рефераты, курсовые, дипломы >>> астрономия, авиация, космонавтика

 

Эволюция вселенной

 

Введение


Процесс эволюции Вселенной происходит совсем медлительно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является только ничтожным звеном в эволюции
Вселенной. И всё же исследования проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далекое прошедшее.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом
Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был огромный огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав очень прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял только из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.
На протяжении десяти миллиардов лет после “большого взрыва” простейшее непонятное вещество равномерно преобразовывалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из большого количества элементарных частиц с очень обычный организацией. На неких планетах могли появиться формы жизни.

[pic]

Начало Вселенной


Вселенная постоянно расширяется. Тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать её началом. Тогда началась первая и полная драматизма эпоха в истории вселенной, её называют “большим взрывом” либо английским термином Big Bang.

Под расширением Вселенной предполагается таковой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно растущий объём. Средняя плотность Вселенной в итоге расширения равномерно понижается. Из этого следует, что в прошедшем Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубочайшей древности (приблизительно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была совсем большой. Не считая того высокой обязана была быть и температура, так высокой, что плотность излучения превосходила плотность вещества. По другому говоря энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. См была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. См. На самом ранешном этапе, в первые мгновения “большого взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных палитра-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие палитра-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

Подробный анализ указывает, что температура вещества Т понижалась во времени в согласовании с обычным соотношением :

T = 1010 K .

Ц t

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность найти, что к примеру, в момент, когда возраст вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды, ее температура представляла один биллион
Кельвинов.

Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем понижалась, что и отражается в соотношении. Это означает, что понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению hn=kT понижалась и энергия фотонов. Это может быть только в том случае, если уменьшится их частота n. Понижение энергии фотонов во времени имело для возникновения частиц и античастиц методом материализации принципиальные последствия.
Для того чтоб фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу с массой mo и энергией покоя moc2, ему нужно обладать энергией 2moc2 либо большей. Эта зависимость выражается так :

hn >=2moc2

Со временем энергия фотонов понижалась, и как лишь она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы (2moc2), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так, к примеру, фотон, владеющий энергией меньшей, чем 2.938 Мэв = 938 Мэв, не способен материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона равна 938 мэв.

В прошлом соотношении можно заменить энергию фотонов hn кинетической энергией частиц kT ,

kT >= 2 moc2 то есть

T >= 2 moc2 . k

символ неравенства значит следующее: частицы и соответствующие им античастицы появлялись при материализации в раскаленном веществе до тех пор, пока температура вещества T не упала ниже значения.

2 moc2 k

На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и античастицы. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция может происходить при хоть какой температуре, постоянно осуществляется процесс частица + античастица Ю 2 палитра-фотона при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс материализации палитра-фотон Ю частица + античастица мог протекать только при довольно высокой температуре. Согласно тому, как материализация в итоге понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась.
Эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эпохи : адронную, лептонную, фотонную и звездную.

а) Адронная эпоха. При совсем больших температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц.
Вещество на самом ранешном этапе состояло до этого всего из адронов, и поэтому ранешняя эпоха эволюции Вселенной именуется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной, температура
T упала на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя кинетическая энергия частиц kT и фотонов hn составляла около миллиарда эв (103 Мэв), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 1013 K фотоны не владели уже достаточной энергией для её воплощения. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов длился до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества. Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая крупная группа барионов - гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, по другому бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4 секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды
(10-4 с.), Температура её понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов представляла только 100 Мэв. Её не хватало уже для возникновения самых легких адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новейшие не могли появиться. Это значит, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4 с., В ней пропали все мезоны. На этом и кончается адронная эпоха, потому что пионы являются не лишь самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого мощное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в таковой мере, как в адронную эру, длившуюся всего только одну десятитысячную долю секунды.

б) Лептонная эпоха. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от
100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была довольно высокой, чтоб обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться еще реже.

Лептонная эпоха начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010
K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независящее существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем
“реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось большущим количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

в) Фотонная эпоха либо эпоха излучения. На смену лептонной эпохи пришла эпоха излучения, как лишь температура Вселенной понизилась до 1010 K , а энергия палитра фотонов достигла 1 Мэв, произошла лишь аннигиляция электронов и позитронов. Новейшие электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не владели достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов длилась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эпохи Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эпохи фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эпохи стают фотоны, причем не лишь по количеству, но и по энергии.

Для того чтоб можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.См, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во
Вселенной распределено умеренно). Если сложить совместно энергию hn всех фотонов, присутствующих в 1 куб.См, то мы получим плотность энергии излучения Er . Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.См является средней энергией вещества Em во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём возрос в восемь раз. Другими словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя по другому, чем частицы.
В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не изменяется, энергия фотонов при расширении миниатюризируется. Фотоны снижают свою частоту колебания, как будто “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em).
Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эпохи излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть Er=Em). Кончается эпоха излучения и совместно с этим период
“большого взрыва”. Так смотрелась Вселенная в возрасте приблизительно 300 000 лет.
Расстояния в тот период были в тыщу раз короче, чем в настоящее время.

“Большой взрыв” длился сравнимо недолго, всего только одну тридцатитысячную сегодняшнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эпоха Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом ее начале, во время “большого взрыва”. Все действия во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их перевоплощений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего только несколько секунд) из обеспеченного контраста видов элементарных частиц пропали практически все: одни методом аннигиляции (перевоплощение в палитра-фотоны), другие методом распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

После “большого взрыва” наступила продолжительная эпоха вещества, эра преобладания частиц. Мы называем ее звездной эпохой. Она длится со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большим взрыва” ее развитие представляется как будто очень замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таковым образом, эволюцию Вселенной можно сопоставить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой либо огромный взрыв галактики
- ничтожные явления в сравнении с огромным взрывом.

Рождение сверхгалактик и скоплений

галактик

Во время эпохи излучения длилось быстрое расширение космической материи, состоящей из фотонов, посреди которых встречались свободные протоны либо электроны и очень редко - альфа-частицы. (Не нужно забывать, что фотонов было в миллиард раз больше чем протонов и электронов). В период эпохи излучения протоны и электроны в основном оставались без конфигураций, уменьшалась лишь их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее.
Хотя скорость их осталась прежней, в течение эпохи излучения палитра-фотоны равномерно преобразовывались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эпохи остыли уже так, что к каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (либо же нескольких фотонов света) и, таковым образом, появился атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эпоха - эпоха частиц, точнее говоря, эпоха протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с большущим количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в разных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал большие сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таковых космических водородных сгустков была в сотни тыщ, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода меж самими сгущениями. Позже из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик.
Итак, наикрупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранешних этапах истории Вселенной.

Рождение галактик

Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверх галактик и скоплений галактик - медлительно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал приблизительно ста тыщ световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.Е. Зародышами галактик. Несмотря на свои неописуемые размеры, вихри протогалактик были всего только ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превосходили одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некие из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря.
Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения описывает тип будущей галактики. Из медлительно крутящихся вихрей появились эллиптические галактики, в то время как из скоро крутящихся родились сплющенные спиральные галактики.

В итоге силы тяготения совсем медлительно крутящийся вихрь сжимался в шар либо несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такового правильного огромного водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тыщ световых лет. Несложно найти, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превосходила его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие именуется критерием Джинса. С его помощью можно найти, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медлительно крутящихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как лишь плотность достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позднее эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой либо слегка приплюснутой галактике происходило практически сразу.
Этот процесс длился относительно недолго, приблизительно сто миллионов лет.
Это означает, что в эллиптических галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, т.Е. Совсем старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сходу же в самом начале, приблизительно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таковым образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из совсем старой сферической составляющей ( в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более юный плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах.
меж этими составляющими существует несколько переходных компонентов различного уровня сплюснутости, различного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таковым образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики не считая этого вращаются существенно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из скоро крутящихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в разработке спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после её возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвездный водород, новейшие звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.

Но межзвездный газ в те далекие времена не улетучился, и, таковым образом гравитация и вращение могли продолжать стройку нашей и остальных спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали две силы
- гравитация, притягивающая его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвездный газ сконцентрирован к галактической плоскости в очень узкий слой. Он сосредоточен до этого всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую либо промежуточную составляющую, названную звездным популяцией второго типа.

На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно отыскать, как старые, возникшие приблизительно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся не так давно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем они молодее.

Заключение

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках появляются и погибают звезды. Вселенная продолжает расширятся.

Содержание

стр.

1.Введение 1

2.Начало Вселенной 2

3.Рождение сверхгалактик и скоплений галактик

8

4.Рождение галактик 9

5.Заключение 13

перечень литературы

Йосип Клечек и Петр Якеш «Вселенная и земля», © 1985 Артия, Прага.
Издание на российском языке 1986.

В.В. Кесарев «Эволюция вещества во вселенной», © 1976 Атомиздат, Москва.


 
Еще рефераты и курсовые из раздела
Пьер Симон Лаплас. Возникновение небесной механики
Санкт-Петербургский Государственный институт Математико-Механический факультетРеферат по «Истории механики» на тему: Пьер Симон Лаплас. Возникновение небесной...

Комета Хейла-Боппа
КОМЕТА ХЕЙЛА-БОППА ПРИБЛИЖАЕТСЯ В солнечной системе несколько миллионов комет, но каждый год исследователи замечают только несколько из них: почаще - в телескоп, реже - невооруженным...

Модель огромного взрыва и расширяющейся Вселенной
введение. Одной из главных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной...

Данные по ИЛ-у62М
главные данные самолета Ил-62м(Д-30КУ)| ПАРАМЕТР |ВЕЛИЧИНА |РАЗМЕРНОСТЬ | |Экипаж (пилоты+бортпроводники) |5 |Чел. | |наибольшая комерческая перегрузка (Gгр.) |23000 |Кг....

Константин Эдуардович Циолковский – основатель космонавтики
План: 1. Детство. 2. В Москве. 3. Становление педагога и учёного. 4. Пионерские работы по космонавтике и воздухоплаванию. 5. Беды и радости. 6....