§ 67. Строение и эволюция вселенной
Звёзды во Вселенной объединены в гигантские звёздные системы, называемые галактиками. Звёздная система, в составе которой находится наше Солнце, называется Галактикой (или Млечным Путём, поскольку слово «галактика» в переводе с греческого означает «млечный, молочный»).
Число звёзд в Галактике порядка 10 12 . Светлая серебристая полоса звёзд, опоясывающая всё небо, которую мы называем Млечным Путём, представляет собой основную часть нашей Галактики, по форме напоминающую линзу или чечевицу (рис. 191). Диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пк 1 или почти 100 000 световых лет 2 . Галактика не имеет чётких границ — по краям звёздная плотность постепенно сходит на нет. В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000—2000 пк — гигантское уплотнённое скопление звёзд. Масса Галактики приблизительно равна 2 • 10 11 масс Солнца.
Рис. 191. Галактика (вид с ребра)
Помимо звёзд, планет и малых тел, имеющихся в некоторых звёздных системах, в состав Галактики входит ещё рассеянная материя — межзвёздный газ, пыль, излучаемые звёздами заряженные частицы. Масса рассеяннои материи составляет 1/1000 часть массы Галактики.
Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953)
Американский астроном. Основные труды посвящены изучению галактик. Обнаружил смещение спектральных линий в длинноволновую область в спектрах далёких галактик
По классификации, проведённой американским астрономом Эдвином Хабблом, существует три вида галактик: эллиптические, спиральные и неправильные. Наша Галактика является спиральной (рис. 192). Солнечная система расположена между двумя спиральными ветвями, где количество звёзд сравнительно невелико.
Рис. 192. Млечный Путь — спиральная галактика
Большинство галактик сосредоточено в скоплениях. Вся система скоплений галактик (из которых нам пока известна только их часть) называется Метагалактикой.
Для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной важное значение имеет создание теоретических моделей изучаемого объекта. Первые научно обоснованные модели Вселенной были созданы российским физиком Александром Александровичем Фридманом.. Для ответа на важные космологические вопросы, например о стационарности или нестационарности Вселенной, о её форме, радиусе кривизны и многие другие, он воспользовался созданной Эйнштейном в 1916 г. общей теорией относительности (теорией всемирного тяготения).
Александр Александрович Фридман (1888-1925)
Российский математик, физик и геофизик. Создатель первых научно обоснованных моделей Вселенной, предсказал расширение Вселенной
В 1922 г. Фридман проанализировал систему из десяти сложнейших уравнений теории относительности и пришёл к фундаментальному выводу о том, что ни при каких условиях их решение не может быть единственным. Это означает, что общая теория относительности не даёт одного определённого ответа на поставленные вопросы. Тем не менее Фридман понял, как можно получить ответ (хоть и неоднозначный) на вопрос, что может представлять собой Вселенная с точки зрения общей теории относительности. Он нашёл новые, вполне определённые решения уравнений общей теории относительности в виде трёх возможных моделей нестационарной Вселенной. Две из них описывали монотонно расширяющуюся Вселенную (с монотонно растущим радиусом кривизны), а третья — периодическую Вселенную (радиус кривизны её пространства сначала возрастал от нуля до некоторой величины, после чего уменьшался до нуля).
Из этих моделей следует вывод о том, что Вселенная не может оставаться постоянной, она должна расширяться или сжиматься под действием гравитационных сил.
Во времена Фридмана о движении галактик ничего не было известно. Но в 1929 г. Хаббл, наблюдая спектры далеких галактик с помощью телескопа с большим разрешением, обнаружил, что спектральные линии смещены в длинноволновую область, т. е. в сторону красных линий. В соответствии с эффектом Доплера 3 это означало, что расстояния между наблюдателем с Земли и галактиками увеличивалось, а частота исследуемого излучения уменьшалась. Более того, сопоставив расстояния до галактик и величину смещения в их спектрах, Хаббл открыл следующий закон (названный впоследствии его именем): скорости удаления галактик пропорциональны расстоянию до них.
где v — скорость движения галактики относительно наблюдателя, R — расстояние до неё, Н = 70 км/(с • Мпс) — постоянная Хаббла.
По смещению спектральных линий можно определять не только скорости галактик, но и расстояния до них.
Данный закон следовал из моделей Фридмана, описывающих расширяющуюся Вселенную. Поэтому можно сказать, что возможность расширения Вселенной была теоретически предсказана до открытия закона Хабблом.
Вопросы
- Что называется световым годом?
- Какой вывод следовал из моделей Вселенной, полученных А. А. Фридманом?
- Кто, когда и каким образом экспериментально подтвердил факт расширения Вселенной?
Задание
- Определите центростремительное ускорение Луны при её обращении вокруг Земли. Необходимые для решения задачи данные найдите самостоятельно.
- Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте доклад на тему «Планеты-карлики в Солнечной системе».
Итоги главы. Самое главное
Ниже даны начала утверждений и цифрами указаны возможные их окончания.
Перенесите в тетрадь начала утверждений и впишите в квадратные скобки номер подходящего окончания утверждения.
- От губительного влияния мощного ультрафиолетового излучения Солнца землян защищает [ ].
- Источником энергии Солнца являются [ ].
- Звёзды типа Солнца на завершающем этапе своей эволюции становятся [ ].
- Вселенная под действием гравитационных сил может [ ].
- термоядерные реакции
- красными гигантами
- оставаться постоянной
- белыми карликами
- реакции радиоактивного распада
- озоновый слой, находящийся в стратосфере и поглощающий это излучение
- расширяться или сжиматься
Проверь себя
- Формирование Солнечной системы началось приблизительно
A. 3,5 млрд лет назад
Б. 4,6 млн лет назад
B. 5 млн лет назад
Г. 5 млрд лет назад
Число больших планет в Солнечной системе равно
А. 13
Б. 9
В. 8
Г. 5
Направление обращения больших планет вокруг Солнца
A. совпадает с направлением вращения протооблака
Б. противоположно направлению вращения Солнца вокруг своей оси
B. может периодически меняться
Г. совпадает с направлением вращения Солнца у всех планет, за исключением Венеры и Урана
Существенное уменьшение массы Солнца могло бы привести к
A. выходу некоторых планет из Солнечной системы
Б. уменьшению радиусов орбит движения планет Солнечной системы
B. потеплению на Земле и других планетах
Г. увеличению мощности излучения (светимости) Солнца
1 Парсек (пк) — это такое расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а. е.), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1″), 1 пк = 3,26 св. года — 206 265 а. е.
2 Световой год (св. год) — расстояние, пройденное светом в течение года.
3 Эффект Доплера — изменение частоты принимаемых волн при относительном движении источника и наблюдателя (приёмника волн). При их сближении частота увеличивается, а при удалении друг от друга — уменьшается. Эффект Доплера наблюдается как для звуковых, так и для электромагнитных волн. Назван в честь австрийского физика Христиана Доплера, теоретически обосновавшего этот эффект в 1842 г.
Источник
В какую сторону вращаются планеты Солнечной системы вокруг Солнца и своей оси?
Планеты участвуют сразу в двух вращательных движениях. С одной стороны, они вращаются вокруг Солнца, с другой стороны, у них также есть и собственная ось вращения. В какую же сторону крутятся планеты Солнечной системы?
Направление вращения зависит от того, с какой стороны смотреть на Солнечную систему. Обычно принято рассматривать вращение с северного направления, то есть так, как будто наблюдатель располагается в районе Полярной звезды. В этом случае все планеты Солнечной системы, само Солнце, а также почти все остальные тела будут вращаться против часовой стрелки. Причиной этого совпадения является то, что когда-то всё вещество Солнечной системы являлось единым газопылевым облаком, которое уже вращалось в этом же направлении. Есть и исключения, например, комета Галлея, вращающаяся по часовой стрелке.
Сложнее обстоит дело с вращением планет вокруг собственных осей. Если смотреть всё с тоже же северного направления, то окажется, что 6 планет крутятся против часовой стрелки (при этом надо понимать, что оси планет не строго перпендикулярны плоскостям их орбит, а имеют некоторый наклон), но две планеты нарушают этот порядок.
Первым исключением является Венера, которая крутится в противоположном направлении. Также примечателен Уран – его ось почти лежит в плоскости эклиптики, поэтому нельзя сказать, по или против часовой стрелки он совершает обороты, он скорее просто катится по своей орбите. Астрономы до сих пор не могут объяснить причины подобных аномалий.
Интересно, что и скорости вращений у планет могут отличаться кардинально. Так, Венера тратит на оборот вокруг собственной оси больше времени, чем на оборот вокруг звезды (243 против 224 дней). Другими словами, сутки на Венере длятся больше года! А вот на Нептуне на один год приходится более 90 тыс. суток.
Список использованных источников
Источник
9 класс
Итоги главы 5. «Строение и эволюция вселенной»
Ниже даны начала утверждений и цифрами указаны возможные их окончания.
Перенесите в тетрадь начала утверждений и впишите в квадратные скобки номер подходящего окончания утверждения.
• От губительного влияния мощного ультрафиолетового излучения Солнца землян защищает [ ].
• Источником энергии Солнца являются [ ].
• Звёзды типа Солнца на завершающем этапе своей эволюции становятся [ ].
• Вселенная под действием гравитационных сил может [ ].
1. термоядерные реакции
2. красными гигантами
3. оставаться постоянной
4. белыми карликами
5. реакции радиоактивного распада
6. озоновый слой, находящийся в стратосфере и поглощающий это излучение
7. расширяться или сжиматься
Проверь себя
1. Формирование Солнечной системы началось приблизительно
A. 3,5 млрд лет назад
Б. 4,6 млн лет назад
B. 5 млн лет назад
Г. 5 млрд лет назад
2. Число больших планет в Солнечной системе равно
3. Направление обращения больших планет вокруг Солнца
A. совпадает с направлением вращения протооблака
Б. противоположно направлению вращения Солнца вокруг своей оси
B. может периодически меняться
Г. совпадает с направлением вращения Солнца у всех планет, за исключением Венеры и Урана
4. Существенное уменьшение массы Солнца могло бы привести к
A. выходу некоторых планет из Солнечной системы
Б. уменьшению радиусов орбит движения планет Солнечной системы
B. потеплению на Земле и других планетах
Г. увеличению мощности излучения (светимости) Солнца
Выполните задания, предложенные в электронном приложении.
Источник
Почему все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении и что может заставить их «передумать»?
Это очень интересный вопрос, но чтобы ответить на него нам придется вернуться на 4,6 миллиардов лет назад — к тому времени, когда только начала формироваться Солнечная система.
Звезды образуются из плотных облаков газа и пыли, которые плавают в пространстве Вселенной. Когда более плотные области этих облаков начинают разрушаться под действием собственной силы тяжести, их скорость вращения увеличивается за счет сохранения момента импульса. Поскольку газ сжимается для образования звезды, он сохраняет направление вращениявращениявращения
Во время этого процесса материал, который не поглотила звезда, в конечном итоге, образует вокруг нее протопланетный диск . Как следует из названия, в этих газопылевых дисках образуются планеты, вращающиеся вокруг своих звезд. Естественно, что этот протопланетный диск также будет вращаться в том же направлении, в котором вращается звезда, которая в свою очередь, вращается в направлении вращения исходной туманности.
Дело в том, что частицы пыли, содержащиеся в этом диске, начинают сталкиваться друг с другом, образуя все бОльшие и бОльшие тела по размеру тела, обладающие все бОльшим гравитационным полем. Так будет происходить до тех пор, пока эти маленькие комочки вещества не станут объектами планетарного размера.
Вот симуляция, которая иллюстрирует этот процесс:
Как вы можете видеть, все планеты нашей солнечной системы вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении в результате процесса их формирования: они образовались в результате столкновения миллионов кусочков вещества из протопланетного диска, которые двигались в одном направлении. Они кружили вокруг Солнца, а планеты,образовавшиеся после притяжения этих кусочков, сохранили свое направление орбиты.
Давайте проведем аналогию: представим ванну, наполненную водой и пеной. Если вы уберете пробку из ванны, то вода начнет стекать в слив, образуя водоворот. Когда водоворот закручивает воду, то некоторые пузырьки на ее поверхности соединяются вместе и образуют еще большие пузырьки, когда они «вращаются» вокруг стока. Но когда они собираются вместе, они все равно будут продолжать двигаться в том же направлении, что и водоворот, который их затягивает.
В нашем примере примере пузырьки — это кусочки материи из протопланетного диска, которые собираются вместе, когда сталкиваются, между собой и образуют планеты.
Ага, но все это произошло давным-давно, откуда астрономы знают, что наша солнечная система действительно сформировалась таким образом?
Для этой гипотезы механизм формирования Солнечной системы восходит к середине восемнадцатого века. Долгие годы спустя благодаря усовершенствованиям телескопов астрономы смогли непосредственно наблюдать звезды, окруженные протопланетными дисками, тем самым подтвердив, что эта идея в действительности верна.
Теперь мы увидели, что все планеты одной и той же звездной системы должны вращаться в одном и том же направлении (по направлению вращения их звезды), поскольку они сохраняют направление вращения протопланетного диска, в котором они формируются. Но даже в этом случае были обнаружены планеты, которые вращаются вокруг своих звезд в направлении, противоположном тому, что мы ожидаем, явление, называемое ретроградной орбитой . Хотя такие планеты, конечно, находятся не в нашей солнечной системе.
Например, WASP-17b и HAT-P-7b — это две экзопланеты с массой, приблизительно равной массе Юпитера, которые вращаются вокруг своих звезд в направлении, противоположном направлению вращения их звезды, что не соответствует модели планетарного образования, которое мы только что видели.
И какая сила может заставить планету двигаться по ретроградной орбите? Инопланетяне?
Нет, к сожалению, инопланетяне тут не причем. Есть несколько механизмов, которые могут заставить планету принять ретроградную орбиту совершенно естественным образом.
Например, если планета вращается в направлении, противоположном ее звезде, то может случиться так, что вместо того, чтобы формироваться в том же протопланетном диске, что и другие, она не будет захвачена гравитацией звезды, и будет свободно перемещается в космосе. Такие межзвездные планеты уже были обнаружены, (например, PSO J318.5-22 ).
На самом деле, даже в нашей собственной солнечной системе есть подобный случай, но в маленьком масштабе: одна из лун Нептуна, Тритон, кружит вокруг своей планеты в направлении, противоположном остальным ее спутникам, поэтому предполагается, что это может быть объект из пояса Койпера, который был захвачен гравитацией Нептуна.
Что интересно, планеты с ретроградной орбитой не нужно захватывать отдельно, существуют также механизмы, которые позволяют этим типам орбит появляться и во время фазы формирования планет .
Например, была обнаружена звезда, окруженная протопланетным диском, чья внутренняя область вращается в направлении, противоположном внешнему , что может привести к созданию системы, в которой внутренняя и внешняя планеты вращаются вокруг звезды в противоположных направлениях. В этом случае это явление могло быть вызвано обменом материала между двумя планетарными туманностями, которые вращались в противоположных направлениях, создавая два диска вещества, которые вращаются вокруг звезды в разных направлениях, как показано на следующем изображении:
Наконец, планета, вращающаяся вокруг своей звезды в «нормальном» направлении, может выйти на ретроградную орбиту благодаря эффекту Лидова-Козаи. Это явление происходит, когда гравитационные возмущения второй планеты постепенно увеличивают наклон орбиты другой, пока она полностью не развернется, в результате чего в конечном итоге будет вращаться вокруг своей звезды в направлении, противоположном первоначальному.
Источник