Презентация "Современные проблемы астрономии"

Современные

проблемы астрономии

2019г.

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ

Цель изучения темы:

• получить представление об уникальном объекте — Вселенной в целом;
• узнать как решается вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, о парадоксах, связанных с этим, о теоретических положениях общей теории относительности, лежащих в основе построения космологических моделей Вселенной;
• узнать какие наблюдения привели к созданию расширяющейся

модели Вселенной, о радиусе и возрасте Вселенной, о высокой температуре вещества в начальные периоды жизни Вселенной и о природе реликтового излучения, о современных наблюдениях ускоренного расширения Вселенной;

• показать современные направления изучения Вселенной;
• рассказать о возможности определения расстояний до галактик с помощью наблюдений сверхновых звёзд и об открытии ускоренного расширения Вселенной, о роли тёмной энергии и силы всемирного отталкивания;
• учащиеся получат представление об экзопланетах и поиске экзопланет, благоприятных для жизни;
• о возможном числе высокоразвитых цивилизаций в нашей Галактике, о методах поисках жизни и внеземных цивилизаций и проблемах связи с ними.

ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

1) Почему Вселенная не может быть стационарной и конечной?

2) Если Вселенная вечна, то куда девается свет от звёзд?

3) Куда пропадают уже умершие звёзды?

4) Почему кругом нет сплошных дыр?

5) Куда деваются тяжёлые элементы, непрерывно образующиеся

в массивных звёздах и выбрасываемые в межзвёздную среду?

6) Почему не иссякает запас межзвёздного газа, из которого

рождаются звёзды?

Значит было начало всего?

модель Вселенной – это упрощенная модель действительности) МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ Вселенная представляет собой «кисель». Видимая материя размазана в однородную плотность. Физическая задача: «Материя обладает свойствами гравитации. Гравитация описывается уравнениями ОТО и локально уравнениями Ньтоновской механики. Как она будет эволюционировать? " width="640"

КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП

1. Большинство космологических моделей исходит из того, что,

во Вселенной нет особо выделенных центров или направлений,

если рассматривать достаточно большие масштабы.

2. Состояние Вселенной можно характеризовать средним

значением плотности материи, или энергии, или кривизны

пространства.

Вселенная структурирована и неоднородна = модель Вселенной – это упрощенная

модель действительности)

МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

Вселенная представляет собой «кисель». Видимая материя размазана

в однородную плотность.

Физическая задача: «Материя обладает свойствами гравитации. Гравитация описывается уравнениями ОТО и локально уравнениями Ньтоновской механики. Как она будет эволюционировать?

ЧТО ТАКОЕ РАСШИРЕНИЕ ?

• Расширение Вселенной - одна из фундаментальных концепций современной науки-до сих пор получает различное толкование.

• Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

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.

НАЧАЛО СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

• создание общей теории относительности (А.Эйнштейн)
• предсказание нестационарности Вселенной 1922 г. (А.Фридман)
• Открытие разбегания галактик (Э.Хаббл)

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

H 0 – постоянная Хаббла

Формальное определение

ОЦЕНКА ВОЗРАСТА 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

ЗАКОН РАСШИРЕНИЯ

ЗАКОН

ХАББЛА

«Скорость удаления галактик зависит от звёздной величины.

Чем больше звёздная величина, тем дальше объект»

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

Изменение частоты, когда

источник удаляется или

приближается

Красное смещение Z – это

относительное изменение

длины волны

1 + Z – множитель, на

который возросли длины волн

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

ВОПРОСЫ:

1. Какой физический смысл имеет понятие «сингулярность»?

Никакого. В физике нет бесконечно больших величин. Термин возник при математической экстраполяции.

2. Правильно ли называть расширение Вселенной взрывом?

Можно в рамках рассматриваемой концепции, но с обязательным

пояснением. «Большой взрыв» по сути взрывом не является.

3. Безгранична ли Вселенная?

Вселенная безгранична, но область пространства, доступная для

прямых наблюдений, всегда для нас будет конечной. Хотя и

непредставимо большой.

4. Почему для нас Вселенная будет ограничена?

Потому что мы можем наблюдать окружающий мир только до таких

расстояний, до которых он остаётся прозрачным для принимаемого

излучения.

Загадка Вселенной:

Только 5 % вещества Вселенной состоит из

известных форм материи:

0,03 % - тяжелые элементы (вещество планет)

0,5% - звезды

0,3 % - релятивистские частицы (нейтрино)

4 % - свободный водород и гелий

Остальная часть непосрендственно не

детектируется (темная материя или скрытая

масса)

Как узнать о существовании «другой» материи?

• кривые вращения галактик
• гравитационные линзы
• наблюдение за изменением скорости разбегания далеких сверхновых

Гравитационные линзы

гравитационное поле искажает траектории

лучей света

Гравитационные линзы

25% вещества Вселенной сконцентрировано в галактиках и галактических кластерах в форме невидимой материи

Эту форму вещества назвали «темной материей»

Что это может быть?

Массивные компактные объекты (черные дыры,

карлики?)

Новые стабильные нейтральные частицы, слабо

взаимодействующие с кварками, лептонами,

фотонами...?

Новая физика на ускорителях нового поколения?

ТЕМНАЯ МАССА ВСЕЛЕННОЙ – ЧТО ПРО НЕЕ ИЗВЕСТНО?

Темная материя - общее название астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям, то есть не испускающие электромагнитного излучения достаточной для наблюдений интенсивности, но наблюдаемым косвенно по гравитационным эффектам.

• Со временем часть скрытой массы удалось обнаружить. Так, согласно последним наблюдениям, в число объектов составляющих скрытую массу входят остывшие белые карлики, нейтронные звезды, межгалактический газ, возможно черные дыры. Однако, по оценкам теоретиков, и этих объектов существенно недостаточно

Темная энергия

равномерно «разлита» по всей Вселенной

дает 70% плотности вещества

Космологическая постоянная (отрицательное давление)?

Квинтэссенция (новое поле или пятая сущность)?

Указание на то, что теория Эйнштейна на больших расстояниях должна быть модифицирована?

В МИРЕ ЭКЗОПЛАНЕТ

ЧТО ТАКОЕ ЭКЗОПЛАНЕТА?

Экзопланета – это планета, которая находится за пределами солнечной системы.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

Во время подготовки запуска советской автоматической станции к одной из планет возникли проблемы с излишком веса исследовательской аппаратуры. Королёв, изучив чертежи, захотел проверить прибор, который должен был сообщить по радио о наличии или отсутствии органической жизни на планете. Прибор был вывезен в выжженную степь недалеко от космодрома, а затем передал, что жизни на Земле нет, что и послужило причиной его исключения из миссии.

«Миры возникают следующим образом: много тел всех видов и форм бесконечно двигаются в пространстве, сближаясь друг с другом и участвуя в отдельном водовороте, в котором они сталкиваются и расходятся, разделяясь, повторяя весь путь снова…»

Левкипп (~480-420 до н.э.)

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ

ГАЗОВЫЕ ЭКЗОПЛАНЕТЫ

ЭКЗОПЛАНЕТЫ

ЗЕМНОГО ТИПА

СУПЕРЗЕМЛЯ

ХОЛОДНЫЙ ЮПИТЕР

ГОРЯЧИЙ ЮПИТЕР

МЕГАЗЕМЛЯ

ГОРЯЧИЙ САТУРН

МИНИЗЕМЛЯ

ХОЛОДНЫЙ НЕПТУН

ПЛАНЕТА-ОКЕАН

Давид Сугарский

американский астрофизик

ХТОНИЧЕСКАЯ ПЛАНЕТА

ГОРЯЧИЙ НЕПТУН

БЕЗЪЯДЕРНАЯ ПЛАНЕТА

ГЕЛИЕВАЯ ПЛАНЕТА

ЖЕЛЕЗНАЯ ПЛАНЕТА

СУПЕР-ЮПИТЕР

УГЛЕРОДНАЯ ПЛАНЕТА

ЛЕДЯНОЙ ГИГАНТ

С ПОМОЩЬЮ ЧЕГО НАБЛЮДАЕМ?

КОСМИЧЕСКИЕ СПУТНИКИ

НАЗЕМНЫЕ ОБСЕРВАТОРИИ

1. COROT

1. SuperWASP

космический телескоп, созданный усилиями Национального центра космических исследований Франции

телескоп, предназначенный для обнаружения экзопланет.

2. HATNet

2. КЕПЛЕР 

сеть из шести небольших полностью автоматических телескопов «HAT»

космическая обсерватория НАСА, орбитальный телескоп со сверхчувствительным фотометром,

3. HARPS

высокоточный эшелле спектрограф, установленный в 2002 году на 3,6-метровом телескопе в обсерватории Ла-Силья в Чили.

3. GAIA

космический телескоп Европейского космического агентства.

4. TESS

4. Обсерватория Кека

космический телескоп, предназначенный для открытия экзопланет

астрономическая обсерватория, расположенная на пике горы Мауна-Кеа

МЕТОДЫ ОТКРЫТИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ

1. Метод Доплера

метод обнаружения экзопланет, заключающийся в спектрометрическом измерении радиальной скорости звезды.

Мю Жертвенника c

Gliese 581b

50,6 св.л. от Земли.

20,4 св.л от Земли

Звезда, обладающая планетной системой, будет двигаться по своей собственной небольшой орбите в ответ на притяжение планеты. Это в свою очередь приведёт к изменению скорости, с которой звезда движется по направлению к Земле и от неё. Такая радиальная скорость звезды может быть вычислена из смещения в спектральных линиях, вызванных эффектом Доплера

МЕТОДЫ ОТКРЫТИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ

2. Метод периодических пульсаций

метод обнаружения экзопланет около пульсаров, основанный на выявлении изменений в регулярности импульсов.

4570 св. лет от Земли

12 400 св.лет от Земли

V391 Пегаса b

PSR B1620−26 b

Этот метод изначально не предназначался для обнаружения планет, но его очень высокая точность определения движения пульсаров позволила задействовать в обнаружении планет. К примеру, метод позволяет обнаруживать планеты гораздо меньшей массы, чем любой другой способ — вплоть до 1/10 массы Земли. Он также способен обнаружить взаимные гравитационные возмущения между различными объектами планетной системы и тем самым получить дополнительную информацию об этих планетах и параметрах их орбиты.

МЕТОДЫ ОТКРЫТИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ

3. Транзитный метод

метод поиска экзопланет, основанный на обнаружении падения светимости звезды во время прохождения планеты перед её диском

55 Рака e

WASP-19 b

40.3 св.года от Земли

815 св. лет от Земли

Если планета проходит перед диском звезды, то её наблюдаемая светимость немного падает, и эта величина зависит от относительных размеров звезды и планеты.

МЕТОДЫ ОТКРЫТИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ

4. Гравитационное микролинзирование

Возникает в том случае, когда

гравитационное поле более близкой звезды увеличивает свет от далёкой звезды, действуя при этом как линза. Если при этом звезда переднего плана имеет планету, то собственное гравитационное поле планеты может внести заметный вклад в эффект линзирования.

MOA-2009-BLG-387L b

OGLE-2005-BLG-071L b

5700 пк

3300 пк от Земли

МЕТОДЫ ОТКРЫТИЯ ЭКЗОПЛАНЕТ

5. Прямое наблюдение

Планеты являются крайне слабыми источниками света в сравнении со звёздами, и незначительный свет, исходящий от них, очень сложно различить из-за высокой яркости родительской звезды.

ОБИТАЕМАЯ ЗОНА

условная область в космосе, определённая из расчёта, что условия на поверхности находящихся в ней планет будут близки к условиям на Земле и будут обеспечивать существование воды в жидкой фазе.

Для того, чтобы оказаться в обитаемой зоне, планета не должна находиться ни слишком далеко от звезды, ни слишком близко к ней, а на «правильном» удалении.

ОБИТАЕМАЯ ЗОНА

• Границы обитаемой зоны установлены, исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биохимических реакциях.
• За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение, и её температура опустится ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться его излучением, в результате чего вода испарится.
• Расстояние от звезды, где это явление возможно, вычисляется по размеру и светимости звезды. Центр обитаемой зоны для конкретной звезды описывается уравнением:

- средний радиус обитаемой зоны

в астрономических единицах

КРИТИКА ТЕРМИНА «ОБИТАЕМАЯ ЗОНА»

Ян Стюарт и Джек Коэн – американские астрофизики

Два основных возражения заключаются в том, что, с одной стороны, предполагается что внеземная жизнь имеет те же требования к условиям окружающей среды, что и земная (т. н. «углеродный шовинизм»), а с другой — упускается из виду то обстоятельство, что близость к светилу — не единственный возможный способ создания достаточной температуры на планете.

ПОИСК ЖИЗНИ И РАЗУМА

ВО ВСЕЛЕННОЙ

УРАВНЕНИЕ ДРЕЙКА

N – число разумных цивилизаций,

готовых вступить в контакт

R - количество звёзд, образующихся в год

в нашей галактике

Френк Дрейк

американский профессор астрофизики

f p - доля звёзд, обладающих планетами

n e - среднее количество планет

f l - вероятность зарождения жизни на планете

f i - вероятность возникновения разумных форм жизни на планете

f c - отношение количества планет, разумные жители которых

способны к контакту и ищут его,

к количеству планет, на которых есть разумная жизнь

L - время жизни такой цивилизации

УРАВНЕНИЕ ДРЕЙКА

Существует множество мнений по большинству параметров, приведём числа, использованные Дрейком в 1961:

Френк Дрейк

американский профессор астрофизики

N = 10

0,014 f l 0,13 f i = 0,01 f c = 0,01 L = 10000 Френк Дрейк американский профессор астрофизики N = 0,00637 (нет контактёров) " width="640"

УРАВНЕНИЕ ДРЕЙКА

СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ

R = 7

f p ~ 20-60 %

n e 0,014

f l 0,13

f i = 0,01

f c = 0,01

L = 10000

Френк Дрейк

американский профессор астрофизики

N = 0,00637 (нет контактёров)

КАК СЛЕДУЕТ ПОНИМАТЬ ТЕРМИН «РАЗУМНАЯ ЖИЗНЬ»?

АСТРОБИОЛОГИЯ

Экзобиология — наука, предметом которой является изучение происхождения эволюции и распространения жизни на других планетах во Вселенной.

Г.А.Тихонов

1875-1960

Советский физик

Член РАН

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКЗОБИОЛОГИИ

Выяснение путей абиогенного синтеза важнейших биоорганических соединений и этапов предбиологической эволюции

Определение пределов и изучение механизмов выживаемости земных организмов в экстремальных условиях окружающей среды

Установление критериев существования и разработка автоматических методов обнаружения жизни на др. планетах с помощью автоматических биологических лабораторий (АБЛ)

ЕВРОПА

Один из спутников газового гиганта Солнечной системы, Юпитера. Еще один кандидат на роль обитаемого мира, потому что там есть вода, которая, согласно теории, может содержаться в жидком состоянии.

В начале этого года было объявлено, что в течение ближайших лет должна стартовать миссия Europa Clipper.

Астрономы уверены, что Европа обладает всеми необходимыми компонентами для жизни: там есть вода, источники энергии и правильный химический состав среды. Вода скрывается под толстой ледяной коркой, составляющей поверхность Европы.

ЕВРОПА

Астрономы уверены, что Европа обладает всеми необходимыми компонентами для жизни: там есть вода, источники энергии и правильный химический состав среды. Вода скрывается под толстой ледяной коркой, составляющей поверхность Европы.

ГАНИМЕД

На данный момент Ганимед не исследует ни один космический аппарат. Однако в 2022 году планируется отправить к нему Jupiter Icy Moon Explorer, или просто JUICE, – межпланетную автономную станцию, которая, добравшись Юпитера где-то к 2030 году, займется изучением его системы.

Еще один из спутников Юпитера, на котором может быть жизнь. Как и у других лун, у Ганимеда подозревается наличие подповерхностного океана. Причем в таком объеме, что воды в нем может содержаться даже больше, чем на Земле. Что интересно, наблюдение за поверхностью Ганимеда показало наличие признаков того, что когда-то по ней текла жидкая вода, просочившаяся через трещины в ледяной корке спутника.

ТИТАН

Крупнейший спутник Сатурна, шестой планеты от Солнца. Эта луна рассматривается в качестве потенциального кандидата на роль обитаемого мира, но, возможно, не в том смысле, в котором мы могли подумать. Спутник не совсем подходит под описание мира, находящегося в обитаемой зоне. Но на нем есть вода и другие жидкости. Просто на нем нет жидкой воды. Вода на этом планетарном объекте представлена в виде льда – температуры там очень низкие.

ЭНЦЕЛАД

Еще один из многих спутников Сатурна, который рассматривается астрономами как потенциально обитаемый мир, который, в отличие от углеводородного брата Титана, вероятнее всего, богат водой. По предположениям вода, так же как на Европе, спрятана под толстой ледяной коркой поверхности.

В начале этого года аппарат «Кассини» нашел у спутника молекулы водорода, указывающие на присутствие химических реакций, происходящих под его поверхностью. Предположительно в рамках этих реакций океанская вода Энцелада взаимодействует с глубинной породой, в результате чего производится энергия, которая могла бы быть полезной для живых организмов.

ЭНЦЕЛАД

Северная часть покрыта метеоритными кратерами, а это значит, что лед старый, что на него миллионы лет падали метеориты

Южная часть не содержит ни одного кратера.

Какой-то геологический процесс постоянно обновляет южные льды.

Что значит «обновить лед»? Это значит —жидкая вода заполняет и «уничтожает» кратеры.

«tiger stripes» («следы от когтей») на поверхности Энцелада

ПОСАДОЧНЫЙ АППАРАТ «ГЮЙГЕНС»

ПОСАДКА АППАРАТА «ГЮЙГЕНС»

Аппарат «Гюйгенс» проработал всего 2 часа!

Возможное будущее Земли

TRAPPIST-1

Об открытии планетарной системы, находящейся в нескольких десятках световых лет от нас, было объявлено в начале этого года. Система состоит из 7 земплеподобных планет, оборачивающихся вокруг «ультрахолодной» звезды, и представляет собой идеальную на данный момент цель для поиска жизни за пределами Солнечной системы.

Астрономы предполагают наличие относительно комфортной температуры на этих планетах, вполне подходящей для того, чтобы на их поверхности могла образоваться вода.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ:

ВЫВОД

ЗАДАЧИ

Решение:

Пульсар - это быстро вращающаяся нейтронная звезда, образовавшаяся в результате взрыва новой звезды.

В основном нейтронные звезды состоят из вырожденных нейтронов с малой примесью вырожденных протонов и электронов и только самые внешние слои - твердая кора - содержат железо с примесью Cr, Ni, Co. Гидростатическое равновесие в них поддерживается давлением вырожденного нейтронного газа.

Движение по орбите вокруг пульсара любых объектов вызывает еле заметный "сдвиг" по времени его сверхточных радиосигналов.

Вывод:

Пульсары имеют стабильные и точно определённые периоды. Действие даже небольших планет может вызвать изменения наблюдаемых периодов, которые могут быть зафиксированы.

Решение:

Коричневые карлики — космические тела с массой 1−8% солнечной. Они слишком массивны для планет, гравитационное сжатие делает возможным термоядерные реакции с участием «легкогорючих» элементов. Но для «зажигания» водорода их масса недостаточна, и поэтому, в отличие от полноценных звезд, светят коричневые карлики недолго.

Вывод:

Из-за меньшей массы звёзд у них регистрируются большие скорости, вызванные действием планет.

При прохождении по диску маленькой звезды планета вызывает более заметное падение блеска звезды.