Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Декабря 2012 в 13:11, контрольная работа
Я выбрала эту тему, потому что изучение Вселенной эта то, что не увидишь, не потрогаешь, до конца загадку возникновения Вселенной не разгадаешь.
Целью работы является раскрыть понятия о Вселенной, узнать кто является основоположниками к разгадке о Вселенной.
Введение…………………………………………………………………………………......3
Космология и космогония Большого взрыва…………………………………………4
Космологические модели Вселенной………………………………………………….9
Космологические парадоксы…………………………………………………………..11
Модель расширяющей Вселенной……………….........................................................13
«Начало» Вселенной…………………………………………………………………...17
Ранний этап эволюции Вселенной……………………………………………………19
Рождение и эволюции галактик………………………………………………………21
Будущее Вселенной……………………………………………………………………24
Заключение………………………………………………………………………………...26
Список использованных источников…………………………………………………….28
Итак, первым условием появления галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной. Впервые подобная мысль была высказана И. Ньютоном, который утверждал, что если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, то оно никогда бы не собралось в единую массу. Оно собиралось бы частями в разных местах бесконечного пространства. Данная идея Ньютона стала одним из краеугольных камней современной космогонии.
Второе условие появления галактик — наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Земли. Известно, что водяной пар конденсируется на крохотных частичках — ядрах конденсации.
В середине XX в. были проведены расчеты, описывающие поведение таких сгущений. В частности, было доказано, что в расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью расширяются медленнее, чем Вселенная в целом. Эти области постепенно отстают в расширении от остальной Вселенной, и в какой-то момент времени они совсем перестают расширяться. Изолированные участки вещества, как правило, очень велики по массе: она составляет в среднем 1015—1016 масс Солнца. Данные массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем, происходит это весьма своеобразно — анизотропно. Вначале исходные объекты имеют форму куба, а затем сжимаются в пластинку — «блин». Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат «блины». Отдельный «блин» представляет собой сверхскопление галактик и имеет уплощенную форму. Эти первичные сгустки, продолжая сжиматься, становятся сферически симметричными. Кроме того, внутри себя они одновременно фрагментируются на звезды.
Существуют предположения относительно того, почему чаще встречаются спиральные галактики (их около 80%), чем галактики других типов (эллиптические и неправильные). Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, затем за несколько сотен миллионов лет (немного по космическим меркам) неровности сглаживаются, и образуется массивная эллиптическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, которая со временем будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа, занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.
Также есть предположение, почему в скоплениях галактик присутствует одна гигантская галактика, а остальные — мелкие. Считается, что вначале гигантская галактика лишь немного превосходила по своим размерам соседние галактики. Но по мере того, как галактика двигалась по спиральной траектории к центру скопления, она заглатывала более мелкие системы. Мелкие галактики, обреченные на «съедение», называют галактиками-миссионерами.
Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.
Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях в 10—20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн. световых лет. Наиболее удаленные из наблюдаемых ныне галактик находятся на расстоянии 10 млрд. световых лет. Свет этих звезд идет к нам миллионы лет, поэтому мы наблюдаем их такими, какими они были много световых лет назад. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями. Основное вещество, составляющее межзвездный газ, — водород, на втором месте — гелий. Следует отметить, что водород и гелий — наиболее распространенные вещества не только в межзвездном пространстве, но и вообще во Вселенной.
Наша Галактика — Млечный путь — имеет форму диска с выпуклостью в центре — ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Ее толщина — 1,5 тыс. световых лет, а диаметр — 100 тыс. световых лет. Возраст нашей Галактики составляет около 15 млрд. лет. Она вращается довольно сложным образом: значительная часть ее галактической материи вращается дифференциально, как планеты вращаются вокруг Солнца, не обращая внимания на то, по каким орбитам движутся другие, достаточно далекие космические тела, и скорость вращения этих тел уменьшается с увеличением их расстояния от центра. Другая часть диска нашей Галактики вращается твердотельно, как музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. В этой части галактического диска угловая скорость вращения одинакова для любой точки. Наше Солнце находится в таком участке Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференциального вращения равны. Такое место называется коротационным кругом. В нем создаются особые, спокойные и стационарные условия для процессов звездообразования.
Построение моделей дальнейшего развития Вселенной принципиально отличается от исследования прошлого. Прошлые события оставили следы, которые мы можем наблюдать и с помощью которых судить о правильности наших теорий. Модель будущего — это всегда экстраполяция, проверить наши суждения можно будет лишь через множество лет. Но, тем не менее, накопленные знания в области космологии и физики позволяют достаточно уверенно предсказать дальнейшие события.
Будущее Вселенной в первую очередь зависит от того, будет ли она вечно расширятся, или расширение остановится на какой-то стадии, или расширение сменится сжатием. Рассмотрим сначала первый случай, когда она неограниченно расширяется. Это означает, что плотность вещества меньше критической. Наша звездная эра продлится еще порядка 1014 лет. Это в 10 тысяч раз больше, чем время, прошедшее с момента Большого взрыва.
По завершении этого периода все звезды во Вселенной погаснут. Например, наше Солнце погаснет через несколько миллиардов лет, превратившись в белый карлик. Звезды с большей массой проживут и того меньше, став в конце либо нейтронной звездой, либо черной дырой. Звезды с массой меньше солнечной проживут подольше, но и они превратятся в потухших карликов.
Конечно, в наше время постоянно возникают новые звезды, но настанет время, когда запасы ядерной энергии закончатся и этот процесс завершится, а новые звезды превратятся в холодные тела. Что касается галактик, то они, в конечном счете, превратятся в гигантские черные дыры. Этот процесс заключается в следующем. Как показывают астрономические наблюдения, в центрах звездных систем, по всей видимости, находятся черные дыры. Центральная часть такой системы будет постепенно сжиматься к центру тяготения, превращаясь в малое скопление. Звезды, пролетая вблизи черной дыры, будут разрушаться приливными силами. Кроме того, возможны столкновения звезд друг с другом. В результате чего они превратятся в межгалактическую пыль, основная часть которой «осядет» на центральной черной дыре, увеличивая ее массу.
Процесс разрушения галактик завершится примерно через 1019 лет. Дальнейшая судьба Вселенной будет определяться квантовыми процессами, точнее распадом протонов. Дело в том, что протон хотя и долго живущая, но все же нестабильная частица. Расчеты показывают, что раз в 1032 лет он распадается на позитрон, нейтрино, одну или несколько электронно-позитронных пар и фотон. Процессы распада будут поддерживать температуру погасших звезд и умерших планет на уровне немного отличном от абсолютного нуля. Так, например, за 1017 лет белые карлики остынут до температуры 5 К и сохранят это значение температуры до полного распада вещества внутри их. Нейтронные звезды остынут до 100 К за более долгий срок — 1019 лет, после чего температура будет поддерживаться до полного распада вещества.
Итак, через 1032 лет от звезд и планет останутся только фотоны и нейтрино (электронно-позитронные пары, образующиеся при распаде протонов, аннигилируют, образуя фотоны).
Что касается межгалактического вещества, рассеянного в виде пыли, то оно также распадется спустя 1032 лет. Однако это вещество очень сильно разреженно. Это приводит к тому, что электроннопозитронные пары, образующиеся при распаде протона, аннигилировать не будут, т. к. вероятность встречи частиц ничтожна.
В результате перечисленных процессов во Вселенной останутся фотоны, нейтрино, разреженная электронно-позитронная межгалактическая плазма и черные дыры. Основная масса сосредоточится в фотонах и нейтрино.
Из-за продолжающегося расширения плотности излучения и плазмы стремительно уменьшатся, и ко времени 1033 лет плотность материи будет определяться веществом черных дыр и нейтрино. Следующими в очереди на разрушение окажутся черные дыры. Процесс этот крайне медленный (более подробно см. семинар 10) — черная дыра с массой, равной 10 солнечным, испарится примерно за 1069 лет, а с массой в миллиард раз больше — за 1096 лет. Постепенно все черные дыры превратятся в излучение. Оно будет какое-то время преобладать во Вселенной. Но поскольку с расширением плотность излучения уменьшается быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, то последняя в итоге станет доминирующей. Это произойдет через 10100 лет. К этому времени останутся только электроны и позитроны, плотность которых будет равна одной частице на объем, в 10185 раз больший, чем объем Вселенной, видимой в настоящее время.
Теперь рассмотрим случай, когда расширение сменится сжатием, который, по всей видимости, более вероятен. Дело в том, что масса покоя нейтрино хоть и мала (примерно 0,00005 массы электрона), но их настолько много во Вселенной, что их суммарная масса в результате окажется огромной. Тогда тяготение нейтрино заставит Вселенную сжаться. Это может наступить раньше, чем погаснут звезды. В результате вещество снова станет сверхплотным и горячим, что приведет к бурным физическим процессам, аналогичным процессам, которые происходили в начале эволюции Вселенной. Дальше повторяются уже знакомые нам процессы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в контрольной работе пришли к определенным выводам. Космологическими проблемами вынуждали заниматься возникшие парадоксы — фотометрический, гравитационный и термодинамический, которые были разрешены в модели расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной было установлено Э. Хабблом, сравнивая скорости разбегания, измеренные по красному смещению в спектрах галактик расстояния до них. Эйнштейн при работе над общей теорией относительности не знал о красном смещении в спектрах и расширении Метагалактики, поэтому исходил из идеи о стационарной Вселенной. Уравнения, полученные Эйнштейном, были детально исследованы де Ситтером и Фридманом. Последний нашел три модели развития Вселенной, определяемые средней плотностью вещества в ней.
Леметр связал эти модели с данными астрономических наблюдений и пришел к проблеме "начала" из точки, а также первоначальных условий, в которой находилась Вселенная. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Их называют Большим взрывом. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.
Гамов разработал модель горячей Вселенной, которую назвал космологией Большого взрыва. Теория получила подтверждение после открытия фонового излучения, которое осталось со времени Большого взрыва и названо реликтовым. Так была повержена теория стационарной Вселенной, разрабатываемая Ф. Хойлом. По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Гут и Линде разработали разные варианты первых долей секунды после "начала", называемые моделями инфляционной, или раздувающейся, Вселенной.
Дальнейшее развитие Вселенной разделяют на четыре эры: адронную, лептонную, излучения и вещества. В адронную и лептонную эру, продолжавшуюся 10 с, температура Вселенной после взрыва упала до б млрд градусов и образовался основной химический состав вещества Вселенной, состоящий из 75% водорода и 25% гелия. На стадии излучения происходило непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.
Тема о Вселенной актуальна, будет еще долгое время. До конца понять ее не просто, мне кажется, до конца Вселенную невозможно будет разгадать, хотя кто знает, что нас ждет.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ