Закон Габбла

При зменшенні відстані між спостерігачем і джерелом електромагнітних хвиль лінії у спектрі змішуються у бік великих частот (фіолетове зміщення), при збільшенні відстані – у бік малих частот (червоне зміщення). Для більшості відомих галактик спостерігається червоне зміщення спектральних ліній, що свідчить про те, що галактики віддаляються від спостерігача.

Використовуючи явище Допплера, можна визначити радіальну швидкість віддалення галактик

де v – швидкість, з якою джерело електромагнітних хвиль віддаляється (або наближається) від спостерігача, с – швидкість світла у вакуумі, λ – довжина хвилі, ∆λ– – зміна довжини хвилі.

Е.Габбл встановив, що швидкість віддалення галактик v пропорційна відстані до неї r:

r – відстань у мегапарсеках (1 Мпк = 10⁶ пк), Н « 75 км/с–Мпк – стала Габбла.

Закон Габбла дає можливість визначити відстань до найвіддаленіших космічних об'єктів за їх спектрами:

Задача

У галактиці з червоним зміщенням ліній у спектрі, яке відповідає швидкості 6000 км/с, спалахнула наднова зоря. її яскравість у максимумі відповідає 19–й видимій зоряній величині. Знайдіть абсолютну зоряну величину цієї зорі.

Активні галактики, радіогалактики, квазари

У всіх галактик, окрім найменших, виділяється центральна яскрава зона – ядро.

Галактики з активними ядрами – галактики, що мають дуже яскраве джерело в центрі, з якого виривається світний газ із величезною швидкістю (тисячі км/с). Вони були відкриті 1943 року К. Сейфертом і отримали назву сейфертівських галактик. Сейфертівські галактики, або сейф ер ти, – це гігантські спіральні зоряні системи переважно типу SB. Існує гіпотеза, що в центрі такої галактики знаходиться чорна діра, оточена щільною хмарою звичайних зір та газу. Під час падіння в гравітаційному полі чорної діри речовина розганяється до швидкостей, близьких до швидкості світла. При цьому у разі зіткнення газових мас енергія руху перетворюється на випромінювання електромагнітних хвиль.

Радіогалактики – зоряні системи, радіовипромінювання в яких значно переважає їхнє світлове випромінювання. Найближча з них – Лебідь А – розташована на відстані 330 Мпк від Землі. Потужність її радіовипромінювання у 10⁷ разів вища від світності Сонця.

Квазари (скорочено від англ. guasi–stellar radio source – квазізоряні радіоджерела) — надпотужні радіоджерела, відкриті на початку 60–х років XX ст. Найяскравіший квазар ЗС273. Спектральні дослідження квазарів показали дуже велике червоне зміщення (Z = АХ/Х ~= 3*5). Воно свідчить про те, що це дуже віддалені об'єкти (3680–3880 Мпк або 12–12,7 млрд св. р.), які рухаються за законом Габбла із швидкостями 0,92 с –0,97 с. На таких відстанях не помітні навіть найяскравіші галактики. Світність квазара у сотні разів більша від потужності величезної галактики, в якій сотні мільярдів зір.

У багатьох квазарів виявлено зміни блиску. У деяких випадках блиск змінюється дуже швидко – протягом доби. Це означає, що розміри квазарів відносно незначні – швидко змінний об'єкт не може бути великим.

Природа квазарів, джерела їхньої енергії дотепер залишаються остаточно не з'ясованими. Імовірно, квазари – це ядра галактик. У 80–х pp. XX ст. відкрито слабкі туманності навколо квазарів, у спектрах яких виявлено такі самі червоні зміщення, як і у самих квазарів. Вчені вважають, що ці туманні плями – галактики, центрами яких є квазари.

Метагалактика – доступна для спостереження частина Всесвіту – налічує близько 100млрд галактик з видимою величиною до 30^т. Галактики, як і зорі, утворюють групи і скупчення. Наша Галактика, галактика Туманність Андромеди, галактика Трикутника, ВМХ, ММХ та понад 20 карликових і неправильних галактик утворюють Місцеву Групу. її діаметр близько 3млн св. р.

Нині відомо близько 4000 скупчень, в яких налічується тисячі зоряних систем. Одним з найбільших є скупчення у сузір'ї Волосся Вероніки, розташоване на відстані 70Мпк. Скупчення галактик об'єднуються в надскупчення.

На думку астрономів, Всесвіт має комірчасту структуру. Галактики розташовані переважно на межах гігантських комірок, усередині яких зоряних систем майже немає. Розміри порожнин наближаються до розмірів надскупчень. У Всесвіті, якщо його розглядати загалом, скупчення галактик розташовані майже рівномірно, чого не можна сказати про його окремі ділянки.

3.Космологія та її основний принцип.

Космологія — наука про Всесвіт загалом, про найзагальніші закони його будови та розвитку.

Основний космологічний принцип: Всесвіт є однорідним та ізотропним, тобто його властивості для кожного заданого моменту часу однакові в усіх його точках і в усіх напрямках. Сучасна космологія грунтується на висунутій А. Ейнштейном (1916 р.) загальній теорії відносності (ЗТВ), за якою незмінний з часом Всесвіт існувати не може. На початку 20–х років XX ст. радянський математик О.Фрідман розв'язав рівняння ЗТВ для Всесвіту і показав, що можуть існувати два розв'язки: Всесвіт розширюється і Всесвіт стискається. Ці результати використовують для описування еволюції Всесвіту і в наш час.

1929 року Е. Габбл підтвердив розширення видимої частини Всесвіту за допомогою червоного зміщення спектральних ліній. Найдальші з відомих галактик і квазарів мають дуже сильне червоне зміщення, тобто віддаляються від нас з величезними швидкостями. Тож факт постійного розширення Всесвіту встановлено точно. Але це означає, що мільярди років тому галактики були значно ближчими одна до одної. І в якийсь момент часу в минулому (15 – 20млрд років тому) відстань між сусідніми об'єктами Всесвіту мусила дорівнювати нулю. Уся речовина Всесвіту була сконцентрована в надзвичайно малому об'ємі – сингулярній точці. Ні галактик, ні зір не існувало, густина і температура були надто високими. Процес переходу космічної матерії з«точкового» стану на стадію розширення називається Великим Вибухом. Від цього часу починається історія нашого Всесвіту.

Той факт, що найстаріші зірки різних галактик мають приблизно однаковий вік (12–15 млрд років), також свідчить на користь цієї гіпотези походження Всесвіту.

Запитання для самоконтролю.

1. Дайте визначення поняття галактика?

2. Що таке квазари?

3. Сформулюйте закон Габбла?

4. Перерахуйте основні типи галактик за їх формою?

5. В чому полягає основний космологічний принцип?

ЛЕКЦІЯ №14

План лекції.

1.Стадії розвитку Всесвіту.

2.Майбутня доля Всесвіту.

3.Життя у Всесвіту.

Література. Л 5 (ст.170–174; ст.176–183)

1. Стадії розвитку Всесвіту.

· Сингулярна точка — розміри Всесвіту, близькідо нуля, всі чотири фундаментальні сили природи (гравітаційна, електромагнітна, сильна іслабка) були об'єднані.

· Епоха Великого об'єднання. У цей час, згідно з припущенням, гравітація віддаляється від трьох інших фундаментальних сил, а вони за надзвичайно високої енергії утворюють єдину силу. Всесвіт знаходиться у стані фізичного вакууму. Фізичний вакуум не порожній, він заповнений полями та віртуальними частинками, які час від часу матеріалізуються, але час їх життя надзвичайно малий (10~²¹ – 10~²⁴ с).

· Інфляція, або роздування Всесвіту. Гравітаційне відштовхуванняпереважало над гравітаційним тяжінням, під дією анти гравітаційних сил вакуум почав стрімко розширюватись. Це і є Великий Вибух.

· Епоха народження важких елементарних частинок. Всесвітперейшов до звичної для нас гравітаційної взаємодії, надалі розширення Всесвіту відбувалось за інерцією. Температура, яка сягала 10²⁷ К, поступово зменшилась при розширенні. Сильна взаємодія відділилися від слабкої та електромагнітної. За умови дуже високої температури енергії фотонів вистачало для народження пар усіх відомих частинок та античастинок. Утворилися важкі елементарні частинки – протони та нейтрони. При цьому антипротонів та антинейтронів у ранньому всесвіті виявилося менше, ніж протонів і нейтронів.

Але розширення тривало, температура знижувалась, і масивних частинок утворювалося дедалі менше

· Епоха анігіляції. Відбувалося народження та анігіляція частинок з античастинками з виділенням енергії у вигляді квантів світла. В умовах подальшого зниження температури (до10¹²К) кількість анігіляцій перевищила кількість народжених частинок. Залишилися лише ті частинки, які не знайшли собі пари. У Всесвіті залишилася лише речовина, а антиречовина зникла.

· Епоха лептонів. Температура знизилася настільки, що пари масивних частинок зовсім припинили народжуватись. Енергії вистачало лише на утворення легких частинок – лептонів (електронів, позитронів, нейтрино і антинейтрино). Всесвіт у цей час складався з протонів, нейтронів, лептонів та фотонів (випромінювання світла).

· Ера випромінювання. Температура впала до 10млрд К, розпочалася анігіляція електронів і позитронів з виділенням величезної кількості фотонів. Випромінювання вже переважало над речовиною.

· Епоха початкового нуклеосинтезу. За температури 1млрд Крозпочалося утворення ядер гелію, другого після водню за поширенням у Всесвіті хімічного елементу.

· Після епохи нуклеосинтезу відбувалося спокійне розширення та охолодження Всесвіту, Через 1млн років при охолодженні до температури 3000 К в результаті об'єднання електронів і протонів утворились атоми водню. Випромінювання відділилось від речовини і у вигляді фотонів розлетілося у просторі. Всесвіт став прозорим. Настала наступна ера в історії Всесвіту – ера речовини, яка триває і дотепер.

Потім через сотні мільйонів років після початку розширення з'явились перші галактики та зорі.

Реліктове випромінювання – випромінювання, що виникло на ранніх етапах розвитку Всесвіту і зараз знаходиться в ньому у вигляді фонового космічного випромінювання. Передбачене в 40–х роках XX ст. Г.Гамовим, вперше зареєстроване 1965 року А.Рензіаном і Р.Вілсоном. Температура його виявилась 2,73К (передбачено ЗК), його інтенсивність не залежала від орієнтації антени радіотелескопа і була однаковою впродовж року. Існування реліктового випромінювання є своєрідним відлунням відриву випромінювання від речовини.

2. Майбутня доля Всесвіту

Спостереження показали, що Всесвіт у великому масштабі однорідний, це значно спрощує його математичне моделювання. Математичні моделі Всесвіту приводять до висновку, що його подальша доля залежить від середньої густини його речовини р. Особлива роль на лежить параметру р – критичній густині речовини.

Якщо р > р , то розширення Всесвіту колись зміниться його стисненням. Тоді червоні зміщення ліній у спектрах галактик зміняться на фіолетові, оскільки віддалі між галактиками почнуть зменшуватись. У такій моделі Всесвіт пульсує: досягнувши найбільших розмірів, знову стискається. Він замкнений, це означає, що світловий промінь, відлетівши у зоряні простори, має зрештою повернутися в місце старту.

Якщо р < р , то Всесвіт відкритий, нескінченний і його розширення триватиме вічно.

Значення критичної густини Всесвіту визначається сталою Габбла, яку точно знайти не дуже просто. Нині вважають Н = 75 км/с*Мпк, р_кр=10^–29г/см³.

Визначити справжню середню густину речовини Всесвіту ще складніше. З астрономічних спостережень випливає, що середня густина усієї видимої речовини – зір, пилу, міжзоряного газу та випромінювання – не перевищує 10 % критичної густини. Але, крім цього, у Всесвіті існує загадкова невидима або темна речовина, яка нічим не виявляє себе, окрім гравітації. Вчені припускають, що її маса значно перевищує масу видимої речовини. Темна речовина, що заповнює Всесвіт, отримала назву «прихована маса». Як виміряти масу «прихованої» речовини – найважливіша проблема космології. Тому поїш що питання про майбутнє Всесвіту залишається відкритим.

Існує ще одна проблема – проблема горизонту. Вік Всесвіту залежно від прийнятого значення сталої Габбла становить 12–15млрд років. Будь-який інформаційний сигнал не може передаватися швидше за швидкість світла. Тому «скінченний» вік Всесвіту зумовлює його «скінченні» розміри.

де r_в — відстань, з якої інформація може дійти до спостерігача за час, що минув від початку розширення Всесвіту. Його називають габблівським радіусом або абсолютним горизонтом.

Але реальний Всесвіт безмежний. Якщо спостерігач буде рухатись, то його спостережуваний «горизонт» буде відсуватись усе далі й далі. Спостерігаючи найвіддаленіші галактики, ми зазираємо у їх минуле.

3. Життя у Всесвіті

Немає нічого більш хвилюючого, ніж пошуки життя і розуму у Всесвіті. Унікальність земної біосфери і людського інтелекту кидає виклик нашій вірі в єдність природи. Людина не заспокоїться, доки не розгадає загадку свого походження. На цьому шляху три сходинки: відкрити таємницю народження Всесвіту, розв'язати проблему походження життя і зрозуміти природу розуму.

Життя – це високоорганізований стан речовини, здатний до самовідтворення за допомогою певним чином кодованих молекул і до обміну з навколишнім середовищем речовиною, енергією та інформацією. Поки що нам відома одна форма життя – білкова – і лише одне місце у Всесвіті, де існує життя, – планета Земля.

Для виникнення життя необхідна певна кількість фізичних параметрів, які, з точки зору земної біології, сприяють його розвитку. Планети повинні бути не меншими від Марса, щоб могли утримувати повітря і випари води біля своєї поверхні, але не такими великими, як Юпітер і Сатурн, протяжна атмосфера яких не пропускає сонячних променів до поверхні. Головні параметри: стабільність випромінювання зорі; певна відстань планети від світила, що забезпечує комфортну для життя температуру; колова форма орбіти планети, яка можлива лише в околі поодинокої зорі. Такі умови мають близько 1 % зір Галактики. Найбільше підходять зорі головної послідовності спектральних класів від F5 до К5, але не будь-яких з них, а лише зоря другого покоління, збагачені тими хімічними елементами, які необхідні для біосинтезу, – вуглець, кисень, азот, сірка, фосфор.

На жаль, невідомо, де саме шукати активну біосферу в інших планетних системах. Але якщо десь життя досягло розумної форми і створило технічну цивілізацію, подібну до земної, то можна намагатися вступити з нею в контакт. Наприклад, уже понад 100 років Землю покидають радіохвилі штучного походження, а останні 50 років – дуже потужні сигнали наших телевізійних передавачів та радарів, які можна легко зареєструвати із сусідніх зір. Це стосується також і потужних лазерних імпульсів, що посилають у космос. За цими ознаками можна шукати інші технічно розвинуті цивілізації: потужний радіомаяк або лазерний «прожектор» можна помітити з дуже великих відстаней. На цьому шляху виникають дві проблеми: в яку точку простору направити антену й на яку частоту настроїти приймач.

Спостереження розпочались 1960 року, їх виконав Френсіс Дрейк (проект ОЗМА). Потім пошуки сигналів позаземних цивілізацій продовжив проект SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligent – «Пошук позаземних цивілізацій»), було вивчено тисячі зір на різних частотах, сигнали розумних істот не виявлено. 1992 року Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (НАСА) розпочало новий проект СЕРЕНДИП (SERENDIP: Search for Extraterrestrial Radio Emission from Nearby Developed Intelligent Populations – «Пошук позаземного радіовипромінювання від сусідніх розвинутих цивілізацій»). Особливість цього проекту – багатоканальні приймачі, які прослуховують космічний простір не на одній частоті, а одразу на кількох мільйонах частот, перекриваючи широкий діапазон радіохвиль.

Було розроблено штучну мову (лінкос) для космічних послань, які були б зрозумілими живим істотам.

Чотири зонди покинули межі Сонячної системи: «Піонер–10, –11» (1972–1973 pp.) та «Вояжер–1, –2» (1977 p.), всередині яких містилися послання з візитною карткою землян у вигляді зашифрованих малюнків, записаних звуків, коротких привітань 58 мовами народів світу, досягнень музичної культури (Бах, Моцарт, Бетховен та ін.). Отримають чи ні послання брати за розумом у безмежному космічному просторі, сказати важко. Але це лише один із кроків, які люди почали робити в пошуках життя і розуму у Всесвіті, і тепер вони вже не зупиняться, доки не знайдуть їх.

Отже, ми існуємо у Всесвіті, властивості і закони якого уможливлюють формування живих організмів. Ми ведемо пошуки життя собі подібних у межах нашого Всесвіту. Можуть існувати інші всесвіти, де діють інші фундаментальні закони, і можливе існування принципово інших форм життя. Шляхи пізнання безмежні, як безмежний простір, у якому ми існуємо.

Запитання для самоконтролю.

1. Назвіть основні стадії розвитку Всесвіту?

2. Майбутня доля всесвіту?

3. Наукові дослідження Френсіса Дрейка?

Теми рефератів з астрономії

1. Астрономія і життя людини.

2. Славетні астрономи минулого.

3. Із чого складається Всесвіт?

4. Астрономія в Україні.

5. Наука астрономія та поза науковий міф астрологія.

6. Як виникли назви сузір’їв?

7. Координати на Землі і на небі.

8. Як люди вимірюють час?

9. Календарі народів Європи, Близького та Далекого Сходу.

10. Життя і наукова діяльність М. Коперника.

11. Життя і наукова діяльність Й. Кеплера.

12. Життя і наукова діяльність І. Ньютона.

13. К.Е. Ціолковський – засновник теоретичної космонавтики.

14. Життя й діяльність Ю.В. Кондратюка.

15. С.П. Корольов – засновник практичної космонавтики.

16. Ю.О. Гагарін – перший космонавт планети Земля.

17. Космічна держава Україна.

18. Г. Галілей – засновник телескопічної астрономії.

19. Телескопи минулого, сучасного та майбутнього.

20. Утворення спектрів небесних тіл.

21. Астрономічні обсерваторії світу та України.

22. Планета людей – Земля.

23. Екологічні загрози сучасності та шляхи їх подолання.

24. Затемнення. Коли й чому вони відбуваються?

25. Вивчення та засвоєння Місяця людиною.

26. Що ми знаємо про найближчу до Сонця планету Меркурій?

27. Венера. Чому її назвали ім’ям богині кохання і чи відповідають умови на цій планеті її назві?

28. Марс і проблеми життя на ньому в художній літературі та науці.

29. Юпітер – велетень серед планет.

30. Сатурн і його родина.

31. Уран і Нептун: схожість і відмінність між ними.

32. Найдальша з планет – Плутон.

33. Супутники Марса (від Дж. Свіфта до наших днів).

34. Родина супутників Юпітера.

35. Назви супутників планет та походження цих назв.

36. Астероїди. Історія відкриття та вивчення.

37. Комети. Історія наукових поглядів на них.

38. Сонце – джерело життя на Землі.

39. Вплив сонячної активності на життя людства.

40. Життя зір: від народження до кінцевих стадій еволюції.

41. Чорні діри: що це таке і чи існують вони?

42. Галактика Чумацький шлях та її устрій.

43. Види галактик.

44. Як і чому розширюється наш Всесвіт?

45. Пошуки життя у Всесвіті.

Перелік питань для складання семестрового заліку з предмету «Астрономія»

1) Що є предметом вивчення астрономії? Л4(ст.5)

2) У чому полягає особливість астрономії як науки? Л5(ст.8–9)

3) Назвіть імена видатних астрономів. Л4(ст.6–8)

4) У чому полягає практичне застосування астрономії?Л4(ст.11)

5) Що таке сузір'я і скільки їх налічується на небі Землі? Л3

6) Що таке видима зоряна величина? Л5 (ст.19–20)

7) Що таке небесна сфера? Л4 (ст.13)

8) Які основні точки і лінії небесної сфери вам відомі? Л4(ст.14)

9) Які системи небесних координат вам відомі? Л5 (ст.24–26)

10) Дайте визначення координат другої екваторіальної системи. Л5 (ст.25)

11) Як за виглядом зоряного неба і його обертанням встановити, що ви прибули на Північний полюс Землі? Л3

12) Чим відрізняється добовий рух зір для спостерігача, що знаходиться на екваторі і в середніх широтах? Л3

13) Екліптика, характерні точки. Зодіакальні сузір'я. Л5(ст.31)

14) Видимий рух Місяця. Л5(ст.36)

15) Які вам відомі фази Місяця? Л5 (ст.37)

16) Охарактеризувати сонячні та місячні затемнення. Л5(ст.38–41)

17) Що таке нижні і верхні планети? Л5(ст.42–44)

18) Зобразіть графічно перший та другий закони Кеплера. Л4(ст.29–30)

19) Запишіть математичний вираз третього закону Кеплера та поясніть його зміст. Л4(ст.31)

20) Що таке перша і друга космічні швидкості?Л4 (ст.38)

21) Що таке зоряний час, зоряна доба? Л5 (ст.29–30)

22) За яким принципом виконано поділ земної кулі на годинні пояси? Л3

23) Які типи календарів ви знаєте? Л4 (ст.24–25)

24) За якими характеристиками найбільш чітко виділяються дві групи планет Сонячної системи? Л4 (ст.49)

25) Які оболонки Землі вам відомі? Дайте коротку характеристику.Л5(ст.68–70)

26) У чому полягає подібність і несхожість планет земної групи? Л5 (ст.75)

27) Чому дорівнює сонячна доба на Меркурії, Венері, Марсі? Л3

28) Що таке парниковий ефект, чому на Венері він виявляється сильніше, ніж на Землі?Л5 (ст.78–79)

29) Чи існують на поверхні Марса канали у земному розумінні цього слова? Л5 (ст.79–85)

30) Поясніть, чим саме несхожі між собою планети–гіганти й планети земної групи? Л3

31) Яка природа Великої Червоної Плями в атмосфері Юпітера? Л5 (ст.87–91)

32) Що вам відомо про природу кілець Сатурна? Л4 (ст.67)

33) Чи є кільця Сатурна особливістю лише цієї планети? Л3

34) До якої групи належить Плутон? Л4 (ст.69)

35) Що таке малі тіла? Л5 (ст.96)

36) Поясніть природу комет. Л4 (ст.82–83)

37) Що таке метеор? Що означає вислів «падаюча зоря»? Л4 (ст.80)

38) Поясніть походження метеорних потоків.Л5 (ст.105)

39) Яким чином Землі загрожують астероїди? Л4 (ст.79)

40) Назвіть основні фізичні характеристики Сонця, як зорі (радіус, маса, температура, світність). Л4 (ст.85)

41) Назвіть складові внутрішньої будови Сонця. Л4 (ст.86–87)

42) Що вам відомо про хімічний склад Сонця? Л5 (ст.114)

43) Яким чином енергія з сонячного ядра потрапляє на поверхню
Сонця? Л4 (ст.88–89)

44) Що таке пульсар? Л5 (ст.138)

45) Поясніть природу нейтронної зорі. Л4 (ст.103)

46) Поясніть природу чорної діри. Л5 (ст.143–144)

47) Які туманності за природою вам відомі? Л5 (ст.151–155)

48) Охарактеризуйте будову та структуру нашої Галактики. Л4 (ст.107–109)

49) Чому місце Сонця в нашій Галактиці вважається привілейованим? Л3