Астрономия

Преподаватель Романова Елена Ивановна

День недели пятница, 15 мая 2020 года

Группа ТП 19-1

Начало занятия: 10-15- 12-00

Срок выполнения задания: пятница, 15 мая 2020 года до 18.00

Электронный почта преподавателя: elena-ro1976@mail.ru

Обратная связь с преподавателем: В ЛИЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ VK, 89082610272

Тема занятия

«Строение и эволюция Вселенной»

ЦЕЛЬ: формирование осознания роли отечественной науки в освоении и

использовании космического пространства и развитии международного сотрудничества в

этой области сформированность собственной позиции по отношению к физической

информации, получаемой из разных источников

Инструкция:

Тест состоит из 25 вопросов.

Тест выполняется на отдельном листе. На лист заносятся Ф.И.О., номер группы, номера

заданий и соответствующие им обозначения правильных ответов.

При оценивании теста не будут засчитаны ответы, имеющие исправления.

Время выполнения теста 60 минут.

Тест по теме «Строение и эволюция Вселенной»

Вариант 1

1. Расположите в порядке увеличения размеров следующие объекты:

1) Звёздная система

2) Планета

3) Скопление галактик

4) Галактика

2. В Северном полушарии невооружённым глазом можно увидеть

галактику:

1) Туманность Андромеды

2) Треугольника

3) Большое Магелланово Облако

4) Малое Магелланово Облако

3. Планеты в отличие от звёзд:

1)сами излучают свет

2) поглощают весь дошедший до них свет

3)светятся ярче, чем звёзды

4)отражают свет, дошедший до них от звёзд

4. По закону Хаббла:

1) чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она

приближается

2) чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она

удаляется

3) чем ближе к нам находится галактика, тем с большей скоростью она

удаляется

4) чем ближе к нам находится галактика, тем с большей скоростью она

приближается

5. Полярная звезда находится на расстоянии 4*106 млрд км от Земли.

Допустим, что на этой звезде произошла мощная вспышка. Её можно увидеть

на Земле примерно:

1) через 420 лет

2) через 130 лет

3) через 2,5 тыс. лет

4) через 5 лет

6. В результате термоядерных реакций, происходящих в недрах звёзд:

1) ядро гелия превращается в 4 протона

2) 4 ядра водорода превращаются в ядро гелия

3) протоны превращаются в ядра водорода

4) образуются атомы водорода

7. В настоящее время Солнце находится:

1) в основной фазе своей эволюции

2) на стадии протозвезды

3) на стадии красного гиганта

4) на стадии белого карлика

8. Звезда, подобная Солнцу, после полного сжигания гелия становится:

1) красным гигантом

2) белым карликом

3) нейтронной звездой

4) протозвездой

9. Вспышка сверхновой происходит при эволюции звёзд, массы

которых:

1) намного меньше массы Солнца

2) во много раз превышают массу Солнца

3) в 2-5 раз больше массы Солнца

10. Расположите основные фазы эволюции звезды, подобной Солнцу, в

порядке их следования.

1) Белый карлик

2) Основная фаза звезды

3) Протозвезда

4) Красный гигант

11. Все электромагнитные волны в вакууме распространяются со

скоростью:

1) 340 м/с

2) 300 000 м/с

3) 300 000 км/с

4) зависящей от типа волны

12. Расположите названия типов электромагнитного излучения в

порядке возрастания их длин волн.

1) Ультрафиолетовое излучение

2) Радиоволны

3) Видимый свет

4) Рентгеновские лучи

5) Гамма-лучи

6) Инфракрасное излучение

13. Устройство оптических приборов основано на использовании:

1) ультрафиолетового излучения

2) инфракрасного излучения

3) видимой части электромагнитного спектра

4) радиоволн

14. Из электромагнитных волн, наполняющих нашу Вселенную, с

поверхности Земли можно наблюдать:

1) гамма-лучи

2) рентгеновские лучи

3) видимый свет

4) радиоволны

15. Мощные солнечные вспышки являются источником:

1) гамма-лучей

2) инфракрасного излучения

3) видимого света

4) радиоволн

16. Учёные считают, что возраст Вселенной составляет примерно:

1) 4,5 млрд лет

2) 14 млрд лет

3) 300 000 лет

4) 1500 млрд лет

17. С момента Большого взрыва Вселенная:

1) постоянно расширяется и остывает

2) постоянно расширяется и нагревается

3) сначала расширялась, теперь сужается и остывает

4) сначала расширялась, теперь сужается и нагревается

18. Через секунду после Большого взрыва Вселенная состояла в

основном:

1) из ядер гелия

2) из лёгких молекул

3) из атомов водорода

4) из электронов, фотонов и протонов

19. Согласно теории Большого взрыва, протоны и ядра гелия

объединились с электронами и образовали нейтральные атомы спустя

примерно:

1) 3 мин после Большого взрыва

2) 300 000 лет после Большого взрыва

3) 1 млрд лет после Большого взрыва

4) 4,5 млрд лет после Большого взрыва

20. Установите соответствие между рисунками и описанием возможных

вариантов развития Вселенной.

1) Все звёздыпогаснут, а Вселенная станет холодной итёмной

2) Вселеннаясожмётся в одну точку

3) Вселенная всё времярасширяется и остывает

4) Произойдёт новыйБольшой взрыв

21. Наблюдением за процессами рождения звёзд занимаются:

1) рентгеновские обсерватории

2) инфракрасные обсерватории

3) оптические телескопы

4) гамма-обсерватории

22. «Хаббл» является:

1) рентгеновским телескопом

2) инфракрасным телескопом

3) оптическим телескопом

4) гамма-обсерваторией

23. Рентгеновским телескопом является:

1) «Чандра»

2) «Спитцер»

3) «Хаббл»

4) «Интеграл»

24. Установки, называемые коллайдерами, предназначены:

1) для столкновения частиц и ядер, движущихся со скоростями,

близкими к скорости света

2) для наблюдения за частицами и ядрами, движущимися со скоростями,

близкими к скорости света

3) для получения новых радиоактивных изотопов

4) для изучения радиоактивного излучения

25. Установка Большого адронногоколлайдера (БАК) расположена:

1) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН)

2) в Брукхейвенской национальной лаборатории (БНЛ)

3) в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ)

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

1. https://www.docsity.com/ru/nasha-galaktika-mlechnyy-put-konspekt-astronomiya/346600/

https://vazhorov.wordpress.com/2013/08/25/galaxy_milky_way/

2. https://multiurok.ru/files/itogovyi-test-po-astronomii.html

3. https://nsportal.ru/shkola/astronomiya/library/2019/05/28/test-po-astronomii-10-11-klass

Тема: Эволюция Вселенной. Большой Взрыв. Реликтовое излучение.

Темная энергия

История окружающего нас мира, история Вселенной - это вопрос,

который волновал человечество, начиная с самых ранних ступе­ней

познания. Мифы и религиозные учения предполагают свои

«космологические систе­мы», свои теории эволюции Вселенной.

Эволюция Вселенной, начиная с Большого взрыва, рассматривается как

совместное развитие микро- и мак­роявлений, включающее процессы

дифференциации и усложне­ния в микро - и макроветвях эволюции.

Наша Вселенная участвует в закономерном эволюционном процессе.

Но было бы ошибкой процесс эволюции Вселенной, равно, как и всякой

другой материальной системы, отождествлять лишь с одной прогрессивной

ветвью развития. Развитие всегда состоит из двух ветвей или этапов -

прогрессивного и регрессивного, которые объединяются одной общей

характеристикой: необратимостью происходящих в них изменений.

Состояние вещества и ход физических процессов, сами понятия о

времени и пространстве в «ранний» период эволюции Вселенной, когда

плотность была грандиозна, еще недо­статочно ясны и, вероятно,

существенно отли­чаются от понятий физики сегодняшнего дня.

Но качественные изменения во Вселенной происходили не только в

далеком прошлом. Имеются теоретические предположения, что при

определенных условиях эволюция звезд приводит к образованию так

называемых «черных дыр». Поле тяжести у поверхности этих дыр так

велико, что силы гравитации «сковывают» в этой части пространства все

виды лу­чистой энергии, в том числе и свет. Поэтому эти массивные звезды

становятся невидимыми, если только на них не падает вещество извне.

Выяснение того, как при этом все же обнаружить «черные дыры», является

одной из интереснейших задач современной астрофизики.

Вселенная – это материальный мир, рассматриваемый со стороны его

астрономических аспектов. Существуют разные модели Вселенной:

«Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Леметра»,

«Вселен­ная Наана», «Вселенная Зельманова», соответствующие разным

представлениям о ней как в целом.

Современная картина эволюционирующей Вселенной – не только

расширяющейся, но и буквально «взрывающейся», - пожалуй, так же мало

похожа на картину статичной Вселенной, которую рисовала астрономия

начала XX в., как современные представления о взаимопревращаемости

атомов и элементарных частиц на неделимые атомы классической физики.

Научная постановка вопроса об истории Вселенной-одно из важнейших

завоеваний современной науки. Астрономия использует наблюдения с

помощью телескопов, исследует спектры далеких небесных тел, изучает

ра­диоволны, приходящие из самых отдаленных областей. Выводы из этих

наблюдений дела­ются с учетом законов природы, изученных в земных

лабораториях. Мы используем данные о спектрах атомов, о законах

излучения и распространения радиоволн. Мы применяем к Вселенной и к

огромным скоплениям звезд теорию всемирного тяготения, проверенную в

земных условиях и в Солнечной системе, в частности по движению

созданных человеком космических аппаратов.

Большим достижением нашего века явля­ется установление факта

эволюции, изменяе­мой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего -

водорода. Горение здесь заключа­ется в превращении водорода в гелий

путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд.

Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тыс. млн. звезд.

Нужно только пом­нить, что ни сама Земля, ни Солнечная си­стема, ни

Галактика не расширяются.

Новое, открытое в 1965 г. излучение объ­ясняется тем, что много

миллиардов лет на­зад вся Вселенная была совершенно не похо­жа на

современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют

плаз­мой,- горячим газом, состоящим из электро­нов, ядер водорода и гелия

и излучением. Частицы из­лучения при этом даже преобладали. Все­ленная

расширялась, и в ходе этого расшире­ния происходило постепенное

изменение, ос­тывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее

время, - это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод

подтверж­дается и спектром радиоволн - теория по­зволяет правильно

предсказывать потоки волн в разных диапазонах.

С охлаждением связано и выделение от­дельных небесных тел. Всем

известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные

пары, содержавшиеся в воз­духе, превращаются в капельки воды. Нечто

похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра

объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака

распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме

газа.

Подробное теоретическое исследование про­цесса образования Галактик

и звезд является одной из центральных задач астрофизики.

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой

температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц –

«адронов»);

б) лептонная эра (следующая фаза, характеризующаяся снижением

энергии частиц и температуры вещества, состоящего из элементарных частиц

«лептонов». Адроны распадаются в мюоны и мюонное нейтрино – образуется

«нейтринное море»;

в) фотонная эра или эра излучения (характеризуется снижением

температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление

излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г) звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания

частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно

300 000 лет назад) до наших дней.

В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то

есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и

температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники

Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное

состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается

математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале

представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую

бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в

принципе не может быть описано математически. На языке науки это

явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура

значительно превышала 10 12 К (по некоторым оценкам до 10 14 К), а

плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро

сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в

рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти

первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы

природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой

миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых

энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными

словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные

пары (е– и е+); мюонами и антимюонами (м – и м +); нейтрино и

антинейтрино, как электронными (v e, v e), так и мюонными (v m, v m) и тау-

нейтрино (v t, v t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным

излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так

называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были

непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать.

Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до

тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой

энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой

доли секунды, ее температура упала примерно до 10 11 К, став ниже

порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны,

некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам

Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва

температура понизилась до 10 10 К, и нейтрино перестали взаимодействовать

с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино.

Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова,

но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал

ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в

излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По

окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество

электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами,

дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во

Вселенной.

Тема урока: "Возраст галактик и звезд"

Космогония это – раздел астрономии, занимающийся проблемами

происхождения и эволюции небесных тел. 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.

1. Происхождение и эволюция галактик. Эволюция звезд

Эволюция звезд, это - изменения, происходящие в течение жизни

звезды, включая ее рождение в межзвездной среде, истощение годного к

использованию ядерного топлива и конечную стадию угасания.

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. Здесь масштабы

времени резко уменьшаются с увеличением массы. Для Солнца время жизни

на главной последовательности составляет 10 млрд. лет (около половины

которого уже прошло). 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. 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.

Массивные звезды

По современным представлениям в звездах главной последовательности

с массой больше 10 M? термоядерные реакции проходят в невырожденных

условиях вплоть до образования самых устойчивых элементов железного

пика. Масса эволюционирующего ядра слабо зависит от полной массы

звезды и составляет 2–2,5 M?.

Сброс оболочки звезды объясняют взаимодействием нейтрино с

веществом. Распад ядер требует значительных затрат энергии, т.к.

представляет собой как бы всю цепочку термоядерных реакций синтеза

водорода в железо, но идущую в обратном порядке, не с выделением, а с

поглощением энергии. Вещество теряет упругость, ядро сжимается,

температура возрастает, но все же не так быстро, чтобы приостановить

сжатие. Большая часть выделяемой при сжатии энергии уносится нейтрино.

Таким образом, в результате нейтронизации вещества и диссоциации ядер

происходит как бы взрыв звезды внутрь – имплозия. Вещество центральной

области звезды падает к центру со скоростью свободного падения.

Образующаяся при этом гидродинамическая волна разрежения втягивает

последовательно в режим падения все более удаленные от центра слои

звезды.

Начавшийся коллапс может остановиться упругостью вещества,

достигшего ядерной плотности и состоящего в основном из вырожденных

нейтронов (нейтронная жидкость). При этом образуется нейтронная звезда .

Оболочка звезды приобретает огромный импульс (скорее всего,

передающийся нейтрино) и сбрасывается в межзвездное пространство со

скоростью 10 000 км/с. Такие остатки вспышек сверхновых при расширении

взаимодействуют с межзвездной средой и заметно светятся.

Вспышки сверхновых типа Iа, по-видимому, вызваны коллапсом

белого карлика входящего в состав двойной звездной системы, при

достижении им массы, близкой к пределу Чандрасекара, в процессе

перетекания вещества с расширившейся в ходе эволюции соседней звезды. В

таблице приведены этапы эволюции звезды массой 25 M?.

Эволюция звезд типа Солнца

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.

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.

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? прошло 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? ?=20 млрд.лет, M=M? ?=10 млрд.лет, M=1,5M? ?=1,5 млрд.лет,

M=2,0M? ?=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

Будущее Метагалактики

3. Возраст звезд и галактик

1) С помощью космического аппарата НАСА WMAP, запущенного 30

июня 2001г, курсирующего вокруг Солнца по орбите гравитационного

баланса между Солнцем, Землей и Луной и собирающего сведения о

фоновом микроволновом излучении, в 2005 году установлено:

а) Возраст нашей Галактики составляет 13,7 млрд.лет (точность

1%).

б) Вселенная состоит из:

- 4% атомов на которые распространяются известные законы

электромагнетизма и гравитации;

- 23% занимает темное вещество;

- остальные 73% загадочная "антигравитация", побуждающая

Вселенную расширяться.

2) Галактики начали образовываться через 100 млн.лет после Большого

Взрыва и в последующие 3-5 млрд.лет сформировались и сгруппировались в

скопления. Следовательно возраст самых старых эллиптических галактик

около 14 млрд.лет.

3) Первые звезды появляются через 1млн.лет после Большого Взрыва,

следовательно должны иметься звезды с возрастом около 14 млрд.лет.

4) Исследования самых старых шаровых скоплений, где звезды

рождаются практически одновременно, показывает, что возраст звезд в них

не менее 10 млрд.лет (население 2-го типа с низким содержанием элементов

тяжелее Не). Скорее всего они образовались одновременно с галактиками.

5) Рассеянные скопления (звездные ассоциации) имеют возраст звезд

10-100 млн.лет (население 1-го типа звезд с высоким, около 3%, содержанием

металлов). Процесс звездообразования идет и сейчас (например в туманности

Ориона).