додати матеріал


Сучасна космологія і проблема прихованої маси у Всесвіті

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Московський Державний Університет Печатки
 
 
 
Концепції сучасного природознавства
 

Тема: «Сучасна космологія і

проблема прихованої маси у Всесвіті »
 
 
 
 
 
 
 
Здано - «добре»
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва
2003
 
1. ВСТУП
Прагнення представити структуру всього навколишнього світу завжди було однією з нагальних потреб розвивається людства. «Як улаштований світ? Чому існує? Звідки взявся? »- Це приклади вічних питань. Їх ставили собі люди і тоді, коли цієї науки ще не було, і потім, коли зароджується і набирає силу знання почало своє нескінченне рух у відшуканні істини. Під час роботи над цією темою була зроблена спроба невеликого аналізу історії космології і проблеми прихованої маси у Всесвіті.
На кожному історичному етапі у людей були різні пануючі уявлення про Всесвіт. Ці уявлення відбивали той рівень знань і досвід вивчення природи, який досягався на відповідному етапі розвитку суспільства. У міру того як розширилися просторові (і тимчасові) масштаби пізнаної людиною частини Всесвіту, змінювалися і космологічні уявлення. Першою космологічної моделлю, що має Математичне обгрунтування, можна вважати геоцентричну систему світу К. Птолемея (II століття н. Е..). У системі Птолемея в центрі Всесвіту була нерухома куляста Земля, а навколо неї зверталася Місяць, Сонце, планети, рухомі складною системою кіл - «епіциклів» і «диферентів», і, нарешті, все це було укладено в сферу нерухомих зірок. Тобто система претендувала на опис всього матеріального світу, тобто була саме космологічної системою. Як би наївно з нашої сьогоднішньої точки зору не виглядав цей «весь світ», необхідно відзначити, що в ній було раціональне зерно - дещо ця система описувала в основному правильно. Звичайно, правильний опис стосувалося не всього світу, всього Всесвіту, а тільки лише маленькою його частини. Що ж у цій системі було правильним? Правильним було уявлення про нашу планету як про кулястої тілі, вільно висить у просторі; правильним було те, що Місяць обертається навколо Землі. Все інше, як з'ясувалося, не відповідало дійсності. Наука тоді була ще в такому стані, що, за винятком окремих геніальних здогадок, не могла вийти за рамки системи Земля - ​​Місяць. Система світу Птолемея панувала в науці близько 1,5 тисячі років. Потім її змінила геліоцентрична система світу М. Коперника (XVI століття і. Е..).
Революція, вироблена в науці вченням Коперника, пов'язана в першу чергу з тим, що наша Земля була визнана рядовий планетою. Зникло яке протиставлення «земного» і «небесного». Система Коперника також вважалася системою «всього світу». У центрі світу було Сонце, навколо якого зверталися планети. Все це охоплювала сфера нерухомих зірок.
Як ми знаємо тепер, насправді система Коперника була зовсім не «системою світу», а схемою будови Сонячної системи, і в цьому сенсі була правильною.
Надалі незвичайне розширення масштабів дослідженого світу завдяки винаходу і вдосконалення телескопів призвело до уявлення про зоряного Всесвіту. Нарешті, на початку XX століття виникло уявлення про Всесвіт як про світ галактик (Метагалактика). При розгляді цієї історичної ланцюжка змін космологічних уявлень ясно простежується наступний факт. Кожна «система світу» по суті була моделлю найбільшою досить добре вивченою на той час системи небесних тіл. Так, модель Птолемея правильно відображала будова системи Земля - ​​Місяць, система Коперника була моделлю Сонячної системи, ідеї моделі зоряного світу В. Гершеля і ін відображали деякі риси будови нашої зоряної системи - Галактики. Але кожна з цих моделей претендувала свого часу на опис будови «всього Всесвіту». Ця ж тенденція на новому рівні простежується, як ми побачимо, і в розвитку сучасної космології в XX столітті.
 
2. ТРОХИ Істо
 
Розглянемо дуже коротко, які етапи пройшло розвиток науки про Всесвіт вже у наш час. Сучасна космологія виникла на початку XX століття після створення А. Ейнштейном релятивістської теорії тяжіння (загальної теорії відносності).
Перша релятивістська космологічна модель, заснована на новій теорії тяжіння і претендує на опис всього Всесвіту, була побудована А. Ейнштейном у 1917 р. Проте вона описувала статичний Всесвіт і, як показали астрофізичні спостереження, виявилася невірною.
У 1922-1924 рр.. радянським математиком А. А. Фрідманом були отримані загальні рішення рівнянь Ейнштейна, застосованих до опису всього Всесвіту. Виявилося, що в загальному вигляді ці рішення описують Всесвіт, мінливу з плином часу. Зоряні системи, що заповнюють простір, не можуть перебувати в середньому на незмінних відстанях один від одного. Вони повинні або видалятися, або зближуватися. Ми побачимо далі, що це є неминучим наслідком наявності сил тяжіння, які панують в космічних масштабах. Висновок Фрідмана означав, що Всесвіт має або розширюватися, або стискатися. Висновок цей означав докорінну перебудову наших загальних уявлень про Всесвіт і далеко не відразу був зрозумілий і прийнятий навіть найбільш передовими умами людства. У 1929 р. американський астроном Е. Хаббл за допомогою астрофізичних спостережень відкрив розширення оточуючого нас світу галактик, відкрив розширення Всесвіту, що підтверджує правильність висновків А. А. Фрідмана. Моделі Фрідмана є основою всього подальшого розвитку космології. Як ми побачимо далі, ці моделі описували механічну картину руху величезних мас Всесвіту і її глобальну структуру. Якщо колишні Космологічні побудови покликані були описувати головним чином саме спостерігається тепер структуру Всесвіту з незмінним у середньому рухом світів у ній, то моделі Фрідмана за своєю суттю були еволюційними, пов'язували сьогоднішній стан Всесвіту з її попередньою історією. Зокрема, з цієї теорії випливало, що в далекому минулому Всесвіт був зовсім не схожа на спостережувану нами сьогодні. Тоді не було ні окремих небесних тіл, ні їх систем, вся речовина була майже однорідним, дуже щільним і швидко розширювалося. Тільки значно пізніше з цієї речовини виникли галактики і їх скупчення. Починаючи з кінця 40-х років нашого століття все більшу увагу в космології приваблює фізика процесів на різний етапах космологічного розширення.
В цей час Г. Гамовим була висунута так звана теорія гарячого Всесвіту. У цій теорії розглядалися ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту в дуже щільному речовині. При цьому передбачалося, що температура речовини була велика (звідси і назва теорії) і падала з розширенням. Хоча в перших варіантах теорії і були ще істотні недоліки (згодом вони були усунуті), вона зробила два важливих передбачення, які могли бути перевірені спостереженнями. Теорія передбачала, що речовина, з якої формувалися перші зірки і галактики, має складатися головним чином з водню (приблизно на 75%) і гелію (близько 25%), домішки інших хімічних елементів незначна. Інший висновок теорії полягав у тому, що в сьогоднішній Всесвіту має існувати слабке електромагнітне випромінювання, що залишилося від епохи великої щільності і температури речовини. Це випромінювання, остигле в ході розширення Всесвіту, було названо радянським астрофізиком І. С. Шкловським реліктовим випромінюванням. Обидва передбачення теорії блискуче підтвердилися.
До цього ж часу (кінець 40-х років) відноситься поява принципово нових спостережних можливостей в космології. Виникла радіоастрономія, а потім після початку космічної ери розвинулася рентгенівська, гамма-астрономія та ін Нові можливості з'явилися і у оптичної астрономії. Зараз різними методами Всесвіт досліджується аж до відстаней у кілька мільярдів парсеків (парсек - одиниця відстані, використовувана астрономами і рівна приблизно трьом світловим років або 3 • 10 18 см.).
У 1965 р. американські фізики А. Пензіас і Р. Вілсон відкрили реліктове випромінювання, за що в 1978 р. вони були удостоєні Нобелівської премії. Це відкриття довело справедливість теорії гарячого Всесвіту.
Сучасний етап у розвитку космології характеризується інтенсивним дослідженням проблеми початку космологічного розширення, коли щільності матерії та енергії частинок були величезними. Керівними ідеями тут є нові теоретичні відкриття у фізиці взаємодії елементарних частинок при дуже великих енергіях. Іншою важливою проблемою космології є проблема виникнення структури Всесвіту - скупчень галактик, самих галактик і т. д. з спочатку майже однорідного розширюється речовини.
Сучасна космологія побудована працями багатьох вчених усього світу. Можна відзначити важливу роль наукових шкіл, створених в нашій країні академіками В. Л. Гінзбургом, Я. Б. Зельдовичем, Є. М. Лівшицем, М. А. Марковим, І. М. Халатніковим.
Слід підкреслити визначальну роль астрофізичних спостережень у розвитку сучасної космології. Її висновки та укладення перевіряються прямими або непрямими спостереженнями. Сьогодні ми можемо судити про будову і еволюцію спостерігається нами Всесвіту з тією ж ступенем надійності, з якою ми судимо про будову і еволюцію зірок, про природу інших небесних тіл.
На даному етапі вважається, що зоряні системи - галактики - складаються з сотень мільярдів зірок. Їх розміри часто досягають десятків тисяч парсеків. Галактики в свою чергу зібрані в групи і скупчення. Розміри великих скупчень - кілька мільйонів парсеків (Мпк). Є й ще більші за масштабами згущення і розрідження в розподілі галактик. Однак, починаючи з масштабів у кілька сотень мільйонів парсеків у більше розподіл речовини у Всесвіті можна вважати однорідним.
 
3. МОДЕЛЬ ВСЕСВІТУ
Що значить, побудувати модель Всесвіту? Найбільший загальний відповідь на це питання така: необхідно знайти рівняння, яким підкоряються параметри, що характеризують властивості Всесвіту, і потім вирішити ці рівняння. Але як можна писати якісь рівняння для всього Всесвіту? У цьому і наступних розділах ми покажемо, як це робиться. Зрозуміло під словом «модель» мається на увазі виділення якісь основних властивостей, що цікавлять дослідників в першу чергу. Заздалегідь очевидно, що кожне явище нескінченно різноманітне і всі його риси не може описати ніяка система рівнянь. Сказане тим більше справедливо для Всесвіту. Тому звичайний метод моделювання будь-якого явища - це виділення в ньому головного, типового.
Коли ми говоримо про Всесвіт, нас в першу чергу цікавить розподіл речовини в найбільших масштабах і її рух. Значить, нам потрібно побудувати математичну модель, що описує розподіл речовини в просторі і його рух. Що стосується розподілу речовини у великих масштабах, то, як вже було сказано, його можна з хорошою точністю вважати однорідним по простору. Ні у Всесвіті і будь-яких виділених напрямів. Як кажуть, наш Всесвіт однорідна і изотропна. Що визначає рух речовини в космічних масштабах? Звичайно ж, це, в першу чергу, сили всесвітнього тяжіння - вони очолюють у Всесвіті. Їх називають також силами гравітації.
Отже, для побудови моделі Всесвіту необхідно скористатися рівняннями тяжіння. Закон всесвітнього тяжіння був встановлений І. Ньютоном. Його справедливість підтверджувалася протягом століть найрізноманітнішими астрономічними спостереженнями і лабораторними експериментами. Проте А. Ейнштейн показав, що закон тяжіння Ньютона справедливий лише у порівняно слабких полях тяжіння. Для сильних же полів необхідно застосовувати релятивістську теорію гравітації - загальну теорію відносності. Які ж поля слід вважати досить сильними? Відповідь така: якщо поле тяжіння розганяє падають у ньому тіла до швидкостей, близьких до швидкості світла, то це сильне поле. Яка сила гравітаційного поля у Всесвіті? Легко показати, що поля там повинні бути величезними.
А. А. Фрідман скористався для побудови моделі Всесвіту рівняннями Ейнштейна. Проте багато років опісля з'ясувалося, що для побудови механіки руху мас в однорідному Всесвіті немає необхідності використовувати складний математичний апарат теорії Ейнштейна. Це було показано в 1934 р. Е. Мілном і В. Маккрі. Причина цієї дивовижної можливості полягає в наступному. Сферично-симетрична матеріальна оболонка не створює ніякого гравітаційного поля у всій внутрішній порожнині.
Тепер звернемося до розгляду сил тяжіння у Всесвіті. У великих масштабах розподіл речовини у Всесвіті можна вважати однорідним. Розглянемо спочатку сили тяжіння, що створюються на поверхні кулі тільки речовиною самої кулі, і не будемо поки розглядати все інше речовина Всесвіту. Нехай радіус кулі обраний не дуже великим, так що поле тяжіння, створюване речовиною кулі, відносно слабко і може бути застосована теорія Ньютона для обчислення сили тяжіння. Тоді галактики, що перебувають на граничній сфері, будуть притягатися до центру кулі з силою, пропорційною масі кулі, і обернено пропорційною квадрату його радіуса.
Тепер згадаємо про все інше речовині Всесвіту поза кулі і спробуємо врахувати сили тяжіння, їм створюються. Для цього будемо розглядати послідовно сферичні оболонки все більшого і більшого радіуса, що охоплюють куля. Але, як було сказано вище, що сферично-симетричні шари речовини ніяких гравітаційних сил усередині порожнини не створюють. Отже, всі ці сферично-симетричні оболонки (тобто все інше речовина Всесвіту) нічого не додадуть до сили тяжіння, яке відчуває галактика на поверхні кулі до його центру. Такий же висновок справедливий в загальній теорії відносності. Тепер ясно, чому для виведення законів руху мас в однорідному Всесвіті можна скористатися теорією Ньютона, а не Ейнштейна.
Ми вибрали куля досить малим, щоб була застосовна теорія Ньютона для обчислення гравітаційних сил, створюваних його речовиною. Маси решти Всесвіту, що оточують куля, на сили гравітації в даному кулі ніяк не вплинуть. Але ніяких інших сил в однорідної Всесвіту взагалі немає. Дійсно, це могли б бути тільки сили тиску речовини. Але навіть якщо тиск є (а в далекому минулому тиск у Всесвіті було величезним), то воно не створює гідродинамічної сили. Адже така сила виникає тільки при перепаді тиску від місця до місця. Згадаймо, що ми не відчуваємо ніякої сили від великого тиску нашої атмосфери через те, що всередині нас повітря створює точно такий же тиск. Ніякого перепаду немає - немає і сили. Але наша Всесвіт однорідний. Значить, в будь-який момент часу і щільність, і тиск (якщо воно є) скрізь однакові, і ніякого перепаду тисків бути не може.
Отже, для визначення динаміки речовини нашого кулі істотно тільки тяжіння його маси, що визначається за теорії Ньютона. Але Всесвіт однорідний. Це означає, що всі області її еквівалентні. Якщо визначити рух речовини в даному кулі, можна знайти, як змінюються в ньому щільність, тиск, то тим самим знайдемо зміна цих величин і в будь-якому іншому місці, у всьому Всесвіті.
4. ПЕРША космологічної моделі ВСЕСВІТУ - модель Ейнштейна
Перша космологічна модель була побудована А. Ейнштейном у 1917 р. незабаром після створення ним Загальній теорії відносності. Як і всі тоді, він вважав, що Всесвіт повинен бути стаціонарне, вона не може направлено еволюціонувати. Ця модель створювалася більш ніж за десять років до відкриття Е. Хаббла. А. Ейнштейн, мабуть, нічого не знав про великих швидкостях деяких галактик, які до того часу вже були виміряні. До того ж у той час не було ще надійних доказів, що галактики - дійсно далекі зоряні системи. Викладаючи свою Модель, Ейнштейн писав: «Найважливіше з усього, що вам відомо з досвіду про розподіл матерії, полягає в тому, що відносні швидкості зірок дуже малі в порівнянні зі швидкістю світла. Тому я вважаю, що на перших порах в основу наших міркувань можна покласти наступне наближене допущення: є координатна система, щодо якої матерію можна розглядати знаходиться протягом тривалого часу у спокої ».
Виходячи з таких міркувань, Ейнштейн ввів космічну силу відштовхування, яка робила світ стаціонарним. Ця сила універсальна: вона залежить не від маси тіл, а лише від відстані, їх розділяє. Прискорення, яке ця сила повідомляє будь-яким тілам, рознесеним на відстань, повинно бути пропорційно відстані. Сили відштовхування, якщо вони, звичайно, існують у природі, можна було б виявити в досить точних лабораторних дослідах. Однак трохи величини робить завдання її лабораторного виявлення абсолютно безнадійною. Дійсно, це прискорення пропорційно відстані і в малих масштабах мізерно. Легко підрахувати, що при вільному падінні тіла на поверхню Землі додатковий прискорення в 10 30 разів менше самого прискорення вільного падіння. Навіть у масштабі Сонячної системи або всієї нашої Галактики ці сили мізерно малі в порівнянні з силами тяжіння .. Зрозуміло, це відштовхування ніяк не позначається на рух тіл Сонячної системи і може бути виявлено тільки при дослідженні рухів найвіддаленіших галактик, що спостерігаються.
Так, в рівняннях тяжіння Ейнштейна з'явилася космологічна постійна, що описує сили відштовхування вакууму. Дія цих сил настільки ж універсально, як і сил всесвітнього тяжіння, тобто воно не залежить від фізичної природи тіла, на якому виявляється, тому логічно назвати цю дію гравітацією вакууму.
Через кілька років після роботи Ейнштейна, А. А. Фрідманом була створена теорія Всесвіту, що розширюється. А. Ейнштейн спочатку не погоджувався з висновками радянського математика, але потім повністю їх визнав.
Після відкриття Е. Хабблом розширення Всесвіту будь-які підстави припускати, що в природі існують космічні сили відштовхування, здавалося б відпали.
 
5. «ПОРОЖНЯ» ВСЕСВІТ
Що буде, якщо з Всесвіту прибрати всі речовина? На перший погляд здається, що така операція абсолютно абстрактна і одержувана модель буде відповідати лише уяві теоретиків. Але це зовсім не так і нічого фантастичного чи тим більше наївного в такій операції немає. В історії Всесвіту, мабуть, був період, коли вона була практично порожня, вільна від звичайної фізичної матерії, і модель порожнього Всесвіту описувала тоді її еволюцію.
Вперше модель порожнього Всесвіту була побудована голландським астрономом В. де Ситтера в 1917 р. Віллем де Сіттер був, якщо так можна висловитися, «класичним астрономом». Він багато займався точним визначенням положення зірок на небі, небесною механікою, був одним з піонерів масових фотометричних спостережень зірок. Протягом десятиліть він вивчав рух супутників Юпітера, створив теорію цього руху, якою користуються до цих пір. В. де Сіттер відразу оцінив те величезне значення, яке теорія Ейнштейна повинна мати в астрономії взагалі та в космології особливо. Модель Всесвіту де Ситтера була опублікована в той же рік, що і модель Ейнштейна, і обидві ці моделі можна вважати першим досвідом застосування Загальної теорії відносності в космології.
Отже, слідуючи де Ситтера, приберемо з Всесвіту все речовина. Помістимо в нашу порожню Всесвіт дві вільні пробні частинки на відстані один від одного. Частинки називаються пробними, оскільки передбачається, що їх маси досить малі, щоб не впливати на їхній відносний рух, а вільними вони називаються тому, що на них не діє ніяка сила, крім гравітації. У Всесвіті це можуть бути, наприклад, дві галактики, розташовані досить далеко один від одного. Тоді негативна гравітація змушує обидві галактики рухатися один від одного з прискоренням, пропорційним відстані. Якщо щодо прискорення знайти швидкість, а потім зміна відстані з часом, то легко показати, що відносна швидкість частинок-галактик буде стрімко наростати.
Таку залежність називають експоненціальною, вона висловлює надзвичайно швидке зростання відстані від часу. Який же можна зробити висновок? У «майже порожній» Всесвіту, тобто в такому Всесвіті, в якій можна знехтувати звичайним тяжінням галактик один до одного, галактики можуть придбати великі швидкості видалення один від одного. Такий висновок отримав де Сіттер в 1917 р. У цей час йому були відомі швидкості тільки трьох галактик, і він не міг прийти до якого-небудь певного висновку про справедливість своєї теорії. До сьогоднішньої Всесвіту модель де Ситтера навряд чи застосовна: динаміка Всесвіту визначається звичайним тяжінням речовини. Але ця модель виявилася важливою для опису далекого минулого Всесвіту, коли вона тільки починала розширюватися.
 
 
6. ГІПОТЕЗА «ВЕЛИКОГО ВИБУХУ»
Роботи Фрідмана показали, як з плином часу повинна еволюціонувати Всесвіт. Зокрема, вони передбачили необхідність існування в минулому «сингулярного стану» - речовини величезної щільності, а значить, і необхідність якоїсь причини, що спонукала надщільного речовина почати розширюватися. Це було теоретичним відкриттям вибухає Всесвіту. Зауважимо, що відкриття було зроблено без наявності будь-яких ідей про самого вибуху, про причину початку розширення Всесвіту. Ніяких натяків на подібні ідеї ні в теорії, ні в експерименті не існувало. Але вже з того факту, що Всесвіт однорідний, випливало, що через тяжіння матерії вона нестаціонарна, а значить, у минулому мала бути причина початку розширення - причина Великого вибуху.
Наглядове відкриття вибухає Всесвіту було зроблено американським астрономом Е. Хабблом в 1929 р. Далекі зоряні системи - галактики і їх скупчення - є найбільшими відомими астрономам структурними одиницями Всесвіту. Вони спостерігаються з величезних відстаней, і саме вивчення їх рухів дослужив спостережної основою дослідження кінематики Всесвіту. Для далеких об'єктів можна вимірювати швидкість видалення або наближення, користуючись ефектом Доплера.
Вимірюючи зсув спектральних ліній у спектрах небесних тіл, астрономи визначають їх наближення і видалення, тобто вимірюють компоненту швидкості, спрямовану по променю зору. Тому швидкості, що визначаються за спектральним вимірам, носять назву променевих швидкостей. Піонером вимірювання променевих швидкостей у галактик був на початку минулого століття американський астрофізик В. Слайфер. У 1924 р. К. Вірц виявив, що, чим менше кутовий діаметр галактики, тим в середньому більше її швидкість видалення, хоча отримана залежність і була дуже нечітка. Вірц порахував, що ця залежність відображає залежність між швидкістю і відстанню і тому свідчить на користь космологічної моделі де Ситтера. Про роботу Фрідмана К. Вірц, мабуть, нічого не знав.
Проте відомий шведський астроном К. Лундмарк і інші астрономи, повторивши роботу Вірц, не підтвердили його результати. Тепер ми розуміємо, що протиріччя були пов'язані з тим, що лінійні розміри галактик дуже різні, і тому їх видимі кутові розміри не вказують прямо на відстань від нас: галактика може бути видима маленької не тільки тому, що вона розташована далеко, але й тому, що вона насправді мала за розмірами.
Для вирішення питання потрібні були надійні методи визначення відстаней до галактик. І такі методи були створені. Вперше це вдалося зробити за допомогою пульсуючих зірок, що міняють свою яскравість, - цефеїд.
Ці змінні зірки володіють чудовою особливістю. Кількість світла, що випромінюється цефеїд, - її світність і період зміни світності внаслідок пульсації тісно пов'язані. Знаючи період, можна обчислити світимість. А це дозволяє обчислювати відстань до цефеїди. Дійсно, вимірявши період пульсацій за спостереженнями зміни блиску, визначаємо світність цефеїди. Потім вимірюється видимий блиск зірки. Видимий блиск обернено пропорційний квадрату відстані до цефеїди. Порівняння видимого блиску зі світністю дозволяє знайти відстань до цефеїди.
Цефеїди були відкриті в інших галактиках. Відстані до цих зірок, а значить, і до галактик, в яких вони знаходяться, виявилися набагато більшими, ніж розмір нашої власної Галактики. Тим самим було остаточно встановлено, що галактики - це далекі зоряні системи, подібні до нашої.
Для встановлення відстаней до галактик, крім цефеїд, вже в перших роботах застосовувалися й інші методи. Одним з таких методів є використання найяскравіших зірок у галактиці як індикатора відстаней.
Найяскравіші зірки, мабуть, мають однакову світимість і в нашій Галактиці, і в інших галактиках, і з цієї «стандартної» величині можна визначати відстань. Але найяскравіші зірки мають велику світність, ніж цефеїди, можуть бути видно з великих відстаней і є, таким чином, більш потужним індикатором відстаней. Відстані до цілого ряду галактик були визначені Е. Хабблом.
Природно, астрономи намагалися перевірити закон Хаббла для великих відстаней. Для цього потрібно було мати індикатори відстаней набагато потужніші, ніж змінні зірки - цефеїди або найяскравіші зірки, розглянуті вище.
У 1936 р. Хаббл запропонував використовувати в якості таких індикаторів цілі галактики. Він виходив з таких міркувань. Індикатор відстаней повинен володіти певною фіксованою світністю. Тоді видимий блиск буде служити дороговказом відстані. Окремі галактики не можуть служити індикатором відстаней, так як світність окремих галактик дуже різна. Наприклад, наша Галактика випромінює енергія як десять мільярдів сонць. Є галактики, які світять в сотні разів слабкіше, але є й такі, які світять в десятки разів сильніше. Припустимо, що є верхня межа повної світності окремих галактик. Тоді в багатих скупченнях галактик, що містять тисячі членів, найяскравіша галактика з дуже великою ймовірністю повинна мати світність близько цієї верхньої межі, тобто мати стандартну світність, однакову для будь-якого великого скупчення. Найяскравіші галактики у великих скупченні є, отже, еталонами, подібними цефеїдам. Видимий блиск цих галактик можна використовувати як покажчик відстаней. Чим далі відстань, тим слабше блиск.
Отже, в космології досліджується залежність зоряна величина т - червоне зміщення z (точніше, log z) для найяскравіших галактик скупчень. Така залежність знайдена, графік її прямолінійний, і це надійно підтверджує відкритий Хабблом закон розширення Всесвіту.
 
7. «Непустих» ВСЕСВІТ
Повернемося до проблеми критичної щільності. Яке ж значення критичної щільності? Сформулюємо найважливіше завдання спостережної космології: яка середня щільність всіх видів фізичної матерії у Всесвіті? І найголовніше: більше чи ця середня щільність критичного значення чи менше?
Таким чином, мова йде саме щільності всіх видів фізичної матерії. Справа в тому, що у астрономів є вагомі підстави вважати, що, крім видимих ​​зірок і газових туманностей, зібраних в галактики, навколо галактик і в просторі між ними є багато невидимої або дуже важко спостерігається матерії. Так як тяжіння створюється всіма видами матерії, то облік невидимої матерії в загальній щільності речовини абсолютно необхідний для вирішення питання про майбутню долю Всесвіту.
  Ще років двадцять тому астрономи вважали, що Всесвіт у найбільших масштабах - це саме світ галактик і їх систем. Вивчаючи нашу зоряну систему, Галактику, вони встановили, що в межах її видимих ​​меж майже вся речовина зосереджено в зірках. Всього Галактика містить ~ 200 мільярдів зірок. Газ і пил між зірками дають до маси зірочок зовсім незначну добавку (близько 2%).
Здавалося, що й інші галактики в основному складаються з світяться зірок, а простір між галактиками практично порожньо. Галактики зібрані в групи і скупчення різних масштабів, утворюючи ячеисто-сітчасту великомасштабну структуру Всесвіту. Розмір типових порожніх областей, в яких галактик мало або зовсім немає, близько 30-40 Мпк. Відстані між найбільшими надскупченнями галактик, що знаходяться у вузлах чарунок, можуть бути 100-300 Мпк. У ще більших масштабах світна матерія у вигляді галактик і їхніх скупчень розподілена приблизно однорідний. Така загальна велична картина розподілу в просторі зоряних островів - галактик.
Як можна визначити усереднену по настільки великих масштабів середню щільність речовини, яка потрібна для вирішення космологічної проблеми?
Якщо вся матерія дійсно зосереджена в світяться галактиках, то для цього треба підрахувати загальне число галактик у досить великому обсязі, потім визначити масу середньої галактики. Помноживши ці числа один на одного, ми отримаємо повну масу речовини в даному обсязі, а поділивши її на цей обсяг, отримаємо цікаву для нас середню щільність.
Так астрономи і робили. При цьому, перш за все, необхідно було знайти маси окремих галактик. Надійне визначення усередненої по великим об'ємам щільності речовини, що входить до галактики, було зроблено близько 30 років тому голландським астрономом Я. Оортом. Численні роботи в цьому напрямку, пророблені з тих пір, підтвердили його результат. Якщо у Всесвіті немає помітних кількостей матерії між галактиками, яка чомусь не видно, то і Всесвіт завжди буде розширюватися.
Однак, є підстави вважати, що спостерігаються нами галактики ще далеко не все, що є у Всесвіті. Більш того, невидима маса, імовірно, складає основну частину Всесвіту. Таким чином, цілком можливо, що безпосередньо спостерігаються в телескопи чудові візерунки гігантських галактичних світів - це лише мала видима частина істинної невидимою структури світу. Невидимі маси Всесвіту отримали назву прихованої маси.
8. Прихованої маси
Існуючі у Всесвіті тіла і скупчення речовини астрономи виявляють в основному по їх випромінюванню. Це може бути видимий спектр або інші види електромагнітних хвиль - все одно є ознаки випромінювання, що дозволяють їх реєструвати. Саме таким способом встановлено, що більша частина видимої речовини Всесвіту зосереджена в зірках. Крім них є розріджений міжзоряний галактичний газ, пил, тіла планетного типу поблизу зірок.
Однак, не від усіх космічних об'єктів можна прийняти випромінювання. Наприклад, із Землі не можна розглянути масивні, але дуже маленькі елементи подвійних систем. А чорні діри принципово не відпускають ніяке випромінювання. Наявність подібних тіл вдається встановити тільки за їх гравітаційного впливу на сусідів. Застосування такого непрямого методу привело вчених до переконання, що насправді У Всесвіті міститься набагато більше речовини, ніж те, яке доступне прямим спостереженням.
Як виникли підозри про існування прихованої маси? Найважливіші спостережні дані про це зводяться до наступного. За допомогою радіотелескопів спостерігаються руху супутників окремих галактик (ними є маленькі галактики) або руху газових хмар. Ці об'єкти часто рухаються на відстанях далеко за видимою кордоном галактики (окресленої масою світяться зірок), де, здавалося б, ніякої матерії в помітних кількостях вже немає. Тим не менш, обчислена за цим спостереженням маса тієї або іншої галактики, навколо якої спостерігалися такі рухи, виявлялася іноді раз в десять більше, ніж визначена за рухом зірок на видимій кордоні галактики. Це означає, що навколо видимого тіла галактики є якась невидима корона, що містить величезні маси. Тяжіння цих мас ніяк не позначається на рухи зірок глибоко всередині корони на краю видимої галактики, так як ми знаємо, що сферична оболонка всередині себе тяжіння не створює, але ці маси впливають своїм тяжінням на рух тіл на околицях корони і поза нею.
Ще більші приховані маси є в міжгалактичному просторі в скупченнях галактик. У таких скупченнях галактики рухаються хаотично. Тому астрофізики спочатку вимірюють швидкості окремих галактик, а, потім, після знаходження середньої швидкості, обчислюють повну масу скупчення, створює загальне поле тяжіння, яке розганяє рухаються в ньому галактики. Зрозуміло, ця маса включає всі речовина - і видиме, і невидиме. І ось виявляється, що іноді повна маса в багато десятків разів перевищує сумарну світиться масу всіх галактик в скупченні.
Вперше про приховану масі заговорили в 30-х рр.. ХХ ст. Швейцарський астроном Фріц Цвіккі, вимірюючи по червоному зсуву швидкості галактик зі скупчення в сузір'ї Волосся Вероніки, отримав несподіваний результат. Променеві швидкості цих галактик виявилися занадто високими і не відповідали загальній масі скупчення, визначеної за кількістю спостережуваних галактик (тобто по видимому речовині). Тоді Цвіккі висунув сміливу гіпотезу, що в скупченні присутній невидима, прихована маса, вона-то і є причиною великих швидкостей галактик. Але найдивнішим було те, що, згідно з розрахунками, ця невидима маса в багато разів перевищувала масу видиму. Та ж картина спостерігалася і в багатьох інших скупчення галактик
З тих пір гіпотеза про існування невидимої речовини неодноразово притягувалася для інтерпретації астрономічних спостережень, і перш за все, для пояснення особливостей руху зірок і газових хмар по орбітах в дисках галактик. Якщо б основна маса галактики була зосереджена в зірках, їх орбітальні швидкості зменшувалися б у міру віддалення від центру. Насправді вони не тільки не зменшуються, але в ряді випадків навіть зростають. Те ж саме відбувається і в нашій Галактиці. Щоб пояснити це явище, слід припустити, що далеко за межами видимих ​​меж галактики простирається не світяться, темна матерія. Зазвичай її називають темним гало. З його урахуванням маса гігантських спіральних систем типу Чумацького Шляху, становить приблизно 10 12 маси Сонця, тоді як речовини, укладеного в зірках, у кілька разів менше.
У 70-х рр.. методами рентгенівської астрономії був відкритий гарячий міжгалактичний газ, особливо помітний в скупченнях галактик. Його температура досягає десятків мільйонів градусів. За значенням температури можна оцінити характеристики гравітаційного поля, в якому знаходиться газ, а отже, і повну масу речовини, що є джерелом цього поля. Вже перші результати рентгенівських спостережень гарячого газу в скупченнях галактик підтвердили присутність у них прихованої маси, яка не входить до складу окремих галактик.
Ще одне пряма вказівка ​​на приховану масу вдалося отримати при вивченні руху Місцевої групи галактик. (У Місцеву групу входять наша Галактика і її найближчі сусіди.) У середині 80-х рр.. за результатами дуже успішної місії космічної інфрачервоної обсерваторії HPAC (IRAS) було встановлено, що рух Місцевої групи в просторі направлено в той бік, де зосереджена велика кількість галактик. У цьому немає нічого дивного, адже за законом тяжіння велика маса повинна притягати навколишні групи галактик. Але виміряна швидкість руху виявилася надто високою (більш 600км / с), щоб її можна було пояснити гравітаційною дією спостережуваних галактик. Це свідчило про присутність прихованої маси між галактиками.
Нарешті, спостереження слабких галактик, проведені за допомогою чутливих детекторів випромінювання - ПЗС-матриць, - дозволили не просто підтвердити наявність прихованої маси, але і достатньо точно позначити її розподіл в скупченнях галактик. Цей метод називають гравітаційним лінзування, ідею якого вперше висунув Цвіккі ще в 1937 р. Метод цей грунтується на тому, що гравітація скупчення галактик діє як збирає лінза. Вона дозволяє отримати зображення слабких галактик (як правило, 22-28 зоряної величини), що знаходяться далеко за самим скупченням. При цьому зображення самих галактик стають яскравішими і спотворюються, витягаючи в дуги різної довжини з центром, що збігається з центром скупчення. Аналізуючи такі зображення, можна відновити розподіл щільності в «лінзі», тобто в скупченні галактик. Виявилося, що створює тяжіння матерія простирається далеко за межі видимої частини скупчення.
Існування прихованої маси кардинально змінює оцінку загальної усередненої густини всіх мас Всесвіту. Можливо, є прихована маса і між скупченнями галактик. Її виявляти особливо важко. Але якщо це так, то не виключено, що повна середня щільність дорівнює критичної щільності або навіть трохи більше. Таким чином, поки не можна сказати, більше чи істинна щільність всіх видів речовини у Всесвіті, ніж критична щільність, чи ні. Значить, ми поки не можемо сказати точно, чи буде Всесвіт розширюватися необмежено або ж у майбутньому вона почне стискатися.
Що являє собою прихована маса? Треба прямо сказати, що фізична природа прихованої маси поки неясна. Частково ця маса може бути обумовлена ​​величезним числом слабо світяться і тому практично невидимих ​​видали зірок або інших не світяться небесних тіл. Однак імовірніше, що прихована маса є своєрідним реліктом тих фізичних процесів, які протікали в перші миті розширення Всесвіту. Прихована маса, можливо, є сукупністю великого числа елементарних частинок, що володіють масою спокою і слабовзаємодіючих із звичайною речовиною. Теорія передбачає можливість існування таких часток. Ними можуть бути, наприклад, нейтрино, якщо вони мають масу спокою.
Яка ж природа невидимої речовини? Можливо, прихована маса створюється не відкритими поки елементарними частинками. Справа в тому що, відповідно до сучасної теорії гарячого Всесвіту, максимально можлива маса баріонів (протонів і нейтронів - частинок, з яких складаються атомні ядра всіх хімічних елементів) не перевищує 10% від маси, необхідної для критичної щільності, тобто тієї щільності, який теоритически повинна володіти Всесвіт. Тому залишається або припустити, що у Всесвіті крім звичайної баріонів (атомної) маси міститься ще дуже багато речовини, не складається з атомів, або вважати, що порожній простір (вакуум) має такі властивості, що вносить свій внесок у повну щільність матерії. У принципі небаріонная прихована маса може бути укладена в легенях елементарних частинках (з масою в мільйони разів менша за масу спокою електрона), існування яких слід їх сучасної фізичної теорії елементарних частинок. Пошуки таких частинок посилено ведуться на найпотужніших прискорювачах, але поки не увінчалися успіхом.
Однак, частина прихованої маси можливо полягає в тілах, що складаються із звичайних атомів. Спостерігаючи світиться речовина, можна зробити висновок, що зірки, що містять основну частину видимої матерії, - це лише невелика частина навіть від баріонного речовини. Значить у Всесвіті напевно багато невидимих ​​і не відкритих поки об'єктів баріонів природи, швидше за все газових тіл з масою, проміжною між масою зірок і невеликих планет (їх називають "темними" карликами). Теоретично такими об'єктами можуть бути чорні діри масою близько ста сонячних. Можливо, що ці невидимі об'єкти - частина речовини, що залишилася від епохи утворення галактик, або залишки еволюції зірок, що існували ще до народження галактик. Хоча таких темних тел навряд чи вистачить для пояснення парадоксу прихованої маси, їх пошуки активно проводяться. Перспективними в цьому відношенні є роботи по гравітаційному мікролінзування.
Досліджуючи ефекти гравітаційного мікролінзування мільйонів зірок в Магелланових Хмарах, астрономи зареєстрували кілька випадків характерного зміни яскравості далеких слабких зірок. Це може бути пов'язано з існуванням темних об'єктів в гало нашої Галактики. Однак зі спостережень поки важко остаточно визначити, яку частину маси невидимої речовини вони складають.
9. ВИСНОВОК
 

Космологія швидко розвивається. Багато нових робіт у цій області з'являється у відкритому друці в останні роки. Але розповісти про всі неможливо, кожна з них - тема для окремої роботи.

Сьогодні можна досить впевнено зробити висновок: Всесвіт в основному заповнена невидимим речовиною. Воно утворює протяжні гало галактик і заповнює міжгалактичний простір, концентруючись в скупченнях галактик.
Отже, спроби розібратися, з чого ж складається Всесвіт, привели в наш час до досить цікавої ситуації. На початку ХХI століття виявляється, що всі изучавшиеся досі астрономічні об'єкти становлять лише незначну частку космічної речовини. Це справжній виклик людському знанню. Залишається сподіватися, що новітні методи астрономії, такі, як метод гравітаційного мікролінзування, дозволять у майбутньому пролити світло на захоплюючу і загадкову проблему невидимої речовини в нашій Галактиці і у Всесвіті.
 
 
10. СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
 
  1. Девіс П. Суперсила: Пер. з англ. / За ред. І з предисл. Є.М. Лейкина. - М.: Світ, 1989.
  2. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма ідей в пізнанні природи (частки, поля, заряди). - М.: Наука. Гол. ред. фіз.-мат. лит., 1988.
  3. Чирков Ю.Г. Полювання за кварками. - М.: Мол. Гвардія, 1985.
  4. Візгін В.П. Релятивістська теорія тяжіння (витоки і формування). - М.: Наука, 1981.
  5. Новіков І.Д. Еволюція Всесвіту. - М.: Наука, 1990.
  6. Хокінг С. Від Великого Вибуху до чорних дірок. - М.: Світ, 1990.

11. ЗМІСТ
 
1. Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
2
2. Трохи історії ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
3
3. Модель Всесвіту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
6
4. Перша космічна модель Всесвіту - модель Енштейна ... ... ... ... ... ...
8
5. «Порожня» Всесвіт ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
10
6. Гіпотеза «Великого Вибуху» ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
11
7. «Непорожня» Всесвіт ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
13
8. Прихована маса ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
15
9. Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
20
10. список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Астрономія | Реферат
83.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Сучасна космологія
У пошуках прихованої ніжності
Комп`ютерна злочинність як сучасна кримінологічна проблема
Космогонія і космологія
Космологія як наука
Візантійська космологія в XI столітті
Ведична космологія загальний опис
Ведична космологія загальний опис - Айравата дас
Життя у всесвіті
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru