Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Мироздание




Читайте также:
  1. Мироздание любит тебя, наполняет радостью и дарит нежность просто так, потому что Ты существуешь!

Слово «Космос» с греческого языка – это порядок, устройство, упорядоченное, - Мироздание. Космосу противопоставляется беспорядок, хаос.

В понятие «космос» сначала включали не только мир небесных светил, но и всё, с чем мы сталкиваемся на поверхности Земли. Иногда под космосом понимали только систему планет, окружающую Солнце, и применяли термин «космогония». Чаще под космосом понимают Вселенную, рассматриваемую как нечто единое, подчиняющееся общим законам. Отсюда происходит название космологии – науки, пытающейся найти законы строения и развития Вселенной как целого. В названиях «космогония» и «космология» космос понимается в разных смыслах.

В современном Понимании космосом называется всё находящееся за пределами Земли и её атмосферы. Космические исследования включают изучение «ближнего» и «дальнего» космоса, а также ряда новых явлений, связанных с влиянием невесомости и других космических факторов на физио-химические и биологические процессы.

Физическую природу околоземного пространства составляют газы, образующие верхние слои земной атмосферы, которые ионизованы УФ-излучением Солнца, т.е. находятся в состоянии плазмы. Плазма взаимодействует с магнитным полем Земли так, что оно оказывает на неё давление. С удалением от самой Земли давление плазмы уменьшается быстрее, чем давление, оказываемое на неё земным магнитным полем. Вследствие этого плазменную оболочку Земли разделяют на две части. Нижняя часть, где давление плазмы превышает давление магнитного поля, носит название ионосферы. Здесь плазма ведёт себя в основном как обычный газ, отличаясь только своей электропроводностью. Выше лежит магнитосфера – область, где давление магнитного поля больше, чем газовое давление плазмы. Поведение плазмы в магнитосфере определяется и регулируется, прежде всего, магнитным полем и коренным образом отличается от поведения обычного газа. Поэтому, в отличие от ионосферы, которую относят к верхней атмосфере Земли, магнитосферу принято относить уже к космическому пространству или ближнему космосу.

В магнитосфере становятся возможными явления захвата заряженных частиц магнитным полем Земли, которое действует как естественная магнитная ловушка. Так образуются радиационные пояса Земли.



Отнесение магнитосферы к космическому пространству обусловливается тем, что она тесно взаимодействует с более далёкими космическими объектами и, прежде всего, с Солнцем. Внешняя оболочка Солнца – корона – испускает непрерывный поток плазмы – солнечный ветер. У Земли он взаимодействует с земным магнитным полем (для плазмы достаточно сильное магнитное поле – то же, что твёрдое тело), обтекая его, как сверхзвуковой газовый поток, как препятствие. При этом возникает стационарная отходящая ударная волна, фронт, который расположен на расстоянии около 14 радиусов.

В сравнении с Землёй, магнитное поле Марса, например, настолько слабо (в сотни раз слабее земного), что с трудом сдерживает налетающий поток солнечного ветра на самых ближних подступах к поверхности планеты. Примером немагнитной планеты является Венера, полностью лишённая магнитосферы. Однако взаимодействие сверхзвукового потока плазмы солнечного ветра с верхней атмосферой Венеры и в этом случае приводит к образованию ударной волны.

Большим разнообразием отличается семейство естественных спутников планет-гигантов. Один из спутников Юпитера, Ио, является самым активным в вулканическом отношении телом Солнечной системы. Титан, самый крупный из спутников Сатурна, обладает достаточно плотной атмосферой, едва ли не сравнимой с земной. Весьма необычным является и взаимодействие таких спутников с окружающей их плазмой магнитосфер материнских планет. Кольца Сатурна, состоящие из каменных и ледяных глыб разных размеров, вплоть до мельчайших пылинок, можно рассматривать как гигантский конгломерат миниатюрных естественных спутником.



По очень вытянутым орбитам вокруг Солнца движутся планеты. Ядра комет состоят из отдельных камней и пылевых частиц, вмороженных в глыбу льда. Лёд это не совсем обычный, в нём кроме води содержатся аммиак и метан. Химический состав кометного льда напоминает состав самой большой планеты – Юпитера. Когда комета приближается к Солнцу, лёд частично испаряется, образуя гигантский газовый хвост кометы. Кометные хвосты обращены в сторону от Солнца, так как постоянно испытывают воздействие давления излучения и солнечного ветра. Наше Солнце, лишь одна из множества звёзд, образующих гигантскую звёздную систему – Галактику. А эта система, в свою очередь, лишь одна из множества других галактик. Астрономы привыкли относить слово «Галактика» как имя собственное к нашей звёздной системе и, одновременно, как нарицательное – ко всем таким системам вообще. Наша Галактика содержит 150 -200 млрд. звёзд. Они располагаются так, что галактика имеет форму плоского диска, в середину которого как бы вставлен шар, диаметром меньшим, чем у диска, солнце расположено на периферии диска, практически в его плоскости симметрии. Поэтому, когда мы смотрим на небо в плоскости диска, то видим на ночном небосводе святящуюся полосу – Млечный Путь, состоящий из звёзд, принадлежащих диску.



Астрономы установили. Что звёзды галактического диска, как правило, отличаются по физическим и химическим свойствам от звёзд шара. Эти два типа «населения» нашей звёздной системы называются плоской и сферической составляющими. В диске кроме звёзд есть ещё значительное количество междузвёздного газа и пыли. Диск нашей галактики имеет спиральную структуру, подобную той, какую можно видеть на фотографиях других галактик (например, туманность Андромеды).

Источником энергии звёзд являются ядерные реакции, протекающие глубоко в недрах звезды, где температура в тысячи раз больше, чем на поверхности. Ядерные реакции в космосе и происхождение химических элементов изучает ядерная астрофизика. На определённых стадиях эволюции звезды выбрасывают часть своего вещества, которое присоединяется к межзвёздному газу. Особенно мощные выбросы происходят при мощных взрывах, наблюдаемые как вспышки сверхновых звёзд. Остатки таких взрывов часто становятся пульсарами – нейтронными звёздами, радиусом около 10 км со сверхсильными магнитными полями, создающими условия для возникновения компактных, но чрезвычайно мощных магнитосфер. Предполагается, что магнитное поле пульсара в центре Крабовидной туманности являются классическим примером сверхновых продуктов, в 1012 раз больше земного по напряжённости.

В двойных звёздных системах нейтральные звёзды могут проявлять себя как рентгеновские пульсары. С нейтронными звёздами связывают и так называемые бастеры – галактические объекты, характеризующимися спорадическими кратковременными всплесками рентгеновского и мягкого гамма-излучения. В других случаях при звёздных взрывах могут образоваться чёрные дыры – объекты, вещество которых падает к центру со скоростью, близкой к скорости света, и в силу эффектов общей теории относительности (теории тяготения) как бы застывает в этом падении. Из недр чёрных дыр излучение вырваться не может. В то же время окружающее чёрную дыру вещество образует так называемый аккреционный диск и при определённых условиях испускает рентген-излучение за счёт гравитационной энергии притяжения к чёрной дыре. При звёздных взрывах и в окрестностях пульсаров отдельные частицы плазмы ускоряются и приобретают колоссальные энергии. Эти частицы делают вклад в высокоэнергетическую составляющую межзвёздного газа – космические лучи. По количеству вещества они составляют весьма малую, но по энергии весьма существенную часть межзвёздного газа. Космические лучи удерживаются в Галактике магнитными полями. Их давление играет важную роль в поддержании формы галактического диска. В земной атмосфере космические лучи взаимодействуют с ядрами атомов воздуха, образуя множество новых ядерных частиц. Изучение космических лучей у поверхности Земли следует отнести к ядерной физике.

Другие галактики показывают большое разнообразие форм и числа входящих в них звёзд, интенсивности электро-магнитного излучение в различных диапазонах длинны волн. Происхождение галактик и причины, по которым галактики имеют те или иные формы, размеры и другие физические свойства, - одна из самых трудных проблем астрономии и космологии. Область космологии занимается открытиями источников радиоволн и света громадной мощности – квазарами. В их спектрах линии слишком смещены к красному концу спектра. Это значит, что они слишком далеки от нас – свет идёт от них миллиарды лет. Наблюдая квазары, астрономы имеют возможность изучать Вселенную (метагалактику) на ранних стадиях её развития. Откуда берётся чудовищная энергия, излучаемая квазарами – одна из самых волнующих загадок науки.

Другое важное открытие – обнаружение фона радиочастотного излучения, пронизывающего равномерно по всем направлениям космическое пространство. Это реликтовое радиоизлучение – остаток древнейших эпох, позволяющий судит о состоянии Вселенной многие миллиарды лет назад.

Звёздный бульон густеет до состояния галактического холодца. Это определяется тремя основными процессами: всеобщим расширением Вселенной при Большом Взрыве, силой тяготения и движением частиц и более крупных составляющих элементов. Колебания равновесия между этими объектами могут объяснять, почему галактики становятся однородным газом или ордой чёрных дыр. Согласно этой теории сначала притягиваются друг к другу относительно мелкие тела, которые затем слипаются в более крупные объекты. Основным ингредиентом выступает тёмная материя (СДМ), достигающая равновесия, отличного от обычной материи.

В самом начале Вселенную заполняет первобытная жидкость – смесь обычной материи (синего цвета) и тёмной материи (красной). Её плотность слегка варьируется в разных местах. Вначале тяготение преодолевается космическим расширением. Жидкость становится жиже. Но участки высокой плотности разжижаются медленнее других.

В конечном итоге эти участки становятся настолько плотными относительно окружающего их пространства, что над расширением одерживает верх гравитация. В пятнах начинается коллапс (сжатие).

По мере сжатия каждого пятна в нём достигается равновесие. Плотность как обычной, как и плотной материи достигает пика в самом центре пятна и снижается к его краям. Тёмная материя, не способная к излучению, сохраняет свою форму. Обычная же не пускает излучение, сжимается во вращающийся диск и начинает конденсировать в отдельные звёзды.

Протогалактики взаимодействуют друг с другом, приводя в движение вращающие моменты друг друга и сливаясь во всё более крупные тела. Когда сливаются два диска сходных размеров, сбиваются звёздные орбиты. В результате возникает эллиптическая галактика. Позднее вокруг эллиптической формы может развиваться диск.

Слияние вызывает формирование новых звёзд и попадает материал в центральную чёрную дыру, тем самым, генерируя активное галактическое ядро, способное извергать выплески плазмы.

Гравитация вызывает небольшое разжижение плотности до тех пор, пока эти участки наконец не начинают сгущаться. Во время коллапса газ и плотная материя стремятся достичь внутреннего состояния равновесия. Это равновесие определяет общее свойство галактики – её форму и профиль плотности. Обычная и тёмная материи достигают равновесия разными средствами. Обычная материя (преимущественно водород) начинает двигаться во всех возможных направлениях. Её плотность варьируется случайным образом. Частицы газа сталкиваются друг с другом, перераспределяя энергию и генерируя давление, противостоящее гравитации. В конечном итоге газ успокаивается в состоянии гидростатического равновесия, и его плотность выше всего у центра гравитации.

В самом начале тёмная материя действует так же, как обычная. Разница только в том, что частицы не сталкиваются друг с другом. По мере того, как частицы перемещаются, изменяется гравитационное поле, а это заставляет частицы приобретать или терять энергию. Постепенно система успокаивается в состоянии равновесия, в котором гравитационное поле более не колеблется. Если сравнить условия времени Большого Взрыва с распределением материи сегодня, в глаза бросаются два важных отличия. Во-первых, современная Вселенная охватывает гигантский диапазон плотности. Центральные районы галактик более чем в 100 млрд. раз плотнее Вселенной в среднем. Земля – ещё в десятки триллионов раз плотнее. Во-вторых, хотя обычная материя и СДМ в самом начале были хорошо перемешаны, сегодня барионы формируют плотные узлы 9галактики) внутри огромных пятен тёмной материи. Каким-то образом барионы расцепились с СДМ. Первое из этих различий можно объяснить гравитационной нестабильностью. Если участок хоть немного превышает по плотности среднее значение, лишняя масса вызывает силу тяготения несколько больше средней, притягивая к себе лишнюю материю, что создаёт ещё более сильное гравитационное поле, притягивающее ещё больше массы. Этот стремительный и неконтролируемый процесс усиливает первоначальные различия в плотности. Всё это время тяготение участка должно состязаться с расширением Вселенной, разрывающим материю. Первоначально, космическое расширение выигрывает, и плотность участка снижается. Вопрос состоит в том, что снижается она медленнее, чем плотность окружения этого участка. В определённый момент сверхплотность участка по сравнению с его окружением становится настолько отчётливой, что сила его тяготения преодолевает космическое расстояние. Участок начинает сжиматься.

До этого момента участок не является связным объектом – это просто случайное увеличение плотности в дымке материи, заполняющей Вселенную. Но стоит участку пережить сжатие, как он начинает жить собственной внутренней жизнью. Система, которую мы будем называть протогалактикой, стремится установить нечто вроде равновесия. Астрономы называют этот процесс релаксацией. Барионы ведут себя как частицы любого газа. Разогреваемые ударными волнами, вызванными сжатием, они обмениваются энергией путём непосредственных столкновений друг с другом, таким образом, достигая гидростатического равновесия – состояния баланса между давлением и тяготением. Атмосфера Земли – тоже гидростатическое равновесие (или почти оно), именно поэтому давление уменьшается экспоненциально (ускоряющимся темпом) вместе с высотой.

А вот у тёмной материи релаксация проходит во многом иначе. Частицы СДМ не способны распределять энергию между собой непосредственными столкновениями, система таких частиц не может достичь гидростатического равновесия. Каждая частица посредством гравитационного поля обменивается энергией не с другой индивидуальной частицей, а с коллективной, массой частиц.

Тела, перемещающиеся в гравитационном поле, всегда претерпевают обмен гравитационной и кинестетической энергией. Если вы подбрасываете в воздух мяч, он поднимается на большую высоту и при этом теряет в скорости: набирает гравитационную энергию за счёт кинестетической. На пути же вниз мяч набирает кинестетическую энергию за счёт гравитационной. Частицы СДМ в протогалактике ведут себя сходным образом. Они перемещаются и меняют скорость по мере того, как меняется баланс их гравитационной и кинестетической энергий. Но, в отличии от мечей, частицы СДМ двигаются в гравитационном поле, не являющимся постоянным. В конце концов, гравитационное поле производится всеми частицами вместе, и они переживают сжатие. Конечная точка такого сжатия и релаксации протогалактики – пятно тёмной материи, внутри которой барионный газ находится в гидростатическом равновесии при температуре в несколько миллионов градусов. Поскольку каждая частица СДМ сохраняет с этого момента свою энергию, барионный газ способен испускать излучение. Он остывает, сокращается и накапливается в центре пятна тёмной материи. Следовательно, остывание и вызывает разрыв обычной материи и СДМ.

До сих пор учёные своё внимание обращали лишь на одну протогалактику и игнорировали её окружение. В реальности же по близости формировались и формируются другие протогалактики. Гравитация стягивает их всех вместе, пока они не сольются и не образуют более величественную структуру. Эта структура тоже, в свою очередь сливается с чем-то, и т.д. Иерархическое наращивание – характерная черта моделей СДМ. Причина этого проста. Поскольку относительно малые колебания плотности накладываются на изменения большого масштаба, плотность достигает своего высочайшего значения на мельчайших участках. Аналогией здесь может выступать вершина горы. Точное положение пика соответствует крохотной структуре: например, камешку на вершине горы. Если на вершину опускается облако, первым исчезает из виду камешек, за ним – валун, холм и вся гора.

Сходным же образом самые плотные участки первовселенной – мельчайшие протогалактики. Это первые участки, пережившие сжатие. З ними следуют всё большие и большие структуры. От остальных возможных типов тёмной материи СДМ отличает то, что её плотность отклоняется во всех масштабах. Нейтрино, например, в малых масштабах не колеблются. Вселенная, в которой господствовали бы нейтрино, напоминала бы гору с совершенно гладкой вершиной.

Иерархическая картина естественно объясняет формы галактик. В спиральных галактиках звёзды и газ движутся по круговым орбитам. Структура этих галактик, соответственно, управляется вращающим моментом. В соответствии со стандартной картиной, Вселенную наполняли протогалактики, которые вызывали в друг друге приливы силы, заставляя друг друга вращаться.

После их сжатия у каждой из пртогалактик осталось чистое количество вращающего момента. Когда газ в них в последствие стал охлаждаться, он начал сжиматься и падать к центру. Точно так же, как фигуристы, которые вращаются на льду быстрее, если прижимают руки к себе, газ, сокращаясь в объёме, двигается всё быстрее и быстрее. А затем газ сплющивается – так сплюснута из-за своего вращения Земля, ведь она не идеальной сферической формы. В конечном итоге газ начал вращаться настолько быстро, что центробежная сила (направляющая наружу) стала равна тяготению гравитации (направленному внутрь). К тому времени, когда газ достиг центробежного равновесия, он сплющился в тонкий диск. Диск был достаточно плотен для того, чтобы газ стал скручиваться в облака, из которых в последствии образовались звёзды. Родилась спиральная галактика, но существуют и эллиптические галактики.

Так выглядит краткое описание исследований, и многие исследователи полагают, что дальнейшее изучение космических объектов и явлений позволит существенно углубить наши знания о самых фундаментальных законах природы.


Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 14; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2022 год. (0.015 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты