Вселенная и наша галактика

ЛЕКЦИЯ 8 Понятие числа предполагает понятия множества и порядка. Поэтому человек, конечное существо, постигая мир, приобщается к бесконечно полной информации. М.Мамардашвили …законы мира нельзя понимать не помещая в сам мир некое сознательное и чувствующее существо, которое понимает эти законы. Понимание законов мира есть одновременно элемент мира, законы которого понимаются. Вселенная и наша галактика. Космическое пространство это не пустота, как считалось примерно 80 лет назад. Всматриваясь в вакуум, мы видим не пустоту, а отдельные мерцающие вспышки – флуктуации вакуума. Это нулевое поле вакуума, энергия которого бесконечна, но по последним оценкам – в 15 раз больше энергии наблюдаемой Вселенной. Это иррациональное, т.е. необъяснимое свойство вакуума. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ КОСМОЛОГИИ • Четырехмерное пространство-время специальной и общей теории относительности А.Эйнштейна. • Геометрия Минковского. • Решения Фридмана уравнений ОТО (1922) • Открытие Э.Хаббла (1929) разбегания галактик. • Внегалактическая астрономия. • Решения Гамова (1948) и предсказание реликтового фонового радиоизлучения около 3 градусов Кельвина. Открыто в 1965 г. Вильсоном и Пензиасом случайно. • Модель инфляционной Вселенной А.Д.Линде Расширение вселенной (разбегание галактик) В 1913—1914 годах американский астроном Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/с). Это означало, что все они находятся за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме трёх, удалялись от Солнечной системы. В 1917—1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость. Вид закона для расширения Вселенной был установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в 1927 году], а позже — Э. Хабблом в 1929 году с помощью 100-дюймового (254 см) телескопа обсерватории Маунт-Вилсон, который позволил разрешить ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость. Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение составляет 67,80 ± 0,77 км/с на мегапарсек. Столь существенную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы галактик. Рисунок, иллюстрирующий закона Хаббла - независимость от положения галактики, из которой производится наблюдение. Слева: точка наблюдения — галактика А, справа: точка наблюдения — галактика В. Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) — космологический закон, описывающий расширение Вселенной формулируется по-разному. Классическое определение, опубликованное в основополагающей статье Хаббла: {\displaystyle v=H_{0}r,} где {\displaystyle v} — скорость галактики, {\displaystyle r} — расстояние до неё, а {\displaystyle H_{0}} — коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла. Закон Хаббла является одним из основных наблюдаемых фактов в космологии. С его помощью можно примерно оценить время расширения Вселенной (так называемый Хаббловский возраст Вселенной): {\displaystyle t_{H}={\frac {r}{V}}={\frac {1}{H_{0}}}.} Эта величина с точностью до численного множителя порядка единицы соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана. График из оригинальной работы Хаббла 1929 года Некоторые расстояния: Астрономическая единица = 150 млн.км. Световой год равен • 9 460 730 472 580 800 метрам ≈ 9,46 · 1015 метра • 63 241 астрономической единицы (а.е.) • 0,3 парсека Парсек = 30 триллионов км., или или 3,3 световых г. Некоторые расстояния в парсеках • по состоянию на 13 февраля 2015 года, космический аппарат «Вояджер-1» находился на расстоянии 0,0006 пк (19,4 млрд км, или 130 а.е.) от Солнца, удаляясь по 17,5 микропарсека за год (3,6 а.е./год); • расстояние от Солнца до ближайшей звезды (Проксима или Альфа Центавра) составляет 1,3 парсека; • расстояние в 10 пк свет проходит за 32 года 7 месяцев и 6 дней; • на расстоянии около 10 пк вероятно возможно найти нейтронную звезду, а на расстоянии в несколько десятков парсеков — чёрную дыру. • расстояние от Солнца до ближайшего шарового скопления, M 4, составляет 2,2 кпк; • расстояние от Солнца до центра нашей Галактики — около 8 кпк; • диаметр нашей Галактики — около 30 кпк; • расстояние до туманности Андромеды — 770 кпк; • ближайшее крупное скопление галактик, скопление Девы, находится на расстоянии 18 Мпк; • в масштабах порядка 300 Мпк Вселенная практически однородна; • расстояние до первого открытого, самого яркого и одного из ближайших квазаров, 3C 273, составляет 734 Мпк; • до горизонта наблюдаемой Вселенной — около 4 Гпк (если измерять расстояние, пройденное регистрируемым на Земле светом), или, если оценивать современное расстояние — с учётом расширения Вселенной (то есть до удалившихся объектов, это излучение когда-то испустивших) ≈14 Гпк; Ниже фото Млечного пути – центра Галактики. Млечный путь (компьютерная модель). Спиральная галактика с перемычкой. В центре предположительно находится сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец А*. Доминируют два из четырёх рукавов. Этимология Название Млечный Путь распространено в западной культуре и является калькой с лат. via lactea «молочная дорога», которое, в свою очередь, калька с др.-греч. ϰύϰλος γαλαξίας «молочный круг». Название Галактика образовано по аналогии с др.-греч. γαλαϰτιϰός «молочный». По древнегреческой легенде, Зевс решил сделать своего сына Геракла, рождённого от смертной женщины, бессмертным, и для этого подложил его спящей жене Гере, чтобы Геракл выпил божественного молока. Гера, проснувшись, увидела, что кормит не своего ребёнка, и оттолкнула его от себя. Брызнувшая из груди богини струя молока превратилась в Млечный Путь. В различных языках имеется масса других названий Млечного Пути. Слово «Путь» часто остаётся, слово «Млечный» заменяется на другие эпитеты». Размер. Диаметр Галактики составляет 30 тыс. парсек (порядка 200 000 световых лет), при средней толщине порядка 1000 световых лет. Число звёзд Содержит, по современной оценке, от 200 до 400 миллиардов звёзд. Их основная масса расположена в форме плоского диска. В Галактике Млечный Путь также находится от 25 до 100 миллиардов коричневых карликов. Масса Бо́льшая часть массы Галактики содержится не в звёздах и межзвёздном газе, а в несветящемся гало из тёмной материи, поэтому точное определение массы Млечного Пути весьма затруднено. По состоянию на январь 2009 года, масса Галактики оценивалась в 3⋅1012 масс Солнца, или 6⋅1042 кг. Оценка, опубликованная в мае 2016 года определила массу Галактики всего в 7⋅1011 масс Солнца[22]. В 2019 году, объединив новые данные миссий «Gaia» и «Hubble», астрономы определили, что масса Млечного Пути, в радиусе 129 000 световых лет от центра Галактики, составляет около 1,5 ⋅1012 масс Солнца[23]. Диск Лишь в 1980-х годах астрономы высказали предположение, что Млечный Путь является спиральной галактикой с перемычкой, а не обычной спиральной галактикой. Это предположение было подтверждено в 2005 году космическим телескопом имени Лаймана Спитцера, который показал, что центральная перемычка нашей галактики является большей, чем считалось ранее. По оценкам учёных, галактический диск, выдающийся в разные стороны в районе галактического центра, имеет диаметр около 100 000 световых лет. По сравнению с гало, диск вращается заметно быстрее. Скорость его вращения неодинакова на различных расстояниях от центра. Она стремительно возрастает от нуля в центре до 200—240 км/с на расстоянии 2 тыс. световых лет от него, затем несколько уменьшается, снова возрастает примерно до того же значения и далее остаётся почти постоянной. Изучение особенностей вращения диска позволило оценить его массу, оказалось, что она в 150 млрд раз больше M☉. Вблизи плоскости диска концентрируются молодые звёзды и звёздные скопления, возраст которых не превышает нескольких миллиардов лет. Они образуют так называемую плоскую составляющую. Среди них очень много ярких и горячих звёзд. Газ в диске Галактики также сосредоточен в основном вблизи его плоскости. Он распределён неравномерно, образуя многочисленные газовые облака — от гигантских неоднородных по структуре облаков, протяжённостью свыше нескольких тысяч световых лет, к небольшим облакам размерами не более парсека. Во внешних областях Млечного Пути S-образный звёздный диск искривлён в виде прогрессивно скрученной спиральной структуры. Звезды Массы звезд колеблются от 0,1 до 50 масс Солнца Эволюция Звезд на заключительной стадии – белые карлики - нейтронные звезды (Пульсары, Квазары) - черные дыры радиус 5-10 км Радиус Шварцшильда. Их не наблюдение и наблюдение. Гравитация все удерживает. Нейтронные звезды - радиус 10-20 км. Плотность 100 миллионов тонн в см 3 Масса до 2-х масс Солнца. Черная дыра (масса больше 2 масс Солнца) Красные гиганты – радиус .до сотен миллионов километров Звезды образуют галактики. В галактике может быть сотни миллиардов звезд. Есть Туманности, межзвездная среда, космические лучи, электромагнитные волны Эволюция вселенной Теория Большого взрыва. Расширение и остывание Сингулярность – сверхплотное состояние вещества, крайне малых размеров. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ Темная Энергия – 70% Темная материя – 25% Наблюдаемая вселенная – 5% Здесь вот насчет антропного принципа дело в том, что это вопрос не только о предельных основаниях бытия, но и вопрос о преподавании и понимании. Я сейчас приведу пример. У меня давно товарищ был такой, он радиохимик, заканчивал химфак. Потом в Ливии работал у Каддафи, когда еще был атомный центр не разрушен. Ему предложили заняться ликбезом, обучать сотрудников центра. Они все военные, естественно, образование какое там, но очень смышленый народ, пытливый и вот он рассказывает про уран, период полураспада 238-го, двадцать тысяч лет и вопрос из зала: « Объясните, почему двадцать -то?» И он растерялся, что им рассказывать. Ну да, это сложно объяснить. И он использовал антропный принцип. Он сказал: «По воле Аллаха». И тут команда: « Встать! Аллах велик!» Все: « Аллах, акбар». Вселе́нная Фри́дмана —первая из нестационарных моделей Вселенной. Получена Александром Фридманом в 1922г. Модель Фридмана описывает • однородную • изотропную • нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа стала первым основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915—1917 гг. История открытия Решение А.Фридмана было опубликовано в физическом журнале Zeitschrift für Physik в 1922. Это решение было вначале отрицательно воспринято Эйнштейном (который предполагал стационарность Вселенной и даже ввёл с целью обеспечения стационарности в полевые уравнения ОТО так называемый лямбда-член). Однако затем Эйнштейн признал правоту Фридмана. Тем не менее, работы Фридмана (умер в 1925) остались вначале незамеченными. Нестационарность Вселенной была подтверждена открытием зависимости красного смещения галактик от расстояния (Эдвин Хаббл, 1929). Эйнштейн утверждал, что начало теории расширяющейся Вселенной положил А. А. Фридман. Космологическое (метагалактическое)  красное смещение — наблюдается для всех далёких источников (галактики, квазары) наблюдается как понижение частоты излучения, объясняется в результате динамического удаления этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, то есть как нестационарность (расширение) Метагалактики - Вселенной. История обнаружения Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом В.Слайфером  в 1912—1914 годах. В 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон красного смещения, или закон Хаббла). Несмотря на то что, как выяснилось позже, проводимые им измерения оказались неточными и по сути не имеющими отношения к космологическому красному смещению (расширение Вселенной начинает сказываться на гораздо больших расстояниях), как показали более поздние измерения, «открытый» им закон действительно имеет место. Сущность явления Космологическое красное смещение связано с расширением пространства согласно ОТО. В наблюдаемое красное смещение от галактик вносит вклад как космологическое красное смещение из-за расширения пространства Вселенной, так и красное или фиолетовое смещения эффекта Доплера вследствие собственного движения галактик. При этом на больших расстояниях вклад космологического красного смещения становится преобладающим. Образование космологического красного смещения можно представить так: рассмотрим свет — электромагнитную волну, идущую от далёкой галактики. Свет летит и поэтому пространство расширяется. Вместе с ним расширяется и волновой пакет. Соответственно, растет и длина волны света, а частота падает, т.е. свет краснеет. Если за время полёта света пространство расширилось в два раза, то и длина волны и волновой пакет увеличивается в два раза. Расширение пространства в однородной и изотропной  Вселенной интервал между двумя событиями в сопутствующих координатах имеет следующий вид: В случае плоского пространства он имеет евклидовый вид  . Кроме этого рассматриваются пространства с положительной или отрицательной кривизной. Масштабный фактор является в расширяющейся Вселенной растущей со временем функцией. Образно говоря, каждая частичка вещества является галактикой, «привязанной» к конкретным координатам сопутствующего пространства. При расширении пространства физическое расстояние  между галактиками увеличивается, хотя их сопутствующие координаты остаются неизменными. Наглядно этот процесс можно представить как растяжение «резиновой плёнки» с «приклеенными» к ней галактиками. Для плоского 2-мерного пространства эта плёнка растягивается в плоскости. Моделью сферического 2-мерного пространства является поверхность надувающейся сферы. Для 2-мерных обитателей такой сферы расстояние между всеми галактиками увеличивается во всех точках сферы и нигде нет центра, от которого удаляются галактики. Рели́ктовое излуче́ние (лат. relictum — остаток),  космическое микроволновое фоновое излучение — космическое электромагнитное излучение со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К. Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым (1948г) в рамках теории Большого взрыва. Реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва. Природа излучения Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела. По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется  рекомбинацией). Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, в связи с уже идущей рекомбинацией избежали рассеяния, и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться вселенной. В результате дальнейшего расширения Вселенной, эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля, и сейчас составляет всего 2,7 К. История исследования Первое случайное обнаружение[ В 1941 году, изучая поглощение света звезды  Змееносца  Предсказание В 1948 году реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К. Предыстория В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провёл измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение[9]. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента». Открытие[править | править вики-текст] Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили прибор, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке установки выяснилось, что антенна имеет избыточную шумовую температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холмдейла, Дикке с юмором заметил: «Ребята, нас обскакали!» («Boys, we’ve been scooped!»). После совместного обсуждения группы из Принстона и Холмдейла заключили, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили Нобелевскую премию. Исследование неоднородностей[ В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Чуть позднее об обнаружении флуктуаций объявили и американские учёные на основании данных эксперимента COBE В 2006 году за это открытие была присужденаНобелевская премия по физике руководителям группы COBE Джорджу Смуту и Джону Мазеру, хотя российские исследователи обнародовали свои результаты раньше американцев.