Шпоры по КСЕ2 / 37-42

37.Солнечная система. Состав. Строение.

9 планет, вращ. вокруг Солнца делят на 2 группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон).

Планеты Земной группы. Сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей, мало спутников (Меркурий, Венеры – 0, Земля – 1, Марс – 2). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная у Венеры состоит из СО_2, что приводит к сильному парниковому эффекту. Земля имеет плотную N-O атмосферу. Атмосфера Марса состоит в основном из CО₂, однако она сильно разрежена. Поверхность планет твердая, гористая. Хим. состав ≈ одинаков (соединения Si и Fe). Более или менее одинаково и строение этих планет. В центре железные ядра разной массы, у некоторых часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра мантия. Верхний слой мантии называется корой. У планет есть магн. поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магн. полями ср. напряженности. Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов поясом астероидов – малых планет. Самая крупная из них – Церера.

Планеты-гиганты. Их особенность – большие размеры, масса и малая плотность (самая низкая у Сатурна). В ср. в 3-7 меньше ρ планет земной группы. Нет нет твердой поверхности. Газы их атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние. Быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причем, вращаются слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее, а околополярные области медленнее. Сами гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: H₂ и Hе. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро. Газообразная атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. В недрах планет-гигантов есть слой водорода, обладающего Ме свойствами, который проводит эл. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магн. полем >> магн. поля планет земной группы. Планеты-гиганты окружены естественными спутниками, их намного больше чем у планет Земной группы. Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца – скопления мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиб. крупные – у Сатурна.

Малые планеты и кометы – астероиды, не имеют правильной формы и по хим. составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики, их орбиты заметно вытянуты. Похожи на малые планеты и кометы, состоящие из смеси замерзших газов и пыли (грязные снежки). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Солнечный ветер отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца.

Солнце - центральное тело системы, представляет собой раскалённый плазменный шар; в нем сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца 5770 К. Солнце имеет корону (самый обширный и разреженный слой ее атмосферы) и хромосферу (самый близкий к видимой ее поверхности – фотосфере, плотный и тонкий слой атмосферы). Индексом солнечной активности служит число Вольфа , которое вычисляется по формуле: W=k∙(f+10g), где f - количество наблюдаемых пятен, g - количество образованных ими групп, k - нормировочный коэффициент.

38. Звезды, их характеристики, источники энергии.

Основными характеристиками звезд являются: 1) масса, 2) радиус, 3) абс. величина, характеризующая ее светимость, 4)температура, 5)спектральный класс.

светимость определяется, если известна видимая величина и расстояние до звезды.

Очень важную информацию о звездах, об их химических свойствах, температуре дает изучение спектров звезд. Характерной особенностью звездных спектров является наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам.

В 1900 г. американский астроном Пикеринг ввел понятие спектрального класса звезды. Спектральные классы звезд обозначаются буквами латинского алфавита O,В,А,F,G,К,М. Позднее добавлены дополнительные классы R, N, S. По цвету звезды можно оценить ее температуру. Так, звезды красного цвета (М) имеют температуру поверхности около 4000 К. Желтое солнце (G) нагрето уже до 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10 тыс. К видятся нам белыми и голубыми.

Очень важными характеристиками звезды являются ее радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Герцшпрунг и Рессел обнаружили, что (светимость) и ее температура (спектр) определенным образом связаны между собой, т.е. если в системе координат «спектр – светимость» обозначать точками звезды с конкретными значениями этих величин, они будут ложиться на координатную плоскость в определенном порядке.

Источником энергии звезд типа солнца является так называемая протон-протонная реакция – термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах.

39. Галактики. Образование галактик.

В начале 20-го в. было доказано, что кроме нашей Галактики существуют и др., состоящие из миллиардов звезд. В совокупности они образуют нашу вселенную, или Метагалактику. По внешнему виду все галактики делятся на: эллиптические, спиральные и неправильные.

Самая ближняя к нам - Ту­манность Андромеды (до неё ≈2,5•10²² м, её D≈1.3∙D_{Млечно­го Пути}, m≈m_{нашей Галактики}.

В 1963 г. во Вселенной были открыты квазизвездные, т.е. звездоподобные источники силь­ного радиоизлучения. Их назвали квазарами, счас их более 1000, до них ≈10²⁵..10²⁶ м. По совр. представлениям это активные ядра далеких галактик.

Галактики образуют группы, группы образуют систему, крупные системы называются скоплениями: они состоят из сотен и тысяч галактик. Ближайшее к нам скопление галактик расположено в созвездии Девы. Совр. внегалактическая астрономия позволяет говорить о сверхскоплениях галактик. К настоящему времени открыты десятки таких сверхскоплений. Все это свидетельствует о том, что Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от фундаментальных частиц до гигантских сверхскоплений галактик.

Согласно совр. представлениям, вначале Галактика представляла собой медленно вращ. гигантское газовое облако. Под действием сил тяготения (собственной гравитации) оно сжималось. В ходе этого сжатия, или коллапса рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В конце концов кинетическая энергия звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.

Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Кроме того, оказалось, что чем дальше галактика, тем больше смещение линий. На основе известного из физики эффекта Доплера было сделано заключение, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается. Так как наша Галактика не является центром Вселенной, это означает, что происходит взаимное удаление галактик.

Особенности расширения Метага­лактики: 1) Расширение проявляется только на уровне скопле­ний и сверхскоплении галактик. Сами галактики и кратные системы звезд не расширяются (этому препятствуют силы тяготения). 2) Не существует центра, от которого происходит расширение.

Расширение Метагалактики говорит о том, что Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, глобальный характер принципа эволюции.

41. Возникновение Вселенной. Теория Большого взрыва.

Проблема эволюции Вселенной является центральной в ЕЗ. Вопросы о том, когда она возникла или была создана, интересуют людей с незапамятных времен. Различные религии и философии предлагают разные идеи (ля-ля-ля).

Принципиально иная концепция возникла в 20-х годах 20-го века. Основываясь на созданной незадолго до того ОТО, физик Фридман пришел к выводу, что в силу каких-то пока не ясных причин Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры (так называемой сингулярности) и стала стремительно расширяться. Размеры «зародыша» Вселенной сопоставляют с размерами атомного ядра, т.е. 10^-15 м. Ученик Фридмана Гамов рассчитал в конце 40^х модель горячей взрывающейся Вселенной, положив начало так называемой теории "Большого взрыва". Широкое распространение она получила с середины 1960^х годов.

До БВ не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первую секунду протекали стремительно. Вначале образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества - кварки и антикварки. В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. Далее стали частыми реакции аннигиляции, т.к. вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались. Во Вселенной преобладало излучение.

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд. градусов, образовались и др. элем. частицы, в.т.ч. электрон и парная ему античастица - позитрон. Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю % больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении, однако наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К 3^ей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько 100.000 лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того излучения, предсказанного Гаммовым (Реликтовое, равномерно приходит со всех сторон и соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К).

При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. В местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

Близка к теории БВ и модель «раздувающейся Вселенной», отличающаяся описанием процессов в течение первых микроскопических долей секунды (10^-30 c) после начала расширения.

Дополненная теорией ядерных реакций в остывающем по мере своего расширения правеществе теория БВ позволила рассчитать относительные концентрации (распространенность) водорода, дейтерия и более тяжелых химических элементов в природе, что также оказалось в согласии с результатами наблюдений. В последнюю четверть двадцатого века теория БВ стала практически общепринятой в космологии.

40. Структура и геометрия вселенной.

Открытия конца 70-х годов 20-го в. показали, что галак­тики в сверхскоплениях распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ своего рода ячеек, т.е. Вселенная имеет ячеистую (сетчатую, пористую) структуру. В небольших масштабах вещество во Вселенной распределено неравно­мерно. В больших же масштабах она однородна и изотропна.

Космологические модели Вселенной. Модели Вселенной в разные времена были различными, но главная их особенность - неизменность Мира в целом, т.е. это были стаци­онарные модели. Основным доказательством этого была видимая неизменность звездного неба. Даже Эйнштейн, создавая в начале 20 в. общую теорию относитель­ности, был уверен в стационарности Вселенной.

В 1922 г. молодой советский физик-теоретик Фридман, анализируя космологические уравнения Эйнштейна, пришел к выводу, что они допускают нестационарность Все­ленной. Согласно Фридману, существует два типа моделей: расширяющаяся и сжимающаяся Вселенная. Выбор их определяется величиной средней плот­ности материи во Вселенной относительно ее критического значения. По современным представлениям, _кр≈10^-26 кг/м. Если ср. ρ материи во Вселенной >_кр, то это соответствует расширяющейся (открытой) Вселенной. При <_кр галактики будут сбегаться, что соответствует сжимающейся (закрытой) Вселенной. В настоящее время средняя плотность оценивается равной 10^-28 кг/м, что означает, что наша Вселенная открытая и будет расширяться бесконечно. Таким образом, Вселенная представляется не только безграничной, но и пространственно бесконечной. В случае <_кр, т.е. в закрытой Вселенной расширение рано или поздно сменилось бы сжатием и галактики стали бы сбегаться. Вселенная в этом случае являлась бы безграничной, но пространственно конечной, подобно сфере.