Как может вселенная закрыть свое лицо

§ 30. Расширяющаяся Вселенная

1. Опишите пространственное распределение галактик во Вселенной.

Галактики образуют группы, скопления и большие системы галактик. Из 40 ближайших галактик наиболее массивная — Местная группа галактик. В эту группу входят наша Галактика и туманность Андромеды. Они образуют систему галактик, размер которых достигает нескольких сотен килопарсек.

Системы галактик могут объединять до тысячи галактик, а их размеры достигают нескольких мегапарсек. Ближайшее такое крупное объединение находится в направлении созвездия Девы на расстоянии около 20 Мпк., имеет размер примерно в 5 Мпк.

Комплексы скоплений галактик содержат десятки скоплений и имеют размеры 30-60 Мпк. Такие комплексы называют сверхскоплениями галактик. Наша Местная группа галактик входит в скопление в созвездии Девы разером 60 Мпк, которое объединяет около 2000 галактик. Всего известно около 50 сверхскоплений.

2. Как объясняется красное смещение и о чём оно свидетельствует?

Красное смещение в спектрах галактик свидетельствует о постоянном расширении Вселенной, «разлёту» скоплений галактик.

3. В чём состоит сущность теории расширяющейся Вселенной?

Сущность теории состоит в том, что Вселенная не может быть стационарна — она должна либо расширяться, либо сжиматься. Расширение Вселенной обнаружил Э. Хаббл, когда зафиксировал разбегание галактик.

4. К каким выводам о стационарности Вселенной пришёл А. А. Фридман?

Из расчётов Фридмана вытекали три возможных следствия: Вселенная и её пространство расширяются с течением времени; Вселенная через определённое время начнёт сжиматься; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

5. Что такое критическая плотность Вселенной? В какой взаимосвязи критическая плотность находится с расширением или сжатием Вселенной?

Существует значение критической плотности $ρ_<кр>$ Вселенной, определяемое по формуле:

где $G$ — гравитационная постоянная, $Н$ — постоянная Хаббла. Расчёты по данной формуле дают, что $ρ_ <кр>= 10-26\, кг/м^3.$

Критическая плотность — это максимальная плотность вещества Вселенной, которой она якобы может достичь. При достижении максимальной плотности (критической) Вселенная должна перестать расширяться и начать сжиматься. Если плотность меньше критической, то Вселенная продолжит расширяться. По последним оценкам, плотность Вселенной близка к критической (либо немного меньше, либо больше).

6. Опишите модель горячей Вселенной.

Согласно модели, которую выдвинули Ж. Леметр и Г. А. Гамов, на ранних стадиях развития Вселенная имела очень высокую плотность вещества и высокую температуру. Эта гипотеза получила название Большого взрыва.

Суть теории заключается в том, что вселенная возникла в результате взрыва: материя с очень высокой плотностью и огромной энергией начала своё расширение. Такое состояние материи получило название сингулярность — точечный объём с бесконечной плотностью. По мере расширение температура будущей Вселенной постепенно снижалась, что способствовало образованию звёзд и галактик. Хотя процесс образования Вселенной нельзя рассматривать как расширение в окружающее пространство, т.к. его вовсе не было. Вселенная — это всё существующее.

7. Что понимается под закрытой и открытой моделями Вселенной?

Существуют две теоретические модели будущего Вселенной — закрытая и открытая.

Закрытая. Вселенная может быть закрытой системой, которая испытывает множество эволюционных циклов. После цикла расширения Вселенная начнёт процесс сжатия, пока не вернётся в первоначальное состояние — сингулярное — затем снова будет взрыв. Длительность полного цикла составляет 100 млрд лет. Начиная каждый новый цикл, Вселенная теряет «память» и может «родиться» с совершенно новым набором физических констант.

Открытая. Эта модель рассматривает варианты «тепловой смерти» Вселенной. Звёзды в системе постепенно будут остывать и через $10^14$ лет многие их них пропадут, что приведёт к отрыву планет от своих звёзд. Планеты покинут галактики. Сами галактики прекратят своё существование, превратившись в чёрные дыры.

Источник

Новое исследование предполагает, что Вселенная является замкнутой сферой

Ученые говорят, что ключ к искривлению Вселенной заключается в том, как гравитация изгибает путь света

Если вы находитесь внутри чего-то, вам трудно точно определить его форму. Мы до сих пор все еще узнаем что-то новое о форме нашей галактики.

Как тогда насчет формы Вселенной? Ее гораздо сложнее измерить, но годы наблюдательных данных, космологических моделей и физики говорят о том, что она пространственно плоская. Отправьте пучок фотонов через пустоту, и он будет продолжать двигаться по прямой линии.

Новое исследование утверждает обратное. Основываясь на данных, опубликованных в прошлом году и собранных спутником Планка Европейского космического агентства, астрономы доказывают, что Вселенная фактически искривлена и замкнута, как раздувающаяся сфера.

Это означает, что пучок фотонов в конечном итоге вернется туда, откуда они начал свое движение, пересекая другие лучи, которые будут оставаться параллельными в сценарии плоской Вселенной.

Согласно исследованию международной команды астрономов во главе с Элеонорой ди Валентино из Манчестерского университета в Великобритании, их результаты представляют собой «космологический кризис», который требует «радикального переосмысления текущей космологической модели согласования».

Ученые говорят, что ключ к искривлению Вселенной заключается в том, как гравитация изгибает путь света, и этот эффект, предсказанный Эйнштейном, называется гравитационным линзированием.

Не только любой свет, но и космический микроволновый фон (реликтовое излучение). Это электромагнитное излучение, оставшееся в пространстве между звездами и галактиками, начиная примерно с 380 000 лет после Большого взрыва, когда сформировались первые нейтральные атомы Вселенной.

Как только вы заблокируете все другие источники света, пространство будет слабо светится, что-то вроде фоновой статики. Это самый старый свет во Вселенной, обладающий высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела, с плотностью энергии 400-500 фотонов/см 3 .

Если посмотреть на данные со спутника Планка, и в частности на данные 2018 года, они показывают, что реликтовое излучение подвергается гравитационной линзе более сильной, чем должно было быть. Коллаборация Планка назвало эту аномалию Alens, и это еще не решено, но команда ученых считает, что одним из объяснений может быть форма Вселенной.

«Закрытая Вселенная может дать физическое объяснение этому эффекту, поскольку космические микроволновые фоновые спектры Планка теперь предпочитают положительную кривизну при уровне достоверности более 99 процентов», – пишут они.

«Здесь мы дополнительно исследуем доказательства существования закрытой Вселенной от Планка, показывающие, что положительная кривизна естественным образом объясняет аномальную амплитуду линзирования».

Закрытая Вселенная может объяснить эту аномалию, но есть несколько больших проблем, не в последнюю очередь из-за того, что все другие анализы наборов данных Планка, включая данные 2018 года, приводят к выводу, что наши космологические модели верны. А они включают в себя плоскую Вселенную.

Есть и другие проблемы, и исследователи постаралась отметить это в своей статье. Одним из них является постоянная Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, нерешенная проблема космологии. Не существует двух одинаковых измерений постоянной Хаббла, и искривление Вселенной только затрудняет ее предсказание.

Данные барионных исследований акустических колебаний темной энергии – неизвестной энергии, ускоряющей расширение Вселенной – также не согласуются с моделью замкнутой Вселенной, как и данные о космическом сдвиге, полученные из наблюдений гравитационного линзирования.

Астрофизики Джордж Эфстатиу и Стивен Граттон из Кембриджского университета также проанализировали данные Планка за 2018 год и нашли доказательства кривизны вселенной, но когда они сравнили их с другими наборами данных Планка и данными об акустических колебаниях барионов, они обнаружили “убедительные доказательства в поддержку пространственно плоской Вселенной”.

Таким образом, в широком смысле, большая часть данных, кажется, подтверждает плоскую Вселенную, за исключением аномалии Аленса. Это проблема, которая должна быть решена в будущем.

«Будущие измерения необходимы для выяснения того, являются ли наблюдаемые расхождения следствием необнаруженной систематики, новой физики или просто статистическим отклонением», – пишут ученые в своей статье. Исследование было опубликовано в Nature Astronomy.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Новое исследование предполагает, что Вселенная является замкнутой сферой

Данные барионных исследований акустических колебаний темной энергии — неизвестной энергии, ускоряющей расширение Вселенной — также не согласуются с моделью замкнутой Вселенной, как и данные о космическом сдвиге, полученные из наблюдений гравитационного линзирования.

Астрофизики Джордж Эфстатиу и Стивен Граттон из Кембриджского университета также проанализировали данные Планка за 2018 год и нашли доказательства кривизны вселенной, но когда они сравнили их с другими наборами данных Планка и данными об акустических колебаниях барионов, они обнаружили «убедительные доказательства в поддержку пространственно плоской Вселенной».

Источник

Конспект урока на тему «Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная»

Тема урока: Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная

Цель урока: изучить строение и эволюцию Вселенной как целого

Определить такие понятия темы, как космология, Вселенная, Метагалактика;

Определить содержание космологического принципа, фотометрического парадокса, гравитационного парадокса;

Установить связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной;

Описать космологическую модель «горячей Вселенной».

Оборудование к уроку, необходимое дополнительные материалы: презентация

Оборудование: воздушный шарик для иллюстрации расширения Вселенной, презентация

Актуализация опорных знаний

1.1. Прочитайте стихотворение Самуила Маршака и проанализируйте его строки.

Самуил Маршак

Только ночью видишь ты вселенную.

Только ночью видишь ты вселенную.
Тишина и темнота нужна,
Чтоб на эту встречу сокровенную,
Не закрыв лица, пришла она.

Вопросы для анализа стихотворения:

о чем размышлял человек, написавший эти строки? (почему только ночью можно увидеть Вселенную? Как может Вселенная «закрыть свое лицо»?)

назовите способы для лучшего рассмотрения лика Вселенной

что возникает перед твоими глазами, когда ты читаешь эти строки?

слышится ли тебе музыка, когда ты читаешь эти строки? Какая музыка?

в какой ситуации ты мог захотеть прочитать эти строки?

1.2. Составь свою Вселенную, используя свои представления и предложенные свойства

1.3. Определите основные свойства Вселенной

2. Организация усвоения новых знаний

2.1. Прочитайте текс описывающий эффект Доплера и ответьте на вопросы.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Доплера для звуковых волн

Эффект Доплера для световых волн (или красное смещение)

Движение машины с включенной сиреной

Движение далеких Галактик

Когда машина не движется относительно наблюдателя , тогда он слышит именно тот тон , который издаёт сирена . Но если машина будет приближаться к наблюдателю , то частота звуковых волн увеличится , и наблюдатель услышит более высокий тон , чем на самом деле издаёт сирена . А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться , а не приближаться , то наблюдатель услышит более низкий тон ,

Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912—1914; в 1929 Э. Хаббл открыл, что Красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон К. с., или закон Хаббла). В результате красного смещения происходит уменьшении энергии приходящих фотонов.

Вопросы для обсуждения:

Можно ли «слышать» и «видеть» эффект Доплера? Приведите примеры.

Почему линии в спектрах далеких галактик смещены в красную сторону?

Почему красное смещение, определенное по большому числу галактик, растет ступенчато с расстоянием?

Почему несколько ближайших галактик имеет фиолетовое смещение?

Акустический эффект Доплера можно слышать, как изменение тона звука свистка проносящегося мимо платформы поезда. «Видеть» эффект можно, хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн в направлении движения пальца будут сгущаться, т. е. длина волны станет меньше обычной, в направлении назад — больше.

Это явление получило название «метагалактическое красное смещение». Оно интерпретируется согласно принципу Доплера как увеличение средних расстояний между галактиками. Причиной этого является, по современным воззрениям, огромный взрыв, происшедший 10—20 млрд лет назад и приведший к разбеганию галактик.

Этот наблюдательный факт доказывает ячеистую структуру Метагалактики.

Пекулярные скорости этих галактик больше скоростей разбегания галактик.

2.2. Сформулируйте ответ на вопрос после рассмотрения содержания фотометрического и гравитационного парадоксов (работа производится в группах; каждая группа изучает один из парадоксов, в дальнейшем один из представителей группы пересказывает его суть, решение, а так же отвечает на поставленные вопросы).

Фотометрический парадокс (подробно изложен немецким ученым Генрихом Ольбресом в 1826 году): в бесконечной Вселенной, заполненной звездами в хаотичном порядке, наблюдатель с Земли должен постоянно натыкаться взглядом на поверхность звезды (яркость объекта не зависит от расстояния до него). В действительности этого нет.

Для объяснения парадокса Ольберс предположил, что в межзвездном пространстве имеется рассеянное вещество, которое поглощает свет далеких звезд.

Вопросы для обсуждения:

Поясните невозможность объяснения фотометрического парадокса наличием во Вселенной темной поглощающей материи.

Можно ли объяснить парадокс на основе существования красного смещения? Если да, то как?

Поясните истинность высказывания советского космолога А.Л. Зельманова, утверждавшего, что сжатие Вселенной будет происходить без свидетелей.

Хотя спустя столетие межзвездное поглощение света действительно было обнаружено, оно не смогло разрешить фотометрический парадокс, т.к. сами пылинки в безграничной и вечной Вселенной, однородно заполненной звездами, нагрелись бы до температуры звездной поверхности и светились бы как звезды.

Фотометрический парадокс существует только в однородной и изотропной статической Вселенной. В теории расширяющейся Вселенной, разработанной Александром Фридманом и Эдвином Хабблом, фотометрического парадокса не возникает из-за существования красного смещения. В результате красного смещения происходит уменьшении энергии приходящих фотонов.

В результате фиолетового смещения происходит увеличении энергии приходящих фотонов и как следствие тепловая смерть человечества.

Гравитационный парадокс (сформулирован в 1895г немецким астрономом Х. Зеелигером): пользуясь законом Ньютона, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке. Если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m , которые создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль. Если осуществлять расчет для концентрических слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние г от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом г притягивает точку, расположенную на его поверхности.

Вопросы для обсуждения:

Какое противоречие рассматривает гравитационный парадокс?

Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.

Выскажите свое мнение к возможным двум решениям парадокса.

Некоторые предложения по решению проблемы:

Конечная масса вещества. Проще всего предположить, что во Вселенной существует лишь конечное количество вещества. Эту гипотезу рассматривал ещё Исаак Ньютон в письме Ричарду Бентли. Анализ показал, что подобный «звёздный остров» со временем, под действием взаимовлияния звёзд, либо соединится в одно тело, либо рассеется в бесконечной пустоте.

Современная трактовка. Ньютоновская теория тяготения, как выяснилось в начале XX века, неприменима для расчёта сильных полей тяготения. В общей теории относительности гравитационный парадокс отсутствует, поскольку сила тяготения в ОТО есть локальное следствие неевклидовой геометрии, поэтому сила всегда однозначно определена и конечна. Основы этой теории были заложены в 1916 г А. Эйнштейном (для частного случая статической Вселенной). В общем, виде космологические решения были найдены А.А. Фридманом 1922 г, который показал, что однородная изотропная Вселенная должна быть нестационарной.

3. Подведение итогов урока

3.1. Определите свойства нестационарной Вселенной (Метагалактики ) заполнив пропуски в предложении (подготовленный текст выдается каждому ученику, работая с текстом учебника, ученик заполняет пропуски):

В основе модели нестационарной Вселенной лежит обнаружение к расного смещения для далеких галактик .

Расширение метагалактики: скорость удаления далеких объектов определяется законом Хаббла: , где Н=72. Использование закона Хаббла позволяет определить расстояние до далеких объектов и возраст Метагалактики: , . Теория расширяющейся метагалактики дает законы изменения температуры и плотности: , t – время, выраженное в секундах.

Химический состав Метагалактики: водород — около 75% , гелия – около 25%.

Выполнение антропогенного принципа, согласно которому эволюция Метагалактики идет в направлении, обуславливающем возникновение разумных существ.

Дальнейшее поведение Метагалактики определяется ее средней плотностью: в зависимости от значения средней плотности вещества (ρ) расширение может происходить неограниченно во времени или же со временем сменится сжатием. Эта зависимость определяется значением критической плотности . Поведения Метагалактики в будущем неопределенно из-за наличия темной материи , существование которой сложно обнаружить по ее излучению и включающей до 95 % от всего вещества, – черные дыры, маломассивные звезды малой светимости, нейтрино и т.д.

«Модель «горячей Вселенной» : в прошлом излучение и вещество эффективно взаимодействовали между собой, между ними существовало термодинамическое взаимодействие. Температура вещества и излучения была одинаковой и высокой – Вселенная была «горячей».

Вопросы для фронтального обсуждения:

1. Почему разбегаются галактики, хотя в то время, когда произошел Большой взрыв, их еще не существовало?

Почему Вселенная нестационарна?

Влияет ли космологическое расширение Метагалактики на расстояние между Землей и: а) Луной; б) центром Галактики; в) галактикой М31 в созвездии Андромеды; г) центром местного сверхскопления галактик?

Может ли быть бесконечное расширение Вселенной?

Каких химических элементов больше всего во Вселенной и когда они образовались?

Галактики образовались из разлетающегося вещества и сохранили его импульс.

Основная сила в космосе — это гравитация, которая стремится собрать все вещество. Равновесие при действии только сил тяготения невозможно. В зависимости от величины начальной скорости вещество может неограниченно расширяться или расширяться с замедлением

В космологическом расширении не участвуют гравитационно-связанные системы (Солнечная система, галактика, скопления галактик). Поэтому в этих случаях космологическое расширение не влияет на расстояния между Землей и указанными объектами.

Если средняя плотность вещества Вселенной будет меньше критической плотности р _кр = 3  10 -27 кг/м 3 , то Вселенная будет бесконечно расширяться. Современные оценки средней плотности видимого вещества дают значение р = 3 -10 -28 кг/м 3 . Учет скрытой массы может увеличить эту величину. Таким образом, вопрос о будущем Вселенной еще не решен.

По массе во Вселенной больше всего водорода (77,4%) и гелия (20,8%). Водород и гелий образовались через 5 минут после начала Большого взрыва.

Домашнее задание: § 34, 35; выписать основные этапы эволюции Вселенной и охарактеризовать их

Примерное содержание таблицы «Этапы эволюции Вселенной»

Граница применимости релятивистской теории тяготения

Возникновение зарядовой ассиметрии

Аннигиляция нуклонов и антинуклонов