Строение и эволюция солнечной системы

Введение 3

1. Эволюция вселенной 4

1.1. Теория  большого взрыва 6

1.2. Реликтовое  излучение 7

1.3. Темная  эпоха 8

1.4. Первые  звезды 9

1.5. Слияние протогалактик 10

1.6. Раздутая  Вселенная 11

1.7. Вселенные  рождались не однажды 12

2. Строение вселенной 15

2.1. Темная  материя 15

2.2. Темна  энергия 17

2.3. Черные дыры 18

2.3.1. Черные  дыры со звездной массой 19

2.3.2. Сверхмассивные  черные дыры 20

2.4. Галактики 20

2.4.1. Карлики  и гиганты 21

2.4.2. Рождение  галактик 22

2.4.3. Звездное  расселение 23

2.4.4. Млечный  путь 24

2.4.5. Форма  и содержание 24

2.4.6. Столкновение  галактик 25

2.5. Квазары 27

2.6. Сверхновые  звезды 28

2.7. Кометы 31

2.8. Белые карлики 32

2.9. Астероиды 33

Заключение 34

Список используемой литературы: 35

Введение

Вселенная образовалась в  результате большого взрыва. Сразу  после взрыва вещество стало разлетаться  во всех направлениях. С тех самых  времен плотность вещества и температура  уменьшались.

Известно, что через 400 000 лет после большого взрыва образовались атомы, вселенная стала прозрачна и внешне было похожа на ту, что мы видим сегодня. На самом деле внешний вид той молодей вселенной еще довольно сильно отличался от теперешнего. Вселенная было совершенно темной. Не было ни звезд, ни галактик, ни планет. Только отдельно летающие атомы и реликтовое излучение.

Такое существование вселенной  продолжалось несколько сотен миллионов  лет. Со временем, благодаря силам  гравитации, атомы стали сближаться образуя газовые облака, состоящие по большей части из водорода. Из этих газовых облаков постепенно образовывались галактики, наполненные огромным количество звезд. Такое, по все видимости, было возможно потому, что расширение было не слишком быстрым. Гравитация смогла сформировать газовые облака прежде, чем все частицы разлетятся слишком далеко.

В какой то момент газовые облако сжимается на столько, что в нем начинают идти термоядерные реакции. При этом оно сильно разогревается и начинает светиться. Так образуется звезда. Сверх гигантские газовые облака формируют центры галактик. Более мелкие вращаются вокруг этих массивных центров. Вселенная выглядит уже совсем как сейчас. Однако планет в такой вселенной по прежнему нет. Все имеющееся вещество представляет как по большей части водород и немного гелий.

Так проходят миллиарды лет. Водород в звездах выгорает, превращаясь  в гелий. Гелий тоже выгорает образуя более тяжелый элементы периодической таблицы Менделеева. В какой-то момент эволюция звезды заканчивается взрывом. В результате этого взрыва большая часть вещества звезды разлетается в виде звездной пыли. В веществе взрывающейся звезды уже существует довольно много различных элементов. Более всего среди них преобладает железо.

Межзвездное вещество может  вновь начать сжиматься под действием  гравитации образуя либо планеты либо новые звезды – звезды второго поколения. В звездах второго поколения уже присутствуют тяжелые химические элементы – такие как свинец и золото. Образование планет и звезд второго поколения началось примерно через 8 – 9 миллиардов лет после большого взрыва. Наше Солнце и Земля образовались примерно в это время.

Весь дальнейший процесс  развития вселенной связан с термоядерным синтезом идущим в звездах. Эволюционируя, звезды образуют такие объекты как нейтронные звезды, белые карлики, черные дыры, туманности. Из материала взорвавшихся звезд формируются планеты и другие малые космические тела. Так будет еще несколько десятков миллионов лет пока не прекратятся все термоядерные реакции.

Далее мы рассмотрим все  стадии образования вселенной более  подробно и так же рассмотрим что содержит в себе эта огромная, невообразимая человеческому воображению вселенная.

1. Эволюция вселенной

Крупномасштабная  структура Вселенной как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм — 1 600 000 галактик, зарегистрированных в Extended Source Catalog как результате Two Micron All-Sky Survey. Яркость галактик показана цветом от синего (самые яркие) до красного (самые тусклые). Тёмная полоса по диагонали и краям картины — расположение Млечного пути, пыль которого мешает наблюдениям.

 

Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего  плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться.

На начальной стадии это  плотное вещество разлеталось, разбегалось  во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь  неустойчивых, постоянно распадающихся  при столкновениях частиц. Остывая  и взаимодействуя на протяжении миллионов  лет, вся эта масса рассеянного  в пространстве вещества концентрировалась  в большие и малые газовые  образования, которые в течение  сотен миллионов лет, сближаясь  и сливаясь, превращались в громадные  комплексы. В них в свою очередь  возникали более плотные участки - там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В  результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к  массе Солнца. Начавшийся процесс  сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс  этот сопровождает свободное падение  частиц облака к его центру - происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды.

 Существует гипотеза  о цикличности состояния Вселенной.  Возникнув когда-то из сверхплотного  сгустка материи. Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила  внутри себя миллиарды звездных  систем и планет. Но затем неизбежно  Вселенная начинает стремиться  к тому состоянию, с которого  началась история цикла, красное  смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно  уменьшается и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности! К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной - галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли.

 Конечна или бесконечна  Вселенная, какая у нее геометрия  - эти и многие другие вопросы  связаны с эволюцией Вселенной,  в частности с наблюдаемым  расширением. Если, как это считают  в настоящее время, скорость  «разлета» галактик увеличится  на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10-20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик.

 Самый серьезный удар  по незыблемости Вселенной был  нанесен результатами измерений  скоростей удаления галактик, полученными  известным американским ученым  Э. Хабблом. Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение.

Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его  искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить  модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном  направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх-вниз.

Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для  определения положения точек; но в случае Вселенной для определения  положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания  этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности  не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушный шарик» Вселенной.

На изображении показана подробная схема эволюции вселенной. Далее мы подробно рассмотрим каждый период возникновения вселенной  по теории большого взрыва, а так  же рассмотрим и другие возможные  теории эволюции.

 

 

 

 

 

 

Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка  которых столь же проста и которые  объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое  вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

1.1. Теория большого  взрыва

 

Большой взрыв – основная космологическая теория в современной  физике, объясняющая развитие Вселенной  на самой ранней стадии. Согласно этой теории, в начальный момент времени  Вселенная находилась в состоянии  сингулярности, имея бесконечные плотность  и температуру. 13.7 миллиардов лет  назад случился Большой взрыв, после  которого началось быстрое расширение Вселенной. Это привело к ее охлаждению до такой температуры, что энергия  начала превращение в первые субатомные частицы, которые только через несколько тысяч лет объединились в первые атомы.

Основные предположения  теории Большого взрыва были сделаны  Жоржем Леметром. Разработка математического основания на базе общей теории относительности позволила создать модель происходившего, начиная практически с первого момента времени. Однако, самое начало жизни Вселенной пока неизвестно. Существует множество конкурирующих гипотез. Обычно предполагается, что Вселенная изначально была гомогенно и изотропно заполнена энергией с бесконечной плотностью, температурой и давлением. Этот результат получается из уравнений общей теории относительности но не имеет физического смысла из-за бесконечных величин. Через 10^-37 секунд после начала расширения начался период инфляции, в ходе которого Вселенная расширялась экспоненциально. После окончания этого процесса Вселенная состояла из кварк-глюонной плазмы и других элементарных частиц.

Имея околосветовые скорости, частицы постоянно рождали пары с античастицами, и эти пары тут же разрушались. В какой-то момент равновесия частиц и античастиц было нарушено, что привело к доминированию обычной материи в современной Вселенной. Примерно через 10^-11 секунд картина становится более ясной, так как скорости частиц стали близки к достижимым на современных ускорителях. Через 10^-6 секунд образовались барионы. Падение температуры ниже необходимой для образования пар протонов и антипротонов привело к немедленной аннигиляции, оставившей только протоны и нейтроны и ни одной античастицы. Через 1 секунду то же произошло с электронами и позитронами. Через несколько минут температура позволила образоваться первым ядрам водорода, а через 379000 лет образовались первые атомы. Испускаемое при этом излучение известно как реликтовое.

 Небольшие нарушения  в равномерном распределении  материи по Вселенной начали  приводить к их усилению, так  как с падением температуры  гравитация оказывала все большее  влияние на движение частиц. Это  завершило начальный этап развития  Вселенной и дало старт процессу  образования первых звезд. Большой  взрыв завершился, началась эволюция  Вселенной.

1.2. Реликтовое излучение

 

 

        Электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной. Реликтовое излучение существовало уже на ранних стадиях расширения Вселенной и играло важную роль в её эволюции; является уникальным источником информации о её прошлом. Интенсивность и спектр соответствуют излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2,7 К.        

 Реликтовое излучение  было обнаружено в 1965 в радиодиапазоне  электромагнитного излучения на  длине волны 7,35 см. В диапазоне сантиметровых и дециметровых волн наблюдения реликтовых излучений проводят с поверхности Земли при помощи радиотелескопов. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах излучение земной атмосферы препятствует наблюдениям Р. и., поэтому для измерений используют широкополосные болометры, установленные на поднимаемых за пределы атмосферы баллонах и ракетах. Наблюдения на длинах волн от 50 см до 0,5 мм свидетельствуют о том, что равномерно распределено на небесной сфере и является основной составляющей яркости неба в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Реликтовое излучение определяет плотность энергии электромагнитного излучения во Вселенной — около 0,25 эв/см³, и плотность числа фотонов во Вселенной — около 400 в 1 см³. На каждый атом во Вселенной приходится более ста миллионов реликтовых фотонов.        

 Открытие реликтового излучения подтвердило предложенную в 1946 Г. А. Гамовым гипотезу (т. н. горячую модель Вселенной), согласно которой Вселенная на ранние стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью, но и высокой температурой, достаточной для протекания ядерных реакций синтеза лёгких элементов. При высокой температуре плазма находилась в термодинамическом равновесии с излучением. В ходе последующего расширения Вселенной температура вещества и излучения падала по адиабатическому закону, происходила рекомбинация протонов и электронов, и равновесие между веществом и излучением нарушилось. Однако тепловое излучение сохранилось до современной эпохи и наблюдается в виде Р. и.