Происхождение галактик и звезд

И з д а т е л ь с т в о

2007

Представляет

Астрономические структуры

Особенности эволюции объектов во Вселенной являются предметом изучения космологии (от греческого ?????????? — изучение мира). Космология – теоретическая астрофизика мегамасштабов, изучающая строение и эволюцию Вселенной как целого. Охарактеризуем сначала особенности распределения в пространстве астрономических объектов. В таблице 1 приведены средние размеры неоднородностей пространственного распределения объектов - основных астрономических структур – в порядке возрастания их размера.

1 млн

100 млн

15 млрд

100 000

10

100

1

Астроно-мическая структура

Ближай-шие звезды

Наблюда-емая Вселенная

Плане-тная система

Сверх-скопления галактик

Звездное скопление

Галактика

Скопление галактик

Средний размер (св. лет)

Планетная система

Вернуться назад

Пространственное расположение звезд

ближайших к солнцу.

1. Звезда Лейтена; 2. Процион; 3. G51—15; 4. Росса 128; 5. Лаланд 21185; 6. Вольф 359; 7. Солнце; 8. Струве 2398; 9. Лебедя 61; 10. Звезда Барнарда; 11. Росса 248; 12. Грумбридж 34; 13. Проксима (? Центавра) 14. Росса 154; 15. L789-6; 16. Лакайль 9352; 17. ? Индейца ; 18. L725-32; 19. L726-8; 20. ? Кита ; 21. ? Эридан; 22. Сириус; 23. L372-58

Вернуться назад

Звезды

РАСПОЛОЖЕННЫЕ НЕ ДАЛЕE 250 св. лет ОТ СОЛНЦА.

1. ? Гидры; 2. ? Ворона; 3. ? Льва; 4. ? Близнецов; 5. ? Большой Медведицы; 6. ? Рыси; 7. ?,?,?,?,?,?,? Большой Медведицы; 8. ? Волопаса; 9. ? Малой Медведицы; 10. ? Дракона; 11. ? Возничего; 12. Солнце; 13 Акртур; 14. Капелла; 15. ? Кассиопеи; 16. ? Пегаса; 17. ? Пегаса; 18. ? Андромеды; 19. Скопление Гиады; 20 Вега; 21 Альдебаран; 22. ? Стрельца; 23. ? Ориона: 24. ? Центавра; 25. ? Киля; 26. N Паруса; 27. ? Кормы; 28. ? Треугольника; 29. ? Зайца; 30. ? Жертвенника; 31. ? Эридана; 32. Ахернар; 33. ? Южной Гидры; 34. ? Павлина; 35. ? Тукана; 36. ? Феникса; 37. ? Журавля; 38. ? Журавля; 39. ? Стрельца; 40. ? Стрельца; 41. ? Кита

Вернуться назад

Млечный путь

Наша галактика - млечный путь.

1. Ветвь Наугольника; 2. Щит — Южный Крест; 3. М68; 4. Рукав Стрельца; 5. Рукав Ориона; 6. М5; 7. Солнце; 8. М13; 9. Рукав Персея; 10. Рукав Лебедя; 11. М15; 12. М2; 13. М30; 14. Карликовая галактика Стрельца; 15. М75; 16. Шаровое скопление

Солнечная система

Наша галактика - млечный путь.

Солнечная система, находясь в рукаве Ориона на расстоянии r = 28 000 св. лет от центра нашей Галактики — Млечный путь, совершает один оборот вокруг него за период Т = 230 млн лет. По этим данным можно оценить массу Галактики Второй закон Ньютона для Солнца массой Мo = 2•10 кг имеет вид: Следовательно, Тогда примерное число N звезд в Галактике оказывается порядка

30

Вернуться назад

Местная группа галактик

1. NGC 3109; 2. Насос (карликовая); 3. Секстант А; 4. Секстант В; 5. А Льва; 6. I Льва; 7. II Льва; 8. Млечный Путь; 9. NGC 185; 10. NGC 147; 11. NGC 205; 12. IC 10; 13. Галактика Андромеды; 14. Галактика Треугольника; 15. I, II и III Андромеды; 16. Пегас (карликовая); 17. LGS 3; 18. Водолей (карликовая); 19. Стрелец (карликовая неправильная); 20. WLM; 21. Кит (карликовая); 22. Феникс (карликовая); 23. Тукан (карликовая)

Вернуться назад

Сверскопления галактик в созвездиях

1. Козерога; 2. Скульптора; 3. Павлина—Индуса; 4. Центавра; 5. Геркулеса; 6. Шепли; 7. Северной Короны; 8. Волопаса; 9. Большой Медведицы; 10. Волосы; 11. Льва; 12. Секстанта; 13. Девы; 14. Гидры; 15. Персея—Рыб; 16. Голубя; 17. Часов; 18. Рыб—Кита

Вернуться назад

Видимая вселенная

Разбегание галактик

Б)

А)

Разбегание галактик, или расширение Вселенной, наблюдается не только с Земли, но и из любой другой точки Вселенной.

относительно соседней галактики А

относительно Земли

Закон Хаббла

"Скорость разбегания галактик прямо пропорциональна их расстоянию от наблюдателя"

Скорость галактик может быть измерена по эффекту Доплера. Известная спектральная линия излучения неподвижного атома длиной волны сравнивается с длиной волны , принимаемой приемником от удаляющегося со скоростью v источника. Если скорость удаления источника от приемника много меньше скорости света, то Таким образом длина волны , воспринимаемая наблюдателем оказывается больше длины волны , излучаемой источником, на величину «Красное смещение» спектральных линий возрастает при увеличении скорости движения источника излучения. Таким образом скорость галактики находится из формулы:

где Hо = 70 км/с/Мпк — постоянная Хаббла. (В астрономии расстояние часто измеряют в парсеках (пк), 1 пк = 3,26 св. г. = 3,09•10 м) Постоянная Хаббла показывает, что галактика, находящаяся от Земли на расстоянии 1 Мпк, удаляется от Земли со скоростью 70 км/с.

Закон Хаббла как следствие однородности и изотропности вселенной

В) неоднородное, анизотропное

А) однородное, изотропное

Б) однородное, анизотропное

а) с Земли

б) из гала- ктики А

Двумерное пространство

Наблюдение расширения Вселенной

Возраст вселенной

Закон Хаббла позволяет оценить время разлета самых отдаленных Галактик, или время расширения Вселенной: Это время примерно характеризует возраст Вселенной.

Расширяющаяся вселенная

Модель Фридмана

Энергия внешней оболочки массой mo, расширяющейся с начальной скоростью v в поле внутреннего шара массой М и радиусом r, может быть представлена в виде где E — полная механическая энергия оболочки (нуль отсчета потенциальной энергии принят на бесконечности). Характер ее расширения зависит от величины и знака Е. .

Вселенная как совокупность расширяющихся сферических оболочек.

Критическая плотность вселенной

Изменение радиуса Вселенной со временем

Гравитация и искривление пространства

Объект массой mo (например, сферическая оболочка Вселенной), обладающий скоростью v = vII, движется по параболической траектории. В случае v>vII, движение объекта происходит по гиперболе. Если скорость объекта v<vII, возникает замкнутое эллиптическое движение.

Модель пространства, искривленного гравитацией, можно представить в виде плоского листа резины, на который помещается тяжелый шар. Под действием шара резина растягивается, образуется воронка, имитирующая искривление пространства. Чем больше масса шара, тем больше кривизна пространства.

Варианты эволюции вселенной

Три возможных варианта эволюции Вселенной в зависимости от ее реальной плотности.

Большой взрыв

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Образование вещества в плазменном состоянии

Образование вещества в плазменном состоянии

Возникновение астрономических структур

Возникновение астрономических структур

Образо- вание атомов

Образо- вание атомов

Разлет галактик

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Образование вещества в плазменном состоянии

Образование вещества в плазменном состоянии

Возникновение астрономических структур

Возникновение астрономических структур

Образо- вание атомов

Образо- вание атомов

Ранняя Вселенная

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Планковская эпоха

Физические характеристики Вселенной в начале Большого взрыва. Метод размерностей.

Физический вакуум Сначала существовал только физический вакуум. В отличие от пустого пространства, как мы его себе представляем, в физическом вакууме постоянно присутствуют квантовые флуктуации поля. В этот период все взаимодействия . неразличимы.

Из фундаментальных констант, характеризующих квантовые и гравитационные свойства материи, G, ?, c, можно найти единственную алгебраическую комбинацию, имеющую размерность длины. Временной масштаб, или характерное время распространения взаимодействия Масса частицы, квантовой черной дыры, имеющей размер, сопоставимый с размером Вселенной в этот момент времени (в планковскую эпоху): Плотность вещества в этот момент времени (на 94 порядка превышающая плотность воды) Энергия покоя Eр частицы массой Mр Такой энергии соответствует температура

Расширение Вселенной

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Эпоха великого объединения

разделение взаимодействий.

В период времени от с до с нарушается симметрия четырех взаимодействий. Возникает своего рода фазовый переход: гравитационное взаимодействие становится независимым от остальных в диапазоне температур от К до К. Три остальных взаимодействия — сильное, слабое и электромагнитное — при этих температурах рассматриваются теорией Великого объединения как единое (сильное и электрослабое) взаимодействие.

Георгий Гамов

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Инфляционная фаза

Отделение сильного взаимодействия

Космологические уравнения позволяют оценить зависимость температуры Т (в К) Вселенной от времени t (в с): В период от с до с температура Вселенной упала с К до К. В результате спонтанного нарушения симметрии пространства—времени в этом диапазоне температур сильное взаимодействие отделяется от электрослабого (электромагнитного и слабого). Энергия, выделяющаяся при этом, приводит к резкому экспоненциальному инфляционному росту масштаба Вселенной.

Скорость расширения

Инфляционная фаза скорость расширения.

А)

Б)

Каждые с размер Вселенной возрастал в е = 2,718 раза. Учитывая, что сто таких интервалов содержится в с, в период инфляции размер должен возрасти в раз, или в раз. Таким образом, за с размер Вселенной вырос до м, превысив диаметр Солнечной системы.

Инфляционная фаза расширения Вселенной: а) начальное состояние; б) конечное состояние. Координаты точек прежние, но радиус резко возрос, так же как и расстояние между точками

Изменение кривизны пространства

Инфляционная фаза изменение кривизны пространства.

Благодаря инфляции истинный размер Вселенной оказывается в миллион раз больше, чем ее видимый размер порядка 15 млрд св. лет. Гигантское инфляционное расширение уменьшает начальную кривизну пространства?времени, приближая окончательный вариант пространства к евклидовому. Это частично подтверждает предположение о том, что плотность Вселенной близка к критической.

Приближение реального пространства к евклидовому в результате инфляции

Плотность Вселенной

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Электрослабая эпоха

В момент времени t = с инфляция заканчивается, но расширение и охлаждение Вселенной продолжаются. Новый фазовый переход - разделение электромагнитного и слабого взаимодействия — возникает при температуре и заканчивается к моменту времени с.

Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Эра кварков

Смесь кварков — антикварков, лептонов и антилептонов, частиц — переносчиков взаимодействий заполняет Вселенную в течение последних двух эпох: инфляционной и электрослабой (от c до с). Такой же состав Вселенной остается и от с до с, т. е. в интервале температур от К до К. При этом все четыре фундаментальных взаимодействия разделились.

Расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Адронная эра

Каждый свободный кварк в диапазоне температур К — К либо объединяются с антикварком (в мезон или антимезон) либо находят себе место в барионе (или антибарионе). Ввиду того, что Вселенная, расширяясь, продолжает охлаждаться, адроны (барионы и мезоны) не могут распасться на кварки в результате обратного процесса. А этот период в состав Вселенной входят сотни разновидностей андронов (отсюда название фазы развития Вселенной), их античастиц, лептоны и антилептоны, а также переносчики всех видов взаимодействий. Частицы и античастицы постоянно аннигилируют друг с другом, а выделяющаяся при этом энергия вновь рождает частицы. В состоянии равновесия эти процессы уравновешивают друг друга.

Плотность

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Лептонная эра

Реакция аннигиляции

Рождение пары

Реакция рождения пары частица — античастица имеет пороговый характер, т. е. происходит тогда, когда энергия кванта электромагнитного излучения оказывается больше, чем энергия покоя рожденных частиц: . Для Вселенной, имеющей температуру T, энергия кванта теплового излучения примерно равна kT. Это означает, что реакция рождения пары происходит лишь при Ta – пороговая температура рождения пары частица—античастица.

Расширение

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Нуклеосинтез в ранней вселенной

(1-100) c

Спустя чуть более 1 с с момента Большого взрыва антивещество во Вселенной полностью аннигилировало. Таким образом, в составе Вселенной не осталось антивещества. Вещество было представлено протонами, нейтронами, электронами, а излучение - фотонами и нейтрино.

Образование водородно-гелиевой плазмы

Состав плазмы

А) в начале нуклеосинтеза

Б) в конце нуклеосинтеза

(100 c – 15 мин)

Через 15 мин с момента Большого Взрыва вещество во Вселенной (помимо электронов) состояло на 75% по массе из ядер атома водорода и на 25% из ядер гелия. Изотопы с массовыми числами от 5 до 8 нестабильны и быстро распадались. Свободных нейтронов для синтеза тяжелых изотопов не осталось. Кроме того синтез более тяжелых изотопов требовал существенно больших температур. Он станет возможным при образовании звезд миллиарды лет спустя.

Американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Фотонная, атомная эра

Возникновение реликтового излучения

(15 мин. — 350000 — 1 млрд лет)

При последующем расширении вещества Вселенной, существующего в виде водородно-гелиевой плазмы через 350 000 лет ее температура оказывается порядка: При этой температуре доминирование процесса рекомбинации заряженных частиц над процессами ионизации приводит к переходу вещества в газообразное состояние: наступает эра атомов. При T > 3000 К Вселенная выглядела непрозрачной (подобно туманной атмосфере), так как излучение, взаимодействуя с заряженными частицами (электронами, ионами) отклонялось и поглощалось ими. При T < 3000 К свободные электроны исчезают в результате рекомбинации с ионами водорода H+, а энергия кванта излучения оказывается недостаточной для возбуждения атомов. Излучение перестает взаимодействовать с веществом, свободно (изотропно) распространяясь во всех направлениях. Вселенная становится прозрачной для теплового излучения, которое сохранилось с тех времен до . настоящего времени в течение 14,5 млрд лет.

Анизотропия реликтового излучения

Астрономические cтруктуры могут возникнуть лишь в результате уплотнения первичного газа. Космический аппарат СОВЕ (Cosmic Background Explorer (англ.) — исследователь космического фона), запущенный в 1989 году измерил спектр реликтового излучения с точностью, на два порядка превышающей предыдущие измерения. Его анализ показал анизотропию реликтового излучения, т. е. разницу его температуры в различных направлениях от наблюдения. Области с большей температурой (большей энергией фотонов) соответствуют повышенной плотности вещества в ранней Вселенной. Меньшие температуры фотонов определяют менее плотное космическое пространство. Пространственные масштабы флуктуаций на рисунке оказываются порядка размера сверхскоплений галактик, т.е. около 100 млн лет.

Настоящее время

Большой взрыв.

Разлет галактик означает, что в прошлом они были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению и уменьшению плотности вещества. Ранняя Вселенная была более плотной, и более горячей, чем в настоящее время. В конце 40-х гг. XX в. американский физик российского происхождения Георгий Гамов предположил, что расширение Вселенной возникло в результате Большого взрыва.

Образование сверскоплений галактик

Гравитационное сжатие первоначального облака происходит асимметрично. Наибольшее притяжение возникает между наиболее близкими частями облака в направлении минимального размера. В результате крупномасштабные структуры возникают прежде всего в определенных плоскостях. Со временем такая среда неизбежно разбивается на отдельные фрагменты, размеры которых определяются равенством сил давления и гравитации. Процесс гравитационного сжатия облака, начинается только, если его масса m оказывается больше некоторой минимальной массы , называемой массой Джинса в честь английского астрофизика Джеймса Джинса. = = = Подобная масса характерна для небольших галактик.

Образование галактик

Галактика образуется из огромного газового облака, размеры которого лишь незначительно превышают размер будущей галактики. При сжатии облака образуются первые звезды. Эволюция галактики зависит от начальных условий образования: начальной скорости вращения газового облака и его массы