Экономьте ваши силы и время с готовыми материалами учителя на каждый урок. Подходят для работы в классе и дистанционно

СДЕЛАЙТЕ СВОИ УРОКИ ЕЩЁ ЭФФЕКТИВНЕЕ, А ЖИЗНЬ СВОБОДНЕЕ

Благодаря готовым учебным материалам для работы в классе и дистанционно

Выбрать материалы

Скидки до 50 % на комплекты
только до

Готовые ключевые этапы урока всегда будут у вас под рукой

Организационный момент

Проверка знаний

Объяснение материала

Закрепление изученного

Итоги урока

Была в сети 27.06.2025 18:33

Скодтаева Земфира Айдаруковна

Учитель астрономии, информатики, технологии, физики, математики

1 547 677

Местоположение

Россия, Владикавказ

Специализация

Астрономия

Информатика

Математика

Физика

Труд (технология)

Обо мне Блог Файлы Тесты Галерея Активность Награды

Презентация "Наша Галактика"

Категория: Астрономия

04.09.2019 17:03

На основе рекомендаций, данных сотрудником ЦЕМО Литвиновым О.А., составлена презентация со свежими новостями из астрономических исследований. В презентации рассматриваются:

1.Методические аспекты преподавания раздела «Наша галактика»

2.Обзор практических работ, реализуемых в учебное время

3.Разбор задач, решаемых в процессе прохождения раздела;

4.Материалы для подготовки к урокам

Просмотр содержимого документа
«Презентация "Наша Галактика"»

Наша Галактика.

Строение и эволюция

Вселенной.

2019г.

Содержание:

Методические аспекты преподавания раздела «Наша галактика»
Обзор практических работ, реализуемых в учебное время
Разбор задач, решаемых в процессе прохождения раздела;
Материалы для подготовки к урокам

«НАША ГАЛАКТИКА»

Раздел изучается после изучения раздела «Астрофизика и звёздная астрономия» и перед изучением раздела «Современные проблемы астрономии».

Количество уроков: 5 уроков: «Распределение вещества в галактике. Форма галактики», «Структура галактики», «Галактики», «Классификация галактик», «Активные галактики и квазары. Скопления галактик».

Интеграция с другими предметами:

Физика: закон всемирного тяготения, законы сохранения импульса, энергии, момента импульса, шкала электромагнитных волн, природа излучения, происхождение спектров и спектральный анализ.
Математика: преобразования формул и вычисления при решении задач,
эллипс и его свойства.
Химия: химические элементы, взаимодействие химических элементов,
происхождение химических элементов.

«НАША ГАЛАКТИКА»

Цель изучения раздела:

познакомить с современными представлениями о Млечном Пути;
сформировать понятия: Галактика, туманность, звёздное скопление;
установить основные физические параметры, химический состав и распределение межзвёздного вещества в Галактике;
изучить типы туманностей и их особенности;
познакомить с шаровыми и рассеянными звёздными скоплениями, их
распределением в Галактике;
исследовать форму Галактики;
познакомить со строением Галактики, движением звёзд и Солнца в Галактике;
научить применять физические законы для оценивания массы Галактики, числа звёзд в ней, массы и размеров чёрной дыры в центре Галактики по движению соседних с ней звёзд;
объяснить природу космических лучей в Галактике.

«НАША ГАЛАКТИКА»

Планируемые результаты обучения учащегося:

— описывает современные представления о Млечном Пути;

— формулирует определение понятий: Галактика, туманность, звёздное скопление;

— знает основные физические параметры, химический состав и распределение межзвёздного вещества в Галактике;

— называет типы туманностей и их особенности;

— знает определение шаровых и рассеянных звёздных скоплений;

— описывает распределение шаровых и рассеянных звёздных скоплений в Галактике;

— описывает форму и строение Галактики;

— описывает движение звёзд и Солнца в Галактике;

— умеет использовать физические законы для оценивания массы Галактики, числа звёзд в ней, массы и размеров чёрной дыры в центре Галактики по движению соседних с ней звёзд;

— умеет приводить факты, свидетельствующие о наличии сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики;

— объясняет природу мощного радиоизлучения и космических лучей в Галактике.

«НАША ГАЛАКТИКА»

Информационные ресурсы:

Учебник: §§ 28-33 (стр.108-124)
Тетрадь-практикум: практическая работа № 7 «оценивание формы галактики методом «звёздных черпаков»»; практическая работа № 8-9 «Определение скорости удаления галактик по их спектрам»
Задачник: разделы «Млечный Путь — наша Галактика» стр.45-52 и «Галактики» стр.53-57

Дополнительные ресурсы

1. Ефремов Ю. Н. Звёздные острова. — Фрязино: Век 2, 2005.

2. Сурдин В. Г. Астрономия: век XXI. — Фрязино: Век 2, 2007.

3. Ходж П. Галактики. — М.: Наука, 1992.

4. Черепащук А. М. Вселенная, жизнь, чёрные дыры // А. М. Черепа-

щук, А. Д. Чернин. — Фрязино: Век 2, 2003.

«НАША ГАЛАКТИКА»

Интернет-ресурсы:

Астронет — http ://www.astronet.ru /
Сайт для учителей астрономии и лекторов планетариев, а также для всех интересующихся — http:// stellaria.school
Фильм «Галактики в телескоп. Ожидание и реальность» — https:// www.youtube.com/watch?v=3cZ2PavZups
Подборка материалов о Млечном Пути и галактиках — https:// postnauka.ru/themes/galaxy
Млечный Путь в видимом диапазоне от Axel Mellinger — http:// www.astrosurf.com/luxorion/Images/milkyway-mellinger.jpg
Инфракрасное изображение всего неба, сделанное по результатам обзора 2MASS, — https:// phys.org/news/2016-03-students-milky-dwarf-stars.html
Изображение плоскости Млечного пути в субмиллиметровых волнах. Проект Planck. Показано не всё небо, но на куполе вполне отобразится изображение в виде полосы — http:// www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/05/Our_galaxy_s_heart
Мозаика из рентгеновских изображений неба. Проект Chandra. Светлое пятно в центре — сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики. Здесь же имеется интерактивная рентгеновская карта Галактики — http:// chandra.harvard.edu/photo/2009/gcenter
A Milky Way 'Mixer' Amongst the Stars — комплексное изображение всего неба, полученное по результатам съёмки неба в СВЧ-радиолучах и субмиллиметровых лучах. Проект Planck — http:// www.esa.int/spaceinimages/Images/2016/04/A_Milky_Way_Mixer_Amongst_the_Stars
Распределение пылевых облаков в Млечном Пути в субмиллиметровом диапазоне. Проект Planck — https:// www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=pia18915
Магелланов поток. Изображение потока газа, полученное в радиодиапазоне, наложено на оптический обзор неба. Проект Planck. — http:// www.spacetelescope.org/news/heic1314

ГАЛАКТИКИ

Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием гравитационной неустойчивости и постепенно принимающее шаровидную форму. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в основном в тепло и излучение, и температура объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15—20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водородного цикла[1]. В таком состоянии она пребывает бо́льшую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.

В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом, которые образуют ветвь на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. На этой ветви звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод, углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).

Вскоре после гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает серьёзную перестройку тела звезды и её быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга — Рассела. Размер атмосферы звезды увеличивается ещё больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звёздного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы, — ядро звезды может закончить свою эволюцию как:

белый карлик (маломассивные звёзды);

как нейтронная звезда (пульсар), если масса звезды на поздних стадиях эволюции превышает предел Чандрасекара

как чёрная дыра, если масса звезды превышает предел Оппенгеймера — Волкова.

В двух последних ситуациях эволюция звёзды завершается катастрофическим событием — вспышкой сверхновых.

Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, завершают свою эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится невидимым черным карликом.

НАША ГАЛАКТИКА - МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

ЛЕГЕНДА О МЛЕЧНОМ ПУТИ

Млечный путь на Северной небесной полусфере

Млечный путь на Южной небесной полусфере

Сведения о Галактике и местной системе галактик очень существенны и дают основу для представления о бесконечности вселенной. Изложение надо начать с рассмотрения распределения звёзд на небе относительно млечного Пути и привести табличные данные, показывающие концентрацию слабых звёзд к плоскости Млечного Пути. Эта таблица даст возможность показать учащимся существование закономерности в распределении звёзд в пространстве. Когда этот факт установлен, можно перейти к предположению, что закономерность эта обусловлена общей формой галактики, подобной форме сильно сплюснутого шара.

Млечный путь (греч. galaxias) – пересекающая звёздное небо серебристая туманная полоса.

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Млечный путь (греч. galaxias) – пересекающая звёздное небо серебристая туманная полоса.

Почему мы наблюдаем Млечный путь в виде полосы?

Ширина Млечного Пути различна: в наиболее широких местах – больше 15°, в самых узких — всего несколько градусов.

В Млечный Путь входит огромное количество визуально неразличимых звёзд, концентрирующихся к основной плоскости Галактики. Близ этой плоскости расположено Солнце, так что большинство звёзд Галактики проецируется на небесную сферу в пределах узкой полосы – Млечный Путь. Мысль о том, что Млечный Путь состоит из бесчисленного множества звёзд, первым высказал, по-видимому, Демокрит. Он считал, что Млечный Путь — это рассеянный свет множества звёзд, который, несомненно, был бы виден по всему небу, но оказался малозаметным в солнечных лучах. Аристотель опроверг последнее утверждение и сформулировал правильную концепцию, учитывающую движение Земли и форму земной тени, но затем отказался от неё и высказал предположение, что Млечный Путь — это скопление паров раскалённых небесных тел.

В советской астрономической школе галактика Млечный Путь называлась просто «наша Галактика»

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Зачастую в учебной литературе и в задачах вместо полного названия «Млечный путь» присутствует название Галактика (с большой буквы)

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Размер:

Диаметр Галактики составляет около 30000 парсек

Толщина Галактики составляет около 200 тысяч световых лет.

Число звёзд:

Галактика содержит, по современной оценке, от 200 до 400 миллиардов звёзд. Их основная масса расположена в форме плоского диска.

Масса Галактики: В 2019 году астрономы определили, что масса Млечного Пути, в радиусе 129 000 световых лет от центра Галактики, составляет около 1,5 ⋅10 12 масс Солнца

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Бо́льшая часть массы Галактики содержится не в звёздах и межзвёздном газе, а в несветящемся гало из тёмной материи, поэтому точное определение массы Млечного Пути весьма затруднено.

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Галактический центр — сравнительно небольшая область в центре нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и свойства которой резко отличаются от свойств других её частей

Изображение, размером 400 на 900 световых лет, составленное из нескольких фотографий телескопа «Чандра», с сотнями белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, в облаках газа

Галакти́ческий центр — сравнительно небольшая область в центре нашей Галактики, радиус которой составляет около 1000 парсек и свойства которой резко отличаются от свойств других её частей. Образно говоря, галактический центр — это космическая «лаборатория», в которой и сейчас происходят процессы звёздообразования и в которой расположено ядро, когда-то давшее начало конденсации нашей звёздной системы.

Галактический центр находится на расстоянии 8,5 килопарсек от нашей Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, из-за которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется на 30 звёздных величин, то есть в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне — невооружённым глазом и при помощи оптических телескопов. Галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а также в диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма-лучей. Первое изображение ядра Галактики было получено в конце 1940-х годов А. А. Калиняком, В. И. Красовским и В. Б. Никоновым в инфракрасном диапазоне спектра.

В средней части Галактики находится утолщение, которое называется балджем (англ. bulge — утолщение), составляющее около 8300 парсек (27000 световых лет) в поперечнике. Центр ядра Галактики находится в направлении Созвездия Стрельца (α = 265°, δ = −29°)

В центре Галактики, по всей видимости, располагается сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец A*)

Галактический центр Млечного Пути в инфракрасном диапазоне

Самой крупной особенностью галактического центра является находящееся там звёздное скопление (звёздный балдж) в форме эллипсоида вращения, большая полуось которого лежит в плоскости Галактики, а малая — на её оси.

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Галактический рукав — структурный элемент спиральной галактики. В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, молодых звёзд, а также множество звёздных скоплений.

Наша Солнечная система находится в небольшом Местном рукаве, или Рукаве Ориона

Галактический рукав — структурный элемент спиральной галактики. В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, молодых звёзд, а также множество звёздных скоплений.

Спиральная структура нашей Галактики Млечный Путь недостаточно подробно изучена и является перспективной темой для науки. Она имеет, как минимум, 5 спиральных рукавов: рукав Лебедя, рукав Ориона, рукав Персея, рукав Стрельца и рукав Центавра. Их названия обусловлены местоположением основных массивов рукавов в соответствующих созвездиях. Наша Солнечная система находится в небольшом Местном рукаве, или Рукаве Ориона (иногда обозначаемом как «0»), который соединён с двумя более крупными — внутренним рукавом Стрельца (обозначаемом как «-I») и внешним Рукавом Персея (обозначаемом как «+I»). Рукава Млечного Пути состоят из звёзд населения I (к которому принадлежит и наше Солнце) и различных объектов. Эти объекты представляют собой, в частности, молодые звёзды, области H II и рассеянные звёздные скопления.

МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ

Гало́ галактики (также звёздное гало́) — невидимый компонент галактики, основная часть её сферической подсистемы. Гало имеет сферическую форму и простирается за видимую часть галактики. В основном состоит из разрежённого горячего газа, звёзд и тёмной материи, составляющей основную массу галактики.

Галактический диск окружён сфероидным гало, состоящим из старых звёзд и шаровых скоплений, 90 % которых находится на расстоянии менее 100 000 световых лет

Считается, что основную массу нашей галактики составляет тёмная материя, которая формирует гало тёмной материи массой примерно 600 — 3000 миллиардов M ☉

Галактическое гало имеет сферическую форму, выходящую за пределы галактики на 5—10 тысяч световых лет и температуру около 5⋅10 5 K.

Галактический диск окружён сфероидным гало, состоящим из старых звёзд и шаровых скоплений, 90 % которых находится на расстоянии менее 100 000 световых лет.

В то время как галактический диск содержит газ и пыль, что затрудняет прохождение видимого света, сфероидная компонента таких составляющих не содержит. Активное звездообразование происходит в диске (особенно в спиральных рукавах, являющихся зонами повышенной плотности). В гало звездообразование завершилось. Рассеянные скопления также встречаются преимущественно в диске. Считается, что основную массу нашей галактики составляет тёмная материя, которая формирует гало тёмной материи массой примерно 600 — 3000 миллиардов M ☉ . Гало тёмной материи сконцентрировано в направлении центра галактики.

ПУТЕШЕСТВИЕ ПО МЛЕЧНОМУ ПУТИ

http://stars.chromeexperiments.com/

Благодаря проекту Google «100000 звёзд» можно в рамках урока провести виртуальное путешествие от Солнца к центру Млечного пути.

Причём «погулять» по Млечному пути можно как самостоятельно (управление достаточно простое), так и по запланированной анимации (от Солнца к центру Галактики)

СТОЛКНОВЕНИЕ МЛЕЧНОГО ПУТИ И ГАЛАКТИКИ АНДРОМЕДЫ

Столкновение Млечного Пути и галактики Андромеды (M31), как предполагают, случится приблизительно через четыре миллиарда лет

В данный момент точно не известно, произойдёт столкновение или нет.

Известно, что галактика Андромеды приближается к Млечному Пути со скоростью около 120 км/с. Проявления этого столкновения будут происходить крайне медленно и могут быть вообще не замечены с Земли невооружённым глазом. Вероятность какого-либо непосредственного воздействия на Солнце и планеты мала.

РАССЕЯННЫЕ И ШАРОВЫЕ

ЗВЁЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ

РАССЕЯННЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ

Газопылевые облака могут обладать массами в тысячи и миллионы масс Солнца. Из их вещества может родиться множество звезд. В этом случае они расположатся на некотором отдалении друг от друга внутри облака. Такую группу, редко принимающую правильные очертания, принято называть рассеянным звездным скоплением.

В галактике рассеянные скопления могут быть только там, где много газовых облаков.

В нашей Галактике рассеянные звёздные скопления находятся преимущественно в спиральных рукавах. На небе мы видим их как полосу Млечного Пути. Здесь же ютятся и почти все рассеянные скопления.

Практическая часть астрономии по УМК В.М. Чаругина на примере раздела «Наша галактика»»

Ведущий методист ЦЕМО

учитель I квал.категории

соавтор учебных пособий по физике

Литвинов Олег Андреевич

АСТРОНОМИЯ

ПРАКТИКУМ

МЕТОД.ПОСОБИЕ

УЧЕБНИК + ЭФУ

ПОУРОЧНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

ЗАДАЧНИК

ШАРОВЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ

Шаровые звёздные скопления – наблюдаемые звёздные скопления сферической и эллипсоидальной формы.

Шаровые скопления очень компактны, и звезды в них удалены на малые расстояния друг от друга. Считается, что они образовались вместе с Галактикой из чрезвычайно плотных и массивных газовых облаков.

Шаровые звездные скопления, в отличие от рассеянных, значительно богаче звездами. Их там может быть до миллиона. Кроме того, шаровые скопления очень компактны, и звезды в них удалены на малые расcтояния друг от друга. Считается, что они образовались вместе с Галактикой из чрезвычайно плотных и массивных газовых облаков. Это гипотеза подтверждается тем, что почти все звезды в шаровых скоплениях старые, процессы звездообразования в них идут очень и очень слабо. Голубых звезд тоже почти нет, так как голубые звезды заведомо молоды по сравнению с возрастом Галактики (10-15 млрд. лет). Многие звезды в шаровых скоплениях уже находятся на стадии красных гигантов, поэтому обычный цвет этих объектов желтоватый или даже рыжий. Молодые шаровые звездные скопления в нашей Галактике не обнаружены.

Молодые шаровые звездные скопления в нашей Галактике не обнаружены.

Шаровые скопления входят в состав галактического гало.

Все шаровые скопления недоступны невооружённому глазу т.к удалены от нас на расстояние в тысячи и десятки тысяч парсеков

ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

Сценарии образования чёрных дыр:

Гравитационный коллапс достаточно массивной звезды
Коллапс центральной части галактики или протогалактического газа
Формирование сразу после Большого взрыва (теоретическая версия)
Возникновение в ядерных реакциях высоких энергий

ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ!!!

1. Чёрную дыру нельзя увидеть напрямую

Поскольку черная дыра воистину черная — свет не может покинуть ее пределы — ее невозможно увидеть напрямую, используя наши инструменты, вне зависимости от того, какой тип электромагнитного излучения вы видите.

2. Чёрные дыры бывают разных размеров

Есть по меньшей мере три разных типа черных дыр: первичные черные дыры; звёздные чёрные дыры и сверхмассивные чёрные дыры.

ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

Сверхмассивная чёрная дыра — это чёрная дыра с массой 10 5 —10 11 масс Солнца

Как образуется?

Постепенное наращивание массы чёрной дыры аккрецией вещества на чёрную дыру звёздной массы
Образуются при коллапсе больших газовых облаков и их превращений в звезду массой в несколько сотен тысяч M ʘ/ При этом звезда быстро становится нестабильной и коллапсирует сразу в чёрную дыру, минуя этап сверхновой.

Изображение тени сверхмассивной чёрной дыры в ядре галактики M 87

Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы ещё нет. Существует несколько гипотез, наиболее очевидной из которых является гипотеза, описывающая постепенное наращивание массы чёрной дыры аккрецией вещества на чёрную дыру звёздной массы. Другая гипотеза предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры образуются при коллапсе больших газовых облаков и их превращении в релятивистскую звезду массой в несколько сотен тысяч солнечных масс или больше. Такая звезда быстро становится нестабильной к радиальным возмущениям в связи с процессами образования электронно-позитронных пар, происходящими в её ядре, и может сколлапсировать сразу в чёрную дыру. При этом коллапс идёт минуя стадию сверхновой, при которой взрыв разбросал бы большую часть массы, не позволив образоваться сверхмассивной чёрной дыре.

ГАЛАКТИКИ

ВИДЫ ГАЛАКТИК

ГАЛАКТИКИ

Галактика — гравитационно-связанная система из звёзд, звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи, планет.

ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ГАЛАКТИКИ

Эллиптическая галактика (обозначается Е) — класс галактик с чётко выраженной сферической (эллипсоидной) структурой и уменьшающейся к краям яркостью.

СТРОЕНИЕ:

красных и жёлтых гигантов;
красных и жёлтых карликов;
некоторого количества белых звёзд не очень высокой светимости.

Ближайшая к нам эллиптическая галактика — карликовая галактика в созвездии Скульптора

В СТРОЕНИИ ОТСУТСТВУЮТ:

Пылевая материя
Бело-голубые гиганты;
Сверхгиганты.

ЗАПОМНИ

Образование новых звезд в эллиптических галактиках практически не идёт.

СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ

Спиральная галктика (обозначается S) — один из основных типов галактик, которые характеризуются следующими физическими свойствами:

значительный суммарный вращательный момент;
состоят из центрального балджа, окружённого диском

Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения

ЗАПОМНИ

Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд; именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра

Спира́льная гала́ктика (обозначается S) — один из основных типов галактик, разновидность галактик в последовательности Хаббла, которые характеризуются следующими физическими свойствами:

- значительный суммарный вращательный момент;

- состоят из центрального балджа (почти сферического утолщения), окружённого диском:

- балдж имеет сходство с эллиптической галактикой, содержащей множество старых звёзд — так называемое «Население II» — и нередко сверхмассивную чёрную дыру в центре;

- диск является плоским вращающимся образованием, состоящим из межзвёздного вещества, молодых звёзд «Населения I» и рассеянных звёздных скоплений.

Спиральные галактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения. Хотя иногда их нелегко различить эти рукава служат основным признаком, по которому спиральные галактики отличаются от линзообразных галактик, для которых характерно дисковое строение и отсутствие ярко выраженной спирали. Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд; именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра. Абсолютное большинство наблюдаемых спиральных галактик вращается в сторону закручивания спиральных ветвей.

Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало, состоящим из старых звёзд «Населения II», большинство которых сосредоточено в шаровых скоплениях, вращающихся вокруг галактического центра. Таким образом, спиральная галактика состоит из плоского диска со спиральными рукавами, эллиптического балджа и сферического гало, диаметр которого близок к диаметру диска.

Многие (в среднем две из трёх) спиральные галактики имеют в центре перемычку («бар»), от концов которой отходят спиральные рукава. В рукавах содержится значительная часть пыли и газа, также множество звёздных скоплений. Вещество в них вращается вокруг центра галактики под действием гравитации.

СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ С ПЕРЕМЫЧКОЙ

Спиральные галактики с перемычкой — спиральные галактики с перемычкой («баром») из ярких звёзд, выходящей из центра и пересекающей галактику посередине.

Спиральные ветви в таких галактиках начинаются на концах перемычек, тогда как в обычных спиральных галактиках они выходят непосредственно из ядра.

ЗАПОМНИ

Спиральные галактики с перемычкой — спиральные галактики с перемычкой («баром») из ярких звёзд, выходящей из центра и пересекающей галактику посередине. Спиральные ветви в таких галактиках начинаются на концах перемычек, тогда как в обычных спиральных галактиках они выходят непосредственно из ядра.

В 2005 году, при работе с космическим телескопом Спитцер и основываясь на более ранних наблюдениях, было установлено, что Млечный Путь также следует относить к спиральным галактикам с перемычкой. Гипотеза о наличии перемычки в нашей галактике была выдвинута на основе многочисленных данных с радиотелескопов. Однако только благодаря изображениям со Спитцера, работающего в инфракрасном диапазоне, данное предположение получило твёрдое подтверждение.

Спиральные галактики с перемычкой довольно многочисленны. Наблюдения показывают, что приблизительно две трети спиральных галактик имеют перемычку. По существующим гипотезам, перемычки являются очагами звездообразования, поддерживающими рождение звёзд в своих центрах. Предполагается, что посредством орбитального резонанса, они пропускают сквозь себя газ из спиральных ветвей. Этот механизм и обеспечивает приток строительного материала для рождения новых звёзд. Исходя из этой гипотезы, можно объяснить и то, почему многие спиральные галактики с перемычкой имеют активные ядра.

Появление перемычки связывают с волнами уплотнения, исходящими из центра галактики и меняющими орбиты ближайших звёзд. Этот процесс создаёт условия для дальнейшего возмущения движений звёзд, благодаря чему и возникают самоподдерживающиеся перемычки. Другой возможной причиной появления перемычек являются приливные взаимодействия галактик.

Вероятно, перемычки являются временным явлением в жизни спиральных галактик. Постепенно перемычка разрушается, и галактика превращается из спиральной с перемычкой в обычную спираль. Долговечность перемычки определяется её массой. Спиральные галактики с перемычкой, собравшие в своём центре большое количество материи, имеют короткие высокостабильные перемычки. Исходя из того, что многие спиральные галактики имеют перемычку, можно сделать вывод о важности этого этапа в эволюции спиральной галактики.

По существующим гипотезам, перемычки являются очагами звездообразования, поддерживающими рождение звёзд в своих центрах. Предполагается, что посредством орбитального резонанса, они пропускают сквозь себя газ из спиральных ветвей. Этот механизм и обеспечивает приток строительного материала для рождения новых звёзд.

ЛИНЗООБРАЗНЫЕ ГАЛАКТИКИ

Линзообразные галактики — дисковые галактики, которые потратили или потеряли свой межзвёздный газ и поэтому частота формирования звёзд в них понижена

В своих дисках они всё же могут сохранять значительные запасы пыли. В результате они состоят в основном из старых звёзд. В тех случаях, когда галактика обращена плашмя в сторону наблюдателя, часто бывает трудно чётко различить линзообразные и эллиптические галактики из-за невыразительности спиральных рукавов линзообразной галактики.

НЕПРАВИЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ

Неправильные галактики — это галактики, не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры.

Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей.

Неправильные галактики — это галактики, не вписывающиеся в последовательность Хаббла.

Они не обнаруживают ни спиральной, ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.

Этот тип галактик в настоящее время считается важным звеном в понимании общей эволюции галактик. Вызвано это тем, что они обнаруживают тенденцию низкого содержания металлов и экстремально высокого содержания газа и поэтому подразумеваются схожими с самыми ранними галактиками, заполнявшими Вселенную. Этот тип галактик может представлять местную (и поэтому наиболее современную) версию тусклых голубых галактик, обнаруженных в ходе миссии «Hubble Ultra Deep Field».

ЗАПОМНИ

Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ В СПЕКТРАХ ГАЛАКТИК

наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, объясняемое как динамическое удаление этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики

Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом Весто Слайфером в 1912—1914 годах.

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

Изменение частоты, когда

источник удаляется или

приближается

Красное смещение Z – это

относительное изменение

длины волны

Весто Слайфер

Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом Весто Слайфером в 1912—1914 годах; в 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон красного смещения, или закон Хаббла). Несмотря на то, что, как выяснилось позже, проводимые им измерения оказались неточными и, по сути, не имеющими отношения к космологическому красному смещению (расширение Вселенной начинает сказываться на гораздо больших расстояниях), как показали более поздние измерения, «открытый» им закон действительно имеет место.

Хотя предлагались различные объяснения наблюдаемого смещения спектральных линий, например, гипотеза утомлённого света, только общая теория относительности даёт непротиворечивую картину, объясняющую все наблюдения. Данное объяснение этого явления является общепринятым.

Часто космологическое красное смещение связывают с эффектом Доплера, который связывают с движением галактик друг относительно друга. Однако на самом деле, космологическое красное смещение происходит несколько по-другому, оно связано с расширением пространства согласно ОТО. В наблюдаемое красное смещение от галактик вносит вклад как космологическое красное смещение из-за расширения пространства Вселенной, так и красное или фиолетовое смещения эффекта Доплера вследствие собственного движения галактик. При этом на больших расстояниях вклад космологического красного смещения становится преобладающим.

Образование космологического красного смещения можно представить так: рассмотрим свет — электромагнитную волну, идущую от далёкой галактики. В то время как свет летит через космос, пространство расширяется. Вместе с ним расширяется и волновой пакет. Соответственно, изменяется и длина волны. Если за время полёта света пространство расширилось в два раза, то и длина волны и волновой пакет увеличивается в два раза.

1 + Z – множитель, на

который возросли длины волн

ЗАКОН

ЗАКОН РАСШИРЕНИЯ

ХАББЛА

«Скорость удаления галактик зависит от звёздной величины.

Чем больше звёздная величина, тем дальше объект»

«Чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется»

H 0 – постоянная Хаббла

Эдвин Хаббл

АКТИВНЫЕ ГАЛАКТИКИ И КВАЗАРЫ

Квазар (англ. quasar) — класс астрономических объектов, являющихся одними из самых ярких в видимой Вселенной.

Размеры квазаров не превышают нескольких световых дней, то есть 10 13 –10 14 м

Мощность излучения квазаров превышает мощность Солнца в триллион раз.

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

По современным представлениям, квазары представляют собой активные ядра галактик на начальном этапе развития;
Квазары называют маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний, по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения;
В январе 2019 года было объявлено об обнаружении самого яркого квазара яркостью 600 трлн Солнц

В 1960 году ученые обратили внимание на звездообразные объекты, источники мощного радиоизлучения. После анализа спектров этих источников установили, что они находятся на расстоянии более миллиарда световых лет. Подобные объекты были названы квазарами (сокращение от «квазизвездный радиоисточник»).

Размеры квазаров не превышают нескольких световых дней, то есть 10 13 –10 14 м. Мощность излучения квазаров превышает мощность Солнца в триллион раз. Так квазар 3С9, находящийся на расстоянии 12 миллиардов световых лет, имеет светимость 10 38 Вт. Крошечная область в центре галактики, ее активное ядро, становится источником фантастического количества энергии. Для сравнения полная мощность излучения Солнца во всех диапазонах спектра – 4•10 26 Вт.

По современным представлениям, квазары представляют собой активные ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество, формируя аккреционный диск. Он и является источником излучения, исключительно мощного (иногда в десятки и сотни раз превышающего суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша).

Квазары называют маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний, по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения.

В январе 2019 года было объявлено об обнаружении самого яркого квазара яркостью 600 трлн Солнц.

В настоящее время есть гипотеза, что квазары – ядра далеких галактик на стадии необычно высокой активности, когда их излучение столь велико, что «забивает» излучение самой галактики. До сих пор непонятно, как формируются активные ядра галактик. Почему в одних галактиках основная энергия ядра выделяется в форме оптического и инфракрасного излучения, в других – в форме радиоволн и потоков релятивистских частиц (в этом случае галактика называется радиогалактикой), а в третьих, внешне таких же галактиках, активность ядра остается очень слабой (к последним относится и наша Галактика).

АКТИВНЫЕ ГАЛАКТИКИ И КВАЗАРЫ

Источник Лебедь A

Сейфертовская галактика Персей А

Лацертида

A0 0235+164

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АКТИВНЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГАЛАКТИК

1. Нестационарные явления в галактиках связаны с их ядрами, на которые приходится значительная доля излучения всей галактики (нередко в областях диаметром в 1 парсек выделяется мощность излучения, сравнимая со светимостью нашей Галактики).

2. Излучение ядер по наблюдениям в широком диапазоне длин волн является нетепловым.

3. Излучение ядер, как правило, является переменным.

4. Спектры излучения ядер содержат широкие эмиссионные линии, вызванные движением газа с большими скоростями.

Основные свойства активных нестационарных галактик (сейфертовских галактик) можно сформулировать следующим образом:

2. Излучение ядер по наблюдениям в широком диапазоне длин волн является нетепловым.

3. Излучение ядер, как правило, является переменным.

Первое и четвертое свойства были сформулированы еще Карлом Сейфертом. Активные галактики составляют примерно 1 % от общего числа спиральных галактик.

Активные галактики можно обнаружить по переменности их блеска. Кстати, целый ряд переменных внегалактических объектов был открыт астрономами и занесен в соответствующие каталоги переменных звезд, и только после получения данных о расстояниях до них догадались о внегалактической природе этих объектов.

В настоящее время общепризнано, что в центре некоторых активных галактик находится сверхмассивная черная дыра. Различие в излучении активных и спокойных галактик связано с разным характером падения вещества на сверхмассивные черные дыры в их ядрах. В активных галактиках много газа, поэтому в них мощные аккреционные диски.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Метапредметные (общеучебные) умения:

обрабатывать данные наблюдений;
устанавливать причинно-следственные связи и анализировать их;
устанавливать аналогии, строить умозаключения, делать выводы;
интерпретация и анализ полученных результатов, оценка их достоверности.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС

Если вы находитесь в большом лесу в окружении деревьев, то, в какую бы сторону вы ни посмотрели, ваш взгляд обязательно наткнётся на ствол какого-нибудь дерева. Сквозь стволы ничего другого увидеть не удастся (левый рисунок)

Но мы всё-таки можем что-либо увидеть сквозь деревья, если окажемся в тонкой прослойке леса, когда между стволами видно что-то ещё — поле, другой лес и т. д. (правый рисунок)

АНАЛОГИЧНО В АСТРОНОМИИ:

На протяжении многих веков существовало представление о бесконечном мире звёзд. Но в таком случае наш взгляд при созерцании ясного неба всегда бы наткнулся на какую-либо звезду. Небо было бы не просто белым, а ослепительным, как поверхность Солнца.

Но мы ночью наблюдаем звёзды на чёрном небе. Отсюда учёные прошлого сделали вывод, что наша планета находится внутри «звёздного острова».

МЕТОД ЗВЁЗДНЫХ ЧЕРПКОВ

Невооружённый глаз не различает, из чего состоит дорожка Млечного Пути. Рассматривая эти участки в телескоп, Гершель пришёл к выводу, что этот фон создают мириады слабых звёзд. Многие из них по отдельности не видны невооружённым глазом. Однако когда свет множества звёзд складывается, глаз видит свечение.

Гершель подсчитывал количество звёзд на различных одинаковых по площади участках неба и пришёл к выводу, что чем ближе участок к большому кругу небесной сферы, более-менее совпадающему с дорожкой Млечного пути (галактический экватор), тем больше звёзд он содержит.

Уильям Гершель

Вывод: В направлениях на галактический экватор звёзд больше, чем в других

МЕТОД ЗВЁЗДНЫХ ЧЕРПКОВ

Гершель ошибочно поместил Солнце почти в центр.

Впоследствии выяснилась причина ошибки — центр и большую часть Галактики заслоняют от нас так называемые «угольные мешки» — облака непрозрачного вещества газово-пылевых туманностей.

Пусть наблюдатель окружён звёздами, имеющими одинаковую светимость. Чем дальше звезда, тем больше её видимая звёздная величина m .

Звёзды, звёздная величина которых меньше (следовательно, они выглядят ярче) или равна m , попадают в сферу радиусом r , окружающую наблюдателя.

Тогда звёзды до m + 1 видны в сфере радиусом 2,512 1/2 r ≈ 1,58 r. Легко посчитать, что объём второй сферы больше объёма первой примерно в 4 раза.

Значит, при возрастании предельной звёздной величины на 1 ступень количество видимых звёзд увеличивается примерно в 4 раза.

Если распределение звёзд по светимостям не зависит от расстояния до наблюдателя, то это соотношение будет справедливо для всей совокупности звёзд.

Уильям Гершель

Для выполнения работы необходимо скачать материалы

http://spheres.prosv.ru/physics/about/224/2723 /

Всего предлагается три комплекта, каждый из которых содержит по 7 карт двух участков неба.

Участки подобраны таким образом, что в один комплект попадает один участок вдали от плоскости галактического экватора, другой — вблизи.

На первом этапе следует посчитать количество звѐзд на каждой карте. Учащиеся обычно чувствуют себя настоящими звездочѐтами в буквальном смысле слова и с большим удовольствием этим занимаются! Карты с большим количеством звѐзд разделены на участки, потому что посчитать их сразу на всѐм листе бывает трудно и долго. Поскольку данные учебные исследования весьма приближѐнные, можно посчитать звѐзды в одном секторе и умножить на количество секторов карты. Результаты заносятся в таблицу 1 в тетради-практикуме

Для заполнения таблицы 2 ученики считают разность между «соседними» (например, 9m и 10m) картами одного участка. Так, если до 9m была 1 звезда, а до 10m — 10 звѐзд, то для девятой ступени звѐздных величин их 10 1 = 9.

В последнем столбце приведены уже готовые цифры для теоретической зависимости по теореме Зеелигера. В теореме каждая последующая сфера больше по объѐму примерно в 4 раза, причѐм каждая последующая включает в себя объѐм предыдущей, в том числе и самого наблюдателя. В данной работе анализируется количество звѐзд между такими сферами, пространство между сферами в этом случае в 4 1 = 3, т.е. в 3 раза больше объѐма первой сферы. В работе числа по ошибке отличаются в 4 раза. 4 звезды для 9-й ступени звѐздных величин выбрано как среднее для данных карт, что тоже очень неточно. Но это не меняет общей картины.

Результаты — ряды из 5 чисел для обоих участков и теоретической зависимости — могут быть нанесены на карту.

Наиболее важная часть работы — интерпретация результатов. Очевидно, что если число звѐзд для участка вдали от галактического экватора растѐт очень медленно, то вблизи него — значительно быстрее. Учащимся можно предложить сделать вывод, который говорит о том, что в направлении к центру Галактики (участок в созвездии Стрельца) звѐзды расположены всѐ плотнее, а в направлении участков, удалѐнных от галактического экватора, — реже, т. е. край Галактики здесь относительно недалеко. Интересно провести анализ поведения графиков для других направлений в плоскости Галактики.

«СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ»

Раздел изучается после изучения раздела «Наша Галактика – Млечный путь» и перед изучением раздела «Современные проблемы астрономии».

Количество уроков: 3 урока: «Конечность и бесконечность Вселенной – парадоксы классической космологии»; «Расширяющаяся Вселенная»; Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение».

Интеграция с другими предметами:

Физика: закон всемирного тяготения, законы сохранения импульса, энергии, момента импульса, шкала электромагнитных волн, электродинамика, природа излучения, происхождение спектров и спектральный анализ; физика элементарных частиц; общая теория относительности.
Математика: преобразования формул и вычисления при решении задач, эллипс и его свойства.
Химия: химические элементы, взаимодействие химических элементов, происхождение химических элементов.

«СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ»

Цель изучения раздела:

познакомить с разделом астрономии — космологией, её предметом и задачами;
познакомить с парадоксами классической космологии;
обосновать необходимость использования общей теории относительности для построения модели Вселенной;
сформировать представление о космологической модели Вселенной и развитии этой модели;
оценить радиус метагалактики, возраст Вселенной;
познакомить с данными наблюдений, приведшими к созданию модели горячей Вселенной.

Планируемые результаты обучения учащегося:

знает предмет и задачи космологии;
знает, в чём заключается и как объясняется фотометрический парадокс;
объясняет необходимость использования общей теории относительности для построения модели Вселенной;
умеет рассчитывать критическое значение плотности вещества во Вселенной;
знает сценарии эволюционного развития Вселенной в зависимости от критического значения плотности вещества в ней;
вычисляет радиус метагалактики; возраст Вселенной, используя закон Хаббла;
объясняет, в чём состоит сущность теории Большого взрыва;
приводит примеры данных наблюдений, подтверждающих верность модели горячей Вселенной;
знает, чем вызвано реликтовое излучение.

«СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ»

Информационные ресурсы:

Учебник: §§ 34-36 (стр.125-134)
Тетрадь-практикум: практическая работа № 8-9 «Определение скорости удаления галактик по их спектрам»
Задачник: разделы «Строение и эволюция Вселенной» стр. 58-61

Дополнительные ресурсы

1. Ефремов Ю. Н. Звёздные острова. — Фрязино: Век 2, 2005.

2. Сурдин В. Г. Астрономия: век XXI. — Фрязино: Век 2, 2007.

3. Ходж П. Галактики. — М.: Наука, 1992.

4. Черепащук А. М. Вселенная, жизнь, чёрные дыры // А. М. Черепа-

щук, А. Д. Чернин. — Фрязино: Век 2, 2003.

«СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ»

Интернет-ресурсы:

Астронет — http ://www.astronet.ru /
Сайт для учителей астрономии и лекторов планетариев, а также для всех интересующихся — http:// stellaria.school
Статья о парадоксе Ольберса — https:// elementy.ru/trefil/21182/Paradoks_Olbersa
Александр Иванчик. Ранние стадии эволюции Вселенной — https ://postnauka.ru/faq/63504
Лекция профессора космологии и астрофизики Кембриджского университета Мартина Риса о прошлом и будущем Вселенной (перевод) — https ://postnauka.ru/video/79302
Мультфильм о нуклеосинтезе, поиске химических элементов и составе звёзд — https:// postnauka.ru/animate/88761
Мультфильм о фундаментальных открытиях в основе теории Большого взрыва, об инфляционной модели Вселенной и о реликтовом излучении — https://postnauka.ru/animate/79408

ОСНОВЫ КОСМОЛОГИИ

КОСМОЛОГИЯ

раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом.

Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия.

Первоначальные формы космологии представляли собой религиозные мифы (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

Во времена Античности и в Средние века многие учёные полагали, что Вселенная конечна и ограничена сферой неподвижных звёзд.

Вселенная Джордано Бруно (иллюстрация из книги Кеплера)

Космоло́гия (космос + логос) — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия.

Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

Большинство древнегреческих учёных поддерживали геоцентрическую систему мира, согласно которой в центре Вселенной находится неподвижная шарообразная Земля, вокруг которой обращаются пять планет, Солнце и Луна. Предложенная Аристархом Самосским гелиоцентрическая система мира, по-видимому, не получила поддержки большинства древнегреческих астрономов.

Мир считался ограниченным сферой неподвижных звёзд. Иногда добавлялась ещё одна сфера, отвечающая за прецессию. Предметом споров был вопрос о том, что находится за пределами мира: перипатетики вслед за Аристотелем полагали, что вне мира нет ничего (ни материи, ни пространства), стоики считали, что там находится бесконечное пустое пространство, атомисты (Левкипп, Демокрит, Метродор, Эпикур, Лукреций) полагали, что за пределами нашего мира находятся другие миры. Особняком стоят взгляды Гераклида Понтийского, согласно которому звёзды являются далёкими мирами, включающими в себя землю и воздух; он, как и атомисты, полагал Вселенную бесконечной. На закате античности появилось религиозно-мистическое учение герметизм, согласно которому вне мира может находиться область нематериальных существ — духов.

Многие досократики полагали, что движением светил управляет гигантский вихрь, давший начало Вселенной. Однако после Аристотеля большинство античных астрономов считали, что планеты переносятся в своём движении материальными сферами, состоящими из особого небесного элемента — эфира, свойства которого не имеют ничего общего с элементами земли, воды, воздуха и огня, составляющих «подлунный мир». Широко было распространено мнение о божественной природе небесных сфер или светил, их одушевлённости.

Новаторский характер носит космология Николая Кузанского, изложенная в трактате Об учёном незнании. Он предполагал материальное единство Вселенной и считал Землю одной из планет, также совершающей движение; небесные тела населены, как и наша Земля, причём каждый наблюдатель во Вселенной с равным основанием может считать себя неподвижным. По его мнению, Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность может быть свойственна одному только Богу. Вместе с тем, у Кузанца сохраняются многие элементы средневековой космологии, в том числе вера в существование небесных сфер, включая внешнюю из них — сферу неподвижных звёзд. Однако эти «сферы» не являются абсолютно круглыми, их вращение не является равномерным, оси вращения не занимают фиксированного положения в пространстве. Вследствие этого у мира нет абсолютного центра и чёткой границы (вероятно, именно в этом смысле нужно понимать тезис Кузанца о безграничности Вселенной).

Первая половина XVI века отмечена появлением новой, гелиоцентрической системы мира Николая Коперника. В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в числе которых и Земля, совершавшая к тому же ещё и вращение вокруг оси). Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд; по-видимому, сохранялась у него и вера в существование небесных сфер.

Модификацией системы Коперника была система Томаса Диггеса, в которой звёзды располагаются не на одной сфере, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности. Некоторые философы (Франческо Патрици, Ян Ессенский) заимствовали только один элемент учения Коперника — вращение Земли вокруг оси, также считая звёзды разбросанными во Вселенной до бесконечности. Воззрения этих мыслителей несут на себе следы влияния герметизма, поскольку область Вселенной за пределами Солнечной системы считалась ими нематериальным миром, местом обитания Бога и ангелов.

Решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, сделал итальянский философ Джордано Бруно. Согласно Бруно, при наблюдении из всех точек Вселенная должна выглядеть примерно одинаково. Из всех мыслителей Нового времени он первым предположил, что звёзды — это далёкие солнца и что физические законы во всем бесконечном и безграничном пространстве одинаковы. В конце XVI века бесконечность Вселенной отстаивал и Уильям Гильберт. В середине — второй половине XVII века эти взгляды поддержали Рене Декарт, Отто фон Герике и Христиан Гюйгенс.

Николай Кузанский считал, что Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность может быть свойственна одному только Богу.

Николай Кузанский

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

1-й этап: создание общей теории относительности

В 1917 году «Космологические соображения к общей теории относительности»

Три основных предположения Эйнштейна:

Вселенная однородна;
Вселенная изотропна;
Вселенная стационарна.

Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввёл в уравнения гравитационного поля дополнительный «космологический член».

Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объём (замкнута) и положительную кривизну.

Альберт Эйнштейн

Кривизна, сумма углов в треугольнике

Масса, плотность, давление, скорость

Уравнение Эйнштейна связывает геометрию пространства-времени (левая часть уравнения) с материей и её движением (правая часть)

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

2-й этап: предположение о расширении Вселенной

В 1922 году А. А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности.

В 1923 г. была опубликована популярная книга Фридмана «Мир как пространство и время», посвящённая ОТО.

Главным результатом работы Фридмана в области ОТО стала космологическая нестационарная модель, носящая теперь его имя.

А.А. Фридман

Изначально, уравнения Фридмана использовали уравнения ОТО с нулевой космологической постоянной. И модели, основанные на них, безоговорочно доминировали вплоть до 1998 года.

Современная модель, так называемая «модель ΛCDM», по-прежнему является моделью Фридмана, но уже с учётом как космологической постоянной, так и тёмной материи.

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

3-й этап: подтверждение теории нестационарной вселенной. Открытие закона Хаббла.

«Чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется»

H 0 – постоянная Хаббла

Эдвин Хаббл

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Космологическая модель Вселенной

В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной, равно:

Рассмотрим далёкую галактику, находящуюся на расстоянии R от нас.

На её движение оказывает притяжение только то вещество, которое находится внутри сферы с радиусом R , остальное вещество Вселенной не влияет своим притяжением на движение галактики.

Масса вещества, находящегося внутри сферы с радиусом R и плотностью ρ , равна:

В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, подтверждённый Э. Хабблом открытием красного смещения в спектрах

галактик.

Для построения модели Вселенной используется общая теория относительности. Несмотря на это, понять основные особенности наблюдаемой картины расширения Вселенной можно и в рамках теории тяготения И. Ньютона. Это связано с тем, что в небольших масштабах Вселенной применима теория тяготения Ньютона. Поэтому расширение Вселенной можно проследить по характеру движения одной галактики, которая удаляется от нас со скоростью, меньшей скорости света.

Эта галактика как бы находится на поверхности шара c данной массой и радиусом. Из наблюдений вид-

но, что галактика движется по закону Хаббла со скоростью v = H · R .

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Космологическая модель Вселенной

В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной, равно:

Рассмотрим далёкую галактику, находящуюся на расстоянии R от нас.

Если эта скорость окажется меньше второй космической скорости для этого шара, то наблюдаемое удаление галактики сменится в конце концов приближением, т. е. Расширение Вселенной сменится сжатием.

Если скорость будет больше или равна второй космической скорости, то галактика будет неограниченно удаляться, т. е. наблюдаемое расширение носит неограниченный характер.

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Космологическая модель Вселенной

От чего зависит характер будущего расширения Вселенной?

Сравним соответствующие выражения для скорости галактики и второй космической скорости:

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Космологическая модель Вселенной

От чего зависит характер будущего расширения Вселенной?

Сравним соответствующие выражения для скорости галактики и второй космической скорости:

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Космологическая модель Вселенной

ОЦЕНКА РАДИУСА МЕТАГАЛАКТИКИ

Максимальная скорость не может превышать скорости света, поэтому максимальное расстояние, до которого можно наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик v = c = 3 · 10 5 км/с, откуда:

в видимой части Вселенной наблюдается около 100 млрд галактик (N = 10 11 ), похожих и непохожих на нашу Галактику. Каждая из них состоит примерно из n = 10 11 звёзд. Принимая массы звёзд в среднем близкими к массе Солнца М = 10 30 кг (большинство звёзд имеют массу меньше или сравнимую с солнечной), находим, что в объёме:

содержится масса:

средняя плотность вещества при этом:

Вывод: наблюдаемая средняя плотность Вселенной примерно в 8 раз меньше критической плотности и Вселенная должна расширяться вечно.

ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ

Архиепископ

Ашер

1654 г. Дублин

Лорд Кельвин

1899 г.

На основе данных

об остывании

земной коры

≈ 25 млн.лет

Современность:

Оценка возраста

самых старых

звёзд

12±4 млрд.лет

Эрнест Резерфорд

1905

Радиактивный

распад

≈ 500 млн. лет

На основе Библии

оценил в 6000 лет

ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ

Если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью v и сейчас, после начала расширения, находится на расстоянии r от нас, то своё удаление от нас она начала примерно в момент:

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд лет назад всё вещество Вселенной было сосредоточено в небольшом объёме и

плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звёзд не существовало.

Если наблюдения пока не позволяют нам с определённостью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то время, когда в прошлом это

расширение началось, мы можем оценить из закона Хаббла.

МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

В настоящий момент учёные наблюдают галактики. С помощью наблюдений можно найти расстояние между ними.

Логично предположить, что…

… некоторое время назад галактики находились значительно ближе друг к другу.

А ещё ранее галактики, вполне возможно, могли касаться друг друга. Отсюда следует вполне логический вопрос: «Значит Вселенная и всё что её населяет вышли из одной отправной точки? Если да, то какая же это точка, в каком состоянии находится вещество?

СИНГУЛЯРНОСТЬ

Состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества.

Результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики.

Стивен Хокинг – английский физик-теоретик

Георгий Антонович

Гамов

НА ЧТО БЫЛ ПОХОЖ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?

НЕВЕРНО: Вселенная родилась тогда, когда вещество, подобно бомбе, взорвалось в определенном месте. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлет вещества .

ВЕРНО : Это был взрыв самого пространства, который привел вещество в движение. Наше пространство и время возникло в Большом взрыве и начало расширяться. Нигде не было центра, т.к. условия всюду были одинаковыми, никакого перепада давления, характерного для обычного взрыва, не было.

ПЕРВОБЫТНЫЙ АТОМ

Многие ученые полагают, что до появления сингулярности, позже превратившейся во Вселенную, не было ничего (времени, пространства или энергии). Единственную суперконцентрированную точку, которая позже стала Вселенной до Большого взрыва, называют «первобытным атомом» или «космическим яйцом».

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

На ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность

и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к тому времени должна была снизиться до 3 К (–270 °С).

Это предсказание современной космологии подтвердилось открытием в 1965 г. микроволнового излучения, максимум которого приходится на длину волны:

что согласно закону смещения Вина соответствует температуре излучения Т = 2,7 К.

Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем. Оно равномерно заполняет видимую Вселенную, т. е. характеризует горячее и сверхплотное состояние вещества в начале расширения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

Задачи, решаемые при выполнении работы:

познакомиться с методами анализа спектров;
развить умение работать с различными типами представления данных (в данном случае — фотографии и спектры);
применять физические законы для решения задач астрофизики.

Метапредметные (общеучебные) умения:

преобразовывать модели из одной знаковой системы в другую;
cистематизировать объекты по заданным параметрам;
обрабатывать данные наблюдений;
устанавливать причинно-следственные связи и анализировать их;
устанавливать аналогии, строить умозаключения, делать выводы.

Диаграмма ГР связывает две основные характеристики звезды: светимость (или абсолютную звѐздную величину) и спектральный класс (температуру). Для большого числа звѐзд только эти характеристики (светимость и спектр) можно получить непосредственно из наблюдений.

Так как чѐткое определение понятия «светимость» в учебнике не приводится, уточним его. В первую очередь следует разъяснить учащимся, что в астрономии сложился собственный научный язык и некоторые величины имеют отличное от таких же по сути физических величин название.

Энергия, излучаемая звездой, в астрономии характеризуется светимостью L , интенсивностью излучения I и освещѐнностью Е .

Светимость звезды — физическая величина, характеризующая полную энергию, излучаемую звездой по всем направлениям в единицу времени. Обозначается L (светимость по-английски — luminosity ). Единица измерения — ватт, т. е. светимость имеет такую же размерность, как и мощность. В астрономии удобно светимости звѐзд выражать в светимостях Солнца L : L = 3,8 ∙ 10 26 Вт.

Интенсивность излучения I — физическая величина, характеризующая мощность излучения с единицы поверхности звезды, измеряется в Вт/м 2 .

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Наблюдения показывают, что сплошной спектр излучения звезды близок к излучению абсолютно чѐрного тела с температурой, равной температуре еѐ фотосферы. Поэтому для вычисления светимости звезды используют закон Стефана—Больцмана:

, где σ = 5,67 ∙ 10 8 кг ∙ с 3 ∙ К 4 — постоянная Стефана—Больцмана (в учебнике таким образом рассчитывается светимость Солнца, см. с. 83).

Освещённость Е — это количество световой энергии, попадающее на поверхность единичной площади за единицу времени, измеряется в Вт/м 2 . Мерой освещѐнности в астрономии обычно является видимая звѐздная величина источника.

Не следует путать понятия интенсивности и освещѐнности. Интенсивность характеризует энергию, излучаемую звездой, а освещѐнность — энергию, приходящуюся на единицу поверхности удалѐнного тела (например, планеты).

Светимость звезды зависит от двух еѐ физических характеристик: температуры и радиуса. Важно понимать, что интенсивность (мощность) излучения энергии единицей поверхности зависит только от температуры. Полная энергия, излучаемая звездой, пропорциональна площади еѐ поверхности, следовательно, зависит от радиуса звезды.

Масса звезды имеет фундаментальное значение в определении еѐ физических характеристик. Количественно это выражается зависимостью «масса-светимость» для звѐзд главной последовательности

Важно подчеркнуть, что эта закономерность справедлива для звёзд главной последовательности. Массивные звѐзды главной последовательности обладают большей светимостью, так как температура в их недрах более высокая, что благоприятно для протекания ядерных реакций. С другой стороны, реакции горения протекают интенсивнее, и время пребывания массивной звезды на главной последовательности меньше, чем у менее массивных. При исчерпании «ядерного горючего» светимость звезды значительно меняется, а масса звезды при этом изменяется в гораздо меньшей степени. На диаграмме ГР такие звѐзды расположены вне главной последовательности.

В процессе жизни изменяются и спектр звѐзд, и их светимость. А так как положение звезды на диаграмме ГР определяется именно этими характеристиками, то в течение жизни звезда будет «перемещаться» по ней. Именно поэтому можно проследить эволюцию звѐзд на диаграмме ГР. Важно понимать, что изменение положения звезды на диаграмме с течением времени связано только с изменением еѐ физических характеристик.

Большую роль диаграмма ГР имеет для изучения характеристик звѐзд в звѐздных скоплениях. Звѐздные скопления имеют примерно одинаковый возраст, но при этом могут сильно различаться по массам. Вид диаграммы будет различным для различных звѐздных скоплений, а еѐ анализ позволит определить физические характеристики скопления в целом, в частности, его возраст и расстояние до него.

Анализ диаграммы ГР позволяет выделить различные группы звѐзд, объединѐнные общими физическими свойствами. Для звѐзд главной последовательности чѐтко выражена зависимость между температурой и светимостью. Внимательное изучение диаграммы позволяет выделить на ней ряд других последовательностей: область красных гигантов, сверхгигантов, белых карликов.

Так как на фотографиях представлены галактики, которые имеют примерно одинаковые физические размеры, то самой близкой будет галактика, которая имеет на фотографии бóльшие размеры.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Таким образом, по удалённости от Земли галактики расположатся следующим образом: 3, 1, 5, 2, 4.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Таким образом, по удалённости от Земли галактики расположатся следующим образом: 3, 1, 5, 2, 4.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Смещение линии Н α в спектре галактики указывает на её движение относительно наблюдателя на Земле. Ученики определяют примерную длину волны λ этой линии в спектрах галактик. Линия отмечена на спектрах знаком Н α , что облегчает измерения.

Цена деления составляет 10 нм, поэтому для более точного определения λ можно предложить ученикам дополнительно использовать линейку с миллиметровыми делениями. Результаты измерений заносятся в таблицу.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Далее ученики определяют смещение спектральной линии Н α по формуле:

Δλ = λ – λ Нα ,

где λ — длина волны линии Н α на спектре галактики

λ Нα = 656 нм — лабораторное значение линии Н α .

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Следует обратить внимание учащихся на то, что z — это безразмерная величина, величины в числителе и знаменателе должны быть представлены в одних и тех же единицах измерения (в нашем случае в нм).

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Скорость удаления галактики находим по формуле:

принимая c = 300 000 км/с. Таким образом, скорость удаления галактик выражена также в км/с.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

Чем дальше расположена галактика, тем больше скорость её удаления от Земли. На основании этого вывода ученики заключают, что данные галактики удаляются от Земли, при этом скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до неё.

Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от наблюдателя. Следовательно, этот факт свидетельствует о расширении Вселенной.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Значение постоянной Хаббла выражается в км/(с∙Мпк). Поэтому значения расстояний до галактик будут получены в Мпк, тогда как в таблицу требуется занести результаты в миллионах световых лет. Вспоминаем: 1 пк = 3,26 световых года. Следовательно, чтобы получить результат в световых годах, следует полученное по формуле расстояние: умножить на 3,26.

Примечание: в учебнике используется значение постоянной Хаббла Н = 75 км/(с∙Мпк). В тетради-практикуме мы используем уточнённое значение Н = 68 км/(с∙Мпк). Расхождение в значениях связано с непрерывно ведущимися исследованиями по всё более точному определению постоянной Хаббла.

Очевидно, что L = I ∙ S, где S — площадь поверхности излучаемого тела. Считая звезду шаром, имеем: L = I ∙ 4πR 2 .

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ РЕСУРСЫ:

Сайт Астронет – www.astronet.ru
Сайт издательства «Просвещение» - www.prosv.ru
Сайт для учителей астрономии и лекторов планетариев, а также для всех интересующихся — http:// stellaria.school

МАТЕРИАЛЫ ВЕБИНАРА + МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ