Астрономия

Урок 9: Эволюция и будущее Вселенной

Эволюция и будущее Вселенной

Считается, что еще 14 млрд. лет назад не существовало ни галактик, ни звезд, ни планет. Был лишь сверхплотный сгусток раскаленной плазмы, который в результате Большого Взрыва начал расширяться, что в дальнейшем привело к всевозможным его превращениям и образованию космических объектов и структур. Так начался этап эволюции Вселенной.

Обложка урока взята с источника.

9План урока:

Современная космология

Вселенная Фридмана

«Красное смещение» и закон Хаббла

Что такое теория Большого Взрыва

Что называют реликтовым излучением

Будущее Вселенной

 

Современная космология

Космологией называется раздел астрономии, который занимается изучением происхождения и развития Вселенной в целом. С научной точки зрения, Вселенная является системой, обладающей особыми свойствами.

Еще в древности человечество задавалось вопросами о происхождении Вселенной. Но тогда весь процесс мироздания объяснялся деятельностью богов. Со временем, когда влияние церкви на человека уменьшилось, ученые постарались объяснить эволюцию Вселенной с помощью физических и химических законов. Существенный прорыв в изучении космического пространства произошел после изобретения телескопа. Тогда астрономы узнали, что численность звезд на небе исчисляется многочисленными миллионами. В середине XIX века с помощью прибора определили расстояние до ближайших звезд.

1 evolyuciya i budushchee vselennoj
Источник

Немного позже создали шкалу измерений расстояний до более отдаленных космических объектов. В ее основу легли наблюдения за особым типом переменных звезд – цефеид и измерения красного смещения спектров астрономических тел. Благодаря анализу спектральных смещений было установлено, что Вселенная расширяется, то есть промежутки между скоплениями галактик постоянно увеличиваются.

Активное развитие современная космология получила в ХХ веке. В это время Эйнштейн выдвигает несколько теорий относительно Вселенной, которые в дальнейшем он смог доказать на примере уравнения гравитационного поля. Все исследования ученого, так или иначе, были связаны с общей теорией относительности. Эйнштейн рассматривал Вселенную как однородное, стационарное и изотропное пространство. Другими словами она имела определенные границы и положительную кривизну. На этом развитие основ современной космологии не закончилось. 

2 evolyuciya i budushchee vselennoj

Александр Фридман в 1922 г выдвинул мнение, что расширение Вселенной происходит из начальной сингулярности.

3 evolyuciya i budushchee vselennoj

Предположение Фридмана было подтверждено после открытия Эдвином Хабблом космологического красного смещения. Это привело к возникновению теории Большого Взрыва, актуальность которой сохраняется и сегодня. Все вышеперечисленные открытия и представления составляют основу современной космологии.

Кроме этого современной научной космологии удалось установить приблизительный возраст Вселенной. По мнению специалистов, он составляет 13,8 миллиардов лет.

 

Вселенная Фридмана

Фридман допускал, что Вселенная имеет совершенно одинаковый вид во всех направлениях и данное условие характерно для всех ее точек. Исходя из этого и учитывая общую теорию относительности, ученый дал понять, что не стоит ожидать от Вселенной стационарности.

4 evolyuciya i budushchee vselennoj

Если посмотреть на небосвод, можно увидеть светящуюся полосу – нашу Галактику Млечный путь. Сфокусировав свой взгляд на более отдаленных галактических системах, видно, что в разных частях космического пространства их число будет примерно одинаковым. Исходя из этого, можно говорить об относительной однородности Вселенной.

Модель Вселенной Фридмана была одной из самых удачных. Кроме того, она соответствовала наблюдениям Хаббла. Однако в западных странах о ней услышали только в 1935 г, после того, как подобные модели были разработаны Говардом Робертсоном и Артуром Уокером. Несмотря на то, что Вселенная Фридмана имела только одну модель, на ее основе можно построить еще три других:

  • расширение Вселенной по Фридману настолько медленное, что силы притяжения между галактическими пространствами еще сильнее замедляют его, а со временем вообще останавливают. После этого галактики устремляются навстречу друг к другу, то есть запускается процесс сжатия космического пространства.Расширяющая Вселенная Фридмана достигает определенного максимума, а потом начинает снова возвращаться в начальную точку;
  • вторая космологическая модель Вселенной Фридмана гласит, что расширение космического пространства происходит с незначительной скоростью. Ее хватает лишь для того, чтобы не начался обратный процесс сжатия. В данном предположении расширение начинается с начальной точки, но при этом оно всегда растет. Скорость процесса замедляется, но никогда не останавливается;
  • расширение космического пространства происходит с огромной скоростью. Она настолько велика, что гравитационные силы никогда не смогут остановить данный процесс, разве что только слегка замедлить его. Разделение галактик начинается также с определенного нулевого расстояния.

5 evolyuciya i budushchee vselennoj
Источник

Анализируя все вышесказанное, можно сделать вывод: модель Фридмана рассказывает, что Вселенная не бесконечна в космическом пространстве, но само пространство безгранично. В результате сильных гравитационных сил, пространство искривляется и замыкается, то есть напоминает чем-то сферическую форму Земного шара. Если человек путешествует по поверхности планеты в одном и том же направлении, он никогда не встретит препятствие, которое не смог бы преодолеть, кроме того, он никогда не упадет «с края Земли». Рано или поздно он просто вернется в точку, с которой начинал свое путешествие. Примерно такое же пространство изображено в модели нестационарной Вселенной Фридмана.

 

«Красное смещение» и закон Хаббла

Одним из самых важных научных открытий Хаббла является природа синего и красного гравитационного смещения. С их помощью ученым удается распознать, приближается или удаляется от нас то или иное космическое тело.

6 evolyuciya i budushchee vselennoj
Источник

В 1929 г Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового телескопа проводил измерение спектральных свойств галактических систем Гершеля и отметил интересный факт. С одной стороны галактики имели много общего с Млечным путем, вот только спектры их самых ярких звезд имели существенные отличия от спектров звезд из нашей Галактики. Все они были сдвинуты в более длинноволновую сторону спектра, то есть в красную. Данное явление Хаббл назвал эффект красного смещения. Ученый заметил, что в пределах одного галактического пространства, красное смещение звезд было более менее одинаковым, а вот с другими галактиками оно имело существенные отличия.

Он выделил закономерность:

7 evolyuciya i budushchee vselennoj

Проще говоря: чем дальше расположена наблюдаемая галактика, тем эффект красного смещения будет больше. Так был сформирован закон Хаббла, который изображается формулой:

8 evolyuciya i budushchee vselennoj

Постоянная Хаббла представляет собой коэффициент, который входит в состав закона Хаббла. С его помощью связали расстояние до определенной галактической системы или квазара со скоростью их удаления. Измеряется в км/с на мегапарсек (Мпк).Со временем значение постоянной Хаббла регулярно меняется, смысл слова «постоянная» заключается в том, что в определенный момент времени величина Н во всех точках Вселенной будет одинаковой. Изменения связаны с использованием разных методик расчета и с изобретением более новых исследовательских аппаратов. В данный момент значение постоянной 70,1 (км/с)/Мпк.

Согласно закону Хаббла ученым удалось вычислить теоретический возраст Вселенной. Для этого они оценивали величину красного смещения для самых отдаленных объектов Вселенной, зная, что в самом начале все было сжато в единую точку. Самое интересное, что хаббловский возраст Вселенной практически равен тому возрасту, который был рассчитан по космологической модели Фридмана – 13,8 млрд. лет.

Эффект красного смещения во Вселенной объясняется ее постоянным расширением. Представьте ситуацию, если человек неподвижно стоит в определенном месте, то постепенно звук, пролетающего над ним самолета, будет ослабевать и менять тон, в зависимости от увеличения расстояния.

Примерно такой же эффект происходит и с красным смещением, но его масштабы куда больше. Чем дальше находится заезда от наблюдателя, тем заметней будет изменение частоты света, исходящего от нее. Во время наблюдения красное смещение представляет собой сдвиг спектральных линий в звездном излучении в красную область спектра.

В космологии еще есть понятие синего смещения, которое представляет собой полную противоположность красному. Если происходит сдвиг спектральных линий в сторону синей области, то это означает, что галактика приближается к нам с определенной скоростью.

9 evolyuciya i budushchee vselennoj
Источник

 

Что такое Большой Взрыв

На сегодняшний день происхождение Вселенной является одной из главнейших загадок человечества. Ученые постоянно пытаются найти и выяснить, что же находится за пределами нашего мира. Развитие технологического процесса позволило найти ответы на многие вопросы, но о том, как зародилась Вселенная практически ничего не известно. За время развития космологии было выдвинуто множество теорий. Одни из них были сразу же опровергнуты, в то время как другие имели какую-то правдивость и логичность.

Одной из теорий, имеющих право на существование и продолжения, считается теория Большого Взрыва.  Данный термин появился в 1949 г благодаря Ф. Хойлу. Считалось, что до Большого Взрыва все, что сейчас существует во Вселенной, находилось совершенно в другом состоянии – было сконцентрировано в одной точке.После Взрыва следовало несколько стадий развития, в ходе которых пространство заполнялось различными частичками, элементами, объектами и структурами.

10 evolyuciya i budushchee vselennoj
Источник

Как же эволюционировала Вселенная  в теории Большого Взрыва:

  • Эпоха сингулярности – считается, что до того, как Вселенная стала такой, какой ее знает человечество, вещество в ней имело практически бесконечные величины плотности и температуры, но при этом само оно стремилось к нулю. Это сложнейший вопрос современной космологии, так как выяснить, что же было до момента Большого Взрыва практически невозможно. В теории у одного вещества не может одновременно быть бесконечная плотность и бесконечная температура. Именно поэтому, сингулярность Вселенной не соответствует физическим законам. Некоторые ученые предполагали, что сингулярности вообще никогда не было. Другие отмечали, что Вселенная образовалась из абсолютного вакуума, то есть из «ничего» за счет колебаний системы. Бытовало также мнение, что благодаря Большому взрыву возникла «Метагалактика», которая представляла собой своеобразный пузырь в веществе более высокой плотности.
  • Планковая эпоха – после того как произошла масштабная космическая катастрофа, первичное вещество начало расширяться и охлаждаться. Причем, чтобы сформировались различные структуры в пространстве, одновременный взрыв должен был быть во всех местах. В период от 0 до 10-43 секунды параметры температуры, плотности и энергии вещества соответствовали постоянным Планка (6,626 070 15⋅10⁻³⁴ Дж/с). Произошло зарождение частиц, что стало началом эволюции Вселенной.
  • Эпоха великого объединения длилась в период с 10-43 до 10-35 секунды. За это время начинают образоваться гравитационные силы, которые в дальнейшем способствовали формированию звезд и планет. Первичная материя уже не однородно плотная, но говорить о каких-либо физико-химических параметрах еще слишком рано.
  • Эпоха инфляции – ее период с 10-35 до 10-32 секунды после Большого Взрыва. Для нее характерно ускоренное расширение Вселенной. Это привело к перераспределению первичного вещества.
  • Электрослабая эпоха – заняла промежуток с 10-32 до 10-12 секунды. Зарождаются элементарные частицы – хиггсовский бозон, Z-, W-частички. Довселенское вещество в своем первоначальном виде перестает существовать.
  • Кварковая эпоха – с 10-12 до 10-6 секунды. Вещество во Вселенной начинает представлять собой совокупность безмассовых и бесструктурных фундаментальных частичек. В этой эпохе четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) уже существуют по отдельности.
  • Андронная эпоха – из элементарных частичек формируются андроны – это частицы, у которых есть сильное ядерное взаимодействие. С них сформировались нуклоны, которые в свою очередь образуют атомные ядра, нейтроны и протоны. Данная эпоха длилась не более 100 секунд после Взрыва.
  • Лептонная эпоха – ее протяженность 3 минуты. За время данного этапа эволюции Вселенной сформировались лептоны и их подвид – нейтрино, которые также играют одну из важнейших ролей в последующем мироздании.
  • Протонная эпоха - длилась 300 тыс. лет. За это время вещество перераспределяется. Оно занимает доминирующую позицию над излучением, что приводит к уменьшению скорости расширения Вселенной. В конце периода происходит передвижение тепловых фотонов.
  • Темные века – продолжительность 500 млн. лет. По всему пространству Вселенной распространяется водородно-гелиевая масса и реликтовое тепловое излучение. Еще нет ни одного знакомого человечеству космического объекта.
  • Реионизация – эпоха длилась 300 млн. лет. В результате гравитационных сил водород и гелий начинают сжиматься, зарождаются процессы термоядерного синтеза. Образовались самые первые звезды. Они начали формировать скопления – галактики. В центральной части таких галактических пространств возникали квазары – мощнейшие источники излучения и гравитации.
  • Эра вещества – это один из самых интересных этапов в процессе эволюции Вселенной. Звезды начинают вокруг себя формировать протопланетные диски, что привело к образованию планетных систем. В этот период возникает и наша Солнечная система со всеми планетами.

 

Что называют реликтовым излучением

В космологии под реликтовым излучением понимают – космическое микроволновое фоновое излучение. Данное понятие ввел русский астрофизик И.С. Шкловский. Простым языком, реликтовое излучение – это слабое свечение, которое заполняет все пространство Вселенной, попадая при этом на Земной шар и другие объекты космоса. Это то, что осталось от процесса «строительства Вселенной», с того момента, как она начала только зарождаться. Излучение течет в пространстве, в течение последних 13,5 млрд. лет, напоминая чем-то тепло от камина, огонь в котором уже давно погас.

По сути, реликтовое излучение – это электромагнитные волны, которые растеклись по космическому пространству. Ученые предполагают, что оно образовалось примерно 380 тыс. лет после Большого Взрыва. Есть мнение, что реликтовое излучение способно объяснить образование первых звезд и галактик.

Увидеть излучение невооруженным глазом человек не может. Для его изучения используют специальные радиотелескопы. На сегодняшний день известно, что температура реликтового излучения на 2,725 градусов выше абсолютного нуля, следовательно, оно очень холодное. Несмотря на то, что плотность энергии реликтового излучения всего 0,25 эВ/см3, оно заполняет все космическое пространство. Его главное свойство однородность, что позволяет ученым интерпретировать его как остаточное явление после Большого Взрыва. Если бы человеческие органы могли воспринимать микроволны, то небо для нас сияло равномерным приятным светом.

В современной космологии открытие реликтового излучения имеет важное значение. Благодаря свету, распространение которого происходит с конечной скоростью, исследователи могут наблюдать за самыми далекими космическими телами и структурами, то есть заглядывать в прошлое Вселенной. Многие звезды, которые видны человеку невооруженным глазом, находятся на расстоянии 10-100  световых лет. Именно столько времени необходимо свету, чтобы добраться до Земного шара. То есть, наблюдая за звездным небом, человек видит его таким, каким оно было как раз 10-100 световых лет назад. Астрономы активно изучают ближайшую к нам галактику – Андромеду, но при этом в настоящем времени они видят ее такой, какой она была 2,5 млрд. лет назад. Благодаря физическим свойствам реликтового излучения человечество способно шагнуть в далекое прошлое и «увидеть», какой именно была Вселенная после Большого Взрыва.

 

Будущее Вселенной

Вопрос о том, что ждет Вселенную в будущем, является одним из самых популярных среди ученых-космологов. Одно из важнейших свойств Вселенной – это ее ускоренное расширение. Исходя из этого, в дальнейшем развитии космического пространства может быть два сценария:

  • расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, что приведет к снижению средней плотности вещества, которая рано или поздно приблизится к нулю. Простыми словами, в начале начнут распадаться галактические скопления, а в конце протоны поделятся на кварки;
  • рано или поздно расширение Вселенной замедлится и запустится обратный процесс – сжатие. В результате произойдет коллапс и все космическое вещество вернется в свое первоначальное состояние – сингулярность.

Есть еще одно предположение, что в результате стремительного роста скорости расширения Вселенной, произойдет Большой разрыв – данный процесс подразумевает разрыв абсолютно всех существующих космических структур и даже мельчайших атомов.

Исследование Вселенной – процесс интересный и увлекательный. Ежедневно ученые пытаются объяснить новые явления и процессы, строят математические и космические модели структур и объектов, ищут ответы на самые таинственные загадки. Все эти знания позволяют узнать прошлое мироздания и предсказать его возможное будущее.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Что изучает раздел астрономии – космология:
1Загадки космоса
2Расположение звезд
3Строение галактик
4Происхождение и развитие Вселенной в целом
Ответить
4
Вопрос: 2
Эффект красного смещения говорит о том, что космический объект:
1Приближается
2Удаляется
3Стоит на месте
4Сначала приближается, а затем удаляется
Ответить
2
Вопрос: 3
Какой известный ученый открыл и объяснил природу красного и синего смещения:
1Хаббл
2Эйнштейн
3Фридман
4Уокер
Ответить
1
Вопрос: 4
В какой период эволюции Вселенной сформировалась Солнечная система:
1Эра вещества
2Период реонизации
3Темные века
4Эпоха протонов
Ответить
1
Вопрос: 5
Кто ввел понятие «реликтовое излучение»:
1Хаббл
2И.С. Шкловский
3Эйнштейн
4Фридман
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Что изучает раздел астрономии – космология:
1) Загадки космоса 2) Расположение звезд 3) Строение галактик 4) Происхождение и развитие Вселенной в целом
2 вопрос:

Эффект красного смещения говорит о том, что космический объект:
1) Приближается 2) Удаляется 3) Стоит на месте 4) Сначала приближается, а затем удаляется
3 вопрос:

Какой известный ученый открыл и объяснил природу красного и синего смещения:
1) Хаббл 2) Эйнштейн 3) Фридман 4) Уокер
4 вопрос:

В какой период эволюции Вселенной сформировалась Солнечная система:
1) Эра вещества 2) Период реонизации 3) Темные века 4) Эпоха протонов
5 вопрос:

Кто ввел понятие «реликтовое излучение»:
1) Хаббл 2) И.С. Шкловский 3) Эйнштейн 4) Фридман
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Происхождение и развитие Вселенной в целом
2 вопрос: Удаляется
3 вопрос: Хаббл
4 вопрос: Эра вещества
5 вопрос: И.С. Шкловский