Физический смысл закона Стефана-Больцмана и его применение для определения физических характеристик звезд

1.    Физический смысл закона Стефана-Больцмана и его применение для определения физических характеристик звезд.

Стефана—Больцмана закон, соотно­шение между полной мощностью излучения абсолютно черного тела и его темп-рой. Полная мощность еди­ничной площади излучения в Вт на 1 м² дается форму­лой Р = σ Т⁴, где σ = 5,67*10^-8 Вт/м² К⁴ — постоянная Стефана—Больцмана, Т — абсолютная температура абсолютного черного тела. Хотя астроном, объекты редко излучают, как абсолютно черное тело, их спектр излучения часто является удач­ной моделью спектра реального объекта. Зависимость от температуры в 4-й степени является очень сильной.

e – энергия излучения единицы поверхности звезды

L – светимость звезды, R – радиус звезды.

С помощью формулы Стефана-Больцмана и закона Вина определяют длину волны, на которую приходится максимум излучения:

l_maxT = b, b – постоянная Вина

Можно исходить из обратного, т. е. с помощью светимости и температуры определять размеры звёзд

2.    Определение географической широты места наблюдения по заданной высоте светила в кульминации и его склонению.

H = 90⁰ -  +

h – высота светила

БИЛЕТ № 18 Переменные и нестационарные звезды. Их значение для изучения природы звезд.

Блеск переменных звезд меняется со временем. Сейчас известно ок. 3*10⁴. П.З. подразделяются на физические, блеск которых меняется вследствие процессов протекающих в них или около них, и оптические П.З., где это изменение обусловлено вращением или орбитальным движением.

Наиболее важные типы физ. П.З.:

Пульсирующие – цефеиды, звезды типа Мира Кита, полуправильные и неправильные красные гиганты;

Эруптивные (взрывные) – звезды с оболочками, молодые неправильные переменные, в т.ч. звезды типа Т Тельца (очень молодые неправильные звезды, связанные с диффузными туманностями), сверхгиганты типа Хаббла – Сейнеджа (Горячие сверхгиганты высокой светимости, ярчайшие объекты в галактиках. Они неустойчивы и, вероятно, являются источниками излучения вблизи предела светимости Эддингтона, при превышении которого происходит «сдувание» оболочек звезд. Потенциальные сверхновые.), вспыхивающие красные карлики;

Катаклизмические ­– новые, сверхновые, симбиотические;

Рентгеновские двойные звезды

Указанные П.з. включают 98% известных физических п.з. К оптическим относятся затменно-двойные и вращающиеся такие, как пульсары и магнитные переменные. Солнце относится к вращающимся, т.к. его звездная величина слабо меняется, когда солнечные пятна появляются на диске.

Среди пульсирующих звёзд очень интересны цефеиды, названные так по имени одной из первых открытых переменных этого типа - 6 Цефея. Цефеиды - это звёзды высокой светимости и умеренной температуры (жёлтые сверхгиганты). В ходе эволюции они приобрели особую структуру: на определённой глубине возник слой, который аккумулирует энергию, приходящую из недр, а потом вновь отдаёт её. Звезда периодически сжимается, разогреваясь, и расширяется, охлаждаясь. Поэтому и энергия излучения то поглощается звёздным газом, ионизуя его, то опять выделяется, когда при охлаждении газа ионы захватывают электроны, излучая при этом световые кванты. В результате блеск цефеиды меняется, как правило, в несколько раз с периодом в несколько суток. Цефеиды играют особую роль в астрономии. В 1908 г. американский астроном Генриетта Ливитт, исследовавшая цефеиды в одной из ближайших галактик - Малом Магеллановом Облаке, обратила внимание на то, что эти звёзды оказывались тем ярче, чем продолжительнее был период изменения их блеска. Размеры Малого Магелланова Облака небольшие по сравнению с расстоянием до него, а это означает, что разница в видимой яркости отражает отличие в светимости. Благодаря найденной Ливитт зависимости период - светимость легко рассчитать расстояние до каждой цефеиды, измерив её средний блеск и период переменности. А так как сверхгиганты хорошо заметны, цефеиды можно использовать для определения расстояний даже до сравнительно далёких галактик, в которых они наблюдаются.Есть и вторая причина особой роли цефеид. В 60-е гг. советский астроном Юрий Николаевич Ефремов установил, что чем продолжительнее период цефеиды, тем моложе эта звезда. По зависимости период - возраст нетрудно определить возраст каждой цефеиды. Отбирая звёзды с максимальными периодами и изучая звёздные группировки, в которые они входят, астрономы исследуют самые молодые структуры Галактики. Цефеиды больше других пульсирующих звёзд заслуживают названия периодических переменных. Каждый следующий цикл изменений блеска обычно весьма точно повторяет предыдущий. Однако встречаются и исключения, самое известное из них - Полярная звезда. Уже давно обнаружено, что она относится к цефеидам, хотя и меняет блеск в довольно незначительных пределах. Но в последние десятилетия эти колебания стали затухать, а к середине 90-х гг. Полярная звезда практически перестала пульсировать.

Звезды с оболочками, звезды, непрерывно или с неправильными интервалами сбрасывающие коль­цо газа с экватора или сферическую оболочку. 3. с о. — гиган­ты или звезды-карлики спектрального класса В, быстровращающиеся и близкие к пределу разрушения. Сброс оболочки обычно сопровождается падением или увеличением блеска.

Симбиотические звезды, звезды, спе­ктры которых содержат эмиссионные линии и сочетают ха­рактерные особенности красного гиганта и горячего объекта — белого карлика или аккреционного диска вокруг такой звезды.

Звезды типа RR Лиры представля­ют другую важную группу пульсирую­щих звезд. Это старые звезды пример­но такой же массы, как Солнце. Мно­гие из них находятся в шаровых звезд­ных скоплениях. Как правило, они ме­няют свой блеск на одну звездную ве­личину приблизительно за сутки. Их свойства, как и свойства цефеид, ис­пользуют для вычисления астрономи­ческих расстояний.

R Северной Короны и звезды, подобные ей, ведут себя совершенно непредска­зуемым образом. Обычно эту звезду можно разглядеть невооруженным гла­зом. Каждые несколько лет ее блеск падает примерно до восьмой звездной ве­личины, а затем постепенно растет, воз­вращаясь к прежнему уровню. По-ви­димому, причина тут в том, что эта звез­да-сверхгигант сбрасывает с себя об­лака углерода, который конденсирует­ся в крупинки, образуя нечто вроде сажи. Если одно из этих густых чер­ных облаков проходит между нами и звездой, оно заслоняет свет звезды, пока облако не рассеется в пространстве. Звезды этого типа производят густую пыль, что имеет немаловажное значе­ние в областях, где образуются звезды.

Вспыхивающие звезды. Магнитные явления на Солнце явля­ются причиной солнечных пятен и со­лнечных вспышек, но они не могут су­щественно повлиять на яркость Солн­ца. Для некоторых звезд – красных кар­ликов – это не так: на них подобные вспышки достигают громадных масшта­бов, и в результате световое излучение может возрастать на целую звездную величину, а то и больше. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Кентавра, является одной из таких вспыхиваю­щих звезд. Эти световые выбросы не­льзя предсказать заранее, а продолжа­ются они всего несколько минут.

Вычисление склонения светила по данным о его высоте в кульминации на определенной географической широте.

H = 90⁰ -  +

h – высота светила

БИЛЕТ № 19 Двойные звезды и их роль в определении физических характеристик звезд.

Двойная звезда, пара звезд, связанная в одну систему силами тяготения и обращающаяся во­круг общего центра тяжести. Звезды, составляющие двойную звезду, называются ее компонентами. Двойные звезды весьма распро­странены и подразделяются на несколько типов.

Каждый компонент визуально-двойной звезды отчетливо виден в телескоп. Расстояние между ними и взаимная ориен­тация медленно меняются со временем.

Элементы затменно-двойной попеременно загораживают друг дру­га, поэтому блеск системы временно ослабевает, период между двумя изменениями блеска равен половине орбитального периода. Угло­вое расстояние между компонентами очень мало, и мы не можем наблюдать их по отдельности.

Спектрально-двойные звезды обнаруживают по изменениям их спектров. При взаимном обращении звезды периодически движутся то по на­правлению к Земле, то от Земли. По эффекту Допплера в спектре можно определять изменения движения.

Поляризационные двойные характеризуются периодическими изменениями поляризации света. В таких системах звезды при своем орбитальном движении освещают газ и пыль в пространстве между ними, угол падения света на это вещество периодически меняется, при этом рассеян­ный свет поляризуется. Точные измерения этих эффек­тов позволяют вычислить орбиты, отношения звездных масс, размеры, скорости и расстояние между компонен­тами. Например, если звезда одновременно затменная и спектрально-двойная, то можно определить массу каж­дой звезды и наклон орбиты. По характеру изменения блеска в моменты затмений можно определять относительные размеры звезд и изучать строение их атмосфер. Двойные звезды, служа­щие источником излучения в рентгеновском диапазоне, называются рентгеновскими двойными. В ряде случа­ев наблюдается третий компонент, обращающийся во­круг центра масс двойной системы. Иногда один из компонентов двойной системы (или оба), в свою очередь, может оказаться двойными звездами. Тесные компо­ненты двойной звезды в тройной системе могут иметь период несколько суток, тогда как третий элемент может обращаться во­круг общего центра масс тесной пары с периодом в сот­ни и даже тысячи лет.

Измерение скоростей звезд двойной системы и применение закона всемир­ного тяготения представляют собой важный метод определения масс звезд. Изучение двойных звезд – это един­ственный прямой способ вычисления звездных масс.

В системе близко расположенных двой­ных звезд взаимные силы тяготения стремятся растянуть каждую из них, придать ей форму груши. Если тяготе­ние достаточно сильно, наступает кри­тический момент, когда вещество на­чинает утекать с одной звезды и па­дать на другую. Вокруг этих двух звезд имеется некоторая область в форме трехмерной восьмерки, поверхность ко­торой представляет собой критическую границу. Эти две грушеобразные фи­гуры, каждая вокруг своей звезды, на­зываются полостями Роша. Если одна из звезд вырастает настолько, что за­полняет свою полость Роша, то вещес­тво с нее устремляется на другую звез­ду в той точке, где полости соприкаса­ются. Часто звездный материал не опус­кается прямо на звезду, а сначала за­кручивается, образуя так назы­ваемый аккреционный диск. Если обе звезды настолько расширились, что заполнили свои полости Роша, то воз­никает контактная двойная звезда. Ма­териал обеих звезд перемешивается и сливается в шар вокруг двух звездных ядер. Поскольку в конечном счете все звезды разбухают, превращаясь в ги­ганты, а многие звезды являются двой­ными, то взаимодействующие двойные системы – явление нередкое.

Вычисление высоты светила в кульминации по известному склонению для заданной географической широты.

H = 90⁰ -  +

h – высота светила

БИЛЕТ № 20 Эволюция звезд, ее этапы и конечные стадии.

Звезды образуются в межзвездных газопылевых облаках и туманностях. Основная сила, «формирующая» звезды – гравитация. При определенных условиях очень разреженная атмосфера (межзвездный газ) начинает сжиматься под действием сил гравитации. Облако газа уплотняется в центре, где удерживается выделяемое при сжатии тепло – возникает протозвезда, излучающая в инфракрасном диапазоне. Протозвезда разогревается под действием падающего на нее вещества, и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии. В таком состоянии это уже переменная звезда типа Т Тельца. Остатки облака рассеиваются. Далее гравитационные силы стягивают атомы водорода к центру, где они сливаются, образуя гелий и выделяя энергию. Растущее давление в центре препятствует дальнейшему сжатию. Это – стабильная фаза эволюции. Эта звезда является звездой Главной последовательности. Светимость звезды растет по мере уплотнения и разогрева ее ядра. Время, в течение которого звезда принадлежит Главной последовательности, зависит от ее массы. У Солнца это приблизительно 10 миллиардов лет, однако звезды гораздо более массивные, чем Солнце существуют в стационарном режиме лишь несколько миллионов лет. После того как звезда израсходует водород, содержащийся в центральной ее части, внутри звезды происходят крупные перемены. Водород начинает перегорать не в центре, а в оболочке, которая увеличивается в размере, раз­бухает. В результате размер самой звез­ды резко возрастает, а температура ее поверхности падает. Именно этот про­цесс и порождает красных гигантов и сверхгигантов. Конечные стадии эволюции звезды также определяются массой звезды. Если эта масса не превосходит сол­нечную более чем в 1,4 раза, звезда ста­билизируется, становясь белым карли­ком. Катастрофического сжатия не про­исходит благодаря основному свойст­ву электронов. Существует такая сте­пень сжатия, при которой они начина­ют отталкиваться, хотя никакого источ­ника тепловой энергии уже нет. Это происходит лишь тогда, когда электроны и атомные ядра сжаты не­вероятно сильно, образуя чрезвычайно плотную материю. Белый карлик с массой Солнца по объему приблизительно равен Земле. Белый карлик постепенно остывает, в конечном итоге превращаясь в темный шар радиоактивного пепла. По оценкам астрономов, не менее десятой части всех звезд Галактики – белые карлики.

Если масса сжимающейся звезды пре­восходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, на этом не остановит­ся. Гравитационные силы в этом слу­чае столь велики, что электроны вдав­ливаются внутрь атомных ядер. В ре­зультате протоны превращаются в ней­троны, способные при­легать друг к другу без всяких проме­жутков. Плотность нейтронных звезд превосходит даже плотность белых кар­ликов; но если масса материала не пре­восходит 3 солнечных масс, нейтроны, как и электроны, способны сами пред­отвратить дальнейшее сжатие. Типич­ная нейтронная звезда имеет в попе­речнике всего лишь от 10 до 15 км, а один кубический сантиметр ее вещест­ва весит около миллиарда тонн. Помимо громадной плотности, нейтронные звезды облада­ют еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая на столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнит­ное поле.

Если масса звезды превышает 3 массы Солнца, то конечной стадией ее жизненного цикла является, вероятно, черная дыра. Если масса звезды, а, следовательно, и сила тяготе­ния так велики, то звезда подвергается катастрофиче­скому гравитационному сжатию, которому не могут противостоять никакие стабилизирующие си­лы. Плотность вещества в ходе этого процесса стремится к бесконечности, а радиус объек­та — к нулю. Согласно теории относительности Эйн­штейна, в центре черной дыры возникает сингулярность прост­ранства-времени. Гравитационное поле на поверхности сжимающейся звезды растет, поэтому излучению и час­тицам становится все труднее ее покинуть. В конце концов, такая звезда оказывается под горизонтом собы­тий, который можно наглядно представить как односто­роннюю мембрану, пропускающую вещество и излучение только внутрь и не выпускающую ничего наружу. Коллапсирующая звезда превращается в черную дыру, и ее можно обнаружить только по резкому изменению свойств прост­ранства и времени около нее. Радиус горизонта собы­тий называется радиусом Шварцшильда.

Звезды с массой меньше 1,4 солнечной в конце жизненного цикла медленно сбрасывают верхнюю оболочку, которую называют планетарной туманностью. Более массивные звезды, которые превращаются в нейтронную звезду или черную дыру, сначала взрываются как сверхновые, их блеск за короткое время увеличивается на 20 величин и более, высвобождается энергии больше, чем излучает Солнце за 10 миллиардов лет, а остатки взорвавшейся звезды разлетаются со скоростью 20 000 км в секунду.

Наблюдение и зарисовка положений солнечных пятен с помощью телескопа (на экране). БИЛЕТ № 21 Состав, структура и размеры нашей Галактики.

Галактика, звездная система, к которой принад­лежит Солнце. Галактика содержит по меньшей мере 100 млрд. звезд. Три главные составляющие: центральное утолщение, диск и галактическое гало.

Центральное утолщение состоит из старых звезд населения II типа (красные гиганты), расположенных очень плотно, а в его цен­тре (ядре) находиться мощный источник излучения. Предполагалось что в ядре находится черная дыра, инициирующая наблюдаемые мощные энергети­ческие процессы сопровождаемые излучением в радиоспектре. (Газовое кольцо вращается вокруг черной дыры; горячий газ, срываясь с его внутреннего края, падает на черную дыру, при этом выделяется энергия, которую мы и наблюдаем.) Но недавно в ядре была зарегистрирована вспышка видимого излучения и гипотеза о черной дыре отпала. Параметры центрального утолщения: 20 000 световых лет в поперечнике и 3000 световых лет в толщину.

Диск Галактики, содержащий молодые звезды населения I ти­па (молодые голубые сверхгиганты), межзвездную материю, рассеянные звездные скоп­ления и 4 спиральные рукава, имеет диаметр 100 000 световых лет и толщину всего 3000 световых лет. Галактика вращается, внутренние её части проходят по своим орбитам намного быстрее, чем внешние. Солнце совершает полный оборот вокруг ядра за 200 млн лет. В спиральных рукавах идет непрерывный процесс звездообразования.

Галактическое гало концентрично с диском и центральным утолщением и состоит из звезд, преимущественно являющихся членами шаровых скоплений и принадлежащих к населению II типа. Однако большая часть вещества в гало невидима и не может быть заключена в обычных звездах, это не газ и не пыль. Таким образом в гало содержится темное невидимое вещество. Расчеты скорости вращения Большого и Малого Магеллановых Облаков, являющихся спутниками Млечного Пути, показывают, что масса, заключенная в гало, в 10 раз превышает массу, которую мы наблюдаем в диске и утолщении.

Солнце расположено на расстоянии 2/3 от центра дис­ка в Орионовом рукаве. Его локализация в плоскости диска (галактического экватора) позволяет видеть с Земли звезды диска в виде узкой полосы Млечного Пути, охватывающей всю не­бесную сферу и наклоненной под углом 63° к небесно­му экватору. Центр Галактики лежит в Стрельце, но он ненаблюдаем в види­мом свете из-за темных туманностей из газа и пыли, поглощающих свет звезд.

Вычисление радиуса звезды по данным о ее светимости и температуре.

L – светимость (Lc = 1)

R – радиус (Rc = 1)

T – Температура (Tc = 6000)

БИЛЕТ № 22 Звездные скопления. Физическое состояние межзвездной среды.

Звездные скопления – это группы звёзд, расположенных относительно близко друг к другу и связанных общим движением в пространстве. По-видимому, почти все звезды рожда­ются группами, а не по отдельности. Поэтому звездные скопления — вещь весьма распространенная. Астрономы любят изучать звездные скопления, потому что все звез­ды, входящие в скопление, образова­лись примерно в одно и то же время и приблизительно на одинаковом рассто­янии от нас. Любые заметные разли­чия в блеске между такими звездами являются истинными различиями. Осо­бенно полезно изучение звездных скоп­лений с точки зрения зависимости их свойств от массы — ведь возраст этих звезд и их расстояние от Земли при­мерно одинаковы, так что отличаются они друг от друга только своей массой. Есть два типа звездных скоплений: откры­тые и шаровые. В открытом скоп­лении каждая звезда видна отдельно, они распределены на некотором участ­ке неба более или менее равномерно. А шаровые скопления, наоборот, пред­ставляют собой как бы сферу, столь плотно заполненную звездами, что в ее центре отдельные звезды неразличимы.

Открытые скопления содержат от 10 до 1000 звезд, среди них гораздо больше молодых, чем старых, а самые старые едва ли насчитывают более 100 миллионов лет. Дело в том, что в более старых скопле­ниях звезды постепенно отдаляются друг от друга, пока не смешаются с ос­новным множеством звезд. Хотя тяготение до не­которой степени удерживает открытые скопления вместе, они все же доволь­но непрочны, и тяготение другого объ­екта может их разорвать.

Облака, в которых образуются звез­ды, сконцентрированы в диске нашей Галактики, и именно там обнаружива­ют открытые звездные скопления.

В противоположность открытым, ша­ровые скопления представляют собой сферы, плотно заполненные звездами (от 100 тыс до 1 млн). Размер типичного ша­рового скопления — от 20 до 400 све­товых лет в поперечнике.

В плотно набитых центрах этих скоп­лений звезды находятся в такой бли­зости одна к другой, что взаимное тя­готение связывает их друг с другом, об­разуя компактные двойные звезды. Иногда происходит даже полное слия­ние звезд; при тесном сближении на­ружные слои звезды могут разрушить­ся, выставляя на прямое обозрение цен­тральное ядро. В шаровых скоплениях двойные звезды встречаются в 100 раз чаще, чем где-либо еще.

Вокруг нашей Галактики мы знаем около 200 шаровых звездных скопле­ний, которые распределены по всему гало, заклю­чающему в себе Галактику. Все эти скопления очень стары, и возникли они более или менее в то же время, что и сама Галактика. Похоже на то, что скоп­ления образовались, когда части обла­ка, из которого была создана Галакти­ка, разделились на более мелкие фраг­менты. Шаровые скопления не расхо­дятся, потому что звезды в них сидят очень тесно, и их мощные взаимные силы тяготения связывают скопление в плотное единое целое.

Вещество (газ и пыль), находящееся в пространст­ве между звездами, называется межзвез­дной средой. Большая его часть скон­центрирована в спиральных рукавах Млечного Пути и составляет 10% его массы. В некоторых облас­тях вещество относительно холодное (100 К) и обнаружива­ется по инфракрасному излучению. Такие облака со­держат нейтральный водород, молекуляр­ный водород и другие радикалы, наличие которых можно обнаружить с помощью радиотелескопов. В областях вблизи звезд высокой светимости температура газа может достигать 1000—10000 К, и водород ионизован.

Межзвездная среда очень сильно разрежена (около 1 атома на см³). Однако в плотных облаках концентрация вещества может быть в 1000 раз выше средней. Но и в плотном облаке на кубический санти­метр приходится всего несколько со­тен атомов. Причина, по которой нам все же удается наблюдать межзвездное вещество, состоит в том, что мы ви­дим его в большой толще пространства. Размеры частиц составляют 0,1 мкм, они содержат углерод и кремний, поступают в межзвездную среду из атмосферы холодных звезд в результате взрывов сверхновых. Образующаяся смесь формирует новые звезды. Межзвездная среда имеет слабое магнитное поле и пронизано потоками космических лучей.

Наша Солнечная система находится в той области Галактики, где плотность межзвездного вещества необычайно низ­ка. Эта область называется Местным «пу­зырем»; она простирается во все стороны примерно на 300 световых лет.

Вычисление угловых размеров Солнца для наблюдателя, находящегося на другой планете. БИЛЕТ № 23 Основные типы галактик и их отличительные особенности.

Галактики, системы звезд, пыли и газа пол­ной массой от 1 млн. до 10 трлн. масс Солнца. Истинная природа галактик была окончательно объяснена только в 1920-х гг. по­сле острых дискуссий. До этого времени при наблюдениях в телескоп они выглядели как диффузные пятна света, напоминающие туманности, но только с помощью 2,5-метрового телескопа-рефлектора обсерватории Маунт-Вилсон, впервые использованного в 1920-х гг., уда­лось получить изображения отд. звезд в туманности Андромеды и доказать, что это галактика. Этот же телескоп применялся Хабблом для измерения периодов цефеид в туманности Андромеды. Эти переменные звезды изучены достаточно хорошо, чтобы можно было точно определить расстояния до них. Расстояние до туманно­сти Андромеды составляет ок. 700 кпк, т.е. она лежит далеко за пределами нашей Га­лактики.

Имеется несколько типов галактик, основные — спиральные и эллиптичес­кие. Предпринимались попытки классифицировать их с помощью буквенных и цифровых схем, таких, как клас­сификация Хаббла, однако некоторые галактики не укладывают­ся в эти схемы, в этом случае их называют в честь астро­номов, которые впервые выделили их (например галактики Сейферта и Маркаряна), или дают буквенные обозначения клас­сификационных схем (например Галактики N-типа и cD-типа). Галактики, не имеющие отчетливой формы, классифицируются как неправильные. Происхождение и эволюция галактик еще до конца не поняты. Лучше всего изучены спиральные галактики. К ним относятся объекты, имеющие яркое ядро, из которого исходят спиральные рукава из газа, пыли и звезд. Большинство спиральных галактик имеют 2 рукава, исходящих из противоположных сторон ядра. Как правило звезды в них молодые. Это нормальные спирали. Ещё есть пересечённые спирали, у которых есть центральная перемычка из звёзд, соединяющая внутренние концы двух рукавов. Наша Г. так­же относится к спиральным. Массы почти всех спиральных Г. лежат в диапазоне от 1 до 300 млрд. масс Солнца. Около трёх четвертей всех галактик во Вселенной являются эллиптическими. Они имеют эллиптическую фор­му, лишенную различимой спиральной структуры. Их форма может изменяться от почти сферической до сигарообразной. По размеру они очень разнообразны – от карликовых массой несколько млн солнечных до гигантских массой 10 трлн солнечных. Самые большие из известных — Галактики cD-типа. Они имеют большое ядро или, возможно, несколько ядер, быстро движущихся относи­тельно друг друга. Часто это довольно сильные радиоисточники. Галактики Маркаряна были выделены советским астрономом Вениамином Маркаряном в 1967 г. Они являются сильными источ­никами излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Галактики N-типа имеют похожее на звезду слабо светящееся ядро. Они также сильные радиоисточники и предположительно, эволюционируют в квазары. На фото сейфертовские галактики выглядят как нормаль­ные спирали, но с очень ярким ядром и спектрами с ши­рокими и яркими эмиссионными линиями, указываю­щими на присутствие в их ядрах большого кол-ва быстровращающегося горячего газа. Этот тип Галактик открыт американским астрономом Карлом Сейфертом в 1943 г. Галактики, наблюдаемые оптически и в то же время являющие­ся сильными радиоисточниками, называются радиогалактиками. К ним относятся сейфертовские Галактики, Г. сD- и N-типа и некоторые квазары. Механизм генерации энергии радиогалактик еще не понят.

Определение условий видимости планеты Сатурн по данным «Школьного астрономического календаря».

БИЛЕТ № 24

Основы современных представлений о строении и эволюции Вселенной.

В 20 в. было до­стигнуто понимание Вселенной как единого целого. Первый важный шаг был сделан в 1920-х гг., когда уче­ные пришли к выводу, что наша Галактика – Млеч­ный Путь – одна из миллионов галактик, а Солнце – одна из миллионов звезд Млечного Пути. Последующее изучение га­лактик показало, что они удаляются от Млечного Пу­ти, причем чем дальше они находятся, тем больше эта скорость (измеренная по красному смещению в ее спек­тре). Т.о., мы живем в расширяющейся Вселенной. Разбегание галактик отражено в законе Хаббла, согласно которому красное смещение галактики пропорци­онально расстоянию до нее. Кроме того, в самом крупном масштабе, т.е. на уровне сверхскоплений галактик, Вселенная имеет ячеистую структуру. Современная космология (учение об эволюции Вселенной) базируется на двух постулатах: Вселенная однородна и изотропна.

Существует несколько моделей Вселенной.

В модели Эйнштейна - де Ситтера расширение Вселенной продолжается бесконечно долго, в статической модели Вселенная не расширяется и не эволюционирует, в пульсирующей Вселенной циклы расширения и сжатия повторяются. Однако статическая модель наименее вероятна, не в её пользу говорит не только закон Хаббла, но и обнаруженное в 1965 году фоновое реликтовое излучение (т.е. излучение первичного расширяющегося раскаленной четырехмерной сферы).

В основе некоторых космологических моделей лежит теория «горячей Вселенной», изложенная ниже.

В соответствии с решениями Фридмана уравнений Эйнштейна 10–13 миллиардов лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса. Плотность энергии бесконечна, бесконечна и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярным.

В 1946 году Георгий Гамов и его коллеги разработали физическую теорию начального этапа расширения Вселенной, объясняющую наличие в ней химических элементов синтезом при очень высоких температуре и давлении. Поэтому начало расширения по теории Гамова назвали «Большым Взрывом». Соавторами Гамова были Р. Альфер и Г. Бете, поэтому иногда эту теорию называют «α, β, γ-теория».

Вселенная расширяется из состояния с бесконечной плотностью. В сингулярном состоянии обычные законы физики неприменимы. По-видимому, все фундаментальные взаимодействия при столь высоких энергиях неотличимы друг от друга. А с какого радиуса Вселенной имеет смысл говорить о применимости законов физики? Ответ – с планковской длины:

, начиная с момента времени t_p= R_p/c = 5*10^-44с (c – скорость света, h – постоянная Планка). Скорее всего, именно через t_P гравитационное взаимодействие отделилось от остальных. По теоретическим расчетам, в течение первых 10^-36 с, когда температура Вселенной была больше 10²⁸ К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной. Из современных теорий квантовой физики следует, что в это время сильное ядерное взаимодействие отделилось от электромагнитного и слабого. Выделившаяся в результате энергия и явилась причиной катастрофического расширения Вселенной, которая за крошечный промежуток времени в 10^{– 33} с увеличилась от размеров атома до размеров Солнечной системы. В это же время появились привычные нам элементарные частицы и чуть меньшее количество античастиц. Вещество и излучение все еще находилось в термодинамическом равновесии. Эта эпоха называется радиационной стадией эволюции. При температуре 5∙10¹² К закончилась стадия рекомбинации: почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в фотоны; остались только те, для которых не хватило античастиц. Первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составляет одну миллиардную от их числа. Именно из этого «избыточного» вещества и состоит в основном вещество наблюдаемой Вселенной. Спустя несколько секунд после Большого Взрыва началась стадия первичного нуклеосинтеза, когда образовывались ядра дейтерия и гелия, продолжавшаяся около трех минут; затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной.

Примерно через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это излучение назвали реликтовым, его температура была около 3000 К. В настоящее время регистрируется фон с температурой 2,7 К. Реликтовое фоновое излучение открыли в 1965 году. Оно оказалось в высокой степени изотропным и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной. После первичного нуклеосинтеза вещество начало эволюционировать самостоятельно, из-за вариаций плотности вещества, образовавшихся в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга во время инфляционной стадии, появились протогалактики. Там, где плотность была чуть больше средней, образовались очаги притяжения, области с пониженной плотностью делались все разреженнее, так как вещество уходило из них в более плотные области. Именно так практически однородная среда разделилась на отдельные протогалактики и их скопления, а спустя сотни миллионов лет появились первые звезды.

Космологические модели приводят к выводу, что судьба Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего ее вещества. Если она ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Этот вариант называется «открытая Вселенная». Похожий сценарий развития ждет и плоскую Вселенную, когда плотность равна критической. Через гугол лет прогорит все вещество в звездах, и галактики погрузятся во тьму. Останутся только планеты, белые и коричневые карлики, а столкновения между ними будут крайне редки.

Однако даже в этом случае метагалактика не вечна. Если верна теория великого объединения взаимодействий, через 10⁴⁰ лет распадутся составляющие бывшие звезды протоны и нейтроны. Спустя приблизительно 10¹⁰⁰ лет испарятся гигантские черные дыры. В нашем мире останутся лишь электроны, нейтрино и фотоны, удаленные друг от друга на огромные расстояния. В известном смысле это будет конец времени.

Если же плотность Вселенной окажется слишком велика, то наш мир замкнут, а расширение рано или поздно сменится катастрофическим сжатием. Вселенная закончит свою жизнь в гравитационном коллапсе в известном смысле это еще хуже.

Вычисление расстояния до звезды по известному параллаксу.