Главная Обратная связь

Дисциплины:






Тэорыя Вялікага Выбуху як Стандартная мадэль сучаснай касмалогіі



“Напачатку быў…беспарадак, хаос,” – такой, стылізаванай пад тэкст Бібліі фразай адкрываецца прысвечаны касмалагічнай праблематыцы раздзел у кніжцы сучаснага французскага навукоўца А.Жакара “Матэрыя і жыццё”. Затым аўтар працягвае: “Узнікненне нашага Універсуму можна параўнаць з Big-Bang, з гіганцкім выбухам”. Трэба адзначыць трапнасць і дасціпнасць згаданай рэмінісцэнцыі: набыўшы нестацыянарны (і, фактычна, эвалюцыйны) характар, рэлятывісцкая тэарэтычная касмалогія у спалучэнні з вынікамі астранамічных назіранняў наблізілася да пытання пра пачатак Сусвету (ці, прынамсі, магло ўзнікнуць такое ўражанне). Гэта выявілася ўжо ў 1931 г., калі Ж.Леметр дзякуючы памянёнаму спалучэнню прапанаваў тэорыю “першапачатковага атаму”. Як вядома, дагэтуль згаданае пытанне вырашалася найперш пры дапамозе міфапаэтычных і метафізічна-філасофскіх сродкаў.

Калі даць веры меркаванню, згодна з якім навуковая касмагонія (вучэнне пра пачатак Сусвету) сапраўды магчымая, дык паўстаюць пэўныя сумненні: ці не парушае навука пры гэтым межы свайго легітымнага запытвання і ці не патрапляе ў праблемнае поле іншых духоўных формаў? І, апынуўшыся на чужой тэрыторыі, ці не зрабілася яна ахвярай уласнай неабачлівасці, дэградуючы і ператвараючыся ў дапаможны сродак для іншых тыпаў тэарэтычнага засваення рэчаіснасці? Сапраўды, станаўленне эвалюцыйнай касмалогіі – у падабенстве з эвалюцыйнай біялогіяй – выступіла, сярод іншага, як важная падзея і ў кантэсце развіцця ўзаемных стасункаў навукі і рэлігіі. У адрозненне ад біялагічнай эвалюцыйнай тэорыі, аднак, эвалюцыйны касмалагічны праект з неабходнай у яго рамках і небяспечнай для яго самога праблемай пачатковай сінгулярнасці нярэдка ўспрымаўся як навуковае пацвярджэнне рэлігійна-міфалагічнага светабачання. (Так, Ж.Леметру прыйшлося ўпарта змагацца супраць папрокаў у хітрай, згодніцкай пазіцыі ў кантэксце стасункаў навукі і рэлігіі, якая нібыта, была сапраўднай падставай ягоных тэарэтычных пошукаў і знаходак. Справа ў тым, што, як указвалася вышэй, ён спалучаў у сабе навукоўца-фізіка і каталіцкага святара-тэолага.)

Згаданая сітуацыя падштурхоўвае, аднак, і да зусім іншага пытання, да пытання пра слушнасць і апраўданасць знакамітага кантаўскага папярэджання, згодна з якім мы не ў стане вырашыць, мае ці не мае свет пачатак у часе (гэтаксама як і абмежаваны ці бязмежны ён у прасторы).[29] Ці не дыскваліфікавала яго развіццё навукі? Ці не належыць згаданае папярэджанне ў адзін шэраг з неасцярожным прадказаннем французскага філосафа- пазітывіста А.Конта (1798-1857), паводле якога людзі ніколі не змогуць даведацца пра тое, што адбываецца ўнутры зорак, і якое выклікае сёння ўсяго толькі іранічную ўсмешку? У філасофскай літаратуры выказваюцца розныя меркаванні на гэты конт. Ва ўсіх выпадках, аднак, відавочна, што слушнага, адназначнага адказу нават на пытанне пра пачатак бачнага ўніверсуму (не кажучы пра абсалютны пачатак Усяго) сучасная навука пакуль што даць не можа (магчыма, у адрозненне ад пытання пра яго прасторавыя межы). Зрэшты, больш слушным падаецца весці гаворку ў дадзеным выпадку не пра пачатак універсуму, а пра пачатак пэўнага фізічнага працэсу – працэсу яго пашырэння. Усё гэта азначае, што кантаўскі падыход у гэтым, тэмпаральным сваім аспекце павінен і ў сучасных умовах успрымацца ўсур’ёз. Напачатку была касмалагічная сінгулярнасць,” – даводзіць нам выбудаваная на аснове ўсеагульнай тэорыі адноснасці і эмпірычнай фіксацыі чырвонага зрушэння ў спектрах аддаленых галактык касмалагічная мадэль. У вачах большасці навукоўцаў (пра гэта ўжо ішла гаворка – у параграфе 4.3.) сінгулярнасці дэтэктуюць мяжу ўжывальнасці рэлятывісцкай фізікі, мяжу нашых ведаў і нашага няведання. Таму яна можа разглядацца таксама і як пляма на рэпутацыі нестацыянарнай касмалагічнай тэорыі, якая зусім выпадкова атрымала назву тэорыі Вялікага Выбуху. (Так назваў яе англійскі астрафізік Ф.Хойл (1915-2001), які належаў да самых непрыхільных яе крытыкаў і таму ўжыў згаданы выраз, магчыма, з чыста іранічным падтэкстам К.Ф.фон Вайцзэкер, напрыклад, піша пра няпэўнасць яе статусу: здольная яна быць строга даказанай ці асуджаная заставацца касмаганічным міфам адзначанай атамнай бомбай гістарычнай эпохі адназначна вырашыць на сённяшні дзень немагчыма. Пры гэтым навуковец даводзіць пра свой скепсіс менавіта ў дачыненні да гіпотэз, што маюць сваім прадметам першапачатковыя фазы (“эры”) у эвалюцыі ўніверсуму. Ён абгрунтоўвае сваю скептычную пазіцыю ў дадзеным пытанні тым, што ў згаданых гіпотэзах тут і сёння адкрытыя законы прыроды прызнаюцца неабмежавана значнымі і для “нованароджанага” ўніверсуму ў першыя долі секунды яго існавання. У момант часу, аднак, які можна ахаратарызаваць як пункт нуль, гэтыя законы раптоўна губляюць моц і адбываецца татальная капітуляцыя ўсёй сучаснай фізікі. (Сапраўды, пачатак пашырэння ўніверсуму ў згодзе з рэлятывісцкай фізікай мусіць мець дзіўны, незвычайны, загадкавы характар, бо гаворка ідзе не пра яго ўзнікненне ў прасторы і часе, а пра яго ўзнікненне разам з прасторай і часам. Аднак час можа разглядацца як “перадумова сэнсу ўсіх нашых законаў і паняццяў”!) Значна больш слушным у дадзенай сітуацыі быў бы, на думку навукоўца, падыход, засяроджаны на тых этапах у развіцці ўніверсуму, пра якія ёсць аб’ектыўныя сведчанні і пра якія мы можам, значыцца, гаварыць асэнсавана.



Неабходна адзначыць, што абцяжараны праблемай пачатковай сінгулярнасці нестацыянарны касмалагічны праект пэўны час не мог перамагчы ў барацьбе ідэй, якая адбывалася ў сферы касмалогіі. Зрэшты, не толькі праблема сінгулярнасці адштурхоўвала ад яе немалую колькасць навукоўцаў і змушала іх шукаць альтэрнатыўную гіпотэзу. Акрамя яе істотныя цяжкасці паўсталі і пры вызначэнні “ўзросту ўніверсуму”, магчымасць якога вынікала з тэорыі Вялікага Выбуху. Справа ў тым, што прадпрынятая Э.Хаблам спроба такога вызначэння прынесла ў найвышэйшай ступені нездавальняючы вынік: універсум мусіў існаваць усяго 2 млрд. гадоў. Гэта адназначна супярэчыла эмпірычным набыткам геалогіі: Зямля мусіла быць старэйшай за Сусвет.

У такіх умовах у якасці альтэрнатывы нестацыянарнай касмалагічнай мадэлі была прапанаваная тэорыя стацыянарнага стану. Дадзеная тэорыя грунтавалася на “дасканалым” – паводле словаўжывання яе стваральнікаў (Г.Бондзі (1919-2005), Т.Гольд (1920-2004), Ф.Хойл) – касмалагічным прынцыпе, згодна з якім матэрыя раўнамерна размеркаваная ў бясконцай прасторы і ў бясконцым часе. Феномен чырвонага зрушэння ў галактычных спектрах яе аўтары патлумачылі хоць і непрыкметным, але няспынным сінтэзам вадароду ва ўніверсуме, дастатковым для таго, каб новыя галактыкі адціскалі наяўныя адна ад адной.

Далейшае разгортванне касмалагічных даследаванняў, аднак, было больш спрыяльным для тэорыі Вялікага Выбуху. З аднаго боку, былі выяўленыя памылкі Э.Хабла, зробленыя ім пры разліках узросту ўніверсуму, а з іншага, – “дасканалы” касмалагічны прынцып не атрымаў эмпірычнага пацвярджэння. У розных спробах карэкцыі хаблавых разлікаў былі атрыманыя, праўда, розныя вынікі (ад 10 да 18-20 млрд. гадоў); ва ўсіх выпадках, аднак, яны не пярэчылі ўжо эмпірычным знаходкам геолагаў і астраномаў. Акрамя таго, прыхільнікі тэорыі стацыянарнага стану не змаглі знайсці ўцямны адказ на пытанне пра крыніцы сталага ўзнікнення вадароду ў нашым Сусвеце.

Распрацаваныя ў 30-х-40-х гадах мадэлі ўнутранай структуры зорак вырашылі праблему крыніцы іх энергіі (такой крыніцай з’яўляюцца рэакцыі тэрмаядзернага сінтэзу). Разам з тым, аднак, яны паставілі навукоўцаў перад новай загадкай: колькасць ядраў гелію ў нетрах Сонца і іншых зорак выявілася як занадта вялікая, каб быць сінтэзаванай толькі праз згаданыя вышэй рэакцыі. (Падобная сітуацыя склалася, зрэшты, і з дэйтэрыем.) У сувязі з гэтым у 1948 г. Р.Альфер (1921-2007), Г.Бетэ (1906-2005) і Г.Гамаў (1904-1968) прапанавалі ідэю, згодна з якой на сваіх першапачатковых стадыях універсум знаходзіўся не толькі ў надзвычай сціслым (1024 пратонаў і нейтронаў на 1 м3), але і ў надзвычай гарачым, распаленым стане: яго тэмпература павінна была складаць мільярды градусаў па шкале Кельвіна. (Дадзеная ідэя стасуецца, зрэшты, і з законамі тэрмадынамікі.) У такіх жахлівых, пякельных варунках якраз і павінны былі сінтэзавацца ядры гелію і дэйтэрыю, якія перавышалі ўнутраныя магчымасці зорак.

Мадэлюючы на грунце ядзернай фізікі і рэлятывісцкай касмалогіі разгортванне фізічных працэсаў на ранніх стадыях касмічнай эвалюцыі, Р.Альфер і Р.Херман (1914-1997) прыйшлі да высновы, што Сусвет павінен быць напоўнены рэліктавым халодным выпраменьваннем. У найпрасцейшай мадэлі (калі ардынарная матэрыя знаходзіцца ў стане тэрмічнай квазі-раўнавагі з выпраменьваннем і калі яны ахалоджваюцца ў працэсе пашырэння ўніверсуму без значных крыніц энергіі) згаданае выпраменьванне мусіла мець спектр, характэрны для абсалютна чорнага цела. На дадзенае прадказанне ніхто не звярнуў асаблівай увагі. Толькі ў 60-х гг. група прынстанскіх фізікаў, зацікавіўшыся мадэльлю Вялікага Выбуху, распачала падрыхтоўку да яго праверкі (распрацоўваўся адпаведны дэтэктар, балазе радыёастраномія дасягнула на гэты момант дастаткова высокага ўзроўню ў сваім самаразвіцці). Ім не пашанцавала, аднак, бо іх апярэдзілі два іншыя амерыканскія навукоўцы – А.Пензіяс і Р.Вільсан, якія, вырашаючы зусім іншыя задачы, выявілі згаданае выпраменьванне (і пазней атрымалі за сваё адкрыццё Нобелеўскую прэмію). Так, у 1965 г. абсалютна выпадковым чынам высветлілася дакладнасць зробленай Р.Альферам і Р.Херманам высновы. Дадзеная падзея схіліла шалі вагаў на бок тэорыі Вялікага Выбуху: большасць касмолагаў аддала перавагу менавіта ёй (спрацаваў эфект спраўджанага тэарэтычнага прадказання). Разам з тым яна ўзняла і аўтарытэт касмалогіі як навукі.

Наступны надзвычай важны крок у сцвярджэнні і развіцці тэорыі Вялікага Выбуху быў зроблены ў працэсе вывучэння рэліктавага выпраменьвання. Як даводзілася вышэй (4.3.), у рамках рэлятывісцкай касмалогіі дапускаецца, што ўніверсум у глабальных маштабах з’яўляецца гамагенным і ізатропным. Разам з тым ён мае структураваны характар, што змушае весці гаворку пра яго лакальную неаднародносць. У найпрасцейшай мадэлі ягоныя структуры з’яўляюцца вынікам дзеяння гравітацыі на невялічкай неаднароднасці, што магла ўзнікнуць у раннім універсуме. У сувязі з гэтым было зроблена прадказанне, што згаданая неаднароднасць павінна назірацца і ў рэліктавым халодным выпраменьванні (з вельмі маленькай амплітудай, роўнай 1/100000). Дадзенае прадказанне было дакладна пацверджана у выніку назіранняў, праведзеных у касмічнай прасторы пры дапамозе даследчага спадарожніка.

Высветліць прычыны ўзнікнення лакальнай неаднароднасці ў зусім маленькім універсуме ў самыя першыя долі секунды яго існавання – гэта надзвычай складаная задача, якая на сённяшні дзень дапускае толькі ў найвышэйшай ступені гіпатэтычныя рашэнні. Найбольш папулярным з такіх рашэнняў з’яўляецца т. зв. інфляцыйная мадэль, якая ў сваіх асновах выходзіць за межы ўсеагульнай тэорыі адноснасці і звяртаецца таксама да квантавай фізікі. Згодна з гэтай гіпотэзай у найпершыя долі секунды наш мікраскапічны па сваіх памерах універсум мусіў павялічыцца ў 1050 разоў (доля павялічэння яго энтрапіі мусіла складаць пры гэтым 1028)!. Такое хуткае павялічэнне шматкроць перавышала, безумоўна, хуткасць святла, што не пярэчыць, аднак, прынцыпам рэлятывісцкай фізікі. Справа ў тым, што яна забараняе рух з больш імклівай, чым 300000 км/с, хуткасцю ў прасторы, але не для самой прасторы. Памянёнае скачкападобнае пашырэнне ўніверсуму адбывалася, згодна з інфляцыйнай гіпотэзай, не зусім раўнамерна (гэта цалкам стасуецца з духам і літарай задзейнічанай у ёй квантавай тэорыі). Адпаведныя мікрафлуктуацыі і стварылі падставу для лакальнай неаднароднасці Сусвету.

Неабходна адзначыць, што гіпотэза інфляцыйнага ўніверсуму, як і іншыя тэарэтычныя пабудовы падобнага кшталту, шмат хто з навукоўцаў успрымае з вялікай доляй скепсісу ці ўвогуле з іранічнай усмешкай. (Вышэй ужо згадвалася пазіцыя К.Ф.фон Вайцзэкера ў гэтым пытанні.) Для грунтоўнага аналізу праблем, звязаных з тымі стадыямі ў развіцці нашага Сусвету, калі ён быў неймаверна маленькім, сціслым і гарачым, фізікам бракуе найперш надзейных тэарэтычных падстаў. Калі для вывучэння адносна больш позніх яго этапаў такія падставы ствараюць малекулярная, атамная фізіка, фізіка элементарных часціц, дык даследаванне самых ранніх касмічных падзей магло б разгортвацца на аснове квантавай тэорыі гравітацыі. Сапраўды, квантавыя і гравітацыйныя эфекты мусяць разам прысутнічаць і выяўляцца ў гэтых падзеях. (Навукоўцы мяркуюць, што адпачаткова усе тыпы фізічных узаемадзеянняў увогуле ўтваралі непадзельнае адзінства.) Аднак квантавай тэорыі гравітацыі ў распараджэнні даследчыкаў пакуль што няма: праблема сінтэзу квантавай і рэлятывісцкай фізікі, як вядома, не знайшла яшчэ свайго грунтоўнага рашэння (4.6).

Акрамя таго, вывучэнне ранняга космасу сутыкаецца з грунтоўнымі цяжкасцямі і ў эмпірычным плане. Як указвалася вышэй (1.3.2), касмічныя сістэмы ўвогуле, як правіла, успрымаюцца ў іх мінулым стане, бо навукоўцы назіраюць іх праз іх выпраменьванне, а яно не можа дасягнуць зямных і размешчаных у касмічнай прасторы тэлескопаў імгненна. Чым далей, значыцца, размешчаны аб’ект, тым больш раннія этапы касмічнай эвалюцыі фіксуе інфармацыя, што ідзе ад яго. Самыя раннія з іх, аднак, (магчыма, першы мільён гадоў) мусяць заставацца ўвогуле недаступнымі для нас, бо наш універсум быў тады непразрыстым. Справа ў тым, што толькі ў гэты час (прыкладна мільён гадоў пасля пачатку пашырэння) пачалі ўтварацца атамы, якія ў адрозненне ад зараджаных часцінак не перашкаджалі ўжо распаўсюджванню выпраменьвання (дадзены шанец і выкарыстала халоднае рэліктавае выпраменьванне, якое бярэ пачатак менавіта ў той час і менавіта дзякуючы ўтварэнню атамаў).

Неабходна адзначыць, што выправіць згаданую сумную сітуацыю фізікі спадзяюцца пры дапамозе Вялікага адроннага калайдэра, на якім яны плануюць прасімуляваць пэўныя эпізоды загадкавай ранняй гісторыі нашага ўніверсуму. Гэта вельмі красамоўны факт, ён яскрава паказвае, што касмалогія (вывучэнне гіганцкіх касмічных структур) не можа абысціся без фізікі, што вывучае найменшыя матэрыяльныя ўтварэнні, без фізікі элементарных часціц. (Даследаванне найвялікшага немагчымае без даследавання мікраскапічна малога – хіба не важкі аргумент на карысць дыялектычнай метадалогіі?) Таму паўстае надзея, што прысвечаныя найбольш раннім стадыям пашырэння бачнага ўніверсуму касмалагічныя гіпотэзы не фатальна асуджаныя заставацца дзіцячым лепетам.

Дарэчы, у іншым – звязаным з зямной фізікай – сваім аспекце яны ва ўсіх выпадках павінны ўспрымацца ў найвышэйшай ступені сур’ёзна. Да гэтага змушае іх высокі эўрыстычны патэнцыял: яны нацэльваюць тэарэтычную і эксперыментальную фізіку на дасягненне новых мэтаў, падштурхоўваюць іх да рашэння новых задач (напрыклад, да стварэння адзінай тэорыі грунтоўных фізічных узаемадзеянняў, даследавання ўласцівасцяў квантавага вакуўму ці атрымання свабодных кваркаў). Акрамя таго, выносячы вердыкт згаданым гіпотэзам, не варта забывацца і на тое, што высокая ступень гіпатэтычнасці – гэта прыроджаная хвароба ўсіх касмалагічных пабудоў.

Тым не менш у спаборніцтве тэарэтычных праектаў ёсць пераможаныя і ёсць пераможцы. Навуковая супольнасць вылучае пэўныя з іх – тыя, што найлепш адпавядаюць дасягнутаму ўзроўню ведаў, надаючы ім парадыгматычны статус. У сучасных умовах ролю парадыгмы выконвае мадэль Вялікага Выбуху. Справа ў тым, што ідэя, згодна з якой бачны Сусвет, які ў аддаленым мінулым знаходзіўся ў надзвычай сціслым і распаленым стане, у працэсе пашырэння і ахалоджвання даў пачатак разнастайным матэрыяльным структурам, найлепш стасуецца з вынікамі эмпірычных даследаванняў.

Тым не менш застаецца цэлы шэраг пытанняў, на якія яна не можа даць адказу. Вышэй шмат гаварылася пра яе недзеяздольнасць у апісанні самых ранніх стадый пашырэння ўніверсуму. Ніяк не лепшая сітуацыя мае месца, аднак, і ў сувязі з пытаннем пра яго прышласць. Справа ў тым, што яно можа быць вырашана толькі на аснове дакладнага вымярэння тых (супрацьлеглых) сіл, што, з аднаго боку, выклікаюць разыходжанне галактык, а з іншага, – супрацьдзейнічаюць яму. На дадзены момант здзейсніць такія вымярэнні немагчыма. Таму немагчыма і высветліць, якая са згаданых вышэй (4.3) фрыдманаўскіх мадэляў адпавядае рэчаіснасці. Недасканаласць Стандартнага касмалагічнага праекту выяўляецца і ў тым, што шмат якія з яго ўнутраных параметраў вызначаюцца не на аснове яго ўласных прынцыпаў, а на аснове назіранняў. Таму ў навукоўцаў застаецца шырокае поле для далейшых пошукаў, і можна з пэўнасцю сцвярджаць, што яны прынясуць яшчэ шмат цікавых знаходак.

Такім чынам, эвалюцыйная рэлятывісцкая касмалогія з неабходнасцю сутыкнулася з пытаннем пра пачатак працэсу пашырэння ўніверсуму. У згодзе з ёй дадзены пачатак мусіць мець дзіўны характар: гаворка ідзе не пра яго ўзнікненне ў прасторы і часе, а пра яго ўзнікненне разам з прасторай і часам. Сучасная фізіка пакуль што не ў стане апісаць такі працэс. Таму нестацыянарная рэлятывісцкая касмалогія (мадэль Вялікага Выбуху) не магла адразу перамагчы ў барацьбе за прыхільнасць навукоўцаў, шмат хто з якіх шукаў больш слушную гіпотэзу. У працэсе далейшых даследаванняў выявілася, аднак, што яна найлепш стасуецца з вынікамі эмпірычных даследаванняў. Акрамя таго, прадказанае на яе аснове існаванне ў нашым універсуме рэліктавага халоднага выпраменьвання было пацверджана ў 1965 г., што рэзка ўзняло яе навуковы статус. У працэсе далейшых даследаванняў яна ўзбагацілася новымі гіпотэзамі і ідэямі. Так, да ўяўлення пра сціслы і гарачы ўніверсум дадалася ідэя яго інфляцыйнай стадыі. Падобныя тэарэтычныя канструкцыі маюць на дадзены момант, аднак, надта гіпатэтычны характар. Тым не менш яны выконваюць важную эўрыстычную ролю (і найперш у дачыненні да “зямной” фізікі).

 

35. Сучасныя ўяўленні аб будове Сусвету.

Образовавшиеся галактики распределены в пространстве Вселенной не случайным образом. Характер их распределения носит название корреляции галактик. Галактики сначала образуются из протогалактического облака, а потом постепенно скучиваются.
Иерархия образования структур включает в себя группы галактик внутри бедных скоплений, которые потом входят в состав богатых скоплений. Вероятно, первоначальное их распространение было случайным, Затем вступили в действие гравитационные силы, которые привели к стягиванию галактик в большие скопления.

Интересным представляется проследить структуру видимой нами части Вселенной –Метагалактики. Метагалактика состоит из гигантских звездных систем, подобных нашей – галактик. Всего три таких объекта видны на небе невооруженным глазом, как слабосветящиеся размытые пятна – это Большое и Малое Магеллановы облака ( в южном полушарии) и Туманность Андромеды. Многие миллионы других галактик можно видеть только в сильные телескопы. Несколько сотен галактик хорошо изучены. Для нескольких тысяч – получен спектр и определено рассеяние, для нескольких десятков тысяч даны оценки звездной величины и углового расстояния, описаны особенности внешнего вида. Все галактики классифицированы и помещены в каталоги под соответствующими обозначениями. Так, например Туманность Андромеды получила название М31 .

Проблемой изучения галактик и их классификации занимался Э.Хаббл. По внешнему виду и характеру распределения яркости он разделил все галактики на эллиптические, спиральные, линзовидные и неправильные.

Эллиптические – имеют в пространстве форму эллипсоидов с различной степенью сжатия. Некоторые из них обладают почти идеальной шарообразной формой ( рис 1. Е0 –Е4), а некоторые сильно сплющены и похожи на линзу. Это линзовидные галактики ( рис 1. Е5 – Е7). Они не имеют ядра, их яркость плавно возрастает от периферии к центру. Внутренняя структура отсутствует. Почти все они имеют в спектре преобладание красного цвета.

Спиральные галактики (S0 – Sс – Sвс) – наиболее часто встречаемы. Типичным представителем является наша галактика. В отличие от эллиптических, они имеют центральное ядро и структуру в виде спиральных рукавов. Вещество в них присутствует не только в спиральных ветвях, но и между ними. В рукавах сосредоточены наиболее яркие горячие звезды, молодые звездные скопления и светящиеся газовые туманности. Все они имеют центральный звездный диск, сфероидальную составляющую, похожую на небольшую линзовидную галактику и плоскую составляющую или рукава.

Неправильные галактики имеют несимметричный вид, содержат горячие звезды, молодые звездные образования и большие количества межзвездного газа. Именно такими оказались ближайшие к нам галактики Магеллановы облака. Именно в галактиках такого типа обнаруживаются интересные небесные явления – вспышки сверхновых и т.д

Все галактики рассредоточены в Метагалактике не случайно, а находятся по узлам нерегулярной сети, напоминающей своим расположением соты пчелиного улья. Между этими узлами галактик практически нет.

Галактики – это системы звезд и связанные с ними межзвездные среды – разреженный газ с небольшой примесью твердых пылинок. Диаметры галактик составляют 50- 70 и более килопарсек. Встречаются и карликовые системы, размеры которых на порядок меньше. Все галактики обладают довольно интенсивным радиоизлучением.

В космическом пространстве существуют галактики с аномальными свойствами.

Радиогалактики. Они относятся к числу массивных эллиптических галактик и отличаются аномально высоким радиоизлучением – в десятки тысяч раз выше, чем у нормальных. Механизм излучения связан с выбросом из них больших облаков частиц, движущихся в магнитном поле. Одна из таких галактик находится в созвездии Центавра. Всего обнаружено около 500 таких объектов.

В 1963 году были открыты мощные источники радиоизлучения, которые назвали квазизвездными, или квазарами. Мощность выделения ими энергии в сотни и тысячи раз больше, чем у обычных галактик. Известно около 1500 таких объектов. Ряд особенностей квазаров связывают их с ядрами галактик- компактность, переменность излучения, нетепловой характер спектра. Характерная особенность спектров- в них красное смещение достигает максимальных размеров. Вероятно, это наиболее удаленные от нас объекты, разлетающиеся со скоростью, близкой к С.

Пояс квазаров расположен на расстоянии 600 мегапарсек от Млечного пути. Дальше и ближе они практически отсутствуют. Вероятно, их образование было приурочено к определенному периоду в развитии Вселенной. Это ядра галактик, находящиеся на каком–то этапе своей эволюции.

 

36. Дасягненні і праблемы сучаснай планеталогіі.

В настоящее время наблюдается устойчивый интерес к исследованию планет Солнечной системы. Существует множество программ по освоению космоса, довольно существенная доля которых отведена на изучение планет. Например, в 2020 году специалисты NASA рассчитывают высадить на поверхность Луны экспедицию из четырех человек, которые пробудут на спутнике Земли примерно неделю. К 2024 году аэрокосмическое агентство США намерено построить на Луне постоянную базу. Лунная база должна стать не только местом проведения научных исследований, но и своеобразным перевалочным пунктом для отправки будущей экспедиции на Марс.

Исследованиями планетных тел Солнечной системы занимается наука планетология, главная цель которой состоит в более полном познания мира в котором мы живем. Без привлечения данных о других планетах Солнечной системы невозможно судить ни о том как образовалась Земля, ни о её эволюции в первые 600 миллионов лет. В настоящее время идет активное изучение одного из спутников Сатурна - Титана. Считается, что Титан раскроет тайну зарождения жизни на Земле, т.к. он сильно напоминает нашу планету 4,6 миллиарда лет назад.

Изучение околоземного пространства, планет и спутников, оказывает огромное влияние на мировоззрение человека и на общественную жизнь. Благодаря космическим программам по освоению Солнечной системы, человек перестал чувствовать себя ограниченным пределами нашей планеты, получил принципиальную возможность достижения других планет. Создание более совершенных ракетно-космических средств способствует развитию науки планетологии, которая играет все более и более важную роль в решении таких актуальных проблем как: сырьевая, энергетическая, экологическая и др.

Солнечная система. Первые запечатленные наблюдения за движением Солнца на фоне звездного неба относятся к эпохе IV —III тыс. до н. э. В IIIтыс. до н. э. шумерские астрономы определяли начало нового года — день весеннего равноденствия — по вступлению Солнца в созвездие Тельца. В этот день плоскость экватора совпадает с плоскостью эклиптики. Интересно, что контур созвездия Тельца, похожий на букву А, послужил прообразом первой буквы алфавитов большинства языков индоевропейской группы. Почти за 2000 лет точка весеннего равноденствия сместилась навстречу видимому перемещению Солнца и во II в. до н. э. оказалась в созвездии Овна. Сейчас она находится в созвездии Рыб, передвигаясь ежегодно на . Поэтому Солнце, последовательно проходя через все созвездия Зодиака, вернется к исходному положению через 26000 лет. Это явление обнаружил величайший астроном древности Гиппарх (II в. до н. э.) и назвал его прецессией— предварение равноденствий.

Происхождение прецессии объяснил И. Ньютон. Смена сезонов вызвана обращением Земли вокруг Солнца и наклоном ее оси к плоскостиЭКЛИПТИКИ на 23,5°. Из-за того, что Земля сплюснута у полюсов, моменты сил, действующих на нее со стороны Солнца и Луны, приводят к вращению оси вокруг нормали к плоскости эклиптики с периодом 26000 лет.

Человека всегда поражал беспредельный мир небесных светил — эта грандиозная лаборатория, открытая для любознательного ума. Звезды казались неподвижными друг относительно друга, а группа, состоящая из пяти светил (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн), перемещалась на фоне звезд, описывая петли и зигзаги. Отсюда и название — планета Изучение движений планет и создание моделей, объясняющих их перемещение, сыграли решающую роль в развитии астрономии.

По Аристотелю, Земля является центром мира, вокруг которого вращаются сферы с планетами и звездами. В 250 г. до н. э. Аристарх Самосский высказал гипотезу, согласно которой Земля имеет форму шара, вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца. Однако эти идеи явно противоречили обыденным представлениям своего времени и не сыграли заметной роли в античной науке.

Наибольшее распространение получила геоцентрическая теория движения планет, развитая Птолемеем (150 г. до н. э.) на основе схем, известных античным астрономам. Хуже всего в системе Птолемея оказалось то, что она была достаточно точно подогнана под известные данные наблюдений и во многих отношениях оказалась неуязвимой для опровержения.

После III-IV вв. античная астрономия приходит в упадок. Только в XIII в. начинается возрождение и утверждение идей Аристотеля в рамкаххристианской религии. Одновременно возрастает политическая, экономическая, культурная и научная активность общества, получившая в XIVстолетии название Ренессанса (Возрождения). С началом эпохи Великих географических открытий (X. Колумб, 1492; Ф. Магеллан, 1519- 1521)пришлось отбросить представление о Земле как о плоском круге. Несостоятельность многих положений Аристотеля привела к развитию новых идей.

В 1543 г. выходит знаменитое сочинение Н. Коперника (1473 -1543), в котором впервые в истории астрономии дана правильная схема строения Солнечной системы. Определены относительные расстояния от планет до Солнца, периоды обращения планет, получило объяснение петлеобразное видимое движение планет. В 1605 г. И. Кеплер открыл два закона, описывающих движение планет. Еще более десяти лет потребовалось для установления третьего закона (1618—1619). В 1609 году Г. Галилей впервые направил на небо телескоп. Он обнаружил фазы Венеры, лунные горы, пятна на Солнце. Открытие спутников Юпитера опровергло утверждение о Земле как о единственном центре вращения.

В 1679 г. И. Ньютон убедился, что если тело движется по коническому сечению под действием СИЛЫ, направленной к фокусу, то величина силы должна изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния от фокуса. Для доказательства этого утверждения он воспользовался техникой дифференцирования. Прямую задачу решил в 1710 г. И. Бернулли. Существует ряд предположений относительно того, почему сам Ньютон не использовал метод интегрирования. Возникла даже дискуссия на тему: доказал ли Ньютон, что из закона всемирного тяготения следуют законы Кеплера .

Первым подтверждением закона всемирного тяготения было предсказание возвращения кометы Галлея. Ее появление отмечалось задолго донашей эры. Английский астроном Э. Галлей подметил сходство в описании хвостов комет 1531, 1607 и 1682 гг. Он предсказал возвращение кометы через 76 лет в 1758 г. Правда из-за возмущения, вносимого в ее траекторию Юпитером и Сатурном, комета Галлея запоздала и появилась в 1759 г.

В 1781 г. В. Гершелем была открыта новая планета Солнечной системы. Ее назвали Ураном. Обнаруженные в 1787 г. два спутника позволили определить массу Урана. В 1801 г. итальянский астроном Дж. Пиацци обнаружил первый астероид — так назвали небольшие планеты размерами от 200 до 800 км. За два века наблюдений открыто 18 000 астероидов. Точные орбиты известны для почти 5 000 астероидов. Большинство этих орбит лежат между орбитами Марса и Юпитера — это так называемый главный пояс астероидов. Средние расстояния от Солнца лежат между 2,1 и 3,3 а.е. Преобладающее возмущение на движение астероидов оказывает Юпитер — существуют области пространства, в которых сгущения или зазоры в их распределении связаны с резонансным отношением периодов вращения астероидов и Юпитера.

К 1820 г. были установлены элементы эллиптической орбиты Урана. Однако последующие наблюдения расходились с данными теоретических расчетов. Английский астроном Д. Адаме и французский астроном У. Леверье независимо в 1845-1846 гг. предположили, что траектория Уранавозмущается неизвестной планетой и предсказали ее положение. Открытие в сентябре 1846 г. немецкими астрономами И. Галле и Г. д'Аррестом новой планеты — ее назвали Нептун — явилось триумфом небесной механики. История астрономии еще не знала подобных примеров.

Наиболее трудной проблемой небесной механики оказалось несоот­ветствие между теоретическим и наблюдаемым перемещениями перигелия Меркурия. Предположения о возмущении, вносимом неизвестной планетой, не подтвердилось. Только в 1916 г. этот эффект получил объяснение в рамках созданной А. Эйнштейном общей теории относительности. Согласно Эйнштейну, смещение перигелия Меркурия обусловлено заметным искривлением пространства-времени в окрестности Солнца.

После уточнения масс всех планет все же остались небольшие расхождения теории с наблюдаемым положением Урана. Преемник Ленерье А. Гайо и американский астроном П. Ловелл в 1908-1915 гг. «вычислили» новую планету. Через 15 лет она была открыта американским астрономом К. Томбо и названа Плутоном.

Наша Галактика и Вселенная. Любопытно, что только в двадцатые годы нашего столетия развеялось эгоцентрическое заблуждение человека относительно его места во Вселенной. Это произошло благодаря тому, что были найдены способы определения расстояния до очень удаленных звезд. Солнечная система — ничтожная часть нашей звездной системы, называемой Галактикой Она содержит 100 млрд. звезд, распределенных в центральном ядре и отходящих от него спиральных ветвях, расположенных в плоском слое толщиной ~ 10 св. лет. Центр Галактики находится в созвездии Стрельца. Радиус Галактики составляет 50 000 св. лет, причем Солнце отстоит от центра на 30 000 св. лет. С Земли Галактика предстает в виде Млечного Пути — совокупности звезд, наблюдаемых в главной плоскости. В полосе Зодиака, перпендикулярной плоскости эклиптики, расположены 12 зодиакальных созвездий. Галактика вращается. Период обращения Солнечной системы (~ 225 млн. лет) неофициально назван «космическим годом».

В 1926 г. Хаббл обнаружил звездные системы, находящиеся вне Млечного Пути. Полученное Хабблом доказательство внегалактической природы этих систем явилось выдающимся событием в истории астрономии. Оказалось, что галактики часто встречаются группами, образующими устойчивую систему. Наша Галактика входит в одну из таких систем, названную Местной группой. В Местной группе, содержащей 24 члена, Галактика Андромеда — самая крупная, а наша Галактика — вторая по величине. Расстояние между ними оценивается в 2,2 млн. световых лет.

Сейчас количество доступных наблюдению внегалактических объектов составляет порядка 100 млн. Спектральные линии излучения всехгалактик, кроме членов Местной группы, смещены в красную сторону, причем, чем дальше расположена галактика, тем больше ее красное смещение. Отсюда следует, что Вселенная в целом расширяется. Хаббл установил линейную зависимость между расстоянием и скоростью удаления. В 1960 г. поиск далеких космических объектов привел к удивительным результатам — был открыт новый класс объектов, самых далеких из всех известных; скорость их удаления достигала более половины скорости света. Эти объекты назвали квазарами квазизвездный источник радиоизлучения. Ближайший яркий квазар ЗС273 находится по разным оценкам на расстоянии от 1,5 до 3 млрд. св. лет. Светимость яркого квазара может внезапно в 1000 раз превысить светимость нормальной галактики, причем основная часть энергии излучается из области, размерами всего нескольких световыхмесяцев. Остаются непонятными процессы, приводящие к такому выделению энергии, соответствующей возгоранию примерно 10 млн. звезд в секунду. Согласно одной из гипотез мощное излучение квазаров возникает благодаря разогреву вещества, перетекающего от звезды-сверхгиганта к черной дыре. Черная дыра — компактный, сверхплотный объект, который ничто, включая свет, не может покинуть. Она возникает в результате гравитационного сжатия звезды, в недрах которой угасли термоядерные реакции, до размеров, меньших ( — масса звезды). Одним из признаков черной дыры было бы обнаружение области с высокой концентрацией звезд. Наблюдения со спутника в телескоп «Хаббл» позволяют предположить, что в центре туманности Андромеды находится сверхмассивная черная дыра. Другое явление связано с возможным наблюдением быстро движущихся звезд, отброшенных от черной дыры благодаря эффекту «гравитационной рогатки». Если двойная звезда приблизится к черной дыре, то один ее компонент захватывается на орбиту вокруг черной дыры, а другой — выбрасывается со скоростью до 10 000 км/с.

Исходя из наблюдаемых скоростей расширения Вселенной можно предположить, что 12 млрд. лет назад все первоначальное вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии в области размером 1033 см. Этот размер соответствует времени ~ 143с, с момента начала расширения. Будет ли Вселенная расширяться вечно или она, в конце концов, снова сожмется — одна из фундаментальных проблем астрофизики.

С началом космической эры, когда появилась возможность проводить наблюдения с помощью спутников, пилотируемых и автоматическихстанций, наши представления о Вселенной существенно изменились. Невозможно перечислить все множество результатов, полученных на основе космических исследований. Приведем лишь краткий обзор, посвященный межпланетным полетам.

13.3. Полеты к Луне. Четырнадцатого сентября 1959 г. советская автоматическая станция «Луна-2» достигла поверхности Луны. Это был первый перелет с Земли на другое небесное тело. В октябре того же года «Луна-3» совершила облет Луны и передала изображение ее обратной невидимой стороны. Третьего февраля 1966 г. впервые осуществлена мягкая посадка на поверхность Луны советской станции «Луна-9». В сентябре 1970 г. станция «Луна-16» совершила рейс Земля-Луна-Земля. В 1969-1972 гг. предприняты шесть успешных американских экспеди­ций по программе «Аполлон». В каждой участвовали три астронавта: двое совершали посадку на Луну, а третий оставался в основном блоке. Луна оказалась стерильной, на ней не обнаружено никаких форм жизни.

Анализ лунных пород показал, что возраст Луны и Земли одинаков: ~ 4,5 млрд. лет. Луна имеет расплавленное ядро, мантию и кору. Обнаружены области с повышенной плотностью — масконы. Тектонические процессы в недрах Луны закончились: конечная стадия лунной истории — состояние покоя. Вопрос о происхождении Луны остался нерешенным. В лунных породах чаще, чем в земных, встречаются металлы с высокой температурой плавления. Возможно, она образовалась в более высокотемпературных условиях, чем Земля. Любая теория ее происхождения должна также объяснить различие в плотностях Луны (~3,36 г/см3) и Земли (~5,56 г/см3).

Полеты к Венере. В настоящее время исследование внеземных миров возможно с помощью автоматических межпланетных станций (АМС). В результате пролета 14 декабря 1962 г, станции «Маринер-2» на расстоянии 35 тыс. км от Венеры было установлено, что период вращения планеты (243 сут.) больше, чем период вращения вокруг
Солнца (224,7 сут.), т.е. на Венере день длиннее года. Другая интересная
аномалия — Венера вращается вокруг оси в направлении, обратном по
отношению к Земле и большинству планет. В 1966 г. станция «Венера-3»
достигла поверхности, осуществив первый полет АМС на другую плане­
ту. В 1967 г. анализ данных, полученных станцией «Венера-4», показал,
что атмосфера планеты состоит из углекислого газа — этот факт явился
фундаментальным открытием в физике планет. «Венера-7», запущенная
в августе 1970 г., передала информацию о давлении 9 МПа (такое давление на Земле создает вода на глубине 0,8 км) и температуре 475 ° (при
которой кипят свинец и цинк).

Полеты к Марсу. Эти полеты начались с 1961 г. Четырнадцатого ноября 1971 г. АМС «Маринер-9» была успешно выведена на ор­
биту вокруг Марса и стала первым искусственным спутником планеты.
Впервые мягкая посадка на Марс была осуществлена 2 декабря 1971 г.
станцией «Марс-3», запущенной в мае 1971 г. Наиболее удивительным
оказалось разнообразие отдельных его районов; наряду с огромными
потухшими вулканами (Олимп, высота 27 км) существуют большие —
до 2000 км в поперечнике — котловины. Атмосфера состоит из углекислого газа, давление у поверхности в сто раз меньше земного.

Получены фотографии двух спутников Марса — Фобоса и Деймоса. Фобос по форме напоминает картофелину размером км с впади­нами и выступом, всегда обращенным к Марсу. Уникальная особенность Фобоса — наличие системы параллельных борозд, покрывающих более половины поверхности. Возможная причина образования борозд гравитационное растяжение приливными силами.

Космический вояж к дальним планетам. В августе и сентябре 1977 г. начался полет АМС «Вояджер-2» и «Вояджер-1».
Пятого марта 1979 г. «Вояджер-1» пролетел на расстоянии 286 000 км
от Юпитера — самой загадочной и самой большой планеты Солнечной
системы (масса в 318 раз больше массы Земли). Анализ изображения
планеты и спутников привел к поразительным открытиям. Прежде всего,
у Юпитера обнаружено кольцо на расстоянии 3/4 радиуса от центра планеты. Поскольку граница предела Роша (расстояние, на котором сила, действующая на «половинку» планеты со стороны другой планеты, начинает превосходить силу притяжения другой «половинкой» планеты спутника) находится на расстоянии 2,то, по-видимому, кольцо образовалось в результате разрушения спутника
приливными силами. Получены уникальные снимки непрерывно изменяющегося облачного покрова планеты. Неподвижным осталось Большое
Красное пятно — гигантское возмущение ( тыс. км), впервые
описанное более 300 лет назад Р. Гуком. На спутнике Ио обнаружены активно действующие вулканы — единственные вулканы внеземного происхождения.

Двенадцатого ноября 1980 г. «Вояджер-1» прошел на расстоянии 124 200 км от поверхности Сатурна. Открыты два спутника, не имеющиеаналогов в Солнечной системе, — они находятся на почти одинаковых орбитах и раз в четыре года «обмениваются» траекториями. Сближение со спутником Сатурна Титаном — основной целью полета — сделало достижение Урана невозможным; аппарат ушел в отдаленные районы Солнечной системы. Другой аппарат «Вояджер-2» совершил 9 июля 1979 г. пролет Юпитера, а 25 августа 1981г.— пролет Сатурна. Изображения, переданные двумя аппаратами, обнаружили тонкую структуру колец Сатурна— каждое из них состоит из тысяч отдельных узких полосок (шириной в несколько километров), образованных частицами льда и пыли размерами до 10 см, в которые погружены глыбы размерами порядка 15 м. Система колец представляет чрезвычайно динамическое образование — удалось наблюдать распространяющиеся по спирали волны плотности. Самый главный сюрприз — совершенно невероятная структура кольца F шириной 200 км с внешней границей, лежащей на расстоянии 2,3R. На снимках можно различить локальные утолщения и отдельные «нити», местами переплетенные, местами параллельные друг другу. Кольцо находится между орбитами двух маленьких спутников — гравитационных пастухов кольца.

После сближения с Юпитером и Сатурном программа полета была завершена. Тем не менее, учитывая уникальное расположение планет, которое бывает один раз в 180 лет, удалось направить «Вояджер-2» к Урану. Исследования спутников планеты были связаны с огромными трудностями — низкой освещенностью почти на границе солнечной системы и быстрым (немногим более суток) пролетом Урана. Кратковременность сближения обусловлена необычной геометрией системы Урана, который как бы «лежит на боку», — спутники вращаются вокруг оси, расположенной в плоскости эклиптики. В январе 1986 г. «Вояджер-2» прошел на расстоянии 81 000 км от облачного покрова Урана.

Было открыто одно новое кольцо и 10 его спутников (теперь их 15), невидимых с Земли из-за малых размеров. Системы колец и спутников Урана и Сатурна обнаружили поразительное сходство: несколько круп­ных спутников на удаленных орбитах и множество мелких, примыкающих к кольцам с внешней стороны. Этот переход находится вблизи предела Роша.

Траектория станции прошла на расстоянии 18 260 км от ближайшего к Урану спутника — Миранды. Положение станции на расстоянии почти 3 млрд. км от Земли определялось с точностью до 25 км. Рельеф Миранды ошеломил ученых. На снимках видны борозды, длина которых сравнима с радиусом спутника, равным 241 км. Наиболее интересная область, получившая название Шеврон, имеет форму трапеции. Резко выделяется угол, окаймляющий борозду глубиной 20 км — самое гигантское ущелье во всей Солнечной системе.

Изменив траекторию под действием Урана, «Вояджер-2» воспользовался преимуществом, которое представляет парад планет, и взял курс на Нептун. В августе 1989 г., через 12 лет после запуска, он прошел под облачным покровом Нептуна. Управляющие сигналы «запаздывали» на четыре часа шесть минут, проходя расстояние 4,5 млрд. км. У давно известного спутника— Тритона — обнаружены характерные признаки планеты — магнитное поле и атмосфера. Фотокамеры поймали изображения шести спутников и пяти колец, окружающих Нептун. Огромная штормовая система, получившая название Великого Темного Пятна, отмечена в его южном полушарии. К 2015 г. «Вояджер-2» подойдет к границе Солнечной системы. Пеленгация аппарата позволит получить новые данные о распределении полей тяготения. Этот посланец любознательных землян в 296 000-е годы пройдет в пределах 4,3 светового года от Сириуса. Шансы очень малы, но может быть кто-то обнаружит молчаливого странника и захочет узнать, кто же его послал.

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...