Далекое прошлое вселенной доклад
Обновлено: 17.05.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Строение и эволюция Вселенной
Изучение Вселенной, даже только известной нам её части, является грандиозной задачей. В прошлом люди наблюдали за происхождение звёзд ,придумывали им названия , старались изучить их, и понять как они устроены . Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобилось много труда. Предки помогли нам хоть чуть-чуть узнать о космосе, но в современно время мы узнали чуть больше ,чем предки, но каждый день появляются новые гипотезы и сведенья о появление новой звезды, новой черной дыры и о другом.
Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь маленьким звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли нам занавес далекого прошлого.
Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить в будущем.
Ø Узнать как эволюционировала Вселенная
ü Рассмотреть теории и гипотезы о возникновения Вселенной
ü Изучить строение Вселенной
1. Как появилась вселенная
Вселе́нная — не имеет строгого определенного понятия в астрономии и философии. Оно делится на две сущности: умозрительную (философскую) и материальную
Она представляет собой все существующее пространство. Галактики, звезды, планеты – все это часть необъятной Вселенной. (приложение 1 рис.1)
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной - это теория Большого взрыва.
На данный момент теория Большого взрыва является наиболее логичным предположением о том, как возникла Вселенная. Она объясняет появление объектов, физических законов, материй и всего того, что находится в космосе.
Предположительно, все началось с небольшой сингулярности огромной плотности, для которой не существовало времени. В определенный момент она начала расти с огромной скоростью, порождая пространство, физические законы, гравитацию и т.д. Долгое время температура внутри была настолько высокой, что образование каких-либо частиц было невозможным. Через 380 тыс. лет она снизилась до 3000К, и тогда начали формироваться субатомные частицы, которым на смену вскоре пришли полноценные атомы. А через миллиарды лет из пылевых облаков они превратились в звезды, планеты, астероиды.
Взрыв звезды
Но сверхновые – не просто удивительное природное явления. Это самые важные явления, необходимый для развития сложной материи и в том числе, жизни.
Судьба одиночного светила зависит от его начальной массы. Звезды образуются в результате гравитационного коллапса газовых облаков, состоящих в основном из молекулярного водорода и гелия (один атом He на 12 атомов Н2), следовых количеств более тяжелых элементов и твердых пылевых частиц. Коллапс завершается рождением протозвезды, которая имеет шанс превратиться в полноправное светило. Для этого в ее ядре должно начаться устойчивое термоядерное горение водорода, способное полностью компенсировать потери энергии, уносимой в космос излучением звезды (гелий в этом процессе не участвует, поскольку для его поджога требуются куда большие температуры). Минимальная температура, необходимая для воспламенения водорода, составляет около 3 млн К. Согласно модельным вычислениям, для достижения этого порога масса протозвезды должна превысить 0,075 массы Солнца.(приложение2.рис.1)
Сверхновые могут появиться и другими путями. К примеру, хотя большинство белых карликов медленно набирают массу, некоторые звёзды могут получить быстрый прирост массы (например, от столкновения с другой звездой) и быстро преодолеть предел Чандрасекара – так быстро, что они не успеют начать коллапсировать.
2. Строение вселенной
Вселенная — это весь материальный мир, разнообразный по формам, которые приобретает материя и энергия. (приложенние1.рис.3)
Вселенная состоит из пустот и галактических нитей, которые можно разбить на сверхскопления, скопления, группы галактик, а затем и на галактики.
Войды ( пустота) — участки космического пространства, в которых концентрация галактик в десятки раз меньше средней. Они окаймлены скоплениями и сверхскоплениями галактик. Размеры войдов составляют около 10-30 мегапарсек. Большие войды могут достигать в размерах 150 мегапарсек и вероятно охватывают около 50% объема Вселенной.
Галактики
Что такое галактика? – Основная структурная единица во Вселенной, галактика содержит — 150 — 200 миллиардов звезд; звездные системы разного вида, которые состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и межзвездного рассеянного вещества.
Есть одиночные галактики, но обычно они предпочитают располагаться группами. Как правило это 50 галактик, которые занимают в диаметре 6 миллионов световых лет. Группа Млечного Пути насчитывает больше 40 галактик.
Скопления – это область с 50-1000 галактиками, которые могут достигать размеров в 2-10 мегапарсек (диаметр). Интересно заметить, что их скорости невероятно большие, а значит, должны преодолевать гравитацию. Однако они все же держатся вместе.
Обсуждения темной материи появляется на этапе рассмотрения именно галактических скоплений. Считается, что тмено она создает ту силу, которая не дает возможности галактикам разлететься в разные стороны.
Порой группы объединяются, тем самым формируя сверхскопление. Это одни из крупнейших вселенских структур. Наибольший представитель – Великая Стена Слоуна, которая растянулась на 500 миллионов световых лет в длину, 200 миллионов световых лет в ширину и 15 миллионов световых лет в толщину.
Млечный Путь состоит примерно из 10 миллиардов звезд. Свету, чтобы добраться из одного конца галактики в другой, требуется 100 тысяч лет.(приложение1.рис.4.)
Звезды распределены в галактиках неравномерно, в разных частях имеются плотные скопления, напоминающие шар. Также есть пространства, где на протяжении многих световых лет нет ни одного светила.
Вокруг большинства звезд находятся планеты, обладающие уникальным внешним видом, атмосферой и другими особенностями. Также вокруг некоторых имеются спутники – небольшие космические объекты, удерживаемые за счет притяжения.
3. Солнечная система
Со́лнечная систе́ма — планетная система, включает в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг Солнца. Она сформировалась путём гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд лет назад. (приложение1.рис.5)
В центре системы располагается Солнце, состоящее из гелия и водорода. Температура на его поверхности составляет примерно 6000 градусов Цельсия, а размеры сферы во много раз больше, чем у других объектов, находящихся в области его притяжения. Звезда относится к желтым карликовым.
Интересный факт: Солнце притягивает объекты на дистанции в два световых года. Это примерно 18,9 триллионов километров.
Вокруг светила на разном расстоянии расположены планеты, которые делятся учеными на две группы: земная и газовая.
Поскольку Солнечной системе миллиарды лет, люди могут лишь строить гипотезы о способах ее появления. Наиболее популярной является небулярная теория, выдвинутая учеными Лапласом, Кантом и Сведенборгом в XVIII веке. Она строится на том, что система образовалась за счет гравитационного коллапса одной из частей огромного облака, состоящего из газа и пыли. В будущем гипотеза дополнялась за счет данных, полученных при исследовании космоса.
Сейчас процесс возникновения Солнечной системы описывается следующими шагами:
1. Изначально в этой области вселенной находилось облако, состоящее из гелия, водорода и других веществ, полученных при взрывах старых звезд. В небольшой его части началось уплотнение, ставшее центром гравитационного коллапса. Он постепенно начал притягивать к себе окружающие вещества.
2. Из-за притяжения веществ размеры облака начали уменьшаться, при этом росла скорость вращения. Постепенно его форма превратилась в диск.
3. По мере сжатия увеличивалась плотность частиц на единицу объема, что приводило к постепенному нагреву вещества за счет частых столкновений молекул.
4. Когда центр гравитационного коллапса разогрелся до нескольких тысяч кельвинов, он начал светиться, что означало образование протозвезды. Параллельно с этим, в разных областях диска начали появляться другие уплотнения, которые в будущем послужат гравитационными центрами для образования планет.
5. Финальный этап формирования солнечной системы начался в период, когда температура центра протозвезды превысила несколько миллионов кельвинов. Тогда гелий и водород вступили в реакцию термоядерного синтеза, что привело к появлению полноценной звезды. Остальные уплотнения диска постепенно сформировались в планеты, которые начали вращаться в одном направлении вокруг Солнца, находясь на одной плоскости.
Данный процесс длился очень долгое время, и ученые могут лишь догадываться, сколько лет ушло на формирование Солнечной системы.
4. Происхождение звезд
Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и, наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе(прилодение1.рис.6)
В середине XIX века теории о появлении звезд высказывали многие люди, но самую серьезную гипотезу того времени традиционно связывают с именами Кельвина и Гельмгольца. Изначально предполагалось, что причина свечения Солнца и других звезд очень проста: на них падает какое-то вещество, при ударе оно нагревается и начинает светиться. Более научными словами, кинетическая энергия превращается в тепловую, а та — в энергию излучения. Дальше эта мысль развивалась: чтобы обеспечить наблюдаемую светимость Солнца, на него должно падать много вещества, и нам должно быть видно, как оно пролетает мимо Земли, но его не обнаружили. Тогда исследователи предположили, что этап падения вещества на Солнце был в прошлом, но в процессе падения накопилась энергия и благодаря ей Солнце до сих пор светится.
В рамках физики того времени это было очень удачное предположение: оно было довольно простым и логичным (упало — ударилось — разогрелось — засветилось) и хорошо согласовывалось с данными о светимостях и температурах звезд, которые в то время впервые стали доступными для измерений. Оказалось, что температура и светимость не произвольные величины, а зависят друг от друга. Для большинства звезд большая яркость означает высокую температуру, и, наоборот, чем холоднее звезда, тем она тусклее. В рамках сценария с падением это тоже казалось очень ясным и логичным: яркие и горячие звезды — это те, на которые вещество только-только перестало падать, и они переживают максимум своей светимости, а затем потихоньку станут гаснуть и остывать, превращаясь в тусклые холодные светила.
Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздного газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах этот случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми. (приложение1.рис.7)
5. Эволюция Вселенной
Спустя миллиарды лет, когда в пространстве появились атомы и молекулы, под действием гравитации они начали перемещаться относительно друг друга. Этот период ученые назвали Структурной Эпохой.
Уже в первые мгновения после расширения, в пространстве появились простейшие частицы, имеющие световую природу. Примерно через год начинает появляться темная материя. А еще через 380 тыс. лет после снижения температур появляются молекулы, способные образовывать разные вещества.(приложение2.рис.2)
Постепенно частицы сбились в газовые облака огромных масштабов, а еще через некоторое время начали формироваться звезды и планеты, которые обладают взаимным притяжением. Первые галактики образовались спустя 300 млн. лет с момента Большого взрыва. Однако современный вид они приобрели лишь через 10 млрд. лет.(приложение2.рис.2)
На данный момент Вселенной примерно 13,82 млрд. лет, и ее эволюция далека от завершения. Ученые не сомневаются, что галактики и общая карта пространства еще не раз поменяются, пока не придут к своей конечной форме.
Существует предположение, что финальным этапом формирования Вселенной будет ее повторное сжатие в единую точку сингулярности, которая снова расширится благодаря Большому взрыву.
Доказательством того, что эволюция Вселенной еще далека от завершения, является реликтовое излучение. Если оно заметно на границах пространства, значит, еще не иссякла энергия, выделенная в момент Большого взрыва. Соответственно, космос продолжает расширяться.
Что такое реликтовое излучение?
Диапазон его частот – от 500 МГц до 500 Ггц. Длина наибольшей волны – 60 сантиметров, а наименьшей – 0,6 миллиметров. Имея такие параметры, реликтовое излучение – оно же микроволновый внегалактический фон – несет в себе огромное количество информации о том, как проходила эволюция Вселенной до того, как начали образовываться галактики и квазары, а также многие другие объекты.
Есть несколько основных сценариев, по которым будет происходить дальнейшая эволюция Вселенной. Естественно, процесс расширения будет происходить и дальше, поэтому если он будет достаточно равномерен, то энергия рано или поздно будет исчерпана, что, согласно предсказаниям ученых, приведет к тепловой смерти.+
Другой вариант – Большой Разрыв, то есть распад всего, что уже было создано в результате Большого Взрыва. Это произойдет при ускорении расширения Вселенной.
Также есть сценарий, предполагающий так называемое Большое Сжатие, которое произойдет, если расширение замедлится, а затем и вовсе сойдет на нет.
Как именно все произойдет, не знает никто. Есть лишь некоторые догадки, гипотезы и теории, а известным остается только одно: время определенно покажет, как дальше будет развиваться наша Вселенная.
Приложение1
 |
 |
Рис.7.Происхождение звезд. Туманность Ориона
Приложение2:
В принципе, мы могли бы заглянуть еще чуть дальше — вплоть до возраста 379 тысяч лет после Большого Взрыва. Почему именно такая цифра? Скоро узнаем.
Современные теории позволяют описать всё, что происходило, начиная от одной сотой секунды от Большого взрыва и до сего дня. Все нужные для этого законы являются надежно установленными, поэтому получаемую с их помощью информацию можно считать вполне достоверной. Принципиальные трудности возникают лишь при попытке продвинуться еще ближе к началу мира, то есть внутрь первой сотой доли секунды. Здесь мы выходим за рамки Стандартной модели и попадаем в область гипотетических теорий. И тем не менее научные гипотезы простираются вплоть до 10 -35 с! Ещё ближе к началу мира, возможно, позволит в будущем приблизиться теория суперструн.
Большой взрыв. По каким бы причинам ни возникла Вселенная, она начинает свою жизнь с планковского размера по всем измерениям (порядка 10 -35 м) и планковской температуры (порядка 10 32 К).
В этот начальный момент все 9 или 10 пространственных измерений свернуты в комок. Но уже через планковский квант времени (5x10 -44 с) три пространственных измерения начинают расширяться, а оставшиеся сворачиваются определенным образом (свойства свернутых измерений определяют все фундаментальные константы нашего мира, а значит, и то, какие именно частицы потом в нем родятся).
Разворачивание трех пространственных измерений подстегивается само собой и становится скачкообразным. Этот этап расширения Вселенной, называют инфляционным, оно происходит во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10 -32 секунды Вселенная раздулась в неимоверное число (10 50 ) раз.
Поначалу в горячей Вселенной бурно рождаются как частицы, так и античастицы. На каждый миллиард обычных частиц рождается почти столько же античастиц — но всё же на одну меньше. Затем частицы и античастицы аннигилируют, и вся их энергия превращается в излучение. Во Вселенной остается лишь жалкий клочок обычной материи. Из него-то и будут построены в дальнейшем все звезды и галактики.
К концу первой секунды расширения Вселенная остыла настолько, что кварки начинают группироваться в адроны, включая протоны и нейтроны. И с этого же момента начинается первичный ядерный синтез, который продолжается три минуты. Четверть всех ядер, сформировавшихся за это время — это гелий, чуточку дейтерия, а остальные три четверти — протоны. Таким и будет состав первых звезд.
Через 3 минуты Вселенная расширилась настолько, что столкновения ядер, в результате которых могли бы образовываться новые ядра, становятся огромной редкостью, и синтез ядер прекращается.
К исходу первых трёх минут Вселенная представляет собой раскаленное до миллиарда градусов море частиц — ядер и лептонов. Высокая температура не позволяет им объединиться в атомы. Это состояние раскаленной плазмы.
Через 379 тысяч лет Вселенная охладилась достаточно (до 3000 градусов), чтобы из ядер и электронов могли образоваться нейтральные атомы. Среда становится прозрачной для света и остается таковой до сих пор. Говорят, что в этот момент излучение отделилось от вещества: с тех пор излучение расширяется и остывает само по себе, а вещество эволюционирует само по себе. Реликтовое тепловое излучение с характерной длиной волны около 4 см — это и есть то самое отделившееся излучение.
После отделения излучения от вещества началась тёмная эпоха — звезд еще не было, и светить было некому. На протяжении сотен миллионов лет вещество стягивалось к местам случайных первоначальных сгустков темной материи.
Через 600 миллионов лет после Большого взрыва стали формироваться галактики. Плотные и холодные облака газа сжимались, разогреваясь изнутри — и вот зажглись первые звезды. В их недрах начался синтез более тяжелых элементов, вплоть до железа. Через пару миллиардов лет Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы видим сегодня.
Массивные звезды первого поколения кончали свои жизни грандиозными взрывами, во время которых возникли элементы тяжелее железа. Потом из этого вещества сформировались звездные системы второго поколения, в том число и наша.
Процесс звёздообразования продолжается и сейчас, хотя темп его постепенно замедляется, поскольку запасы межзвездного вещества расходуются быстрее, чем пополняются.
Но история космологии уже неоднократно демонстрировала нам, что картины, нарисованные совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.
Реальность бесконечно разнообразнее и интереснее наших сегодняшних представлений о ней. Работы для физиков и космологов — непочатый край!
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Эволюция вселенной. Прошлое, настоящее и будущее. Презентация на заданную тему содержит 9 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Теория Большого взрыва Основы теории Большого взрыва относительно просты. Если кратко, согласно ей вся существовавшая и существующая сейчас во Вселенной материя появилась в одно и то же время — около 13,7 миллиарда лет назад. В тот момент времени вся материя существовала в виде очень компактного абстрактного шара (или точки) с бесконечной плотностью и температурой. Это состояние носит название космологической сингулярности. Неожиданно сингулярность начала расширяться и породила ту Вселенную, которую мы знаем.
Эпоха сингулярности Также известная как планковская эпоха (или планковская эра) принимается за самый ранний из известных периодов эволюции Вселенной. В это время вся материя содержалась в единственной точке бесконечной плотности и температуры. Во время этого периода, как считают ученые, квантовые эффекты гравитационного взаимодействия доминировали над физическим, и ни одна из физических сил не была равна по силе гравитации. Ввиду экстремальных температур и бесконечной плотности материи состояние Вселенной в этот период времени было крайне нестабильным. После этого произошли периоды расширения и охлаждения, которые привели к возникновению фундаментальных сил физики.
Эпоха инфляции С появлением первых фундаментальных сил во Вселенной началась эпоха инфляции, которая продлилась с 10-32 секунды по планковскому времени до неизвестной точки во времени. Большинство космологических моделей предполагают, что Вселенная в этот период была равномерно заполнена энергией высокой плотности, а невероятно высокие температура и давление привели к ее быстрому расширению и охлаждению.
Эпоха охлаждения Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме.
Эпоха структуры В последующие несколько миллиардов лет более плотные регионы почти равномерно распределенной во Вселенной материи начали притягиваться друг к другу. В результате этого они стали еще плотнее, начали образовывать облака газа, звезды, галактики и другие астрономические структуры, за которыми мы можем наблюдать в настоящее время. Этот период носит название иерархической эпохи. В это время та Вселенная, которую мы видим сейчас, начала приобретать свою форму. Материя начала объединяться в структуры различных размеров — звезды, планеты, галактики, галактические скопления, а также галактические сверхскопления, разделенные межгалактическими перемычками, содержащими всего лишь несколько галактик.
Читайте также: