Астрономічні масштаби і астрономічні одиниці
За сучасними уявленнями Всесвіт виник 12-15 млрд. Років тому з нескінченно малої точки. Весь цей час Всесвіт розширюється. Оскільки ніщо в природі не може рухатися швидше за швидкість світла, ми можемо стверджувати, що розміри Всесвіту не можуть бути більше ніж. де c - швидкість світла, а T - вік Всесвіту. Отже, верхню межу розмірів Всесвіту ми можемо оцінити як
Ця цифра настільки велика, що її важко усвідомити. Для астрономічних вимірів метр не дуже підходяща міра довжини. В астрономії зручніше відстані вимірювати в світлових роках. Світловий рік - це відстань, яку світло проходить за астрономічний рік. Ми можемо розрахувати яку в метрах
Ще однією зручною для астрономії одиницею виміру відстані є величина, яка називається парсек (один парсек, два пса.). Що це за величина?
За рахунок руху Землі навколо Сонця, зірка, яка спостерігається з Землі, в різні пори року видно під різними кутами (рис. 1). Видима зміна положення небесного світила внаслідок переміщення спостерігача називається параллаксом. Розрізняють паралакс, обумовлений обертанням Землі (добовий паралакс), зверненням Землі навколо Сонця (річний паралакс) і рухом Сонячної системи в Галактиці (вікової паралакс).
Річним параллаксом зірки називають кут # 966 ;. на який зміниться напрямок на зірку, якщо уявний спостерігач переміститься з центру Сонячної системи на земну орбіту (точніше на середню відстань від Землі до Сонця).
Траєкторія Землі не надто сильно відрізняється від кола та її середній радіус приблизно дорівнює. (150 млрд. М. Або 150 млн. Км.). До речі, це відстань називається астрономічною одиницею і використовується в якості одиниці вимірювання відстаней в межах Сонячної системи:.
Оскільки, одна секунда це дуже маленький кут, ми можемо приблизно оцінити відстань в один парсек за формулою:
Отже, один парсек приблизно дорівнює
Граничний радіус Всесвіту, який вимірюється в парсеках
Спочатку слово "парсек" скорочували як пс. Після переходу до системи СІ, щоб не плутати з пікосекунди, скорочують як "пк".
1 пк = 3.26 св. року = 206 265 а.о. = 3.086 10 16 м.
1 а.е = 150 10 6 м.
Маса Всесвіту, хоча і дуже велика, але кінцева, і за сучасними оцінками приблизно дорівнює тонн (оцінюється за середньою густиною речовини).
Найбільш поширеним елементом у Всесвіті є водень з молярної щільністю 2 гр. або кг. Отже, у всьому Всесвіті приблизно молей речовини і, відповідно, атомів. Можливо, це найбільше число, яке, коли-небудь може нам зустрітися.
Найдальших об'єктом, відкритим на сьогоднішній день, є квазар на відстані 8 млрд. Світлових років від нас. Якщо врахувати, що радіус Всесвіту не більше ніж 15 млрд. Світлових років, то не так вже й багато залишилося щоб побачити саму кордон. Швидше за все, це неможливо, але може бути вдасться коли-небудь розгледіти хвилю світла, відбитого від кордону.
астрономічні об'єкти
1. Зірка. До 90% всього речовини Всесвіту зосереджена в зірках.
Найближчою до нас зіркою, виключаючи, звичайно, Сонце, є Проксима Центавра.
Проксима Центавра - червоний карлик, що відноситься до зоряній системі Альфа Центавра, найближча до Землі зірка після Сонця. Слово "Проксіма" по-грецьки означає Найближча.
Проксима Центавра розташована приблизно в 4,22 світлового року від Землі, що в 270 000 разів більше відстані від Землі до Сонця (астрономічної одиниці). Уточнений паралакс (Космічний телескоп Хаббла) дорівнює 768,7 ± 0,3 кутовий мілісекунди.
Паралакс зірки був вперше виміряно в 1917 р до цього найближчій до Сонця зіркою вважалася # 945; Центавра.
Найбільша швидкість, досягнута на сьогоднішній день земними апаратами - друга космічна швидкість рівна 11 км. / Сек. Якщо летіти до найближчої до нас зірки Проксіми Центавра з такою швидкістю, то доведеться летіти 115 тис. Років!
Зірка - це масивний газова куля, розігрітий до величезних температур і стислий силами гравітації до таких тисків, що в його надрах протікають термоядерні реакції "горіння" водню і гелію. За рахунок цього зірка випромінює енергію в міжзоряний простір.
Зірка - це міжзоряне термоядерна топка.
Маси зірок прийнято вимірювати в одиницях маси Сонця. Зазвичай маси зірок складають від 0.1 до 50 мас Сонця.
Розрізняють декілька типів зірок.
Більшість зірок, в тому числі і наше Сонце відносяться до нормальних зірок. Середня щільність речовини нормальних зірок приблизно 1.4 г / см 3.
Сильно розігріті зірки невеликого розміру. Середня щільність речовини 50 кг / см 3.
Речовина зірки настільки сильно стисло, що неможливе існування атомних ядер. Електрони з'єднуються з протонами і залишаються одні нейтрони. Жахливому гравітаційного стиску протистоять ядерні сили. Можна сказати, що така зірка - це жахливих розмірів ядерне ядро. Відповідно і щільність речовини в такій зірці збігається з щільністю речовини в атомному ядрі: 10 11 кг / см 3.
Коли в надрах зірки вигоряє водень, зірка стискається. Потужне світлове і теплове випромінювання, що виникає при термоядерної реакції, можна розглядати, як фотонний газ. Фотонний газ перешкоджав стиску зірки. Після згоряння водню потік фотонів припиняється і зірка починає стискатися, одночасно нагріваючись. Температура ядра збільшується до 100 млн. Градусів. Оболонка зірки при цьому розширюється, і її температура падає, тому, зірка виглядає, як велика куля червоного кольору.
Коли зірка скидає оболонку і стає видно її розігріта серцевина, вона перетворюється в білий карлик. Така доля нашого Сонця.
Якщо маса зірки більше маси Сонця в 1.4 рази, то вона перетворюється на нейтронну зірку. Якщо маса зірки в 3 - 5 разів більша за масу Сонця, то вона перетворюється в чорну діру.
Чорна діра - найбільш дивовижний об'єкт Всесвіту, передбачений теоретично. Це настільки сильно стиснута зірка, що поле тяжіння на її поверхні стає здатним не випускати навіть електромагнітне випромінювання. За межі чорної діри щось не може вирватися, навіть світло. Виявити її можна тільки на тлі інших зоряних об'єктів з поглинання світла від них.
2. Квазари віддалені космічні об'єкти, які є джерелом потужного радіовипромінювання.
3. Пульсари - джерела електромагнітного випромінювання, що змінюється строго періодично. Вважається, що пульсари - це швидко обертаються подвійні нейтронні зірки.
4. Галактики - скупчення великої кількості зірок (до 100 млрд.) З великої відстані галактики виглядають як окремі зірки.
Найближчою до нас галактикою є туманність Андромеди - 2 млн. Світлових років.
Мал. 2 Туманність Андромеди
Наша галактика називається Чумацький шлях.
Сучасні каталоги містять до 30 000 галактик.
Галактики бувають спіральні, еліптичні й неправильні.
4. Планети - невеликі по відношенню до Сонця космічні тіла (менше 0.002 мас Сонця). Речовина в планетах стисло менше ніж в зірках і термоядерні реакції неможливі. Планети світять відбитим світлом і їх виявити за допомогою телескопів значно важче. По суті, про існування інших планет, крім планет Сонячної системи, ми можемо тільки здогадуватися, хоча немає ніяких сумнівів в тому, що вони існують.
5. Комети - невеликі космічні тіла, що складаються з застиглого газу і газової оболонки. Комети обертаються навколо Сонця по сильно витягнутих орбітах і періодично проходять на невеликій за космічними масштабами від Землі. У цей момент їх можна спостерігати в телескопи.
Концепція виникнення і розвитку Всесвіту
Можливості людини в вивченні Всесвіту сильно обмежені прихильністю його до Землі, величезними масштабами відстаней тимчасових рамок відбуваються у Всесвіті процесів. По суті єдиним експериментальним методом є метод спостереження. Багато поколінь астрономів працюють на майбутнє. Вони змушені проводити ретельні вимірювання і фіксувати їх результати, для того, щоб вчені з далекого майбутнього змогли помітити процес розвитку зоряних систем. Сьогодні ми не можемо знати, яка точність потрібно в майбутньому для того щоб в майбутньому зробити ті чи інші теоретичні висновки. Тому астрономи завжди прагнули до максимальної точності граничної акуратності в вимірах. Вимірювання астрономів завжди вражали сучасників своєю грунтовністю. Результати астрономічних спостережень дозволили Кеплеру відкрити свої закони, Ньютону створити теорію тяжіння. Найточніші дані про рух планети Меркурій були найважливішим аргументом на користь теорії гравітації Ейнштейна.
Сучасна астрономія має в своєму розпорядженні найпотужнішими оптичними і радіотелескопами. З'явилася можливість прямого дослідження планет Сонячної системи за допомогою космічних апаратів.
Виникнення сучасної космології пов'язане зі створенням релятивістської теорії гравітації Ейнштейна і зародженням позагалактичної астрономії (1920 рр.).
Рішення рівнянь гравітації Ейнштейна вперше було знайдено радянським математиком А.А. Фрідманом в 1922-1924 рр. З рішення А.А. Фрідмана слід, що Всесвіт повинен або стискатися, або розширюватися.
Астрономом Е. Хабблом в 1929 р було виявлено червоне зміщення - зрушення ліній в спектрах далеких зірок, яке говорить про те, що зірки нашого Всесвіту розбігаються. Це могло статися, якщо в якийсь момент всі небесні тіла отримали б поштовх. Якщо поштовх сильний, то зірки так і будуть завжди віддалятися один від одного і наш видимий світ ставатиме все більше і більше. Але якщо зірки в сьогоднішньому Всесвіті розбігаються один від одного, то колись вони перебували дуже близько один від одного. Отже в далекому минулому був момент, коли вся речовина Всесвіту знаходилося в одній великій купі і внаслідок величезних гравітаційних сил, які виникають у великій масі речовини, ця купа повинна бути стиснута до порівняно невеликих розмірів. Щоб з цієї праматерии могла виникнути сучасний Всесвіт, повинен відбутися якийсь вибух величезної потужності. Теорію виникнення Всесвіту в результаті вибуху вперше запропонував в 1940 р Г. Гамов. Ця теорія так і називається - "Теорія великого вибуху".
Під дією гігантських гравітаційних сил речовина була стисло до стану точки. В такому стані ніщо перебувати не може, тому фізики так і кажуть, що Всесвіт виник з нічого. У початковій праматері не могли існувати не тільки атоми, але і елементарні частинки і фотони. Через 10 -12 с. температура впала настільки, що з'явилися кварки. В даний час кварки не можуть з'явитися у вільному стані: температура занадто низька. Приблизно через 10 -3 с. з кваркового бульйону викристалізувалися протони, нейтрони та інші елементарні частинки. Через кілька секунд починається синтез водню і гелію. Так з нічого за кілька секунд утворилося 10 50 т. Всесвіту.
Теорія самого раннього етапу швидкого розширення Всесвіту була створена Аланом Гутом (1980 г.). Відповідно до цієї теорії розміри Всесвіту подвоювалася кожні 10 -34 с. Таке надшвидке розширення Всесвіту було названо інфляцією. Інфляція тривала недовго - до 10 -32 с. За період інфляції Всесвіт зросла від мільярдної частки розміру протона до декількох сантиметрів. У момент же попередній інфляції не було зовсім нічого, що фізики називають "помилковим" або збудженим вакуумом. Не було речовини, не було випромінювання. За період інфляції вакуум розширився і отже сильно охолов. Всесвіт був порожній і холодної - майже як по Біблії. Звідки ж утворилася величезна температура? Виявляється, помилковий вакуум, розширивши і охолодити, втратив стійкість і, саме він і вибухнув, породивши то величезна кількість енергії, яку ми спостерігаємо і за рахунок якого і живемо сьогодні.
Схема народження Всесвіту.
Збуджений вакуум, стиснений до стану точки.
Швидке розширення - інфляція.
↓ Через 10 -32 с.
Холодна і порожня Всесвіт розміром в декілька сантиметрів.
Вибух порушеної вакууму. Народження енергії, різке підвищення температури.