Новости
Астрономия
Методика
Космонавтика
Это интересно
Справочный материал
Солнечная система
Фотогалерея
Работы учащихся
Разное
Главная

Уроки. Урок 30

ВТ, 01/18/2011 - 22:16 — mav

Долог был во мраке ночи
Наш неверный трудный путь!
Напрягались тщетно очи
Разглядеть хоть что-нибудь…
И. А. Бунин
 

Урок 3/30

презентация

Тема: Метагалактика

Цель: Рассмотреть системы (скопление) галактик: кратная, местная, скопления, сверхскопления. Метагалактика, ее структура и расширение. Закон Хаббла. Гипотеза «горячей Вселенной», реликтово излучение. Космология. Теория А.А.Фридмана и А.Эйнштейна. Скрытая масса.

Задачи:
 1. Обучающая: Ввести понятия: Метагалактика, расширение Метагалактики. Акцентировать внимание на распространенности во Вселенной взрывов разных масштабов: от взрывных явлений на Земле и других небесных телах Солнечной системы (включая Солнце!) до взрывов сверхновых звезд, взрывов в ядрах галактик и, наконец, до взрывоподобного явления, с которого, по предположению астрофизиков, началось расширение (и, по сути дела, существование!) Метагалактики.
 2. Воспитывающая: Распространить идею развития (эволюции), о которой ранее говорилось в применении к конкретным небесным телам и их системам, на всю нашу Вселенную (Метагалактику). Акцентировать внимание учащихся на том, что, согласно данным современной астрофизики и космологии (науки о Вселенной в целом), в мире нет ничего, кроме движущихся и развивающихся тел и их систем, причем в пространстве между ними тоже есть материя (разреженное вещество, излучение, поля), т. е. данные науки о Вселенной свидетельствуют о материальности мира, о его развитии и познаваемости (предсказание А. А. Фридманом расширения Метагалактики – еще один пример величайшего триумфа физики и космологии). Подчеркнуть роль российских ученых в открытии и исследовании нестационарных и взрывных процессов в ядрах галактик, в космологии. Сделать акцент на материалистическом истолковании начала расширения Метагалактики. Содействовать эстетическому воспитанию учащихся, знакомя их с величественной картиной эволюционирующей Вселенной.
 3. Развивающая: Главное, что должно быть усвоено на уроке, – это то, что не вера и религия, а сила человеческого разума и мощь научных методов позволили открыть нашу и другие галактики, понять, что мы живем в расширяющейся Метагалактике. Полезно подчеркнуть, что подобно невидимым микрообъектам, которые были открыты физикой элементарных частиц (мир атомов, многообразие элементарных частиц) и биологией (мир мельчайших организмов, исследования на клеточном и молекулярном уровнях), внегалактическая астрономия открыла мегамир (мир галактик и их скоплений), недоступный непосредственному наблюдению. Важно отметить, что дальнейший прогресс в познании Вселенной (ее прошлого, настоящего и будущего) неотделим от прогресса в области ядерной физики и физики элементарных частиц, ибо с каждым десятилетием все отчетливее проявляется взаимосвязь явлений микромира и мегамира. Акцентировать внимание учащихся (и подробнее остановиться в ходе следующего урока) на том, что исследование структуры и эволюции Метагалактики не оторвано от общечеловеческих проблем, так как буквально в первые мгновения расширения Метагалактики возникли условия (например, определенное соотношение ядер атомов водорода и гелия), необходимые для последующего возникновения и развития жизни на нашей Земле. Для развития наиболее подготовленных учащихся предусмотреть работу с дополнительным текстом пособия (закон Хаббла, гипотеза «горячей Вселенной» и т. д.) и самостоятельную работу с научно-популярными журналами и книгами.
Знать:
1-й уровень (стандарт) – виды систем (скоплений) галактик, понятие Метагалактики и ее структуру. Закон Хаббла. Гипотезу «горячей Вселенной» и ее нестационарность.
2-й уровень - виды систем (скоплений) галактик, понятие Метагалактики и ее структуру. Закон Хаббла. Гипотезу «горячей Вселенной» и ее нестационарность.
Уметь:
1-й уровень (стандарт) – определять расстояние до галактик по закону Хаббла.
2-й уровень - анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, решать задачи на расчет межгалактических расстояний и характеристик космических объектов.

Оборудование: Таблицы: галактики, наша Галактика, диафильм "Что такое космология", "Методы астрофизических исследований"; "Развитие представлений о Вселенной"; "Как астрономия опровергла религиозные представления о Вселенной"; "Строение Вселенной"; "Что изучает космология". Диапозитивы "Иллюстрированная астрономия"; "Галактики, эволюция Вселенной". ПКЗН, CD- "Red Shift 5.1", фотографии и иллюстрации астрономических объектов из мультимедийного диска «Мультимедиа библиотека по астрономии». Фотографии, рисунки галактик, их скоплений и Сверхскоплений; схема строения Метагалактики; фрагменты кинофильма "Вселенная", коллекция ЦОР.

Межпредметные связи: физика (кинетическая энергия, спектральный анализ, термоядерный синтез, скорость света, элементарные частицы), обществоведение (материальность мира и его познаваемость, основные формы существования материи, движение материи, пространство и время в философии диалектического материализма, непримиримость к религии и буржуазной идеологии), биология (познание сущности жизни на клеточном и молекулярном уровнях).

Ход урока:

1. Повторение материала
Итоги самостоятельной работы
У доски
1) Дайте определение понятия "галактика". Какие основные классы галактик вы знаете? Чем они отличаются друг от друга? Какие признаки лежат в основе их классификации?
2) Что такое квазары? Активные галактики? В чем причина высокой светимости квазаров и процессов в ядрах активных галактик?
3) Способы определения размеров, расстояний и массы галактик.
Остальные
1. Какие из упомянутых в учебнике галактик можно наблюдать сегодня? [упоминаются: М31 (Андромеды, NGC 224), М82 (NGC 3034, соз. Большая Медведица), двойная галактика в соз. Гончие Псы, Большое Магелланово Облако, соз. Золотая Рыба), Малое Магелланово Облако (соз. Тукана), радиогалактика Центавр А (NGC 5128), М87 (Дева А, NGC 4486). Урок проходит в средине апреля, поэтому на данное время по ПКЗН для широты Москва - Новосибирск в 55о наблюдаются в созвездиях северного неба: М31 (Андромеды, NGC 224), М82 (NGC 3034, соз. Большая Медведица), двойная галактика в соз. Гончие Псы и М87 (Дева А, NGC 4486)]
2. Эллиптическая галактика M87 (NGC 4486) находится от нас на расстоянии около 50 млн. св. лет, а ее видимый угловой диаметр составляет 7'. Сравните ее линейные размеры с нашей Галактикой. (из формулы D=rd/206265 найдем D=50000000.7.60/206265≈101800 св.лет, сравнима с Галактикой, может немного больше).
3. Какого углового диаметра будет видна наша Галактика диаметром 30000пк наблюдателю, находящемуся в Туманности Андромеды (М31) с расстояния 675кпк? (из формулы D=rd/206265 найдем d= 205265 D/r = 9167")

2. Новый материал
     Порядка 95 % галактик образуют группы галактик. В них, как и в обычных галактиках, обнаружена тёмная материя, составляющая большую часть массы группы, 10—30 % — это межгалактический газ, а порядка 1 % составляет масса самих звёзд.

1. Крупномасштабная структура Вселенной

 1. Кратная система - самым маленьким по размеру и самым распространённым во Вселенной скоплением, включающим несколько десятков галактик, является группа галактик (кратная система). Зачастую в них доминирует одна массивная эллиптическая или спиральная галактика, которая за счёт приливных сил со временем разрушает галактики-спутники и увеличивает свою массу, поглощая их. В таких скоплениях скорости разбегания галактик друг от друга, вызванные хаббловским расширением Вселенной, слабы и доминируют случайные пекулярные скорости. Из анализа этих случайных скоростей и теоремы вириала можно получить массу таких скоплений.

а) Галактика (Млечный Путь) - имеет спутники = Большое и Малое Магелланово облако, 3 спиральных, более 10 эллиптических и более 20 небольших карликовых галактик. В частности система Млечный Путь содержит много карликовых галактик (62% из которых E+Sph), распределенных по всему небу, а именно: Sag DEG, LMC , SMC и карликовые галактики в созвездиях Ursa Minor, Draco, Carina, Sextans (dwarf), Sculptor, Fornax, Leo I и Leo II, и, возможно, Tucana dwarf.  В 1999 году была обнаружена новая карликовая сфероидальная галактика Cetus (Whiting, Hau & Irwin).
Подгруппа MW имеет линейный размер порядка 140 кпк, дисперсия лучевых скоростей галактик в ней - 68 км/с.

  • Как видно из таблицы 1 карликовые диффузные (сфероидальные) галактики типа Sculptor dSph составляют более половины объектов подгруппы нашей Галактики.
  • За исключением наиболее далеких карликовых галактик NGC 6822+SagittariusDIG и Tucana (которые могут быть несвязанными спутниками Галактики) все остальные галактики имеют приливной индекс > 0, т.е. являются гравитационно связанными, так что подгруппа занимает в пространстве объем, границы которого можно представить эллипсоидом с соотношением осей z:y:x=8:3:1. Вместе с облаками нейтрального водорода из Магелланова Потока эту структуру следовало бы называть полярным эллипсоидом, а не полярным кольцом.
  • Сфероидальная карликовая галактика Лев-I на расстоянии 0.27 Мпк ( Lee et. al., 1993) имеет лучевую скорость +176 км/с ( Zaritsky et. al., 1989) по отношению к центру Галактики, что значительно больше чем параболическая скорость 118 км/с. В соответствии со сценарием описанным в работе Byrd et.al. (1994) галактика Лев-I была выброшена из из окрестности M31, когда галактики M31 и Млечный Путь отдалились друг от друга.
  • Распределение сфероидальных и иррегулярных спутников не показывает заметной сегрегации с расстоянием от нашей Галактики.
  • Судя по средней лучевой скорости спутников +19±20 км/с, подгруппа Млечный Путь не испытывает значительного сжатия или расширения.

б)М31 (Туманность Андромеды) - окружена крупными спутниками M32 и M110 и не менее 20 небольших карликовых  галактик. Система галактики туманность Андромеды, видимая извне, группируется вокруг ее главной галактики М31, содержащая ближайшие к ней галактики с большой поверхностной яркостью М32 и М110, а также более слабые и более далекие NGC147 и NGC185, очень слабые системы And I, And II, And III.
Летом 1998 года двумя группами наблюдателей (И.Д.Караченцев и В.Е.Караченцева; T.Armandroff, J.Davies и G.Jacoby) были обнаружены по крайней мере еще 3 карликовые сфероидальные галактики - возможно, далекие члены подгруппы M31 (одна из этих галактик была независимо открыта обеими группами): Pegasus DEG (AndVI), Cassiopea Dw и AndV.

  • Спутники галактики в Андромеде формируют плоскую систему с соотношением осей 5:2:1. Ее большая полуось и большая (полярная) ось подгруппы Млечный Путь образуют угол около 57o.
  • Морфологическая сегрегация в подгруппе уверенно прослеживается. Все семь ближайших спутников M31 имеют типы E и Sph, в то время как на периферии обнаружены только спиральные и иррегулярные галактики.
  • Как было отмечено Арпом (1982), распределение лучевых скоростей спутников M31 сильно асимметрично. При использовании нашего критерия членства галактик разница лучевых скоростей снижается по сравнению с Арпом до +46±29 км/с. Однако, если считать полную массу M31 больше; скажем к=3.0 вместо 2.5, то в зону влияния M31 попадут и др. галактики (WLM, Pegasus и NGC 404), которые увеличивают асимметрию до +70 км/с.
  • Ассиметрия лучевых скоростей значительно уменьшается, если рассматривать систему относительно центра масс M31+M33. Это может служить доводом в пользу того, что главная масса этой подгруппы заключена в ее членах, а не распределена по всему объему группы.
  • Число спутников, находящихся на Севере и на Юге от M31 несколько асимметрично. Если это вследствие поглощения излучения нашей Галактикой, то следует ждать открытия новых членов подгруппы вблизи галактики IC 10. Справедливость этого предположения была показана совсем недавно.

в) М33 в Треугольнике - пока один спутник - неправильная карликовая галактика LGS 3.
г) Галактики NGC3109, Antlia,Sextans A и Sextans B, по-видимому, формируют, отдельную подгруппу с Vr=+114+-12 км/с, которая располагается вне так называемого "нулевого расстояния МГ" 1.7 Мпк от центроида МГ (van den Bergh, 1999).
     Другие члены не могут быть отнесены к какой-либо главной подгруппе и двигаются совершенно изолированно в гравитационном поле членов гигантских групп. Подструктуры в группе вероятно не стабильны. Наблюдения и расчеты дают основания полагать, что группы очень динамичны и изменялись в прошлом значительно: галактики вокруг большой эллиптической галактики Maffei 1 по всей видимости были когда-то членами группы нашей галактики.
 2. Местная группа (бедные скопления) Скопление галактик
Средний диаметр скопления 5 Мпк, среднее число галактик в них не менее 130.
Местная Группа галактик - Совокупность галактик, к которой принадлежит наша Галактика Млечный Путь, туманность Андромеды (M31) , которая является самой большой и наиболее массивной галактикой и ее спутники M32 и M110, и спиральная галактика M33 в созвездии Треугольника, а также Большое Магелланово Облако, лежащее вблизи нашей Галактики - это крупные члены Местной группы. Другие члены Местной группы - десятки небольших эллиптических и неправильных галактик, а также некоторое количество карликовых сферических галактик, напоминающих изолированные шаровые скопления. Они настолько слабы, что на расстояниях, превышающих расстояние до туманности Андромеды, обнаружить их очень трудно. Поэтому общее количество их неизвестно. Четыре небольших эллиптических галактики (NGC 221, 205, 185 и 147) представляют собой спутники галактики M31. Таким образом, Местная группа не имеет центрального уплотнения, а состоит из двух подгрупп, сосредоточенных вокруг двух наиболее массивных ее членов. Всего в Местной группе кроме трех основных известны 17 эллиптических, 6 неправильных и остальные подобие шаровых скоплений (более 60 членов). Местная группа занимает объем пространства с радиусом около 3 млн. световых лет (около 1 Мпс). Местная группа движется со скоростью 635 км/с относительно соседних скоплений (реликтового излучения). Список галактик
  В пределах 16 Мпк имеется около 50 местных групп, подобие нашей. Вот некоторые из них:
IC342/Maffei - с близкая (среднее расстояние около 3.0 Мпк) группа галактик, связанная с МГ:
членами которой являются галактики: IC 342, Maffei 1(открытая Паоло Маффеем в 1968г), Maffei 2, Cas 2=Dwingeloo 1, NGC 1560, NGC 1569, UGCA 86, UGCA 92, UGCA 105, Cas 1, MB 1, MB 2, MB 3, Dwingeloo 2, Cam A, Cam B, Cam D(?), Per A(?), Per B(?).
Группа M81 -  находиться также достаточно близко к МГ, около 3.5 Мпк:
Галактики из каталога Мессье: M81 и M82. Членами группы M81 являются также галактики: NGC 3077 и NGC 2976, и находящаяся на перефирии спиральная галактика NGC 2403, образующая свою подгруппу. Известно также много карликовых галактик, входящих в эту подгруппу: NGC 2366, IC 2574, NGC 4236, NGC 1516, NGC 2976, DDO 165, Holmberg I, Holmberg II, Holmberg IX, K 52, UGC 4483, K 54, BK3N, K 73, UGC 2773, DDO 53, VII Zw 403, PGC 27785, DDO 82,  UGC 7131, PGC 43450, UGC 8638, PGC 52591, PGC 57888.
Группа M96 (группа Лев I)
Галактики из каталога Мессье: M95, M96 и M105. Существует также много других галактик из группы M96, включая известную галактику NGC 3384 недалеко от M105.
 Группа M66- триплет в созвездии Льва:
M65 (NGC 3623), M66 (NGC 3627) и NGC 3628. Возможно физически связана с группой M96.
Небольшие группы галактик
Группа в Скульпторе
Группа M74
Группа M77 (группа NGC 1068)
Группа NGC 5128
эта южная группа галактик имеет три выдающихся члена: активную галактику Центавр A (NGC 5128), пекулярную галактику NGC 5253 и M83. Другие - NGC 4945, NGC 5102, NGC 5206, PGC 47171, NGC 5237, PGC 48738, NGC 5408, Cen 6.
Среднее расстояние до группы 3.4 Мпк.
Группа в Гончих Псах
представляет довольно рассеянный комплекс, содержащий около 50 спиральных и иррегулярных галактик, среди которых выделяются в первую очередь галактики: NGC 4395, NGC 4449, NGC 4244, NGC 4144, NGC4214, IC 4182, UGC 8331, UGC 8508, DDO 154, DDO 168. Среднее расстояние до группы 4.3 Мпк.
Группа M101
помимо гигантской спиральной галактики M101 содержит галактики: NGC 5204, NGC 5238, Holmberg IV, NGC 5474, NGC 5477, NGC 5585 и UGC 9405.
Среднее расстояние до группы 7.3 Мпк.
Группа в Драконе (группа NGC 5866)
содержит: NGC 5866, M102, яркую спиральную галактику, видимую с ребра NGC 5907, NGC 5879, и множество карликовых галактик.
Группа NGC 5236
содержит кроме NGC5236 галактики: NGC 5253, NGC 5236, NGC 5264, PGC 48111, PGC 48368, PGC 48029.
Среднее расстояние до группы 4.2 Мпк.
 
3. Местное Сверхскопление (богатое скопление) - скопление скоплений галактик диаметром около 30 Мпк. Принято разделять МС на: Местный Комплекс галактик, частью которого является Местная Группа, и скопление галактик в Деве. Местная Группа находиться на периферии сверхсистемы, на расстоянии примерно 10 Мпк от его центра.
    К 1933 году было известно всего 25 скоплений галактик. Их число выросло до тысяч после завершения знаменитого Паломарского обзора неба. В 1958 году Дж. Эйбелл опубликовал каталог 2712 скоплений. В 1953 году Жерар де Вокулер ввел термин Сверхгалактика - упрощенное образование близких структур с центром в скоплении в Деве и определил ее диаметр в 30 Мпк. В каталоге швейцарского астронома Ф. Цвикки (1898—1974) - ок. 7000 скоплений, классифицированных по степени компактности на открытые, умеренно компактные и компактные. Л.П. Бауц и У. Морган (США) в основу своей классификации положили наличие или отсутствие доминирующей массивной центральной галактики, обычно являющейся мощным радиоисточником.
   Местный Комплекс, кроме Местной группы входят также близкие группы галактик - IC342/Maffei, М 81 (схема слева), группа в Гончих Псах, М 101, NGC 5128, а также другие группы, имеющие лучевые скорости менее чем 500 км/с (что соответствует примерно 7 Мпк). В сумме это 280 галактик (на 1980г, явно не полный список), включая 255 галактик с Vo < 500 км/с и 25 сфероидальных карликовых галактик с неизвестными лучевыми скоростями, но являющимся, по всей видимости, спутниками известных близких галактик. Понятие Местный Комплекс было введено в работе Kraan-Korteweg и Tammann (1979г).  Из всех галактик Местного Комплекса 6 выдающихся галактик имеют массы больше 3.1011 M¤: Галактика, M31, M81, NGC 5128, NGC 5236 и M101. Распределение галактик по морфологическим типам имеет ассиметрию с минимумом на типах S0-Sa. Иррегулярные карликовые галактики составляют более половины населения МК. Если учитывать оценку полноты выборки галактик МК (около 70%), то можно получить оценку плотности галактик в нем 0,25 гал./Мпк3.
 скопление Девы (Virgo Cluster) - скопление галактик, расположенное на расстоянии от 15 до 22 мегапарсек, ближайшее к Местной группе крупное скопление. Оно состоит не менее, чем из 2000 галактик. На наблюдаемом небе скопление имеет угловой размер около 8° с центром в созвездии Девы, отсюда название. Скопление Девы, как и Местный комплекс, входит в состав Местного сверхскопления галактик. Скопление в Деве является доминирующим и определяет барицентр нашего Местного Сверхскопления. Барицентр Местной Группы двигается в направлении центра Местного Сверхскопления со скоростью около 300 км/с ("поток в направление на  Деву"). Скопление в Деве выделяется не только по богатству, но и по кинематике движения членов в ней, у которых собственные скорости изменяются в диапазоне от -200 до +2000 км/с. 
   Скопление галактик в Деве охватывает 120 квадратных градусов неба и имеющее диаметр более 6 Мпк.  В скоплении находятся не только галактики, состоящие из звезд, но также газ (в среднем один атом в кубическом дециметре, а по массе сопоставимо с массой всех звезд скопления), настолько горячий (свыше 10 млн.К), что он излучает рентгеновские лучи. Движения галактик внутри и около скопления показывают, что они содержат больше темного вещества, чем вещества, которое мы можем увидеть. На этом изображении центр скопления в Деве. Видны яркие галактики из каталога Мессье: M86 вверху и M84 справа, а также галактики NGC 4388 внизу и NGC 4387 в середине. Наиболее массивная галактика скопления - гигантская эллиптическая галактика M87, которая по размеру сравнима с Местной Группой.  Шестнадцать наиболее ярких членов скопления включено в Каталог Мессье.
   4. Сверхскопление - концентрация богатых скоплений галактик. Известно около пятидесяти сверхскоплений, содержащих в среднем по двенадцать богатых скоплений галактик, хотя самые большие из них содержат намного больше скоплений.  (Каталог Дж.Эйбелл, разделив их на правильные и неправильные (сравнивая с шаровыми и рассеянными скоплениями звезд). Самое крупном насчитывается 29 богатых скоплений). Эти структуры имеют в поперечнике сотни миллионов световых лет.
   Наш Местный комплекс находится на периферии сверхскопления диаметром в 40 Мпк с центром в богатом скоплении Девы части сверхскопления Девы. В этом сверхскоплении около 400 отдельных скоплений собраны в слои и полосы, разделенные промежутками и более 30000 галактик. Подробные карты Местного сверхскопления галактик опубликовал в 1982 году Брент Талли (Brent Tully, США). Как видно из карты, подавляющее большинство галактик (60%) находятся в узком слое толщиной всего около 10 млн. св. лет вблизи плоскости Сверхскопления. Большая концентрация галактик вблизи центра — скопление Девы. Лишь 40% галактик расположены вне плоскости Сверхскопления. При этом 98% галактик Местного сверхскопления принадлежат 11 облакам, суммарный объем которых не превышает 5% объема всего Сверхскопления. Некоторые из этих облаков показаны на этой карте. Если принять скопление Девы за центр циферблата, то часовая стрелка в 2 часа укажет на облако галактик в созвездии Дракона, в 3 часа — на облако в Большой Медведице, в 5 часов — на облако в созвездии Льва, в 7 часов — на облако в южном созвездии Чаши, в 9 часов — на облако в Деве (наблюдаемое непосредственно за скоплением Девы) и, наконец, в 11 часов — на ещё одно облако, наблюдаемое в направлении созвездий Девы и Весов. Интересно, что все эти облака вытянуты в направлении скопления Девы, что объясняется, вероятно, приливным действием этого массивного образования.
    Ближайшие к нам скопления галактик расположены в созвездиях Пегаса и Рыбы на расстоянии в 212 млн световых лет.
    Скопление галактик в Волосах Вероники - богатое скопление галактик , простирающееся на несколько градусов небесной сферы. Почти каждый объект на фотографии - галактика. Скопление галактик Coma, изображенное на снимке является одним из самых плотных из известных скоплений.
Оно находится, по некоторым оценкам, на расстоянии 300 млн. световых лет. Имеет почти сферическую форму, где большинство галактик сконцентрировано в центре и являются эллиптическими, причем среднее расстояние между галактиками в три раза меньше расстояния между Млечным Путем и Туманностью Андромеды в Местной группе. Содержит более 1000 ярких эллиптических галактик и более 50000 мелких, а вне скопления большинство спиральные. Диаметр скопления 10млн.световых лет. В центре скопления находятся две сверхгигантские эллиптические галактики. Скопление - сильнейший источник рентгеновского излучения, природа которого пока изучается.
    Среднее расстояние между сверхскоплениями составляет 55 Мпк.
Вывод: Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от ядер атомов до гигантских сверхскоплений галактик. Разумно было бы предположить, что эта иерархия распространяется дальше на сколь угодно много уровней, но в 1990-е было выяснено, что на масштабах порядка 300 мегапарсек Вселенная (точнее Метагалактика) практически однородна.
    В 1986г открыт великий аттрактор — гравитационная аномалия, расположенная в межгалактическом пространстве в центре Местного cверхскопления. Этот объект, имеющий массу десятков тысяч галактик, наблюдается благодаря эффекту, который он оказывает на движение галактик. Наблюдение Великого аттрактора затруднено тем, что он находится в "зоне затенения", закрытой от наблюдения плоскостью Млечного пути.
      Местная группа вместе с другими близкими галактиками участвуют в совместном движении к центру Местного cверхскопления с относительными скоростями порядка 250 км/с. Галактики обнаруживают крупномасштабное течение в сторону Великого аттрактора со скоростью порядка 600 км/с в системе отсчёта, связанной с реликтовым фоном.
      Он находится в скоплении галактик Abell 3627. Расстояние до него оценивается примерно в 65 Мпк. Масса — порядка 5×1016 солнечных масс, но масса видимого вещества в той области, по меньшей мере, в 10 раз меньше. Считается, что основную массу составляет тёмная материя.
 
 2. Метагалактика - вся наблюдаемая часть Вселенной, составная часть Вселенной, насчитывающая в настоящее время около 1 млрд. галактик (из нескольких млрд пока недоступных современным телескопам). Размер наблюдаемой Вселенной ограничен расстоянием, которое мог пройти свет с момента Большого Взрыва. В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизываемым космическими лучами, гравитационными и электромагнитными полями. Большая часть вещества для нас невидима (темная материя) и многие астрономы поддерживают мысль о том, что темное вещество состоит из более или менее обычного вещества - множества слабых коричневых карликов, или, возможно, темных планет типа Юпитера. В принципе во Вселенной возможно существование и других метагалактик.

На рисунке сводная карта распределения галактик в Las Campanas Redshift Survey, в ходе обзора проведенного с 1988 по 1994 годы. Средняя глубина обзора - 30000 км/с. LCRS обнаруживает богатую волокнистую структуру, скопления и пустоты вплоть до 50000 км/с.

    Мы не в силах увидеть, какой облик в данный момент времени имеет наша Метагалактика: чем дальше находится космический объект, тем большее прошлое объекта мы наблюдаем. Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут 20 секунд назад – столько времени понадобилось солнечному лучу, чтобы преодолеть расстояние до Земли; Проксиму Центавра мы наблюдаем такой, какой она была 4,2 года назад; ближайшую спиральную галактику М 31 – такой, какой она была около 2,5 миллионов лет назад; квазары и самые далекие галактики "сдвинуты в прошлое" на 8-13 миллиардов лет.
    Метагалактика - это предельная по степени общности и объему, обладающая структурностью на всех своих уровнях система космических объектов массой около 1052 кг, размерами около 1023 - 1024 км (≈14 миллиардов св. лет) и возрастом  до 14 миллиардов лет. Согласно данным НАСА, полученным с помощью WMAP в 2005 году, возраст Вселенной от момента Большого взрыва был оценен в 13,7 миллиарда лет с погрешностью в один процент (13,73 ± 0,12 млрд. лет). Данная оценка основывается на предположении, что лежащая в основе модель для анализа данных корректна. Другие методы оценки возраста Вселенной дают другие результаты.
    В конце 1970-х годов было открыто, что галактики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек (сотов), внутри которых галактик почти нет. Метагалактике присуща сетчатая (пористая) структура. Размеры ячеек около 100 Мпк, а толщина стенок 3-4 Мпк. Если в масштабах Солнечной системы, Галактики вещество распределено неравномерно, то в масштабах сверхскоплений галактик вещество распределено практически равномерно. Вселенную можно считать однородной, не имеющей центров и изотропной. По современным представлениям, Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских «листов», разделённых областями, в которых практически нет светящейся материи. Эти области (пустоты, англ. voids) имеют размер порядка сотни мегапарсек.
    В начале 1990 года американские астрономы М. Келлер и Дж. Хайкр выявили из обзора неба, проведенного в 1989г, сверхплотное скопление галактик в северной части неба, которому дали название «Великая стена», по аналогии с Великой Китайской стеной. Протяженность этой звездной стены составляет примерно 500 млн световых лет (другие источники дают результат 216 Мпк), а ширина и толщина - соответственно 200 и 50 млн световых лет (из других источников размером 50х30х5 Мпк).  Образование такого звездного скопления никак не вписывается в общераспространенную теорию большого взрыва происхождения Вселенной, из которой вытекает относительная равномерность распределения материи в космосе. Подобное образование имеется и в южной части неба.
    В ходе так называемого, Слоановского цифрового обзора неба, начатого в мае 1998 года в высокогорной обсерватории Апаче-Пойнт в штате Нью-Мексико (США). впервые проводимого без использования фотопластинок, было получено изображение всех областей неба в пяти спектральных диапазонах, то есть зарегистрировано более 100 миллионов астрономических объектов. Это позволило выявить вторую Великую в два раза большей длины.
    Собранная WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, запуск 30 июня 2001) по наблюдению микроволнового фона информация позволила учёным построить к 2006 году самую детальную на сегодняшний день карту флуктуаций температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере.
    Данные WMAP показали, что распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере имеет определённую структуру, его флуктуации не полностью случайны. Параметры функции, описывающей измеренное распределение, согласуются с моделью Вселенной, состоящей:
  • на 4 % из обычного вещества,
  • на 23 % из так называемой тёмной материи (Скрытая масса, возможно состоящая из слабовзаимодействующих массивных частиц (вимп)) и
  • на 73 % из ещё более таинственной Тёмной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.

    Данные WMAP позволяют утверждать, что тёмная материя является холодной (то есть состоит из тяжёлых частиц, а не из нейтрино или каких-либо других лёгких частиц). В противном случае лёгкие частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, размывали бы малые флуктуации плотности в ранней Вселенной. Среди других параметров, из данных WMAP определены (исходя из ΛCDM-модели, то есть фридмановской космологической модели с Λ-членом и холодной тёмной материей:

  • возраст Вселенной: (13,7 ± 0,2)х109 лет (самые далекие зафиксированные объекты галактика SDF Л 32418.3+271455 (красное смещение 6,578) и квазар (красное смещение 6,42));
  • постоянная Хаббла: 71 ± 4 км/с/Мпк;
  • плотность барионов в настоящее время: (2,5 ± 0,1)х10—7 см—3;
  • параметр плоскостности Вселенной (отношение общей плотности к критической): 1,02 ± 0,02;
  • суммарная масса всех трёх типов нейтрино: <0,7 эВ.
  • в марте 2006 года обнаружил мелкомасштабную анизотропию реликтового излучения, при этом была точно обнаружена скорость Земли относительно него в 600 м/с в направлении  созвездия Девы.
 
3. Космология - раздел астрономии, изучающий происхождение, свойства и эволюцию Вселенной, используя  методы и достижения физики, математики и философии. Физическая (наблюдательская) космология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом, а теоретическая космология - разработкой моделей, которые должны описывать наблюдаемые свойства Вселенной в математических терминах. Результаты исследований, полученные внегалактической астрономией, являются основным наблюдательным материалом для космологии.
   Космологические учения древности были просто иллюстративными моделями и мифами. Однако уже греческая космология стремилась построить математическую модель движения планет. Современная космология целиком базируется на законах физики и математических конструкциях.
  Теоретическая космология обычно основывается на общей теории относительности, разработанной в начале 20-го века немецким физиком Альбертом Эйнштейн (1879-1955). На больших расстояниях преобладающей силой, воздействующей на вещество, является гравитация, и, следовательно, именно она определяет крупномасштабную структуру Вселенной. Общая теория относительности способна описать связи между пространством, временем, веществом и гравитацией. Уравнениями общей теории относительности можно в математических терминах описать огромное разнообразие вселенных. Эйнштейн, придерживаясь точки зрения не меняющегося состояния Вселенной со временем, для уравновешивания силы притяжения, ввел гипотетические силы отталкивания и космологическую постоянную - Λ-член.  В 1922-1924гг российский математик Александр Александрович Фридман (1988-1925), решая уравнение Эйнштейна, вывел идею глобальной эволюции Вселенной, т.е. материя в масштабах однородной и изотропной  Вселенной не может находиться в покое - Вселенная либо должна сжиматься, либо расширяться. Все зависит от средней плотности материи (сейчас 3.10-24кг/м3, критическая 10-26кг/м3). Но к сожалению мы видим лишь небольшую часть материи, остальная представляет невидимую часть (скрытую массу), а потому оценить среднюю плотность не можем.
     Открытие 1) красного смещения (1929г)  и 2) реликтового излучения (1964г) подтвердили теорию расширяющейся Вселенной.
 
   В 1929г Эдвин Поуэлл ХАББЛ (1889-1953, США) открывает красное смещение, объясняемое эффектом Доплера, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками непрерывно увеличивается и установил  (закон Хаббла), что красное смещение (скорость) возрастает пропорционально расстоянию до галактик υ=H.r (где сегодня можно считать Н=75 км/(с.Мпк) - постоянная Хаббла. В настоящее время (2005г) наиболее надежной (хотя и модельно зависимой) считается оценка Н0=(72±3) км/с/Мпк, полученная из сопоставления нескольких массивов наблюдательных данных (WMAP, 2dFGRS и т. д.)). В Метагалактике происходит взаимное удаление всех галактик. Но расширение Метагалактики (причем по последним данным с ускорением) происходит только на уровне скоплений и сверхскоплений и не существует центра, от которого разбегаются галактики. Начало расширения можно найти разделив расстояние с начала расширения на скорость, то есть R/(H.R)=1/H≈14 млрд.лет, тогда получим размер наблюдаемой Вселенной R=с/H≈4300 Мпк. Закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10-14 млн. св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения. Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св.лет), которым соответствует величина z >1.
 Согласно теории Большого Взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.

   Исходя из теории Фридмана получаем, что в момент начала расширения Вселенной вещество имело колоссальную плотность. В 1948г Георгий Антонович Гамов (1904-1968) выдвигает идею, что на начальном этапе вещество имело не только колоссальную плотность, но и очень высокую температуру (теория Большого взрыва ). В 1965г было открыто космическое фоновое излучение, предсказанное Гамовым, получившим название реликтового (электромагнитное излучение водорода с температурой 2,7К).  Открыто было на волне 7,35см случайно американскими инженерами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном (Нобелевская премия 1978г). Измерение изотропности фонового излучения, показало однородность Вселенной во всех направлениях. Плотность энергии реликтового излучения (около 500 квантов в см3) в 30 раз больше плотности энергии всех существующих сегодня источников (звезд, галактик и т.д.). Теперь общепринято, что наблюдения уверенно подтверждают положения космологии Большого Взрыва.
     Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва (Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность)). Наблюдаемая Вселенная с очень хорошей точностью однородна и изотропна, и является геометрически плоской. Это явление объясняется эпохой космической инфляции (около 10-37 секунд), во время которой Вселенная расширилась во много раз. Приблизительно с 1 секунды после Большого Взрыва материя охладилась достаточно для образования стабильных нуклонов и начался процесс первичного нуклеосинтеза. Он длился до возраста Вселенной 3 минуты, и за это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора, остальное - водород. Вселенная постепенно охлаждалась и через 379 000 лет после Большого Взрыва стала достаточно холодной для образования атомов (3000 К). Таким образом, из состояния плазмы, непрозрачного для большей части электромагнитного излучения, материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем непосредственно наблюдать в виде реликтового излучения. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин "Большой Взрыв" может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.    Хронология Большого взрыва
     Интересная теория предложена  С.А. Николаевым (Санкт-Петербург) в книге 2006 года “Эволюционный круговорот материи во Вселенной”, объясняющей все процессы и явления участием обменных частиц (фотоны и нейтрино) и эфирных частиц (фотоники и нейтриники).
 
3. Закрепление материала:
 1. Эллиптическая галактика в созвездии Девы  M49 (NGC 4472) удалена от нас на расстояние приблизительно 42 млн. световых лет. Определите скорость удаления М49. (υ=H.r=75.42/3,26=996км/с)
2. Спиральная галактика NGC 772 (Arp 78) с большим числом близких карликовых спутников имеет скорость удаления порядка 1900км/с. Сколько времени свет идет от нее до Земли? (из υ=H.r отсюда r=υ/Н=1900/75≈25,33Мпк, тогда t=25,33.3,26≈ 82,6 млн. лет).
3. Галактика, видимый угловой диаметр которой 10'' удаляется со скоростью 210 км/с. Каков ее линейный диаметр? (из υ=H.r находим r=υ/Н=210/75=1024/75=13,65Мпк, тогда D=rd/206265=13,65.106.10/205265 ≈661,77пк)
4. Проверочный ТЕСТ по теме "Галактики"
Итог:
1. Какие существуют системы в масштабах Вселенной?
2. В чем сущность ячеистой структуры Вселенной?
3. Какие основные открытия положены в основу Большого Взрыва?
4. Оценки.

Дома: §30, вопросы стр. 176-177, стр.191-192 (п. 1-11).

Другой вариант урока, это дистанционный, при условии наличия у Вас высокоскоростного Интернета.

«Планетарий»  410,05 мб Ресурс позволяет установить на компьютер учителя или учащегося полную версию инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". "Планетарий" -  подборка тематических статей - предназначены для использования учителями и учащимися на уроках физики, астрономии или естествознания в 10-11 классах.  При установке комплекса рекомендуется использовать только английские буквы в именах папок.
Демонстрационные материалы 13,08 мб Ресурс представляет собой демонстрационные материалы инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий".
Планетарий 2,67 мб Данный ресурс представляет собой интерактивную модель "Планетарий", которая позволяет изучать звездное небо посредством работы с данной моделью. Для полноценного использования ресурса необходимо установить Java Plug-in
Урок Тема урока Разработки уроков в коллекции ЦОР Статистическая графика из ЦОР
Урок 30 Метагалактика   Скопления галактик 394,5 кб
Местная группа галактик 161,9 кб
Моделирование крупномасштабной структуры вселенной 467,8 кб
Галактики собраны в сверхскопления 206,4 кб
Трехмерная карта скоплений галактик 217,1 кб
Закон Хаббла 130,2 кб
Скрытая масса 150,7 кб

 




Яндекс.Метрика