на долю "скрытой энергии" или "квинтэссенции", которую считают ответственной за ускоренное расширение Вселенной, выявляемое в последние годы по наблюдениям далеких сверхновых типа la, светимость которых можно считать повсеместно одинаковой.

Эта проблема составляет часть общей космологической проблемы, которая все еще далека от решения. Отметим, что на новом этапе, начавшемся с восьмидесятых годов, космология вообще снимает проблему начала мира.

Большинство космологов согласно сейчас с предположением, что до начала современного этапа расширения был этап намного более быстрого, как говорят, инфляционного расширения нашей Вселенной. В русле работ по созданию единой физической теории появилась инфляционная космология, согласно которой первичной и вечной сущностью является т.н. ложный физический вакуум, в котором спонтанно рождаются расширяющиеся пузыри пространства-времени, новые вселенные, с самыми разными параметрами и разными физическими законами в них, и одной из них является наша Вселенная.

Успешно продвигается работа по объединению электромагнитослабых и сильных (управляющих частицами в ядрах атомов) взаимодействий, просматриваются возможности последующего включения в единую теорию и гравитации. По мнению американского физика Р. Фейнмана, настанет день, когда мы будем знать все, и жизнь станет скучной. Возможно, но день этот придет лишь в бесконечно далеком будущем...

Пессимисты любят вспоминать известный диалог между ангелом и Всевышним:

Господь, они открыли новую элементарную частицу, как будем реагировать?

Добавим еще один нелинейный член в уравнение единого физического поля!

Будем однако же надеяться, вместе с Эйнштейном, что Господь хотя и изощрен, но не злонамерен...

Новые объекты Вселенной

В 60-х годах последовала серия открытий новых астрономических объектов, что стало возможным благодаря расширяющимся наблюдениям вне пределов оптического диапазона электромагнитного спектра. Радиоастрономия встала на ноги еще в 50-е годы, когда исследования на длине волны нейтрального атомарного водорода 21 см позволили обнаружить концентрацию газовых облаков в диске и особенно в спиральных рукавах нашей Галактики. Были обнаружены галактики, особенно сильно излучающие в радиодиапазоне, а в 1960 г. был найден звездообразный объект - мощный радиоисточник. К 1963 г. их стало четыре, и в марте этого года М. Шмидт догадался, что загадочная последовательность эмиссионных линий в спектре одного из них, ЗС 273, - не что иное, как бальмеровская серия линий водорода, но с красным смещением 0.158. Звездобразный объект оказался дальше далеких галактик!

Такого рода объекты получили название квазаров. Светимость их намного больше, чем у обычных галактик, а угловые размеры намного меньше, но все попытки объяснить красное смещение иначе, чем большим расстоянием, остались безуспешными. Споры продолжались лет десять, но накапливалось все больше свидетельств того, что квазары - это далекие галактики с необычно ярким ядром и мощным радиоизлучением. И. С. Шкловский еще в 1963 г. отметил сходство их спектров и спектров ядер сейфертовских галактик. Правда, X. Арп и сейчас еще отстаивает мнение, что квазары - это объекты, выброшенные из ядер галактик, а их красное смещение является свойством новорожденной в ядрах материи...

Новая физика не оказалась нужна и для пульсаров, открытых в 1968 г. Строго периодические, повторявшиеся через доли секунды радиоимпульсы выглядели столь необычно, что обнаружившие их английские радиоастрономы на полгода засекретили свое открытие, подозревая, что сигналы подают разумные обитатели космоса. Но очень скоро стало ясно, что они возникают вследствие быстрого вращения звезд с сильным магнитным полем, радиоизлучающих в узком конусе. Периоды вращения указывали на чудовищную плотность пульсаров, и это означало, что наконец-то открыты предсказанные еще в 30-х годах нейтронные звезды - огарки сверхновых. Можно сказать, что открытие пульсаров было почти предсказано. В частности, Н. С. Кардашев писал о том, что объект, остающийся после взрыва сверхновой, должен, в силу законов сохранения, обладать быстрым вращением и сильным магнитным полем, не было предсказано лишь коллимированное радиоизлучение.

В те же 60-е годы начались открытия источников рентгеновского излучения. Большинство из них оказалось нейтронными звездами, входящими в состав двойных систем. Этот сорт конечных продуктов звездной эволюции был уверенно обнаружен. Но звезды с массой больше примерно трех масс Солнца должны заканчивать свою жизнь как черные дыры, безудержно коллапсируя за пределы гравитационного радиуса. Первые подозрительные на чернодырность объекты были найдены в те же годы. Это были невидимые компоненты затменных двойных систем, массы которых превышали три солнечных. Сейчас такого рода объектов насчитывается около дюжины.

Доказательства наличия черных дыр в центрах ряда галактик более определенны, тут речь идет об объектах с массами в миллионы солнечных. Концентрация гигантской массы в ничтожном объеме доказана недавно для центра нашей Галактики прямым измерением движений звезд. Уверенные признаки наличия черных дыр сейчас найдены в центрах примерно полусотни галактик. Это ставит проблемы не менее серьезные, чем существование материи, замечаемой лишь по ее гравитационному воздействию. Теории черных дыр, во всяком случае, их внутренней области, еще нет, и это открывает широкий простор для самых смелых предположений. Черные дыры могут оказаться окнами в другие вселенные, в другие пространственно-временные измерения...

Нейтронные звезды и черные дыры, так или иначе, замешаны и в явлении, известном как вспышка гамма-излучения. Эти вспышки, открытые в 1967 г., оставались загадочными в течение 30 лет - неперекрытый рекорд в современной астрономии. Долгие 6 лет гамма-вспышки составляли глубокий секрет Национальной обсерватории в Лос-Аламосе (где их обнаружили с помощью системы спутников, предназначенной для регистрации ядерных взрывов), хотя довольно скоро было установлено, что вспышки приходят из космоса.

Наконец, побывавший с визитом в Лос-Аламосе известный физик Ф. Дайсон сказал своим коллегам, что даже Советам не под силу почти каждый день выводить в космос ракеты с водородными бомбами - надо публиковать сообщение о явлении.

Кратковременность явления (от долей до сотен секунд) указывала, что источником гамма-лучей являются очень компактные объекты, такие, как нейтроннные звезды. Полная изотропность расположения на небе (отсутствие концентрации ни к плоскости, ни к центру Галактики, ни к близким галактикам) оставляла только две возможности - они либо очень близко от нас, не дальше ближайших звезд, либо же очень далеко - и тогда это очень редкие явления чудовищной энергии в далеких галактиках.

Проблема мучила астрономов дольше, чем какая-либо другая во второй половине XX века. В отличие от квазаров или пульсаров, ни в каком другом диапазоне спектра гам-мавсплески не обнаруживались, и причиной этого была кратковременность явления и отсутствие сколько-нибудь точных координат. Лишь 28 февраля 1997 г. итало-голландский спутник Beppo-SAX зарегистрировал гамма-вспышку GRB 970228, на месте которой был обнаружен угасающий рентгеновский источник. Это позволило определить точные координаты, по которым на месте гамма-вспышки была найдена слабая галактика. Затем было обнаружено оптическое послесвечение у всплеска GRB 970508 - и вновь на его месте была найдена слабая галактика, красное смещение линий в спектре которой (z=0.835) оказалось поисти-не гигантским.

Сейчас подобные послесвечения в оптическом диапазоне наблюдались уже у двух десятков гамма-всплесков, у половины из них измерено красное смещение. За единственным исключением, они находятся в пределах от 0.5 до 4.5, что означает чудовищно гигантские энергии вспышек, до 10 53 -10 54 эрг, как у сотен и тысяч сверхновых звезд, вспыхнувших одновременно. Нарастает подозрение, что гамма-вспышки являются узконаправленными релятивистскими джетами, что существенно уменьшает оценки мощности вспышек, но увеличивает оценки их частоты в каждой галактике.

Гамма-вспышки регистрируются почти каждый день, и вместе с их расстояниями это означает, что в каждой галактике они вспыхивают примерно раз в несколько миллионов лет - в отличие от Сверхновых, частота вспышек которых - раз в столетие. Изображения галактик, в которых зарегистрированы послесвечения, вроде бы показывают, что гамма-всплески происходят вблизи областей звездообразования, и поэтому многие астрономы склоняются к предположению, что они связаны с коллапсом очень массивной, быстро вращающейся звезды.

Согласно другой гипотезе, явление гамма-всплеска возникает при слиянии компонентов тесной двойной, состоящей из нейтронных звезд или черных дыр, которое происходит вследствие сближения компонентов системы при излучении гравитационных волн. По мнению автора, в этом случае наблюдаемое тяготение гамма-всплесков к областям звездообразования можно объяснить тем, что они сами способны инициировать звездообразование, а тесные системы из компактных объектов возникают при сближениях звезд в плотных массивных скоплениях, и поэтому гамма-всплески происходят вблизи таких скоплений.

Проблема гамма-всплесков остается наиболее актуальной в современной астрофизике. Здесь пересекаются космология, эволюция звезд и галактик, физика высоких энергий. Более того, не исключено влияние гамма-вспышек на эволюцию жизни на Земле. Такая вспышка даже на расстоянии порядка килопарсека может убить все живое на обращенном к ней полушарии Земли (но не под водой). Возможно, что пока такие вспышки были слишком частыми, наземная жизнь не могла проэволю-ционировать достаточно далеко.

Подводя итоги

Подводя итоги астрономии XX века, необходимо согласиться с мнением И. С. Шкловского, высказанным им более 20 лет назад. Этот век был для астрономии тем же, чем эпоха великих географических открытий для географии. Может быть лучше воспользоваться архаическим термином и говорить в данном контексте о космографии, об описании Вселенной.

Вселенная населена гигантскими звездными системами - галактиками, одной из которых является наша система Млечного Пути, и она расширяется. Этот вывод, неопровержимо доказанный к 1929 г., и по сей день остается важнейшим итогом XX века.

Космография завершена в XX веке, Америку нельзя открыть еще раз. Однако понимание Вселенной, как мы уже говорили, никогда не станет исчерпывающе полным. Проблемы начальной стадии ее эволюции и природы ненаблюдаемого вещества далеки от решения, и будучи поставленными астрономией, они являются ныне величайшим вызовом для теоретической физики. Астрономы наблюдают лишь 5% массы Вселенной, но полученных ими данных оказалось достаточно, чтобы доказать наличие остальных 95%!

Проблема сингулярности, сверхплотной начальной стадии расширения Вселенной, многократно возникает и при гравитационном коллапсе массивных звезд, и в ядрах галактик, где наличие черных дыр безусловно доказано. Квантовая теория гравитации остается все еще наукой будущего, и без нее эта проблема не будет решена.

Активность ядер галактик может быть связана с аккрецией вещества на сверхмассивные черные дыры. Узкие джеты длиной до мегапарсека выбиваются в противоположные стороны ряда галактик, кончаясь в гигантских газовых пузырях. Вдоль этих джетов вещество выбрасывается с субсветовыми скоростями. Такие джеты, самого разного масштаба, наблюдаются и в квазарах, и в двойных системах, и по-видимому везде, где замешаны черные дыры - а впрочем, и в очень молодых звездах.

Возможно, что аналогичные явления наблюдаются и в гамма-всплесках. Теория релятиви-стких джетов находится еще в стадии создания. Это та область, где особенно необходимо накопление наблюдательных данных.

Вторым по значению достижением астрономии XX века, после открытия галактик и расширения Вселенной, представляется нам построение теории звезд, их строения, источников энергии и эволюции. Совместные усилия наблюдательной астрономии и физической теории привели к результату, который будущие века лишь уточнят в деталях. Превращение звезд главной последовательности в красные гиганты, термоядерные реакции синтеза как источник энергии звезд - эти выводы теории покоятся на незыблемом фундаменте множества взаимо-согласующихся наблюдательных и экспериментальных фактов. Объяснение распространенности химических элементов во Вселенной также является важнейшим и бесспорным достижением, полученным на стыке космологии и теории звезд.

Можно, пожалуй, сказать, что концептуальных достижений такого масштаба в XIX веке не было. Важнейшие его результаты носили скорее методический характер - высокоточные определения положения звезд, что привело к определению параллаксов немногих звезд и массовому определению их собственных движений, и открытие спектрального анализа, что сразу же позволило начать определения лучевых скоростей звезд. Надо, однако, заметить, что лишь определение расстояний звезд и изучение их спектров доказало в XIX веке сделанное многие века назад предположение о том, что наше Солнце - одна из звезд.

В нашем веке величайшее достижение методики - это, конечно, превращение астрономии во всеволновую. Уже работающие нейтринные телескопы и создающиеся приемники гравитационных волн означают выход и за пределы электромагнитного спектра.

Резко раздвинутся в ближайшие годы возможности и оптической астрономии, и не только благодаря введению в строй целой армады крупных наземных и космических телескопов. Ведутся обширные программы наблюдений гравитационного линзирования света, которое служит чем-то вроде естественного сверхтелескопа; фантастические перспективы открывают сверхточные астрометрические измерения из космоса. Выход в космос позволит резко увеличить разрешающую способность и радиоинтерферометрических методов.

Нельзя не сказать о подлинной революции в оптической астрономии, произошедшей в связи с массовым применением, начиная с 80-х годов, твердотельных приемников излучения - приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц). Они регистрируют до 90% падающего на них света, причем результат сразу дается в цифровой форме, удобной для обработки. Век астрономической фотографии длился чуть дольше века и фактически уже ушел в прошлое.

Человек и Вселенная

Особенностью астрономии является невообразимое количество разнообразных объектов, с которыми нам приходится иметь дело. Протон неотличим от другого протона, но у каждой галактики свое лицо. Без развития электронных средств хранения, обработки и передачи информации астрономы были бы теперь беспомощны. Размещенные в Интернете и обычно открытые для всеобщего пользования каталоги, базы данных и электронные варианты журналов являются не просто бесценным подспорьем, в ряде областей работа без их использования уже невозможна. Не менее важна система электронных препринтов, мгновенно делающая доступной результаты работы, а также поисковая система, позволяющая найти любую статью и данные о любом объекте. Мечта фантастов о всемирной библиотеке уж лет пять как воплощена в жизнь.

Подчеркнем еще раз, что выход в космос и превращение астрономии во всеволновую не принесли революционных изменений в собственно астрономической картине мира. Как отмечал И. С. Шкловский, важнейший результат космонавтики состоял в том, что прямые исследования далеких планет подтвердили результаты дистанционных астрономических наблюдений, укрепив нашу веру в то, что наши телескопы и теории правильно описывают мир - вплоть до четко определенных пределов, таких как начальная сингулярность и черные дыры. Здесь нас действительно ждет неизвестное, но новая космофизика включит в себя наше знание об обычных звездах и галактиках как частный случай.

Это и есть, по нашему мнению, признак подлинной науки - ее истинные результаты всегда подчиняются принципу соответствия Н. Бора - старое знание не отменяется, а оказывается предельным случаем нового. С этой точки зрения, революций в науке не бывает. Так, планетная теория Птолемея была элементом пранауки, а не первым приближением к истине, а деятельность Коперника, Галилея и Ньютона ознаменовала не революцию в астрономии, а рождение современной науки. Как подчеркивал В. Гейзенберг, умение предсказывать явление еще не означает его понимание, - что и продемонстрировала система мира Птолемея. А подлинная наука начинается с понимания, становящегося со временем все более и более полным.

Научная революция начала XX века, связанная с появлением теории относительности и квантовой механики, означала переворот не в науке, а в психологии исследователей, и была в сущности новым торжеством человеческого разума. Оказалось, что мы способны оперировать с объектами и явлениями, для которых у нас нет ни модельных представлений, ни соответствующих понятий. Теории, развиваемые первоначально как чисто математические формулировки, составили взаимосогласованную и подтвержденную многочисленными экспериментами и наблюдениями картину; замечательно при этом, что были использованы математические построения (вроде матричного исчисления), созданные сто лет назад и казавшиеся абсолютно абстрактными.

С 80-х годов стали развиваться представления о множественности вселенных с самыми разными физическими законами в каждой из них, об их спонтанном рождении из вечного флуктуирующего физического вакуума. Эти представления тесно связаны с работами по созданию единой теории физических взаимодействий. Мы вступили в этап новой мировоззренческой революции. Снимается вопрос о происхождении нашей Вселенной, о том, что было до ее рождения - но ценой отказа от единственности законов физики!

Удивительная "подгонка" всех параметров нашего мира к возможности нашего в нем существования, о необходимости объяснения которой говорит антропный принцип (не лучше ли говорить о парадоксе!), в таком случае не удивительна, число разнообразных вселенных по некоторым оценкам составляет 10 50 , и одна из них, наша Вселенная, могла возникнуть с комбинацией параметров, позволяющих именно наше существование или даже с необходимостью к нему ведущих.

Множественность вселенных, спонтанно возникающих из физического вакуума, следует из новой "инфляционной" космологии, развиваемой А. Д. Линде и другими. Описание эволюции нашей Вселенной, основанное на космологии Эйнштейна-Фридмана, при этом не отрицается, лишь ограничивается область его применимости в согласии с принципом соответствия.

Принципиальный прорыв в развитии космологии был, в известной степени, стимулирован признанием того факта, что существование звезд, планет и нас самих возможно лишь в узком интервале макро и микропараметров физического мира. Наше соответствие нашему миру было известно давно, но для многих и многих казалось вполне тривиальным обстоятельством, не заслуживающим размышлений; глубина проблемы и ее эвристическое значение не замечались. Между тем наиболее экономным решением антропного парадокса является именно предположение о множественности вселенных, и мы вправе сделать логический вывод о том, что Человек способен познать ту Вселенную, которая его породила.

Возможно, что аналогичная ситуация наблюдается и сейчас - не менее глубокой и потенциально плодотворной является проблема молчания Вселенной. Проблема существования внеземного разума может найти решение на путях дальнейшего развития космологии, как об этом пишет А. Д. Линде и еще раньше писал В. А. Лефевр. Такие серьезные ученые, как Ф. Хойл, И. С. Шкловский, Н. С. Кардашев, на счету которых блистательно подтвердившиеся идеи, много внимания уделяли и уделяют этой проблеме, но для многих специалистов она остается научной фантастикой, заниматься которой не пристало серьезному ученому. Между тем, это величайшая загадка мироздания, ибо при темпах развития таких же, как у нашей технологической цивилизации, вся Галактика должна быть освоена за несколько миллионов лет. Наша уникальность или же неизбежность замыкания каждой цивилизации в своем коконе должны получить объяснение.

Возможно, однако, что те виды деятельности или сигнализации, которые мы ожидаем встретить, основываясь на наших знаниях и технологическом опыте, осуществляются лишь на краткой стадии развития, которую другие цивилизации прошли раньше нас или пройдут позже нас на тысячи - или миллиарды - лет. Многие явления и объекты, наблюдаемые астрономами, могут быть связаны с активностью далеко опередивших нас космических субъектов, тогда как вероятность застать достаточно близко от нас цивилизацию на кратковременной - порядка 100 лет - стадии технологического развития, близкой к нашей, ничтожно мала. Для этого нужно совпадение во времени кратких этапов развития, начавшегося с разбросом в миллиарды лет. А только цивилизацию, находящуюся на близкой к нашей стадии развития, мы в состоянии опознать как таковую.

Изучение вселенной 2

Образование Вселенной 3

Эволюция Вселенной 4

Галактики и структура Вселенной 4

Классификация галактик 5

Структура Вселенной. 7

Заключение 9

Введение

Многие религии, такие как, Еврейская, Христианская и Исламская, считали, что Вселенная создалась Богом и довольно недавно. Например, епископ Ушер вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет для создания Вселенной, прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского создания не так далека от даты конца последнего Ледникового периода, когда появился первый современный человек.

С другой стороны, некоторые люди, например, греческий философ Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей предпочли верить в то, что Вселенная, существовала, и должна была существовать всегда, то есть вечно и бесконечно. А в 1781 философ Иммануил Кант написал необычную и очень неясную работу «Критика Чистого Разума». В ней он привел одинаково правильные доводы, что Вселенная имела начало, и что его не было. Никто в семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или ранних двадцатых столетиях, не считал, что Вселенная могла развиваться со временем. Ньютон и Эйнштейн оба пропустили шанс предсказания, что Вселенная могла бы или сокращаться, или расширяться.

Изучение вселенной

Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры, и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновения такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания. Кант попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях, начиная с планетной системы и кончая миром туманности.

Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся математик и физик – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод, исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата.

Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах.

Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находиться в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Образование Вселенной

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

Существует несколько теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация.

По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.

Однако стоит отметить и еще одну теорию (принцип).

Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году Иглис Г.И. , но он является как бы неофициальным его автором. А официальным автором был ученый по фамилии Картер.

Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В доказательство создатели этой теории приводят очень интересные факты. Это критичность фундаментальных констант и совпадение больших чисел. Получается, что они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать закономерность существует, дает этой, безусловно интересной теории шансы на жизнь.

Эволюция Вселенной

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

Галактики и структура Вселенной

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 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 - идея гравитационной неустойчивости. Вещество не может оставаться однородно рассеянным в пространстве, ибо взаимное притяжение всех частиц вещества стремится 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.

Распад слоев протоскоплений 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. Протогалактики, у которые обладали быстрым вращением превращались, в Спиральные галактики, у которых же вращение было медленное 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 пчелиных сот.

Классификация галактик

Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном – наблюдатель, избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду. И нужно сказать, что хотя в последствии другими исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по-прежнему остаётся основой классификации галактик.

В 20-30 гг. XX века Хаббл разработал основы структурной классификации галактик - гигантских звездных систем, согласно которой различают три класса галактик.

Спиральные галактики

Спиральные галактики «spiral» - характерны двумя сравнительно яркими ветвями, расположенными по спирали. Ветви выходят либо из яркого ядра (обозначаются - S), либо из концов светлой перемычки, пересекающей ядро (обозначаются - SB).

Спиральные галактики являются, может быть, даже самыми живописными объектами во Вселенной. Как правило, у галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии. Однако известны примеры большего, чем двух числа спиральных ветвей в галактике. В других случаях спирали две, но они неравны - одна значительно более развита, чем вторая. В спиральных галактиках поглощающее свет пылевое вещество имеется в большем количестве. Оно составляет от нескольких тысячных до сотой доли полной их массы. Вследствие концентрации пылевого вещества к экваториальной плоскости, оно образует темную полосу у галактик, повернутых к нам ребром и имеющих вид веретена.

Представитель - галактика М82 в созвездии Б. Медведицы, не имеет четких очертаний, и состоит в основном из горячих голубых звезд и разогретых ими газовых облаков. М82 находится от нас на расстоянии 6.5 миллионов световых лет. Возможно, около миллиона лет тому назад в центральной ее части произошел мощный взрыв, в результате которого она приобрела сегодняшнюю форму.

Эллиптические галактики

Эллиптические галактики «elliptical»(обозначаются - Е) - имеющие форму эллипсоидов. Эллиптические галактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Космической пыли в них, как правило, нет, чем они отличаются от спиральных галактик, в которых поглощающее свет пылевое вещество имеется в большом количестве. Внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой – большим или меньшим сжатием.

Представитель - кольцевая туманность в созвездии Лиры находится на расстоянии 2100 световых лет от нас и состоит из светящегося газа, окружающего центральную звезду. Эта оболочка образовалась, когда состарившаяся звезда сбросила газовые покровы, и они устремились в пространство. Звезда сжалась и перешла в состояние, по массе сравнимого с Солнцем, а по размеру с Землей.

Иррегулярные галактики

Иррегулярные (неправильные) «irregular» (обозначаются - I) - обладающие неправильными формами. Перечисленные до сих пор типы галактик характеризовались симметричностью форм определенным характером рисунка. Но встречаются большое число галактик неправильной формы. Без какой-либо закономерности структурного строения.

Неправильная форма у галактики может быть, вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать неправильной вследствие искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой. По-видимому, эти оба случая встречаются среди неправильных галактик, и может быть с этим связанно разделение неправильных галактик на 2 подтипа.

Неправильные галактики подтипа I I , характеризуется сравнительно высокой поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры. Французский астроном Вакулер в некоторых галактиках этого подтипа, например, Магеллановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры.

Неправильные галактики подтипа обозначаемого I II , отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько галактик подтипа I II расположенных сравнительно близко.

Представители иррегулярных галактик - Большое Магелланово Облако. Находится на расстоянии 165000 световых лет и, таким образом, является ближайшей к нам галактикой сравнительно небольшого размера, рядом с ней расположена галактика поменьше - Малое Магелланово Облако. Обе они - спутники нашей галактики.

Последующие наблюдения показали, что описанная классификация недостаточна, чтобы систематизировать все многообразие форм и свойств галактик. Так, были обнаружены галактики, занимающие в некотором смысле промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками (обозначаются - So). Эти галактики имеют огромное центральное сгущение и окружающий его плоский диск, но спиральные ветви отсутствуют.

Структура Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра, а точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Число звезд в галактике порядка 10 12 (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система.

Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1’’; 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*10 13 км.) или 100000 световых лет, но четкой границы у нее нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2*10 11 масс Солнца (масса Солнца равна 2*10 30 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. В 1944 г. В.В. Кукарин нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями.

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными и планетарными. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды.

Во Вселенной нет ничего единственного и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

Заключение

Открытие многообразных процессов эволюции в различных системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдательных данных и теоретических расчетов.

В качестве одной из важнейших задач рассматривается определение возраста космических объектов и их систем. Поскольку в большинстве случаев трудно решить, что нужно считать и понимать под «моментом рождения» тела или системы, то, для установления возраста применяют два параметра:

время, в течение которого система уже находится в наблюдаемом состоянии

полное время жизни данной системы от момента её появления

Очевидно, что вторая характеристика может быть получена только на основе теоретических расчетов. Обычно первую из высказанных величин называют возрастом, а вторую – временем жизни.

Факт взаимного удаления галактик, составляющих метагалактики свидетельствует о том, что некоторое время тому назад она находилась в качественно ином состоянии и была более плотной.

Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Солнечная система стала последнее время предметом прямых экспериментальных, а не только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических станций, орбитальных лабораторий, экспедиции на Луну принесли множество новых конкретных знаний о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Контрольная работа по курсу «Концепции современного естествознания» ___________________________________________________________________________________

П Л А Н: Размеры и расстояния Виды галактик Эллиптические галактики Спиральные галактики Неправильные галактики Иглообразные галактики Радиогалактики

Министерство Образования Российской Федерации Российский государственный университет инновационных технологий и предпринимательства Северный филиал.

Министерство образования Российской Федерации Московский государственный открытый университет Кафедра Менеджмента и экономической политики Контрольная работа

РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, ско­рее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, бу­дут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы уви­дите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от на...

Министерство образования и науки Украины Общеобразовательная школа I–III ступеней № 83 г. Донецка Реферат по дисциплине: «Астрономия» на тему: «Другие звездные системы - галактики»

Министерство высшего и среднего специального образования республики Узбекистан Ташкентский государственный Технический Университет имени Абу Райхана Беруни

Звёздное небо над головой долго время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что «неподвижные» звёзды на самом деле движутся, причём с огромными скоростями. В ХХ веке человечество свыклось с ещё более странным фактом: расстояния между галактиками постоя...

(Реферат для 8 класса) Туманности - это небесные объекты, которые в отличие от звезд выглядят как пятна. Наиболее яркие из них видны невооруженным глазом (туманность Андромеда и туманность Ориона). В 1774 году, француз Мессье, занимавшийся, впрочем, исследованием комет, которые по внешнему виду нап...

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ ПО РЫБОЛОВСТВУ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Доклад ученицы 11 "Б" ср. школы № 1257 Масоловой Елены. Типы Галактик. Наша Галактика - Млечный Путь. МНОГООБРАЗИЕ ГАЛАКТИК етагалактика - часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований - содержит несколько миллиардов галактик - звездных систем, в которых зв...

Введение. Идея эволюции всей Вселенной представляется вполне естественной и даже необходимой сегодня. Однако так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла сложный путь борьбы и становления, пока не восторжествовала в науке. Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, вс...

План: Космологические модели Вселенной. Строение Вселенной: Структура Вселенной. Тёмная сторона Вселенной. Эволюция Вселенной: Стандартная модель эволюции Вселенной.

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ Звёздное небо над головой долгое время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что “неподвижные” звёзды на самом деле движутся, причём с огромными ско­ростями. В XX в. человечество свык­лось с ещё более странным факто...

Наука, которая изучает вселенную как единое целое, называется космологией. Большинство существующих космологических теорий опирается на теорию тяготения, физику элементарных частиц, общую теорию относительности и другие фундаментальные физические теории и, конечно, на астрономические наблюдения.

Т А Й Н Ы К В А З А Р О В ВВЕДЕНИЕ Мерцай, мерцай, квазизвезда! Ты далека иль ты близка? В истории астрономии, древнейшей из наук, не было времени, столь богатого самыми выдающимися открытиями, ...

Возникновение жизни во Вселенной. Несколько поколений ученый рассматривали астрономическую картину мира, в основе которой лежат не только данные астрономических наблюдений, теории и гипотизы, но и важнейшие понятия и законы современной физики.

Реферат на тему: Введение. Для людей далекого прошлого Вселенная была, если и не всегда безопасным, но и все же устойчивым миром, созданным, казалось бы, единственно для удобства рода человеческого. Едва ли человек тогда сомневался, что его обитель - Земля - занимает главенствующее, центральное...

1. Введение. Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. Рассмотрим подробнее, что же такое материя, а так же ее структурные уровни.

П В П Ш № 2 “ Реферат по астрономии ” Тема: “ Изучение Галактик ” Работу выполнила: Насретдинова Елена Принял преподаватель: Евтодиев И.Г.

Профессиональный институт управления

Факультет Финансы и кредит

Специальность Финансы и кредит

Дисциплина Концепция

современного естествознания

Реферат

на тему:

Вселенная

Студента Ивановой Е.А.

Группа УФТЗ-51/8-Ф-Вс-2

Москва - 2010

Происхождение Вселенной 3

Модель расширяющейся Вселенной 5

Эволюция и строение галактик 10

Астрономия и космонавтика 12

Литература 14

Происхождение Вселенной

Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах» распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое.

Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание. Вселенная - место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т.е. наукой о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность «хаосу», «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Модель расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т.е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 -18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.-М., 1981).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) - вещество.

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но, тем не менее, она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы - состояния, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы?

Эволюция и строение галактик

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают - значит - это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной - водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод - главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.

Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной - это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время, не отрываясь от реальности нашего бытия.

Вопрос об образовании и строении галактик - следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной - едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).

Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик - миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры -100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) - «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э.Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) - самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне.

Астрономия и космонавтика

Звезды изучает астрономия (от греческого «астрон» - звезда и «номос» - закон) - наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX веке свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений - основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т.п. В СССР в 1974 году вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м., собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.

В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика - часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т.д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.

Один из основных методов астрофизики - спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета, и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому - непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый - наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

К сожалению, коротковолновые излучения - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи - не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась как прежде всего техническая - космонавтика (от греческого «наутике» - искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.

Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов - расчеты траекторий и т.д.; научно-технические - конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические - создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К.Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.

Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет человека в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.

Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995 году осуществлен совместный проект «Мир» - «Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».

Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.

Список литературы

1. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

2. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

3. Краткий миг торжества. М., 1989.

«Освоение космоса» доклад для детей Вы можете использовать при подготовке к уроку.

«Изучение космоса» доклад

Еще в древности, люди, наблюдая за небом, использовали различные измерительные приборы, которые позволяли определять положение тел на небе.

Но изобретение телескопа помогло людям изучать космос. С помощью телескопов люди смогли открыть множество небесных тел. Это различные планеты, звезды, черные дыры, карлики, туманности, квазары, кометы и тому подобное.

Сегодня во многих странах мира есть огромные обсерватории, где ученые проводят исследования космоса.
В пятидесятых годах прошлого века в космос были запущены искусственные спутники Земли, 1961 году впервые в космосе побывал человек. Им стал советский космонавт Юрий Гагарин. В 1969 году американские космонавты высадились на Луне.

Телескопы, выведенные на орбиту Земли, позволяют заглянуть в далекие уголки Вселенной.

Среди самых известных телескопов, который совершил множество открытий и приоткрыл завесу дальнего космоса стал телескоп «Хаббл». Телескоп установлен на орбиту в 1990 году. Первые планеты за пределами нашей родной Солнечной системы астрономы начали находить спустя два года с момента его запуска.

Сейчас с помощью автоматических космических аппаратов ученые проводят исследования космоса, такие аппараты осуществляют полеты к планетам Солнечной системы.

Космические аппараты, которые предназначены для осуществления работ в дальнем космосе, отправляются туда безвозвратно. Зачастую их полет длится годами, и в этот период они передают различную информацию на Землю, которую получили при полете.

Число аппаратов, отправленных в дальний космос, совсем мало. В качестве примера можно назвать космический аппарат Voyager-1 и Voyager-2, которые запустили в 1977 году. У обоих аппаратов имеется энергия и топливо для работы практически до 2020-2025 года. Вояджер-1 за это время удалится от Солнца примерно на 19 миллиардов км, а Вояджер-2 – почти на 15 миллиардов км. Спустя -6-10 лет связь с аппаратами практически наверняка прекратится, они станут мертвыми грудами металла.