Фізика і астрономія 11 клас

Фізика і астрономія 11 клас

08.05.

Тема:  Всесвіт. Проблеми космології.

Перегляньте відео за посиланням

https://sites.google.com › site › infofizikon › konspekti-urokiv › astronomia

   Вивчення історії розвитку Всесвіту і його великомасштабної структури

Вкрай важкі завдання — вивчення історії розвитку Всесвіту і проблема виникнення її великомасштабної структури — одночасно є вкрай важливими для всієї астрофізики в цілому: тільки їх вирішення може показати вірність розуміння процесів, що відбуваються в окремих об'єктах та їх об'єднаннях на даний момент.

    Складність полягає в тому, що необхідно спостерігати об'єкти, що народилися в одну і ту ж епоху, але різного віку. Таким чином, з одного боку виникає потреба спостерігати віддалені об'єкти, ослаблені як відстанню, так і тим, що їх спектр разом з вкрай важливою лінією Lα через розширення Всесвіту зміщується в інфрачервоний діапазон, спостереження в якому пов'язані з великими технічними труднощами. З іншого боку в найближчих околицях необхідно спостерігати дуже старі об'єкти, пік світності яких вже минув і зараз вони, з різних причин втративши основне джерело енергії, можуть світити лише завдяки мізерним старим запасам. Іншими словами доводиться спостерігати слабкі об'єкти. У той же час необхідна масовість спостережень, щоб виключити ефекти селекції.

     З технічної точки зору рішення першої проблеми — будівництво великих телескопів. Проте у великого телескопу не може бути великого поля і, отже, він не може забезпечити масовість спостережень. І навпаки: телескоп з широким полем не може забезпечити якісні спостереження слабких об'єктів. Але є й інший шлях, більш творчий: застосування різних методик аналізу вже наявних даних, отриманих з використанням наявних ресурсів. Зазвичай їх застосовують у зв'язці: за допомогою другого способу намічають проблеми і завдання, які потім вирішуються на якісно новому рівні з допомогою кращих космічних і наземних телескопів.

   Додаткову складність вносить і те, що разом із Всесвітом еволюціонують і об'єкти, за допомогою яких ведуться дослідження. А значить, може скластися ситуація, коли залежності, побудовані на основі сучасного стану об'єктів, перестануть бути адекватними. Щоб уникнути подібного, крім самих об'єктів необхідно ретельно дослідити і метод, за допомогою якого ми хочемо вивчати Всесвіт.

Типовими об'єктами досліджень в космології є:

    Галактики;
    Квазари;
    Зоряні скупчення;
    Гамма-сплески;
    Реліктове випромінювання;
    Об'єкти, що не проеволюціонували або проеволюціонували слабо (сюди відносять як галактики, так і зірки. Характерною рисою даних об'єктів є їх низька металічність. Вони в основному складаються з тієї речовини, з якої складалися найперші зірки і галактики).

 

Загальні особливості та прийоми

    Спостерігати космологічні об'єкти можна різними способами, деякі підходять тільки для одного типу об'єктів, деякі застосовні до всіх. Ті, що характерні для всіх, частково прийшли з зоряної астрономії (такі як метод зоряних підрахунків або порівняння різних ділянок спектра), частково винайдені тільки для потреб космології.

     Загальні проблеми найбільш яскраво проявляються в галактиках. Класично, серед них виділяють чотири типи: еліптичні, лінзоподібні, спіральні та неправильні. Ці чотири типи багато в чому схожі, але також багато в чому різні. Факторів, що впливають на еволюцію властивостей окремо взятої галактики — величезна кількість. Все це відбивається на її спектральних і фотометричних характеристиках, причому часові масштаби еволюційних процесів — мільйони років. У результаті спостереження далеких об'єктів не можна співвіднести зі спостереженнями близьких галактик і немає простих механізмів екстраполяції того стану до нинішнього.
Лайман-альфа ліс

   У спектрах деяких далеких об'єктів можна спостерігати велике скупчення сильних абсорбційних ліній на малій ділянці спектра (т. зв. ліс ліній). Ці лінії ототожнюються як лінії серії Лаймана, але мають різні червоні зміщення.

    Хмари нейтрального водню ефективно поглинають світло на довжинах хвиль від Lα(1216 Å) до межі Лаймана. Випромінювання, спочатку короткохвильове, на шляху до нас через розширення Всесвіту поглинається там, де його довжина хвилі зрівнюється з цим «лісом». Перетин взаємодії дуже великий і розрахунки показують, що навіть малої частки нейтрального водню достатньо для створення великого поглинання в безперервному спектрі.

    При великій кількості хмар нейтрального водню на шляху світла на досить широкому інтервалі спектру утворюється провал. Довгохвильова межа цього інтервалу обумовлена Lα, а короткохвильова залежить від найближчого червоного зсуву, ближче якого середовище іонізоване і нейтрального водню мало. Подібний ефект носить назви ефекту Гана-Петерсона.

Ефект спостерігається в квазарах з червоним зсувом z>6. Звідси робиться висновок, що епоха іонізації міжгалактичного газу почалася з z≈6.

Ґравітаційне лінзування

   До ефектів, спостереження яких можливі також для будь-якого об'єкта, необхідно віднести і ефект ґравітаційного лінзування. У попередньому розділі було зазначено, що за допомогою ґравітаційного лінзування будують шкалу відстаней. Це — варіант так званого сильного лінзування, коли кутове розділення зображень джерела можна безпосередньо спостерігати. Однак існує ще й слабке лінзування, з допомогою якого можна дослідити потенціал досліджуваного об'єкта. Так, з його допомогою було встановлено, що скупчення галактик розміром від 10 до 100 Мпк є ґравітаційно пов'язаними, тим самим будучи найбільшими стабільними системами у Всесвіті. Також з'ясувалося, що забезпечує цю стабільність маса, що проявляє себе тільки в ґравітаційній взаємодії — темна маса або темна матерія.

 Порівняння різних ділянок спектру

До стандартних прийомів, що дозволяють прояснити природу будь-якого об'єкта, можна віднести порівняння як спектрів різних, але приналежних до одного класу об'єктів, так і різних частин одного і того ж спектру.

    Так, комбінуючи обидва варіанти: спочатку порівнюючи спектри двох різних квазарів, а потім порівнюючи окремі ділянки спектру одного і того ж квазару, виявили сильний провал на одній з ультрафіолетових ділянок спектру. Настільки сильний провал міг бути викликаний тільки великою концентрацією пилу, що поглинав випромінювання. Раніше пил намагалися виявити за спектральними лініями, але виділити конкретні серії ліній, що доводили б, що це саме пил, а не домішка важких елементів в газі, не вдавалося. Подальший розвиток цього методу дозволив оцінити темп зореутворення на z від ~2 до ~6

   Першим способом вивчення великомасштабної структури Всесвіту є метод «зоряних черпків Гершеля». Сутність його полягає в підрахунку кількості об'єктів у різних напрямках. Метод винайдено Вільямом Гершелем наприкінці XVIII сторіччя, коли про існування далеких космічних об'єктів лише здогадувалися, і єдиними об'єктами, доступними для спостережень, були зорі. Сьогодні, рахують не зірки, а позагалактичні об'єкти (квазари, галактики), і крім розподілу за напрямками будують розподіл за червоним зсувом. Найбільшими джерелами даних про позагалактичні об'єкти є окремі спостереження конкретних об'єктів, огляди типу SDSS, APM, 2df, а також компілятивні бази даних, такі як Ned і Hyperleda. Наприклад, в огляді 2df охоплення неба становило ~ 5 %, середнє z — 0,11 (~ 500 Мпк), кількість об'єктів — ~ 220 000.

    На наведеному малюнку можна бачити, що галактики розташовано в просторі неоднорідно на малих масштабах. Після детальнішого розгляду виявляється, що просторова структура розподілу галактик — чарункова: вузькі стінки з шириною, яка визначається величиною скупчень і надскупчень галактик, а всередині них — порожнини, так звані войди.

Домінує думка, що після переходу до масштабів у сотні мегапарсек, розподіл видимої речовини стає однорідним. Проте однозначної відповіді на це питання поки що не знайдено: застосовуючи різні методики деякі дослідники приходять до висновків про неоднорідність розподілу галактик і в найбільших досліджуваних масштабах. Разом з тим, неоднорідності в розподілі галактик не скасовують факту високої однорідності Всесвіту в початковому стані, що виведено з високої міри ізотропності реліктового випромінювання.

    Водночас встановлено, що розподіл кількості галактик за червоним зсувом має складний характер. Залежність для різних об'єктів різна. Однак для всіх них характерна наявність кількох локальних максимумів. З чим це пов'язано — поки не зовсім зрозуміло.

   До останнього часу не було ясності в тому, як еволюціонує великомасштабна структура Всесвіту. Проте роботи останнього часу доводять, що першими сформувалися великі галактики, і лише потім — дрібніші (так званий downsizing-ефект).

Особливості спостережень квазарів

    Унікальна властивість квазарів — великі концентрації газу в області випромінювання. За сучасними уявленнями, акреція цього газу на чорну діру і забезпечує настільки високу світність об'єктів. Висока концентрація речовини означає і високу концентрацію важких елементів, а значить і помітніші абсорбційні лінії. Так, в спектрі одного з лінзованих квазарів були виявлені лінії води.

   Унікальною перевагою є і висока світність в радіодіапазоні, на її фоні поглинання частини випромінювання холодним газом помітніше. При цьому газ може належати як рідній галактиці квазара, так і випадковій хмарі нейтрального водню в міжгалактичному середовищі, або галактиці, що випадково потрапила на промінь зору (при цьому нерідкі випадки, коли таку галактику не видно — вона занадто тьмяна для наших телескопів). Вивчення міжзоряної речовини в галактиках даним методом називається «вивченням на просвіт», наприклад, подібним чином була виявлена перша галактика із надсонячною металічністю.

    Важливим результатом застосування даного методу, правда не в радіо-, а в оптичному діапазоні, є вимірювання первинної наявності дейтерію. Сучасне значення наявності дейтерію, отримане за таким спостереженнями, становитьD/H_p\approx 3\cdot 10^{-5}.

    За допомогою квазарів отримані унікальні дані про температуру реліктового фону на z≈1,8 і на z=2,4. У першому випадку досліджувалися лінії надтонкої структури нейтрального вуглецю, для яких кванти з T≈7,5°К (передбачувана температура реліктового фону на той момент) відіграють роль накачки, забезпечуючи інверсну заселеність енергетичних рівнів. У другому випадку виявили лінії молекулярного водню H2, дейтериду водню HD, а також молекули оксиду вуглецю СО, за інтенсивністю спектра якої якраз і виміряли температуру реліктового фону, вона з хорошою точністю збіглася з очікуваним значенням.

   Головна перевага квазарів — це їхній же основний недолік: неможливо відокремити лінії акрецуючого газу від ліній міжзоряної речовини батьківської галактики.

 Пройдіть тестування, щоб перевірити знання з фізики і астрономії

Тема: Еволюція Всесвіту

15.1. Що означає в астрономії термін “Великий Вибух”?

А. Вибух пової зорі. Б. Вибух ядра галактики. В. Зіткнення галактик, Г. Момент, коли почалося розширення космічно­го простору. Д. Момент, коли утворилися галактики.

15.2.  Коли стався Великий Вибух?

А. 10 років тому. Б. 2003 роки тому. В. 1 000 000 років до нашої ери. Г. 1 млрд. років до нашої ери. Д. 15 000 000 000 років до нашої ери.

15.3.  Коли утворилася Сонячна система?

А. 6000 років до н. е. Б. 100 000 років до н. е. В. 1 000 000 років до н. е. Г. 5 млрд. років до н. е. Д. 15 млрд. років до н. е.

15.4.  У якому місці космосу стався Великий Вибух?

А. У центрі Всесвіту. Б. У ядрі нашої Галактики. В. У скупченні галактик в сузір’ї Діви. Г. Скрізь, бо галактики не летять відносно решти Всесвіту, адже сам простір теж розширюється. Д. В іншому вимірі за межами нашого Всесвіту.

15.5.  Чому дорівнює середня температура Всесвіту?

А. 0°С.  Б. 0 К.  В. -270°С.  Г. 2,7 К.  Д. -300°С.  Е. 300 К.

15.6.  Яка доля зачиненого Всесвіту?

15.7.  Що чекає у майбутньому відчинений Всесвіт?

15.8.  З якої події почалося розширення Всесвіту?

15.9.  Про що свідчить реліктове випромінювання Всесвіту?

15.10.  Галактика знаходиться на відстані 100 млн. пк. Обчисліть, скільки років летить світло від неї до Землі.

15.11.  З якою швидкістю віддаляється від нас галактика, яка зна­ходиться на відстані 10⁹ св. років від Землі?

15.12. Який Всесвіт вам подобається більше з філософської точки зору: відчинений, зачинений чи Всесвіт, що змінюється у часі? Чому?

15.13. Чи можна за допомогою шкільного телескопа побачити, що галактики від нас віддаляються?

Домашнє завдання

Вивчити §53. Виконайте  завдання та перешліть на електронну адресу captatana5@gmail.com