Вселенная тоже была молодою,
И бился в груди ее пламень творения!
Как женщина, власть потеряв над собою,
Она отдавалась на волю мгновения.
И в огненной пляске Пространства и Времени,
Доверившись слепо неведомым силам,
Она разрешила от тяжкого бремени,
Даруя начало мирам и светилам…
Дыхание горячее Тайны Великой
Потоками квантов к тебе прикоснется,
И космос огромный чужой многоликий,
Сквозь мрак мироздания тебе улыбнется.
И тот, кто увидел улыбки той отблеск,
Кто вздрогнул на миг и застыл ослепленный,
Так будет всю жизнь, позабыв сон и отдых,
Искать ее снова в просторах Вселенной.
Б. Комберг

Урок 4/31

презентация

Тема: Происхождение и эволюция галактик и звезд

Цель: Рассмотреть понятие Космогонии. Возраст звезд, скоплений и галактик. Происхождение и эволюция галактик и звезд в зависимости от массы. Эволюция Солнца. Черные дыры. Замкнутость цикла. Шкала Вселенной.

Задачи:
 1. Обучающая: ввести понятия: космологии, о взаимосвязи эволюции космической среды в Галактике с эволюцией звезд, замкнутости цикла в ходе эволюции.
 2. Воспитывающая: распространить идею развития (эволюции) от конкретных небесных тел (звезд) к их системам и всей Вселенной. Акцентировать внимание учащихся на том, что в мире развивающихся тел и их систем существует замкнутый цикл материального мира, причем в пространстве между телами тоже есть материя (разреженное вещество, излучение, поля).
 3. Развивающая: главное, что должно быть усвоено на уроке, – это то, что сила человеческого разума и мощь научных методов позволяют познавать окружающий мир. Формирование умений анализировать информацию, объяснять свойства космических систем на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенный план для изучения последовательности эволюции и делать выводы.
Знать:
1-й уровень (стандарт) – понятие Космогонии, возраст звезд, скоплений и галактик. Происхождение и эволюцию звезд в зависимости от массы. Будущее Солнца. Черные дыры.
2-й уровень - понятие Космогонии, возраст звезд, скоплений и галактик. Происхождение и эволюцию звезд в зависимости от массы. Будущее Солнца. Черные дыры.

Уметь:
1-й уровень (стандарт) – определять эволюционный путь звезд в зависимости от массы.
2-й уровень - определять эволюционный путь звезд в зависимости от массы и показать эволюционные треки на диаграмме Г-Р, анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения хода эволюции, делать выводы.

Оборудование: Таблицы: диаграмма «спектр- светимость», эволюционные схемы, Д/ф «Происхождение и развитие небесных тел». CD- "Red Shift 5.1", 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).

1. Новый материал

Космогония - раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел. Современные научные космологические гипотезы - результат физического, математического и философского обобщения многочисленных наблюдательных данных. Космология развивается исходя из гипотез, подтверждаемых наблюдаемыми фактами и позволяющие предсказать новые открытия. Эволюция - изменения объекта, происходящие в течение жизни: от рождение до стадии угасания. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд. лет назад.
1. Происхождение и эволюция галактик.
Возникновение метагалактики
Вселенная
модель горячей Вселенной
Большой взрыв
Космологические модели
Хронология Большого взрыва.
   Известные нам законы физики начали действовать с момента>в= 10^-43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка ћ и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли R_в= 10^-31 м при плотности материи r _в=10⁷⁴–10⁹⁴ г/см³ с температурой Т_в = 1,3 × 10³² К. С этого момента пространство и время обрели привычные нам свойства.
   При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = - р× с² породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы (как современные фотоны) частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума. Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту t_в = 10^-36 с полностью выделилась в форме рождения частиц материи с энергией до 10²⁵ эВ; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась.
   Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик, каждая из которых обладала своим уникальным набором физических характеристик, зависящих от времени инфляционного расширения Мини-Вселенной и ее размеров. По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10⁹ К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар.
   Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых "возмущений плотности", а старые сгустки продолжали рассасываться. Через сотни тысяч лет уцелели лишь те сгустки, чья начальная масса была больше 10⁵ - 10⁶М_¤.
   Через 10¹² с после Большого Взрыва началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - Реликтовое излучение в диапазоне от дециметровых до субмиллиметровых радиоволн, исходящее с почти одинаковой интенсивностью от любого участка небесной сферы. Красное смещение реликтового излучения z » 1000: за миллиарды лет расширения Метагалактики его температура понизилась с 4000 К до 2,725 К. На каждый атом вещества Метагалактики приходится свыше 100 млн. фотонов реликтового излучения; на каждый протон или нейтрон приходится около 10⁸ g -квантов.
    "Блины" массой до 10¹⁴ М_¤ стали зародышами протогалактических скоплений. В их недрах происходили разнообразные тепловые и гидродинамические процессы, приводившие к распаду ("дроблению") "блинов" на мелкие, отдельные, плотные облака газа массой 10¹⁰-10¹² М_¤, из которых образовались протогалактики, преобразовавшиеся в галактики на протяжении последующего миллиарда лет. Большую роль в распаде "блинов" играла тепловая (термодинамическая) неустойчивость: области с повышенной плотностью вещества остывали быстрее своего окружения и сжимались не только под действием сил собственного тяготения, но и под давлением нагретого вещества из окружающего пространства.

 Подробнее Образование галактик   Формирование галактик.

История открытия Большого взрыва

• 1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.
• 1917 — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввёл космологическую постоянную Λ. (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что Λ-член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). В. де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».
• 1922 — советский математик и геофизик Ал. Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель, известная как решение Фридмана). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.
• 1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.
• 1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием.
• 1925 — К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.
• 1927 — опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто чётко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звёзды, а гигантские звёздные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.
• 1929 — 17 января в Труды Национальной академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.
• 1948 — выходит работа Г. А. Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты, в том числе Земля и всё что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется — только сильно охлаждённым — и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учётом возможных неопределённостей, неизбежных при весьма ненадёжных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 К. В 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.
• 1955 — Советский радиоастроном Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ излучение с температурой около 3K.
• 1964 — американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: и она оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И. С. Шкловский.
• 2003 — спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ΛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %).
• 2009 — запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.

2. Эволюция звезд
Эволюция звёзд - изменения, происходящие в течение жизни звезды, включая ее рождение в межзвездной среде, истощение годного к использованию ядерного топлива и конечную стадию угасания.
     Звезды образуются в газопылевых облаках межзвездной среды скоплений. Вещество протозвезды уплотняется и коллапсирует, в результате чего высвобождается гравитационная энергия и ядро нагревается до тех пор, пока температура не станет достаточно высокой для возникновения термоядерной реакции превращения водорода в гелий. Время протекания такого процесса сильно зависит от массы протозвезды. Так, для звезды массой в 10 солнечных масс требуется всего 300000 лет, что ничтожно мало по сравнению с 60 млн. лет для звезды с массой Солнца.
     Горение водорода в ядре продолжается до тех пор, пока не истощатся запасы топлива. В течение этой фазы звезда находится на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. Как и ранее, здесь масштабы времени резко уменьшаются с увеличением массы. Для Солнца время жизни на главной последовательности составляет 10 млрд. лет (около половины которого уже прошло), а для звезды в три раза более массивной - только 500 млн. лет. Когда при исчерпании всего топлива горение водорода в ядре прекращается, в структуре звезды происходят фундаментальные изменения, связанные с потерей источника энергии. Звезда уходит с главной последовательности в область красных гигантов (сверхгигантов). Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых может (в зависимости от массы) активироваться новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов. При температурах порядка 10⁸ K кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be⁸: He⁴ + He⁴ = Be⁸.Большая часть Be⁸ снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be⁸ с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C¹²: Be⁸ + He⁴ = C¹² + 7,3 МэВ. Итак, что же происходит со звездой в зависимости от ее массы:.
Массивные звезды
   По современным представлениям в массивных звездах с массой более 3 M_ʘ эволюция звезды может заканчиться гравитационным коллапсом. - катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. После исчерпания в таких звёздах материала для термоядерных реакций они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Коллапс остановиться при достижении в центре звезды ядерной плотности. При этом в зависимости от исходной массы звезды:
1) Образуется нейтронная звезда с сильным магнитным полем - пульсар. При этом оболочка звезды сбрасывается в межзвездное пространство с огромной скоростью. Типичный радиус нейтронной звезды составляет лишь 10—20км. Значение предельной массы нейтронной звезды согласно предела Оппенгеймера — Волкова примерно 1,6—3 M_ʘ. Самая массивная (из открытых) нейтронная звезда J0348+0432 имеет массу 2,04 M_ʘ. Наблюдаться будет как вспышка сверхновой, а расширение сброшенного вещества, взаимодействующего с межзвездной средой, - светящейся туманности. Пульсар PSR B1919+21 в созвездии Лисичка считается первой открытой нейтронной звездой в 1967 году.
2) При коллапсе ядер массивных звезд с массой более 30 масс M_ʘ приводит к образованию черной дыры.  Чёрные дыры звёздных масс образуются как конечный этап жизни звезды, после полного выгорания термоядерного топлива и прекращения реакции звезда переходит в стремительный гравитационный коллапс. Различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, получающейся в результате гравитационного коллапса, от 2,5 до 5,6 массы Солнца. Характерный размер чёрной дыры при этом очень мал — до нескольких десятков километров. Самой маломассивной (из известных) чёрной дырой считается GRO J1655-40 с массой 6,3 M_ʘ.

 Формирование звёзд   Протозвезда. Звезды образуются в результате гравитационной неустойчивости в холодных и плотных молекулярных облаках (если его масса не менее 2000 масс Солнца. Т=10К). Поэтому звезды всегда рождаются группами (скоплениями, комплексами). Гигантские молекулярные облака с массами, большими 10⁵ M_¤  (их известно более 6 000), содержат 90 % всего молекулярного газа Галактики. Именно с ними связаны области звездообразования. Если бы гигантские молекулярные облака в Галактике свободно сжимались из-за гравитационной неустойчивости, то за 50 миллионов лет из них образовались бы звезды. Сжатию способствуют ударные волны при расширении остатков вспышек сверхновых , спиральные волны плотности и звездный ветер от горячих ОВ-звезд. Температура вещества при переходе от молекулярных облаков через фрагментацию облака (появление глоб) к звездам возрастает в миллионы раз, а плотность – в 10²⁰ раз, увеличивается скорость вращения.
   Стадия развития звезды, характеризующаяся сжатием и не имеющая еще термоядерных источников энергии, называется протозвездой (греч. протос «первый»). Эволюцию протозвезды массой 1 M_¤  можно разделить на три стадии:
 

     По достижению температуры в несколько миллионов градусов в центре начинаются термоядерные реакции. Минимальная масса, которая необходима для этого, составляет около одной двенадцатой массы Солнца. Если вещества меньше, то реакции нуклеосинтеза никогда не начнутся. Объекты, массы которых лежат в промежутке 0,01–0,08 M_¤, называются коричневыми карликами, которые из-за слабого излучения обнаружить чрезвычайно сложно.
    В 60-е годы ХХ века Ч. Хаяши и Т. Накано впервые подробно рассмотрели динамику сжатия протозвезды. Они показали, что в процессе сжатия температура фотосферы молодой звезды возрастает до 3 000 К, светимость звезды – до 300 L_¤. Заключительные стадии формирования звезды могут быть весьма бурными. Помимо так называемого протозвездного ветра многие звезды выбрасывают с огромной скоростью в пространство гигантские струи горячего вещества – джеты, причины образования которых пока неизвестны.
Звезда. Ядро втягивает все, или почти все вещество, сжимается и когда температура внутри  превысит 10 млн.К, начинается процесс выгорания водорода (термоядерная реакция). Для звезд с M_¤ от самого начала прошло 60 млн.лет, а для звезд с 10M_¤ необходимо всего 300000 лет. При массе ядра не превосходящей 0,08 массы Солнца, температуры такой не достигнет, возникнет коричневый карлик, который не попадает на главную последовательность, постепенно погаснет и в конце рассеется.
      Звезда на главной последовательности. Находится пока внутри происходит термоядерная реакция выгорания водорода в ядре, что зависит от массы. Время жизни самое долгое в эволюции. Для звезд разной массы: M=0,8M_¤ τ=20 млрд.лет, M=M_¤ τ=10 млрд.лет, M=1,5M_¤ τ=1,5 млрд.лет, M=2,0M_¤ τ=0,8 млрд.лет.
     После того как звезда израсходует содержащийся в центральной части водород, гелиевое ядро начнет сжиматься, его температура повысится настолько, что начнутся реакции с большим энерговыделением (при температуре 2•10⁷ К начинается горение гелия - составляет по времени десятую часть горения Н). В прилегающем к ядру слое, как правило, остается водород, возобновляются протон-протонные реакции, давление в оболочке существенно повышается, и внешние слои звезды резко увеличиваются в размерах. На диаграмме Герцшпрунга — Рассела звезда начинает смещаться вправо – в область красных гигантов, увеличиваясь примерно в размере в 50 раз. Звезды скромных размеров, включая и Солнце, в конце жизни, после стадии красного гиганта сжимаются, сбрасывают оболочку (до 30% массы - образуется планетарная туманность), превращаясь в белые карлики, имеющие массу, не превышающую 1,2 M_¤, радиус в 100 раз меньше солнечного, и, следовательно, плотность в миллион раз больше солнечной. Белый карлик продолжает слабо светиться еще очень долго, пока его тепло не израсходуется полностью, и он превратится в мертвого черного карлика.
Завершающие стадии эволюции красных гигантов

Дома: §31, вопросы стр. 181-182, СР№16

Дополнение: Космологические парадоксы Вселенной
Материальность Вселенной