•   Сделать стартовой   •   Добавить в избранное   •   Сегодня
Лекции  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  

Скачать  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  
  Добро пожаловать на наш информационный ресурс! 

Тема 5

Эволюция Вселенной - от рождения до ... будущего.

		                       “История мидян темна и непонятна. Ученые делят ее, тем не менее, на три периода: 
первый, о котором ровно ничего неизвестно. Второй, который последовал за первым.
И, наконец, третий период, о котором известно столько же, сколько о первых двух”.
А. Аверченко. “Всемирная история”


Эволюция Вселенной - основные этапы.
(Важно: как возникла Вселенная - до сих пор ученые не знают, поэтому далее рассматривается процесс эволюции, или развития,Вселенной).
  1. В период времени от 0 до 10-35 с - рассматривается теория раздувающейся (инфляционной) Вселенная, согласно которой Вселенной мгновенно раздулась до огромных размеров, а затем обратно сжалась. Образно говоря, роды Вселенной происходили в вакууме. Точнее сказать, Вселенная рождалась из вакуумоподобного состояния; законы квантовой механики позволяют считать, что пустое пространство (вакуум) в действительности заполнено частицами (материей) и античастицами (антиматерией), которые постоянно создаются, живут какое-то время, встречаются снова и аннигилируют.
    Инфляция мешает нам - она совершенно стерла все, что было во Вселенной до ее начала! Но для осуществления инфляции была необходима энергия (чтобы «раздуть» Вселенную!), откуда ее взять? Сегодня ученые предполагают, что во время инфляции «работает» сам экспоненциально расширяющийся космос с невероятным количеством скрытой в нем потенциальной энергии. Можно представить, что в инфляционный период Вселенная раздувается от «нулевых» размеров и до каких-то (возможно и очень-очень больших), но спустя примерно t=10-35с - 10-34с начинается новый период развития Вселенной – начинает работать иак называемая Стандартная модель, или модель Большого Взрыва (Big Bang).
  2. 10-34с - Инфляция заканчивается, в небольшой области (наша будущая Вселенная!) находится вещество и излучение. В этот момент температура Вселенной составляет не менее 1015К, но не более 1029 К (для сравнения, самая высокая температура, Т=1011 К, на сегодня возможна при вспышке Сверхновой). Вселенная, вся ее материя и энергия, сосредоточены в объеме, сопоставимым с размером одного протона (!). Возможно, в это время действует единый тип взаимодействий и проявляются новые элементарные частицы - скалярные Х-бозоны.
    После инфляционного периода расширение продолжается, но с намного меньшей скоростью: Вселенная не остается постоянной, энергия распределяется на больший объем, поэтому температура Вселенной падает, Вселенная охлаждается.
  3. 10-33с - разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы. Дисимметрия между числом частиц и античастиц (антич.<частиц ~10-10). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.
  4. 10-10c - T=1015K. Разделение сильного и слабого взаимодействий.
  5. 1 сек. Т=1010К. Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

Процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц.

Отметим, что при эволюции Вселенной происходят процессы взаимного преобразования вещества в излучение и наоборот. Проиллюстрируем это тезис на примере процессов рождения и аннигиляции элементарных части. Процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении гамма-квантов и аннигиляции пар электрон-позитрон с превращением в фотоны: g + g -> e+ + e-
e+ + e- -> g + g
Для рождения пары электрон-позитрон надо затратить энергию около 1 Мэв, значит, такие процессы могут идти при температуре выше десяти миллиардов градусов (напомним, что температура Солнца около 108 К)

  1. 3 мин. Т=109К. Нуклоны участвуют в термоядерных реакциях: происходит космологический нуклеосинтез легких элементов (в основном ядра гелия), и, конечно, в наибольшем количестве остается основной элемент Вселенной - водород.
    Вещество - гелий - 22-28%, остальное - протоны. Основная энергия - в излучении - фотоны - 69%, нейтрино - 31%.

    Образование тяжелых частиц (космологический нуклеосинтез)



  2. Миллион лет спустя Вселенная остывает настолько, что электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 90% всех атомов, гелия -10%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения - света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона - так называемого реликтового излучения.

    Вся информация о процессах, протекавших во Вселенной, осталась "записанной" в особом типе космического излучения - так называемого реликтового излучения. Реликтовое излучение было экспериментально обнаружено в 1965 г. американскими радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном. Поэтому мы сегодня говорим, что первые мгновения жизни Вселенной мы не просто моделируем, а считаем доказанным именно такой вариант развития.

Звезды, Галактики и другие структуры Вселенной.

Как развивалась Вселенная дальше? "Распад" Вселенной (возвращение к "первоначальному равновесному" состоянию) или усложнение структуры Вселенной?
Но по какому пути пошло дальнейшее развитие Вселенной? Можно говорить о прохождении Вселенной точки бифуркации : был возможен либо “распад” Вселенной (и возвращение к “первоначальному равновесному” состоянию типа «кваркового супа»), либо дальнейшее усложнении структуры Вселенной. Наши сегодняшние представления о Вселенной свидетельствуют о переходе к более сложным и разномасштабным структурам, находящимся в сугубо неравновесных состояниях. В такой диссипативной системе возможны процессы самоорганизации.
Во Вселенной произошел скачок, и возникли разномасштабные структуры. Скачкообразный переход в новое состояние с разными подсистемами - от звезд и планет до сверхскопления Галактик. Однородная и изотропная модель Вселенной - это первое приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300-500 млн. световых лет. В меньших масштабах вещество распределено очень неоднородно: звезды собраны в галактики, галактики - в скопления.

Ячеистая структура Вселенной.



Размер этих ячеек около 100-200 млн. световых лет. Сжатые облака, находящиеся на стенках ячеек - это место, где в дальнейшем образуются галактики.

Образование звезд.

Вселенная представляла газовое облако. Под действием гравитации - части облака сжимаются и одновременно разогреваются. При достижении высокой температуры в центре сжатия начинают протекать термоядерные реакции с участием водорода - родилась звезда. Водород - в гелий, и в желтых карликах типа нашего Солнца больше ничего не происходит. В массивных звездах (красные гиганты) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сотен миллионов градусов. Сложные термоядерные реакции - например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа.
Дальнейшая судьба звезды обусловлена тем, что ее железное ядро сжимается (коллапсирует) до размеров 10—20 км, при этом в зависимости от первоначальной массы звезда превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. В то время как ядро звезды все больше разогревается, ее внешняя оболочка, состоящая из водорода, расширяется и охлаждается. Силы тяготения могут так сжать ядро, что оно взорвется, внешние области звезды резко разогреваются, и мы видим вспышку Сверхновой. При этом в пространство со скоростью около 10 тыс.км/с выбрасывается огромное количество синтезированных химических элементов, и теперь во Вселенной существуют газопылевые облака.
Более тяжелые элементы требуют участия в реакциях заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрыве звезды - вспышка Сверхновой. Во Вселенной существуют газопылевые облака, из которых возможно образование звезд следующих поколений.

Видео - образование звезд.

Астрономические приборы


Оптический телескоп

Радиотелескоп «Аресибо» в Пуэрто-Рико – один из самых больших в мире. Расположенный на высоте 497 метров над уровнем моря, радиотелескоп ведет свои наблюдения за окружающими нас объектами Солнечной системы, начиная с 1960-х годов.



Галактики

Галактики - это стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитационного взаимодействия. В нашей Галактике (Млечный путь) примерно 1011 звезд. Галактики, как и звезды, образуют группы и скопления. Средняя плотность видимого вещества оказывается одинаковой: (3х10-31 г/см3).

 
Наша галактика – Млечный путь. Вид из Национального парка Улудаг в Турции.
Полоска Млечного пути протянулась по небу над размытыми огоньками искусственного света ночных деревень и городов, лежащих внизу
(все фотографии галактик взяты с сайта http://www.astronews.ru/) .

 

Спиральная галактика NGC 3370 находится на расстоянии 100 миллионов световых лет от Солнца и видна на небе в созвездии Льва. По размерам и структуре она похожа на наш Млечный Путь. Это превосходное изображение большой и красивой спиральной галактики, развернутой к нам своей плоскостью, получено на космическом телескопе Хаббл

 

Большое Магелланово Облако — карликовая галактика, расположенная на расстоянии около 50 килопарсек от нашей Галактики.
Это расстояние вдвое превышает диаметр нашей Галактики.

 

В 160 миллионах световых лет от нас находятся взаимодействующие галактики NGC 6769, 6770 и 6771, занимающие площадь на небосклоне всего лишь 2 угловые минуты.



Объекты Вселенной

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды (состоящие, в основном, из нейтронов) - очень компактные космические объекты размером около 10 км, с огромным магнитным полем (1013 гаусс). Нейтронные звезды обнаружены в виде пульсаров (пульсирующие источники радио- и рентгеновского излучений), а также барстеров (вспышечные источники рентгеновского излучения).

Черная дыра

В черной дыре большая масса вещества заключена в малом объеме (например, чтобы Солнце стало черной дырой, его диаметр должен уменьшится до 6 км). По современным представлениям, массивные звезды, заканчивая свою эволюцию, могут сколлапсировать в черную дыру.
Помимо черных дыр, ученые обсуждают возможность существования «кротовых нор» — областей сильно искривленного пространства, но в отличие от черной дыры ее поле не настолько сильное, чтобы оттуда нельзя было выйти. Такие «норы» могут соединять отдаленные области пространства и находиться вне нашего пространства, в неком суперпространстве. Есть предположения, что эти «норы» могут соединять нас с другими вселенными. Правда, далеко не все специалисты считают, что такие объекты реально существуют, но физические законы не запрещают их наличие.

Квазары - квазизвезды - ядра галактик и представляют собой сверхмассивные черные дыры.

 

Будущее Вселенной.

						Physicists have a good tradition,
every 13.7 billion years they get
together and build a "Large Hadron Collider."

Будет ли разлет галактик продолжаться всегда или расширение сменится сжатием? Для этого необходимо рассчитать, хватит ли сил гравитации остановить расширение (расширение идет по инерции, действуют лишь силы тяготения). Рассчитанное критическое значение плотности составляет
rкр=10-28 г/см3, а экспериментальное значение r=3x10-29 г/см3, т.е меньше критического значения.

Но... оказалось, что все не так просто, поскольку мы не знаем точно плотность (массу) Вселенной.

Как определить массу, а следовательно и плотность Вселенной?

Темные тайны Вселенной.

"Тёмной" материей ученые называют вещество, оказывающее ощутимое гравитационное воздействие на крупные космические объекты. При этом никакого излучения от этого вещества не регистрируется, оттуда и термин "тёмная".
Темной материи должно быть примерно в шесть раз больше обычного вещества. Поэтому ученые считают, что галактики и галактические скопления окружены гигантскими гало темной материи, которая состоит из частиц, очень слабо взаимодействующих с обычным веществом.
Считается, что темная материя состоит из особых гипотетических cлабовзаимодействующих массивных частиц–вимпов (WIMP – weakly interacting massive particle). Вимпы полностью невидимы, поскольку нечувствительны к электромагнитным взаимодействиям, главным в нашей повседневной жизни.
Темная энергия. Вселенная все время преподносит сюрпризы: оказалось, что помимо темной материи, существует и темная энергия. И эта новая, загадочная темная энергия неожиданно связана с будущим развитием Вселенной

Сегодня ученые говорят о новейшей революция в космологии.

В 1998 г. при наблюдении поведения очень отдаленных сверхновых типа Ia (с примерно одинаковой светимостью, в 4 млрд раз превышающей светимость Солнца), расположенных на расстояниях более 5 млрд световых лет, астрономы получили неожиданный результат. Оказалось, что изучаемый космический объект удаляется от нас все быстрее и быстрее, как будто что-то отталкивает его от нас, хотя гравитация должна была замедлять движение сверхновой.
Сегодня можно считать установленным, что скорость расширения нашего Мира не падает, а увеличивается.
Для объяснения этого эффекта ученые ввели понятие антигравитации, которая связана с наличием некоего поля космического вакуума. Энергию вакуума принято называть темной энергией, и она не излучает, не отражает и не поглощает света, ее невозможно увидеть – действительно, «темная энергия» в том смысле, что все скрыто во мраке. Темная энергия проявляет себя только тем, что создает… антитяготение и на ее долю приходится приблизительно 70% полной энергии мира (!!!).

Итак, из чего сделана Вселенная? В древности считали (Аристотель), что все в мире состоит из четырех стихий - огня, воды, воздуха и земли. Сегодня ученые говорят о четырех видах энергии:
1. Энергия космического вакуума, на которую приходится приблизительно 70% всей энергии Вселенной.
2. Темное вещество, с которым связано примерно 25% всей энергии Вселенной.
3. Энергия, связанная с «обычным» веществом, дает 4% всей энергии Вселенной. (Обычное вещество - это протоны, нейтроны и электроны; это вещество принято называть барионным (хотя электроны к барионам, т.е. тяжелым частицам, и не относятся). Число барионов во Вселенной неизменно: одна частица на кубический метр пространства.
4. Энергия различных видов излучений, вклад которых весьма мал - 0.01%. Излучение - это фотоны и нейтрино (а возможно, и гравитоны); в ходе космологического расширения излучение охладилось до очень низких температур - около 3 К (фотоны) и 2 К (нейтрино). Полное число фотонов и нейтрино неизменно и составляет приблизительно одну тысячу в каждом кубическом сантиметре пространства. Излучение почти идеально равномерно заполняет весь объем Вселенной,

Современные наблюдательные данные позволяют говорить, что на протяжении первых 7 млрд лет после Большого взрыва гравитирующая материя (как «обычная», так и темная) превалировала над темной энергией и Вселенная расширялась с замедлением скорости. Однако по мере расширения Вселенной плотность барионной и темной материи уменьшалась, а плотность темной энергии не изменялась, так что в конце концов антигравитация победила и сегодня она управляет миром.
 

Вывод- Вселенная будет расширяться неограниченно долго

Возникает естественный вопрос – как долго это будет продолжаться? Однозначно ответить на вопрос сегодня, по-видимому, невозможно. Если темная энергия не превратится во что-либо другое, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. В противном случае расширение может смениться на сжатие. Тогда все будет определяться тем, выше или ниже критической величины окажется плотность вещества во Вселенной. Однако сегодня рассматриваются и другие подходы к эволюции Вселенной.
Сравнительно недавно физики предложили новую и весьма экзотическую модель вечно пульсирующей Вселенной.
Вернемся к вопросу: "Как образовалась Вселенная?"

Итак, ученые выдвигают теории, что развитие Вселенной началось с "первоначального вещества" с плотностью 1036 г/см3 с температурой 1028 К. "Частицы" в этом первоначальном сгустке обладают огромной кинетической энергией, и вещество начинает расширяться, при этом температура и плотность Вселенной непрерывно уменьшаются. «Частицы» в горячем первоначальном сгустке обладают огромной кинетической энергией, и вещество начинает расширяться, при этом температура и плотность Вселенной непрерывно уменьшаются. Спустя малую долю секунды после рождения Вселенная как горячий суп из элементарных частиц — кварков и лептонов (кварковый суп). Вселенная расширялась и поэтому охлаждалась, благодаря самоорганизации в ней возникали новые структурные образования: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой нами части Вселенной содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд. Жизнью галактик управляет загадочная темная материя, которая с помощью гравитации удерживает звезды галактик вместе. А Вселенной как целым «дирижирует» еще более загадочная темная энергия, которая все быстрее и быстрее «расталкивает» Вселенную, что приведет к ее неминуемой гибели (!?).

Возможность зарождения Вселенной из "ничего". В целом Вселенная электронейтральна, поэтому она могла родиться из нулевого заряда. Простая аналогия: Энергия "ничего" равна нулю, но и энергия замкнутой Вселенной равна нулю, поэтому Вселенная возникла из "ничего".


Спасибо, что ознакомились с еще одной интересноой темой. Теперь стало ясно, что можно залезть по этим ступеням к вершинам знаний.

  Наверх

Дополнительные материалы  

Тема 5

В начале была звезда - Т.Оганесян

Тёмная материя находится в броуновском движении

Проблемы современной астрофизики - В.В.Железняков

Современная астрономия - новые направления и новые проблемы .

Вселенная может сжаться обратно

Вселенная не будет взрываться

Излучение космического микроволнового фона поляризовано

Опубликованы фотографии новорожденной Вселенной

Тёмную материю вот-вот поймают

Успехи физических наук - космический вакуум

У Вселенной насчитали восемь полюсов

Текстуры и строение Вселенной - Дж. Хорган

Космический вакуум

Результаты теоретического изучения энтропии черных дыр

Ученые готовятся проверить Стандартную модель физики

Раскрыт секрет появления Вселенной

Космический телескоп Э.Хаббла - 15 лет работы (В.Г. Курт)


schroert_теория_струн

temnmir

Большой_взрыв

Внутренняя симметрия Вселенной

Откуда астрономы это знают

Происхождение_Вселенной

Чернин_Физический вакуум и космическая анти

Черные_дыры

 


kaplya@softhome.net