Структура Вселенной: галактики и звезды

Структура Вселенной: галактики и звезды.

Вселенная — совокупность всего, что существует физически. Это совокупность пространства, времени, всех форм материи. Однако термин Вселенная может трактоваться как космос, мир или природа. Астрономические наблюдения позволили установить происхождение Вселенной и её приблизительный «возраст», который по последним данным составляет 13,73 ± 0,12 миллиардов лет. Однако, среди некоторых учёных  существует точка зрения относительно происхождения Вселенной, которая заключается в том, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях.

Строение Вселенной 

В самом крупном масштабе строение Вселенной представляет собой расширяющееся пространство, заполненное губкообразной клочковатой структурой. Стенки этой губчатой структуры Вселенной представляют собой скопления миллиардов звёздных галактик. Расстояния между ближайшими друг к другу галактиками составляют обычно около миллиона световых лет. Каждая звёздная галактика составлена из сотен миллиардов звёзд, которые обращаются вокруг центрального ядра. Размеры галактик составляют до сотен тысяч световых лет. Звёзды состоят в основном из водорода, который является самым распространённым химическим элементом во Вселенной. Вопрос о модели Вселенной и форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, стоит проблема поиска такой трёхмерной фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект и строение Вселенной. Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. Во-вторых, неизвестно, является ли Вселенная множественно-соединённой. Согласно стандартной модели Большого взрыва, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно ограничена. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна в третьем измерении. Если Вселенная действительно пространственно ограничена, то, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в начальную точку путешествия.

Происхождение вселенной

Событие, связанное с происхождением Вселенной и предположительно положившее начало Вселенной, называется Большой взрыв. Исходя из математической модели Большого взрыва, на момент, когда он произошел, вся материя и энергия в ныне наблюдаемой Вселенной были сконцентрированы в одной точке с бесконечной плотностью. После Большого взрыва Вселенная начала стремительно расширяться, принимая современную форму. Так как Специальная теория относительности предполагает, что материя не способна преодолеть скорость света, кажется парадоксальным, что через 13.7 миллиардов лет в фиксированном пространстве-времени две галактики может разделять 93 миллиарда световых лет. Это естественное следствие Общей теории относительности. Космос может расширяться неограниченно, поэтому, если пространство между двумя галактиками «расширяется», то они могут отдаляться друг от друга на скоростях и более скорости света.

Многообразие  галактик

Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звезд. Наша Галактика – Млечный Путь – также достаточно велика: ее масса равняется приблизительно двумстам миллиардам масс Солнца. Самые маленькие галактики содержат в миллион раз меньше звезд.  Только в двадцатых годах XX века американский астроном Эдвин Хаббл, наблюдая за цефеидами в туманности Андромеды, пришел к выводу, что она внегалактический объект, и доказал существование галактик. Многочисленные наблюдения позволили Хабблу разделить галактики на морфологические типы: эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir). Эта классификация отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд: Е-галактики состоят из очень старых звезд, в Ir-галактиках основной вклад в излучение дают звезды, существенно моложе Солнца, а в S-галактиках характер спектра выдает присутствие звезд всех возрастов.

Эллиптические галактики составляют примерно 25 % от общего числа галактик высокой светимости. Типичная Е-галактика выглядит как сфера или эллипсоид, диск в ней практически полностью отсутствует. Эллиптические галактики почти лишены межзвездного газа, а следовательно и молодых звезд.

Линзовидные галактики – это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0.

Спиральные галактики по внешнему виду напоминают две сложенные вместе тарелки или двояковыпуклую линзу. В них имеется как гало, так и массивный звездный диск. Темная полоса, идущая вдоль диска – непрозрачный слой межзвездной среды, межзвездная пыль. Галактики различают по степени своей спиральной структуры добавлением к символу S букв a, b, c. Sa – спиральная галактика с мало развитой спиральной структурой и с мощным ядром. Sc – галактика с малым ядром и с сильно развитыми спиральными ветвями. Наша Галактика принадлежит к промежуточному типу Sb. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется звездная перемычка – бар. В этом случае к их обозначению после буквы S добавляется B. Считается, что спиральные галактики образовывались из быстро вращающихся облаков, которые в результате вращения сжимались в диски. Из отдельных участков облака образовывались звезды, при этом само облако медленно сжималось. Затем начинают проявляться спиральные рукава, а через несколько миллиардов лет звездообразование практически прекращается. Характер движения звезд и газа в галактиках не одинаков: газ вращается быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150–500 км/с, то старые звезды гало всегда вращаются медленнее. Балджи спиральных галактик, состоящие из старых звезд, вращаются в 2–3 раза медленнее, чем диски.

Неправильные галактики. Ближайшими к нам и самыми яркими на небе галактиками являются Магеллановы Облака. Они хорошо видны в Южном полушарии невооруженным глазом как два туманных клочковатых пятна, подобных Млечному Пути. Свет от Большого Магелланового Облака идет к нам 170 тысяч лет, от Малого – 200 тысяч лет. Облака находятся неподалеку от южного полюса небесной сферы и образуют с ним примерно равносторонний треугольник. Такое положение сделало их объектами удобными для ориентирования, если учесть, что на южном полюсе мира нет яркой звезды подобной нашей Полярной. Эти облака как бы были приклеены к небосводу и не меняли своего положения относительно звезд, что было крайне удобно при ориентировании, однако природа их оставалась загадкой вплоть до 20-х годов ХХ столетия. Облака являются самыми крупными видимыми астрономическими объектами на небе.  Большое Магелланово облако имеет протяженность более 5°, т.е. 10 видимых дисков Луны, Малое – 4 диска Луны. Около половины вещества в неправильных галактиках – межзвездный газ. К этому классу относятся около 5% всех галактик.

Встречаются среди галактик и карликовые, которые не вписываются в классификацию Хаббла. Они в десятки раз меньше по размерам обычных галактик. Жизненный путь этих звездных систем настолько своеобразен, что накладывает отпечаток и на свойства звезд внутри галактик, и на свойства галактик в целом. Выделено 4 типа подобных образований: карликовые эллиптические (dE), карликовые сфероидальные (dSph), карликовые неправильные (dIr) и карликовые голубые компактные галактики  (dBCG). Галактик со спиральными ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего, для образования спиралей нужен массивный звездный диск, а масса карликовых галактик недостаточна для этого.

Звёздная система 

Звёздная система —  это система, состоящая из звезд, движущихся по замкнутой орбите, гравитационно-связанных, и, возможно, имеющих планетарные  системы, состоящих из меньших тел (например, таких как планеты или  астероиды). Так, Солнечная система — это звёздная система, образованная одиночной звездой — Солнцем — и другими телами (планетами и др.), обращающимися вокруг неё. Кратность звездной системы ограничена. Невозможно создать долгоживущую систему из трех, четырех и более равноправных звезд. Устойчивыми оказываются только иерархические системы. К примеру, чтобы в тройной системе третий компонент не был выброшен из системы, необходимо чтоб он не приближался ближе чем 8-10 радиусов "внутренней" двойной системы.

Звезда  — плазменный шар. В звездах сосредоточена  основная масса (98—99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды — мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана  своим существованием энергии излучения  Солнца. Есть, например, звезды – гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они превосходят Солнце. Кроме звезд гигантов существуют и звезды – карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые  карлики меньше Земли и даже Луны. В белых карликах термоядерные реакции  практически не идут, они возможны лишь в атмосфере этих звезд, куда попадает водород из межзвездной  среды. В основном эти звезды светят за счет огромных запасов тепловой энергии. Время их охлаждения — сотни  миллионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет его меняется от белого к желтому, а затем — к красному. Наконец, он превращается в черный карлик — мертвую холодную маленькую звезду размером с земной шар, который невозможно увидеть из другой планетной системы(3). Различают также нейтронные звезды – это  громадные атомные ядра. Звезды  обладают различными поверхностными температурами  – от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различают  и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды с температурой 3 –4 тыс. градусов – красного цвета. Наше Солнце с  поверхностью, «нагретой» до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие  звезды – с температурой выше 12 тыс. градусов – белые и голубоватые. Звезды  не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы  – состоят из 2-х и более  звезд. Звезды объединены также в  еще большие группы – звездные скопления. Возраст звезд меняется в достаточно большом  диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся протозвездной стадии, т. е. они еще не стали настоящими звездами. Рождение звезд происходит в газово- пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря  которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя  распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они  превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций.

Заключение 

     Открытие  многообразных  процессов эволюции в различных  системах и телах, составляющих  Вселенную, позволило изучить  мне закономерности космической  эволюции на основе наблюдательных  данных и теоретических расчетов.  

     В качестве  одной из важнейших задач   рассматривается определение возраста  космических объектов и их  систем. Поскольку в большинстве  случаев трудно решить, что нужно  считать и понимать под «моментом  рождения» тела или системы,  то, для установления возраста  применяют два параметра:

· время, в течение  которого система уже находится  в наблюдаемом состоянии

· полное время  жизни данной системы от момента  её появления

     Очевидно, что  вторая характеристика может   быть получена только на основе  теоретических  расчетов. Обычно  первую из высказанных  величин  называют возрастом, а вторую  временем жизни. 

     Факт  взаимного  удаления галактик, составляющих  метагалактики свидетельствует  о том, что некоторое время  тому назад она находилась  в качественно ином состоянии  и была более плотной. Наши  дни с полным основанием называют  золотым веком астрофизики –  замечательные и чаще всего  неожиданные открытия в мире  звезд следуют сейчас одно  за другим. Солнечная система  стала последнее время предметом  прямых экспериментальных, а не  только наблюдательных исследований. Полеты межпланетных космических  станций, орбитальных лабораторий,  экспедиции на Луну принесли  множество новых конкретных знаний  о Земле, околоземном пространстве, планетах, Солнце.  Изучение  Вселенной,  даже только известной нам   её части является грандиозной  задачей. Чтобы получить те  сведения, которыми располагают  современные ученые, понадобились  труды множества поколений.