Структура и масштабы вселенной конспект
Обновлено: 02.07.2024
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Что понимают под Вселенной? Что такое макромир, наномир, микромир и мегамир и каковы их масштабы? С помощью каких средств изучаются различные объекты Вселенной? Чем ограничены наши возможности при изучении объектов Вселенной? Как знания о различных объектах Вселенной могут быть наглядно представлены?
Глоссарий по теме:
Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
Масштаб – отношение двух линейных размеров. Отношение натуральной величины объекта к величине его изображения.
Мегамир (от греч. μέγας – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет (звезды, черные дыры, звездные скопления, галактики, скопления галактик).
Макромир (от греч. μάκρος – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с масштабами жизни на Земле (доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств).
Микромир (от греч. μικρός – малый) – структурная область Вселенной, объекты которой имеют размеры порядка 10 -8 м и меньше (молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы).
Наномир (от греч. μικρός – карлик) – пограничная область микромира, особые структуры которого характеризуются размерами объектов порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м), что соответствует размерам молекул и атомов.
Световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год (9,46∙10 12 км).
Астрономическая единица (а.е.) – расстояние, равное среднему расстоянию Земли от Солнца (149,6 млн. км).
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 44-49.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 102-103, 126, 212-216, 234-235, 274-279.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 267-270.
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 209-211.
Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии)
Новая философская энциклопедия. Вселенная. URL:
Физический энциклопедический словарь. Космология. URL:
Химия и жизнь. – 2017. – №5. URL:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Наука изучает самые разные объекты материального мира: от звезд, удаленных от нас на десятки световых лет, до атомов, размеры которых составляют сто миллионные доли сантиметра. Как же можно систематизировать знания о столь разных объектах природы?
Окружающий нас материальный мир очень разный, его объекты могут очень сильно отличаться по своим пространственно-временным характеристикам. Доступные нашим органам чувств объекты принято называть макромиром, например, Земля и ее окрестности, человек, животные, растения. Звезды и их скопления, галактики, имеющие гигантские размеры и удаленные на огромные от нас расстояния, образуют мегамир. Мельчайшие объекты, такие как атомы и элементарные частицы, составляю микромир.
Все это многообразие существующих вокруг нас материальных объектов принято называть Вселенной. Разнообразные структуры Вселенной различаются не только своими пространственно-временным характеристикам, но и образующими их структурными элементами и закономерностями своего существования и развития. Используя различные средства и методы исследования, наука сначала получает знания об отдельных структурах Вселенной, а затем эти знания систематизирует.
Рассмотрение Вселенной как сложно организованной системы позволяет выделить в ней отдельные структурные области: мегамир, макромир и микромир. Сразу отметим, что границы между этими мирами достаточно условны.
Наглядное представление о размерах объектов макро-, мега и микромира можно получить, если мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу во много раз.
Если для примера взять сферу радиусом 10 см, объекты такого размера относятся к макромиру, и увеличить ее в миллиард раз, то получим сферу радиусом 100 000 км. 100 000 км это приблизительно четверть того расстояния, на которое Луна удалена от Земли. Спутник нашей планеты – Луна (средний радиус около 1,7 тысяч км), и остальные небесные тела Солнечной системы (несмотря большую удаленность от Земли) достаточно хорошо изучены.
В сферу этих размеров попадает большое число объектов макромира. Так средний радиус планеты Земля около 6,4 тысяч км, ее газовая оболочка – атмосфера, простирается на расстояние 100 км от ее поверхности. Водная оболочка Земли – мировой океан, занимает площадь 361,1 миллионов квадратных километров, что составляет более 70% земной поверхности.
Нашу планету населяет огромное число живых организмов, многообразие которых представлено миллионами видов. Размеры их варьируются в больших пределах. Так синий кит может достигать в длину более 30 метров и иметь массу полторы сотни тонн. Размеры бактериальных клеток оцениваются микрометрами (тысячные доли миллиметра). Для того чтобы их увидеть необходимо воспользоваться микроскопом. Все живые структуры состоят из веществ, а их существование подчиняется биологическим законам.
Таким образом, макромир – это структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с жизнью на Земле. Материя на этом структурном уровне Вселенной представлена полем и веществом и организована в различные неживые и живые структуры, существование и развитие которых определяется особенностями их организации.
Обратимся теперь к обсуждению космических размеров. Земля находится от Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это расстояние в астрономии принимается за 1 астрономическую единицу (а.е.). Самая дальняя планета Солнечной системы – Нептун находится от Солнца на расстоянии около 30 а.е. Размеры Солнечной системы и расстояния, на которых находятся ближайшие к нам звезды, будут составлять уже сотни тысяч астрономических единиц.
Для таких больших расстояний используют световые единицы. Эти единицы показывают, сколько времени потребуется свету, чтобы пройти определенное расстояние. 1 световой год равен приблизительно 9,46∙10 12 км. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Размер Солнечной системы оценивается примерно в 2 световых года. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра, расположена на расстоянии более 4 световых лет.
Космическое пространство в радиусе 10 14 км или 10 световых лет от Солнца содержит около десятка звезд. Расстояния до них, а также их возраст, массы, размеры, состав, температуры поверхностей, светимость ученые уже определили достаточно точно. Размеры в десятки световых лет – это масштабы мегамира. Так, размер нашей галактики Млечный путь составляет около 100 тысяч световых лет (диаметр). Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – галактики, которые находятся от нашей галактики на расстоянии 160 тысяч световых лет. Расстояние до еще одной из близких к нам галактик – галактики Андромеды составляет около 2,5 миллионов световых лет. Размеры галактик измеряются десяткам – сотнями тысяч световых лет, массы составляют от 10 7 до 10 12 масс Солнца (масса Солнца равна около 2∙10 30 кг).
Граница наблюдаемого мегамира находится от нас на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Согласно общепринятой гипотезе возраст нашей Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, поэтому свет от объектов, удаленных более чем на 14 миллиардов световых лет, ещё до нас не дошёл, и наблюдать такие объекты невозможно.
Таким образом, структурные уровни мегамира – звезды и звездные скопления, галактики, скопления галактик. Это структуры огромных размеров, масс и энергий, их движение определяется гравитационным взаимодействием и описывается законами общей теории относительности.
Рассмотрим теперь объекты микромира. Если уменьшить сферу радиусом 10 см в миллиард раз, то получим размер, соответствующий 10 -8 см (10 -10 м). Такие размеры соответствуют молекулам и атомам. Увидеть объекты такого размера с помощью микроскопа невозможно, т. к. длина волны видимого света находится в диапазоне в тысячи раз превышающем их размеры. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Приведем численные значения радиусов некоторых атомов. Так радиус атома водорода составляет около 5,3∙10 -11 м, радиус атома углерода равен 7,7∙10 -11 м, радиус атома железа равен 1,28∙10 -10 м. Размеры атома определяются размером его электронной оболочки.
Электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами и частицы – заряд (-1,6∙10 -19 Кл), масса (9,109∙10 -31 кг), и волны (длина волны, частота). Волновая природа электрона проявляется в способности к дифракции и интерференции. Энергия электрона в атоме изменяется дискретно. Волновая природа электрона не позволяет говорить о траектории его движения. Состояние электронов в атоме описывается законами квантовой механики.
Нахождение электрона в атоме описывают как электронное облако определенной формы. Электронные облака изображают с помощью моделей – атомных орбиталей различной формы. Электронная конфигурация атомов (распределение электронов по орбиталям) определяет его химические свойства. Атомы могут соединяться, образуя большое разнообразие более сложных структур, существование которых обусловлено химической связью, имеющей электростатическую природу. Оценить размеры молекул можно по длинам связей (расстояние между центрами атомов, связанных химической связью). Так, например, в молекуле водорода Н2 длина связи составляет 7,4∙10 -11 м. В молекуле воды Н2О расстояние между центрами атомов кислорода и водорода составляет около 10 -10 м.
Более сложные молекулы, например, фуллеренов С60 и С70 имеют диаметр 7,1∙10 -10 и 7,8∙10 -10 м. Атомы могут соединяться в еще более крупные молекулы и образовывать длинные цепочки полимеров. Размеры таких молекул могут достигать нескольких сотен нанометров. Например, длина молекулы мышечного белка миозина составляет около 200 нм. С помощью электронного микроскопа была установлена форма молекул миозина, а рентгенограмма показала его вторичную структуру. Самые небольшие молекулы нуклеиновых кислот вирусов, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов, могут достигать в длину несколько сотен нанометров. Диаметр ДНК составляет около 2∙10 -9 м, а длина у разных организмом может быть в тысячи – миллионы раз больше.
Последние десятилетия активно развиваются прикладные исследования структур, размеры которых находятся в интервале 1 – 100 нанометров. Результаты изучения фуллеренов, фуллеритов, углеродных нанотрубок, молекул белков, нанокристаллов, кластеров, тонких пленок и других структур размером от 10 -9 до 10 -6 м лежат в основе современных нанотехнологий. Мир объектов таких масштабов стали называть наномиром
Вернемся к строению атома. Ядро атома имеет размеры порядка 10 -15 м и состоит из нуклонов, протонов и нейтронов. Их массы составляют 1,673∙10 -27 кг и 1,675∙10 -27 кг соответственно. Существование протонов и нейтронов в ядре определяется сильным взаимодействием, которое может проявляться только на таких малых расстояниях. Протоны и нейтроны, как и другие объекты микромира, обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Нейтроны и протоны не являются элементарными частицами и в своем составе имеют еще более мелкие частицы – кварки, размер которых оценивается уже в 10 -18 м. Размеры такого порядка соответствуют масштабам электрона. Проникнуть еще глубже в микромир ученые еще не могут. Современные способы изучения структур микромира основаны на наблюдениях за столкновениями между различными частицами. Чем меньше частица, тем больше энергии ей нужно сообщить. Эта энергия сообщается частицам при разгоне на ускорителях. Причем, чем больше энергии требуется, тем больше должен быть размер ускорителя. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров (например, Большой адронный коллайдер), однако даже этих размеров недостаточно для проникновения в структуры объектов порядка 10 -18 – 10 -19 м, размер необходимых для этого ускорителей сопоставим с размерами земного шара.
Все современные методы исследования объектов различного масштаба основываются на использовании сложнейших приборов. Современные электронные микроскопы, использующие вместо света пучок электронов, позволяют получить изображения, где различимы отдельные атомы. Для изучения объектов мегамира используются, например, различные телескопы (оптические, радиотелескопы, космические телескопы) и межпланетные станции. В современных оптических телескопах размер зеркала может достигать 10 м. Главное зеркало космического телескопа Хаббла имеет диаметр 2,4 м. А рефлекторное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 составляет 576 м.
Резюме теоретической части: Под Вселенной понимается всё многообразие окружающего материального мира. Во Вселенной можно выделить структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, наномир, микромир. Объекты макромира соизмеримы с масштабами жизни на Земле и доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств. Объекты мегамира в силу большой удаленности и огромности размеров и объекты микромира из-за чрезвычайно малых размеров и особенностей организации недоступны непосредственному восприятию человека и требуют специальных средств и методов изучения. Изобретение телескопа и микроскопа положило начало созданию средств исследования природных объектов, непосредственное изучение которых человеком затруднено в силу или большой удаленности или малых размеров. Современные электронные телескопы и микроскопы наряду с другими сложными приборами, такими, например, как Большой адронный коллайдер, являются важными средствами изучения удаленных и мельчайших структур Вселенной. На современном этапе развития науки границы наблюдаемого мегамира находятся на расстояниях около 10 миллиардов световых лет от Земли, а познания микромира ограничены размерами порядка 10 -18 м, что соответствует размерам электрона. Систематизация научных знаний и наглядное их представление является одной из важных задач науки.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Укажите верные утверждения:
Утверждение
Правильный ответ и пояснение
А. Вселенная – это все материальные объекты, окружающие нас.
Правильное утверждение. Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Б. Мегамир, макромир и микромир резко разграничены между собой.
Неправильное утверждение. Во Вселенной можно выделить некоторые структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, микромир. Границы между этими мирами достаточно условны.
В. Особые структуры микромира, лежащие в основе нанотехнологий, можно назвать наномиром.
Правильное утверждение. Появление нового направления в науке – нанотехнологий, связано с развитие прикладных исследований особых объектов размерами порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м). Размеры наноструктур соответствуют размерам молекул и атомов. Для обозначения таких структур стали использовать понятие наномир.
Г. С помощью современных приборов мы можем непосредственно увидеть строение атомов и молекул.
Неправильное утверждение. Непосредственно увидеть строение атомов и молекул невозможно. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Д. Масштабы мегамира настолько огромны, что для их описания вводят специальную величину – световой год.
Правильное утверждение. Мегамир – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год и соответствует 9,46∙10 12 км
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго. Правильный ответ:
Особенности структурной области Вселенной
Структурная область Вселенной
Преимущественным взаимодействием в этой структурной области Вселенной является гравитационное взаимодействие, описываемое законами общей теории относительности.
Основными фундаментальными взаимодействиями в данной структурной области Вселенной являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
Ключевую роль в данной области Вселенной играют электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
Вселенная – это целая система, в которой все объекты и структуры существуют по определенным законам. Звезды, видимые человеком невооруженным глазом, это всего лишь незначительная часть огромного космического пространства. Во Вселенной есть целый мир галактик, квазары, темная материя и энергия. Она таит в себе множество загадок, ответы на которые пытаются найти лучшие ученые со всего мира.
План урока:
Структура Вселенной и ее размеры
На протяжении многих тысячелетий человечество считало, что Вселенная вечна и неизменна. Данная теория господствовала во всем в мире вплоть до начала ХХ столетия. Колоссальный переворот в науке о космическом пространстве произошел в 20-е годы прошлого века, благодаря таким ученым как Эйнштейн, Фридман и Хаббл. Именно они выдвинули предположения и доказали, что Вселенная – это целая система, которая живет своей жизнью и способна изменяться во времени, то есть расширяться или сжиматься.
В структуре Вселенной выделяют несколько уровней организации, каждый из которых отличается масштабом объектов:
- Следующий уровень – галактики. Они бывают неправильной, линзовидной, спиральной и эллиптической формы. Вот только почему существует такая классификация, ученые еще не нашли ответ. В пределах одного галактического пространства есть черные дыры, межзвездный газ, темная материя, двойные звезды, пыль, электромагнитное излучение. Астрономы предполагают, что во Вселенной существуют сотни миллионов галактик.
- Небольшое скопление галактик формируют Местную группу. Данный уровень организации считается одной из самых крупных и устойчивых структур. Все объекты в системе скопления галактик удерживаются гравитационной силой и еще каким-то фактором. Что это за фактор ученые пока не знают, но уверенны, что одной лишь силы гравитации для поддержания стабильности недостаточно. Скопление, в которое входит Млечный путь, Треугольник и Андромеда, включает еще 31 галактическую систему.
Скопление галактик в Персее Источник
- Сверхскопление галактик – в составе такой структуры десятки или даже сотни галактических систем или их скоплений. Гравитационные силы здесь уже не такие сильные, поэтому сверхскопления движутся вместе с расширяющейся Вселенной.
- На последнем уровне во Вселенной находятся ячейки, или пузыри. Их границы образуют сверхскопления галактик. Между этими структурами расположены пустотные области, которые получили название войды. Изучение войд, как и самых отдаленных частей Вселенной, происходит с помощью современных телескопов, одним из которых является телескоп Хаббла. В течение длительного времени, астрономы наблюдают за процессами, происходящими в космосе, изучают скопления и расположение звезд, после чего делаются определенные расчеты, строятся модели Вселенной, звездные карты и т.д.
Все структуры Вселенной являются уникальными и таинственными. Человечество уже гораздо лучше понимает, как устроено космическое пространство. Но с каждым новым открытием у ученых появляются и новые вопросы, ответы на которое порой не так легко найти.
Изучая размеры Вселенной, астрономы могут говорить только о ее видимой части, которую научно называют Метагалактикой. Чем больше сведений и знаний ученые получают о ней, тем больше становятся ее границы, причем они расширяются абсолютно во всех направлениях. Это говорит о сферической форме Вселенной.
Принято считать, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд. лет. Именно столько времени прошло с момента Большого Взрыва. Однако это только предположения, полученные в результате многолетней работы специалистов. Они основаны на наблюдениях и расчетах, но утверждать со 100% уверенностью, что Взрыв действительно был, нельзя. На сегодняшний день теория Большого Взрыва является общепринятой, так как именно она объясняет многие процессы, происходящие в космическом пространстве.Учитывая скорость света, ученые предполагают, что размеры Вселенной составляют также 13,8 млрд. световых лет. Скорей всего эта цифра не совсем точная, так как с момента зарождения пространство Вселенной все время расширяется. Некоторая его часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего многие объекты навсегда останутся вне зоны видимости человека.
Математическая модель Вселенной Источник
Мир галактик
Итак, как уже было отмечено, галактика – это одна из главнейших структур в составе Вселенной. Образование галактических систем является естественным процессом, на который уходит много времени. Все началось с появления протоскоплений – облаков, состоящих из газа и пыли, из которых образуются звездные скопления. Динамические процессы в них способствовали выделению галактических групп. Известно, что галактики могут иметь различные формы. Это объясняется отличием первостепенных условий их формирования.
Абсолютно в каждой галактической системе выделяют два поколения звезд. Первое – гелиево-водородные объекты, в составе которых также содержится незначительное количество тяжелых металлов. Иными словами – это самые старые звезды. К другому поколению относят объекты, обогащенные тяжелыми металлами. Такие звезды формируются из межзвездного газа.
Образование звезд происходит при сжатии галактической системы. Как правило, для данного процесса необходимо 3 млрд. лет. За это время облако газа превращается в звездную систему. В результате гравитационной силы газовое облако сжимается. В тот момент, когда в его центральной части плотность и температура достигают определенных показателей, происходит термоядерный взрыв и появляется новая звезда.
Процесс образования звезды из газопылевого облака Источник
В космическом пространстве наблюдается постоянное перемещение и взаимодействие галактических систем между собой. Иногда происходит их столкновение и тогда одна галактика поглощает другую, а в космос выбрасывается огромное количество энергии. Бывает, что галактики проходят рядом друг с другом и только слегка меняют свою структуру.
Скопления и сверхскопления галактик
Под скоплением галактик понимают гравитационно-связанную систему, которая считается крупнейшей структурой во Вселенной. Ее размер может достигать от 6 до 60 миллионов световых лет. В составе одного скопления 100-1000 галактик. Интересным является факт, что в одном скоплении, сами галактические системы занимают всего 1%, около 9% - это межгалактический газ, а все остальное приходится на темную материю и энергию. В космосе существует два типа скоплений галактик:
- регулярные – для этого типа характерна правильная сферическая форма. Основную часть составляют линзовидные и эллиптические галактики, имеют яркую центральную часть. Пример скопления – Волос Вероники;
Скопление галактик в Волосах Вероники
- иррегулярные – форма неопределенная, количество галактик в составе гораздо меньше, чем у регулярного типа. Пример – скопление Девы.
Скопление галактик в Деве
Сверхскопления – структура, в состав которой входят скопления галактик и несколько отдельных галактических систем. Как правило, в одном сверхскоплении их насчитывается от 2 до 20, располагаются они в галактических нитях, или же в узлах их пересечения.
Размеры сверхскоплений галактик во Вселенной достигают сотен млн. световых лет. Это настолько много, что объекты не способны удерживаться между собой гравитационными силами. Самые известные сверхскопления:
- Стена Скульптора – находится недалеко от Млечного Пути. Его длина 300 млн. световых лет, ширина – 210 млн. световых лет;
- Девы – Местное сверхскопление галактик, в состав которого входит Млечный путь;
- Шепли – это одно из самых больших сверхскоплений во Вселенной. Его масса в 10 тыс. раз больше массы Млечного пути.
Квазары
По другой версии, квазары представляют собой огромные черные дыры, которые активно поглощают все, что находится в округе. По мере приближения к ним вещества, его скорость растет, а само вещество разогревается. Магнитное поле черной дыры собирает мельчайшие частички в пучки, которые в дальнейшем разлетается от ее полюсов. Третья версия гласит, что квазары – это начальная стадия жизни галактики, то есть человечество видит их фактическое формирование. Какая из этих теорий является максимально правдивой никому не известно, но каждая из них имеет право на существование.
Мощность излучения квазара просто огромна. Она в сотни раз превышает мощность излучения всех звезд в одной галактике. Сложно представить, что объект отдален от человека на несколько миллиардов световых лет, но при этом его можно увидеть в обычный телескоп. За одну единицу времени квазар производи в 10 триллионов раз больше энергии, чем Солнце. А его размер можно сравнить с размером Солнечной системы.
Расстояние до квазаров исчисляются миллиардами световых лет. Для них характерно красное смещение, то есть эти объекты удаляются от Земли. Причем скорость этого удаления достигает фантастических показателей. Ученые предполагают, что скорость квазара 3С196- 200 тыс. км/с (это 2/3 скорости света), а расстояние с ним составляет 12 млрд. световых лет. Для сравнения максимальная скорость движения галактических систем всего несколько десятков тыс. км/с.
Еще одна интересная особенность квазаров – их переменность. Они постоянно меняют свою светимость, что совершенно нехарактерно для галактик. Был зафиксирован случай, когда блеск объекта за один час сменился 25 раз. Исходя из последних наблюдений, выяснилось, что многие квазары находятся около центров огромных эллиптических галактик.
Самый первый квазар был открыт в 1960 г благодаря Мэтью Сэндиджу. Он получил название 3с273. В современном мире квазары во Вселенной определяют по красному смещению их спектра. Если обнаружено такое смещение и при этом объект выделяет огромное количество энергии, его смело начинают именовать квазаром. Сейчас в космическом пространстве их обнаружено около 2-х тысяч. Эти космические объекты изучаются с помощью телескопа Хаббла. Расстояние между Землей и ближайшим квазаром составляет 800 млн. световых лет.
Вид квазара в телескопе Источник
Понятие темной энергии
В астрономии понятие темное энергии включает в себя энергию (существующую в теории), которая была введена в математическую модель Вселенной, чтобы объяснить ее расширение с ускорением. Ученые предполагают, что эта энергия не способна собираться в сгустки (в отличие от темной материи), а равномерно распределяется по всем просторам Вселенной. Темная энергия присутствует в галактиках, в галактических скоплениях, а также за их пределами. Интересным является тот факт, что она действует против гравитационных сил, то есть испытывает антигравитацию.
С помощью современных астрономических технологий ученые способны не только измерить скорость расширения Вселенной, но и проанализировать, как этот процесс изменялся со временем. Дело в том, что ускорение расширения Вселенной только растет, что позволяет говорить об антигравитационных силах. Если бы в космическом пространстве гравитация была стандартной, то со временем отдаление галактик друг от друга замедлялось бы.
К сожалению, на сегодняшний день не существует возможности в земных условиях экспериментально исследовать темную энергию. Но это не означает, что в будущем человечество не сможет объяснить природу данного явления или выяснить другие причины, способствующие такому быстрому ускорению расширения Вселенной.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
Структура и масштабы вселенной Астрономия. Урок 1.
Астрономия – это наука о небесных телах (от древнегреческих слов астон – звезда и номос – закон) Она изучает видимые и действительные движения и законы, определяющие эти движения , форму, размер, массу и рельеф Поверхности, природу и физическое состояние небесных тел, взаимодействие и их эволюцию.
Изучение вселенной Число звезд в галактике исчисляется в триллионах. Самые многочисленные звезды – это карлики с массами примерно в 10 раз меньше Солнца. Кроме одиночных звезд и их спутников ( планет ), в состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанные силой тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, называемое звездными скоплениями. Некоторые из них можно отыскать на небе в телескоп, а иногда и не вооруженным глазом. Такие скопления не имеют правильной формы; их в настоящее время известно более тысячи. Звездные скопления делятся на рассеянные и шаровые. В отличие от рассеивающих звездных скоплений, состоящих в основном из звезд, которые принадлежат главной последовательности, шаровые скопления содержат красные и желтые гиганты и сверхгиганты. Обзоры неба, выполненные рентгентовскими телескопами, установленными на специальных искусственных спутниках Земли, привели к открытию рентгентовского излучения многих шаровых скоплений.
Типы галактик 1 Спиральные. Это 30% галактик. Они бывают двух видов. Нормальные и пересеченные. 2 Эллиптические. Считается, что большинство галактик имеет форму сплющенной сферы. Среди них есть шаровые и почти плоские. Самая большая из известных эллиптических- галактика М87 в созвездии Девы. 3 Не правильные. Многие галактики имеют клочковатую форму без ярко выраженного контура. К ним относится Магеланово Облако Нашей Местной группы.
Солнце Солнце — это объект, существующий, по человеческим меркам, очень давно. Его формирование началось примерно 5 миллиардов лет назад. Тогда на месте Солнечной системы находилось обширное молекулярное облако. Под воздействием сил гравитации в нем начали возникать завихрения, подобные земным смерчам. В центре одного из них вещество (в основном это был водород) начало уплотняться, и 4,5 млрд лет назад тут появилась молодая звезда, которая спустя еще продолжительный период времени получила имя Солнце. Вокруг него постепенно стали формироваться планеты — наш уголок Вселенной начал приобретать привычный для современного человека вид. -
Световой год Световой год – это то расстояние, которое проходит свет за один год. Международный астрономический союз дал свое объяснение световому году – это то расстояние, которое проходит свет в вакууме, без участия гравитации, за юлианский год. Юлианский год равен 365 суткам. Именно эта расшифровка используется в научной литературе. Если брать профессиональную литературу, то тут расстояние рассчитывается в парсеках или кило- и мегапарсеках. До 1984 года световым годом считалось расстояние, которое проходит свет за один тропический год. Новое определение отличается от старого всего лишь на 0,002%. Особого различия между определениями нет. Имеются конкретные цифры, которые определили расстояние световых часов, минут, дней и т.д. Световой год равен 9 460 800 000 000 км, месяц — 788 333 млн. км., неделя — 197 083 млн. км., сутки — 26 277 млн. км, час — 1 094 млн. км., минута — около 18 млн. км., секунда — около 300 тыс. км.
Галактика Созвездие Девы Лучше всего Деву можно рассмотреть в начале весны, а именно в марте — апреле, когда оно переходит в южную часть горизонта. Благодаря тому, что созвездие имеет внушительные размеры, Солнце в нем находится больше месяца – начиная с 16 сентября и вплоть до 30 октября. На старинных звездных атласах Деву представляли, как девушку с колоском пшеницы в правой руке. Однако не каждый способен разглядеть в хаотичной россыпи звезд именно такой образ. Тем не менее, найти созвездие Девы на небе не так уж сложно. В ее составе есть звезда первой величины, благодаря яркому свету которой Деву можно легко разыскать среди прочих созвездий.
Туманность Андромеды Ближайшая к Млечному Пути большая галактика. Содержит примерно 1 триллион звёзд, что в 2,5-5 раз больше Млечного Пути. Расположена в созвездии Андромеды и отдалена от Земли на расстояние 2,52 млн св. лет. Плоскость галактики наклонена к лучу зрения под углом 15°, её видимый размер — 3,2 × 1,0°, видимая звёздная величина — +3,4m.
Млечный путь Млечный Путь относится к галактикам спирального типа. При этом он имеет перемычку в виде огромной звездной системы, связанной между собой гравитационными силами. Считается, что Млечный Путь существует уже более тринадцати миллиардов лет. Это период, в течение которого в данной Галактике образовалось порядка 400 млрд созвездий и звезд, свыше тысячи огромных по своим размерам газовых туманностей, скоплений и облаков. Форма Млечного Пути хорошо видна на карте Вселенной. При ее рассмотрении становится понятно, что это скопление звезд представляет собой диск, диаметр которого равен 100 тыс. световых лет (один такой световой год составляет десять триллионов километров). Толщина звездного скопления - 15 тыс., а глубина - около 8 тыс. световых лет. Сколько весит Млечный Путь? Это (определение его массы - весьма сложная задача) подсчитать не представляется возможным. Сложности вызывает определение массы темной материи, которая не вступает во взаимодействие с электромагнитным излучением. Вот почему астрономы окончательно не могут ответить на данный вопрос. Но существуют грубые подсчеты, согласно которым, вес Галактики находится в пределах от 500 до 3000 млрд масс Солнца
Ядро Млечного Пути Эта часть Млечного Пути расположена в созвездии Стрельца. В ядре находится источник нетеплового излучения, имеющий температуру порядка десяти миллионов градусов. В центре данной части Млечного Пути находится уплотнение, называемое "балджем". Это целая вереница старых звезд, которая движется по вытянутой орбите. У большей части этих небесных тел жизненный цикл уже подходит к концу. В центральной части ядра Млечного Пути расположена сверхмассивная черная дыра. Этот участок космического пространства, вес которого равен массе трех миллионов солнц, имеет мощнейшую гравитацию. Вокруг него вращается еще одна черная дыра, только меньшего размера. Такая система создает настолько сильное гравитационное поле, что находящиеся неподалеку созвездия и звезды совершают движение по весьма необычным траекториям. У центра Млечного Пути есть и другие особенности. Так, для него характерно большое скопление звезд. Причем расстояние между ними в сотни раз меньше, чем то, которое наблюдается на периферии образования.
Основные понятия
Космология – учение о Вселенной в целом, основанное на результатах исследований, доступных для астрономических наблюдений.
Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Вселенная безгранична, но не бесконечна.
Вселенная существует около 15 млрд лет.
Существующие знания о Вселенной основаны на астрономических наблюдениях и на предположении о том, что законы природы, установленные на Земле, могут быть применены ко всей Вселенной.
Систематические целенаправленные наблюдения за Вселенной ведутся с момента появления первых телескопов (1609-1610 годы. Галилей).
Начиная с 1931 года, для изучения Вселенной используют также методы радиолокации – по отраженному радиосигналу определяют положение и скорость движения космического объекта.
Строение и масштабы Вселенной
Наиболее распространённым типом небесных тел являются звезды.
Невооружённым глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3 тыс. звёзд.
В настоящее время астрономы определили положения нескольких миллионов звезд и составили их каталоги.
Около 240 звезд имеют собственные имена (Вега, Альтаир, Сириус, Полярная и пр.)
Звезды распределены на небе не равномерно, а отдельными компактными группами – созвездиями. Под созвездиями понимают область неба в пределах некоторых установленных границ. Это сделано для удобства ориентировки на небесной сфере и обозначения звезд. Всё небо разделено на 88 созвездий.
Группы звёзд в созвездиях имеют устойчивую конфигурацию, т.е. взаимное расположение звезд в созвездии не изменяется с течением времени.
Есть три группы созвездий по происхождению их названий:
1. Связанные с древнегреческой мифологией
2. Связанные с предметами, на которые похожи фигуры, образуемые яркими звездами созвездий (Стрела, Треугольник, Весы, Лев, Рак, Скорпион, Большая медведица и др.)
Иногда в созвездии выделяют группу звезд с названием, отличным от названия созвездия – астеризм (например, Ковш в созвездии Малая Медведица).
Гигантские звёздные системы, состоящие из сотен миллиардов звёзд образуют галактику.
Солнечная система и окружающие её звезды составляют ничтожную часть нашей Галактики – Млечный Путь.
Ближайшие соседи нашей Галактики – Туманность Андромеды, Большие Магеллановы облака и Малые Магеллановы облака.
Кроме звёзд в состав галактик входят туманности – газопылевые скопления (межзвёздный газ, состоящий из атомарного водорода, и космическая пыль)
Американский астрофизик Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:
Эллиптические галактики имеют форму сплюснутых сфероидов. Состоят в основном из старых звезд.
Спиральные галактики имеют форму спирали (Млечный Путь, Туманность Андромеды). В рукавах спиральных галактик находятся молодые звезды, идут процессы образования новых звезд.
Галактики неправильной формы (Магеллановы облака). Имеют разнообразную форму.
Пространство между галактиками и звездами внутри галактик заполнено очень разреженным веществом: межзвёздным газом, космической пылью, элементарными частицами, а также электромагнитным излучением.
В каждом кубическом сантиметре межзвездноо пространства в среднем находится один атом вещества. Для сравнения, в воздухе при нормальных условиях около 10 19 молекул в 1 см 3 .
При самом высоком вакууме, который может быть получен в лабораторных условиях (порядка 10 -12 мм. рт. ст.) в 1 см 3 содержится сто тысяч молекул.
Расстояния между звездами внутри галактик значительно больше размеров самих звезд.
Расстояния между галактиками сравнимы с размерами самих галактик.
Масштабы Вселенной столь велики, что использовать единицы длины, принятые в СИ, неудобно. Например, размеры нашей Галактики таковы, что луч света, распространяясь со скоростью 300000 км/с проходит расстояние от одного ее края до другого за сто тысяч лет.
В старой научной литературе:
Астрономическая единица (1 а.е.) – средний радиус орбиты Земли при её обращении вокруг Солнца.
1 а.е. = 150 млн км (расстояние от Солнца до Земли)
Наиболее удалённая от Солнца планета, Плутон, отстоит от него на расстоянии 40 а.е. Это размер Солнечной системы.
В популярной литературе:
Световой год – расстояние, которое свет проходит за одни земной год.
1 с.г. = 10000 млрд км = 10 трлн. км.
В современной научной литературе:
Парсек (пк) – параллакс-секунда.
Секунда – единица измерения угла.
Параллакс – видимое изменение положения предмета вследствие перемещения точки наблюдения.
В астрономии различают:
· Вековой параллакс (оборот Солнца относительно ядра галактики)
По параллаксу небесных светил методами тригонометрии определяют расстояние до этих светил.
Парсек – расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну угловую секунду.
1 пк = 206265 а.е. = 3,3 с.г. = 33 мрлн км.
Самая близкая к Солнцу звезда – Проксима Центавра удалена от него на 1,3 пк.
Солнце удалено от центра нашей Галактики на расстояние 8000 пк.
Диаметр Млечного Пути составляет 40000 пк.
Самая близкая звезда в созвездии Андромеды находится на удалении 720000 пк.
Типичная скорость относительного движения галактик – коло 1000 км/с
Оценочное время вероятного столкновения галактик составляет около 10 13 лет, что больше времени существования Вселенной в 1400 раз.
Пошаговое путешествие во Вселенной.
Следующий шаг больше предыдущего в 10000 раз. Сколько шагов до края Вселенной?
1й шаг – 4 м, потолок; 2й – 40 км, стратосфера; 3й – 400000 км, луна; 4й – 40 млрд км, граница Солнечной системы; 5й – 4,3 с.г., Альфа-Центавра; 6й – 40000 с.л., ядро Галактики; 7й – 400 млн с.л., центр космоса; 8й не получится – 40 млрд с.л. – но Вселенная родилась лишь 15 млрд лет назад.
Астрономия изучает движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем.
Получила свою музу‑покровительницу — Уранию. Атрибутами Урании являлись: небесный глобус и циркуль.
Урания олицетворяет силу созерцания, она зовет покинуть нас внешний хаос, в котором существует человек и погрузиться в созерцание величественного бега звезд, который является отражением судьбы. Это сила познания, сила, которая тянет к таинственному, тянет к высокому и прекрасному — к Небу и Звездам
Периодическим изменениям в земной природе сопутствуют изменения вида звёздного неба и видимого движения Солнца.
Строгая периодичность , свойственная движению небесных светил, лежит в основе основных единиц счёта времени, которые используются до сих пор, — сутки, месяц, год
Астрономические наблюдения издавна позволяли людям ориентироваться в незнакомой местности и на море
2. Структура и масштабы Вселенной
Самая близкая к Солнечной системе звезда (Проксима Центавра,была открыта в 1915 году астрономом из Англии.) находится так далеко, что свет идёт от неё до Земли более четырёх лет
Возраст нашей Галактики чуть больше 13 млрд. лет, в ней продолжается активное звёздообразование.
В одной только нашей Галактике звезд насчитывается две сотни миллиардов. Объём, занимаемый этой звёздной системой, так велик, что свет может пересечь его только за 100 тыс. лет
Галактики так далеки друг от друга, что невооружённым глазом можно видеть лишь три ближайшие: две — в Южном полушарии, а с территории России всего одну — туманность Андромеды.
Вещество, составляет только 5% массы Вселенной. Остальная масса приходится на тёмную материю.
Расстояние до Луны составляет примерно 400 тыс. км
Если изобразить Луну шариком диаметром примерно 7см, находящимся от глобуса на расстоянии около 7,5 м.
Модель Солнца будет иметь диаметр 28 м и находиться на расстоянии 3 км,
а модель Нептуна — самой далёкой планеты Солнечной системы — будет удалена от нас на 90 км.
Ближайшая к нам звезда при таком масштабе модели будет располагаться на расстоянии примерно 800 тыс. км
3D Модель Солнечной системы
Что отличает астрономию от других наук? (Три особенности. Стр.8)
Сведения о том, что происходит за пределами Земли в космическом пространстве, учёные получают главным образом на основе приходящего от этих объектов света и других видов излучения
Наблюдения — основной источник информации в астрономии.
Для невооружённого глаза объект не выглядит точкой в том случае, если его угловые размеры превышают 2—3ʹ.
Мы видим объект не точечным лишь в том случае, если расстояние до него превышает его размеры не более чем в 1700 раз
Чтобы отыскать на небе светило, надо указать, в какой стороне горизонта и как высоко над ним оно находится.
С этой целью используется система горизонтальных координат — азимут и высота.
Точка Z, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом.
Плоскость, которая проходит через центр сферы перпендикулярно отвесной линии, образует при пересечении со сферой окружность — истинный или математический горизонт. Высота светила отсчитывается по окружности, проходящей через зенит и светило M, и выражается длиной дуги этой окружности от горизонта до светила.
Эту дугу и соответствующий ей угол принято обозначать буквой h.
На практике, например в геодезии, высоту и азимут измеряют специальными угломерными оптическими приборами — теодолитами
-75%
Читайте также: