Модель горячей вселенной и реликтовое излучение кратко
Обновлено: 05.07.2024
Многие так или иначе сталкивались со словосочетанием "реликтовое излучение", но немногие могут объяснить что же это такое на самом деле.
Реликтовое излучение имеет прямое отношение к теории Большого Взрыва. Большой Взрыв начинается с того, что вся масса Вселенной была сосредоточенная в очень маленьком объеме, возможно даже в одной точке. Сразу после Большого Взрыва, произошедшего примерно 13.7 млрд лет назад, эта маленькая Вселенная начинает очень быстро и стремительно расширяться.
Спустя первые 100 000 лет расширения Вселенная имела еще достаточно большую плотность вещества внутри, что даже атомы еще не могли формироваться. В те времена Вселенная представляла собой очень горячую плазму, в которой в хаотичном порядке плавают и сталкиваются элементарные частицы.
Еще спустя примерно 280 000 лет Вселенная расширилась до тех пор, что вещество внутри нее начало остывать, средняя энергия стала меньше и протоны начали захватывать электроны образуя первые атомы (атомы водорода). Средняя температура во Вселенной при этом была чуть больше 2700 градусов по Цельсию.
Если в случае плотной и горячей Вселенной, наполненной плазмой, если какая-то частица испускала фотон, другими словами свет, то этот свет практически не распространялся и поглощался плотным веществом. А если в эпоху образования атомов частица испустит фотон, а фотонов они испускали очень много поскольку температура была еще достаточно велика, то для его распространения уже будет достаточно места. Итак, спустя 380 000 лет спустя Большого Взрыва фотоны смогли спокойно распространяться по Вселенной.
В эпоху образования первых атомов Вселенная была еще достаточно однородной, с редкими неоднородностями потому, что тогда раскаленная плазма только начала конденсироваться. Тогда еще не существовало большинство привычных нам структур, а существовало почти однородное горячее облако, наполненное только образовавшимися атомами водорода во всех точках нашей Вселенной.
Нам известно, что свет (фотоны) движется с ограниченной скоростью. Это значит, что свет от звезд, которые мы видим на ночном небе, шел до нас от нескольких тысяч до нескольких миллиардов лет. Многие слышали о таком понятии, как световой год. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год. Значит, если мы знаем, что расстояние от нас до какой-то конкретной звезды 100 000 световых лет, значит когда мы смотрим на эту звезду, мы видим так, как она выглядела 100 000 лет назад. Проще говоря, смотря в ночное небо, мы заглядываем в далекое прошлое.
Также и со светом, образовавшимся в эпоху рождения первых атомов. Поскольку в ту эпоху практически все точки Вселенной излучали свет, то от сильно удаленных от нас участков свет дошел только сейчас, спустя почти 13.7 млрд лет. Свет, дошедший до нас с тех далеких времен, это и называется реликтовым излучением . А поскольку до этого Вселенная была настолько плотной, что свет в ней не мог распространяться, то мы не можем заглянуть за это реликтовое излучение.
На данном изображении показана наблюдаемая нами область Вселенной в логарифмическом масштабе. В центре Солнечная система, далее наша галактика Млечный Путь, соседние и дальние галактики, крупномасштабная структура Вселенной и реликтовое излучение. По краю изображена невидимая плазма Большого взрыва.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Образовательная:
- обратить внимание на наличие большого количества гелия и его образование во Вселенной ( где, когда и как образовалось основное количество гелия во Вселенной);
- рассмотреть наблюдения, указывающие на высокие температуры вещества Вселенной в начале расширения;
Развивающая:
- развитие умений устанавливать причинно-следственные связи;
- развитие способности логически рассуждать, делать выводы ;
- развивать научность мышления, умение анализировать, выделять главное ;
Воспитательная:
- формирование информационной культуры и потребности приобретения знаний;
- развитие коммуникативной компетентности у учащихся;
- формирование добросовестного отношения к учебному труду учащихся и труду учёных;
- воспитывать интерес к предмету.
Межпредметные связи:
физика (плотность, температура, кинетическая и потенциальная энергии, плазма, скорость света, спектральный анализ, термоядерный синтез, элементарные частицы);
обществознание (материальность мира и его познаваемость, основные формы существования материи, движение материи, пространство и время);
математика (степени с положительным и отрицательным показателями, проценты, радиус, максимумы);
химия (химические элементы).
Оборудование: ПК, интерактивная доска, система контроля качества знаний PROClass, презентация, фрагменты видеофильмов.
Тип урока: изучение нового материала.
Вид урока: комбинированный.
Этапы урока.
Актуализация знаний учащихся.
Изучение нового материала.
Закрепление изученного материала.
1 этап – Организационный:
Приветствие. Знакомство с темой и целями урока; система оценки результатов.
2 этап - Актуализация знаний учащихся
Проверка домашнего задания в форме тестирования по §§ 34-35 учебника Астрономия 10-11, автор Чаругин В.М.
Тестирование проводится с помощью системы PROClass . (Ученикам выдаются беспроводные пульты. На интерактивной доске выводятся вопросы с вариантами ответом. После ответа всеми учениками на вопрос или окончания отведённого времени, происходит переход к следующему вопросу. После каждого ответа можно выводить результат на экран для того, чтобы оценить, как класс ответил на вопрос и если нужно, то обсудить задание.)
1. Раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом, называется:
а) космогонией в) космонавтикой с) космологией d ) астрофизикой е) астрологией
2. Во времена Античности и в Средние века многие учёные, в том числе Н. Коперник и Т. Браге полагали, что Вселенная….
а) бесконечна в) конечна с) сжимается d ) расширяется
3. Ученый, подтвердивший вывод о том, что при расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них
а) И. Ньютон в) А. Эйнштейн с) А. Фридман d ) Э. Хаббл е) Н. Коперник
4. Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной равно
5. При каком значении плотности Вселенной она будет расширяться вечно:
а) ρ ≤ ρ кр в) ρ > ρ кр с) ρ >> ρ кр d ) нет верного ответа
Ответы к тесту: 1- с, 2- в, 3 - d , 4 -с, 5 -а.
3 этап - Изучение нового материала.
До образования звёзд вещество состояло из простейшего химического элемента – водорода, соответственно первые звёзды были водородные. В недрах звёзд протекали термоядерные реакции с образованием гелия. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизиться на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10 -15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
В дальнейшем часть вещества возвращалась в межзвёздную среду. Следовательно, можно предположить, что около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.
Работа с учебником (стр.132) для оценки массы гелия, содержащегося в звёздах Галактики.
В термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 10 26 Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ = 4,8 · 10 –12 Дж. Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 10 38 ядер атомов гелия, или 6,7 · 10 11 кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной: 1,3 · 10 10 лет = 3,9 · 10 17 с, легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звёздах (10 11 звёзд) за этот промежуток времени: 6,7 · 10 11 кг/с · 10 11 · 3,9 · 10 17 с = 2,6 · 10 40 кг.
Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики 2 · 10 41 кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.
Вывод: итак, на ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. Именно это излучение назвали реликтовым - космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует -270° С). Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем.
4. Закрепление изученного материала.
2. Что такое реликтовое излучение?
Оценка деятельности
Домашнее задание.
Ответить на вопросы и задания § 36 (стр.133-134) .
Список литературы
1. Астрономия. 10–11 классы: учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М. Просвещение, 2018. – 144 с. :ил.
РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см 3 .
Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.
Теория горячей Вселенной.
Развитие ядерной физики в 1940-е годы позволило начать разработку теоретических моделей эволюции Вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже был достаточно надежно измерен по наблюдениям спектров звезд: в среднем они состоят на 2 /3 из водорода и на 1 /3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц – протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.
Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.
В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.
Сравнивая возраст Вселенной в 2–4 млрд. лет с оценкой возраста Земли – около 4 млрд. лет, – приходилось предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах – процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли и других тел уже не было времени.
Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.
С другой стороны, содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом – в ограниченном количестве.
Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.
На пути к обнаружению реликтового излучения.
В середине 1960-х годов астрофизики продолжали теоретически изучать горячую модель Вселенной. Вычисление ожидаемых характеристик реликтового излучения было выполнено в 1964 А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым в СССР и независимо Ф.Хойлом и Р.Дж.Тейлором в Великобритании. Но эти работы, как и более ранние работы Гамова с коллегами, не привлекли к себе внимания. А ведь в них уже было убедительно показано, что реликтовое излучение можно наблюдать. Несмотря на крайнюю слабость этого излучения в нашу эпоху, оно, к счастью, лежит в той области электромагнитного спектра, где все прочие космические источники в целом излучают еще слабее. Поэтому целенаправленный поиск реликтового излучения должен был привести к его открытию, но радиоастрономы не знали об этом.
К сожалению, эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями; она не стимулировала поиск реликтового излучения. Историки науки до сих пор гадают, почему долгие годы никто не пытался сознательно искать излучение горячей Вселенной. Любопытно, что мимо этого открытия – одного из крупнейших к 20 в. – ученые прошли несколько раз, не заметив его.
Например, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941. Тогда канадский астроном Э.Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Дзета Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана, причем их вращение должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К. Конечно, никто не мог подумать тогда, что возбуждение вращательных уровней этих молекул вызывается реликтовым излучением. Лишь после его открытия в 1965 были опубликованы работы И.С.Шкловского, Дж.Филда и др., в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, линии которых отчетливо наблюдаются в спектрах многих звезд, вызвано именно реликтовым излучением.
Открытие реликтового излучения.
Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелем Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тсрнера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Филом Пиблслм, работавшим под руководством Роберта Дикке. В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K.
В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения. Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 K. Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей.
Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи.
Измерения с искусственных спутников Земли существенно уточнили эти данные. По данным COBE, после учета орбитального движения Земли получается, что Солнечная система движется так, что амплитуда дипольной составляющей температуры реликтового излучения D T = 3,35 мК; это соответствует скорости движения V = 366 км/с. Движется Солнце относительно излучения в направлении границы созвездий Льва и Чаши, к точке с экваториальными координатами a = 11 h 12 m и d = –7,1 ° (эпоха J2000); что соответствует галактическим координатам l = 264,26 ° и b = 48,22 ° . Учет движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении l0 = 93 ± 2 ° и b0 = –4 ± 2 ° . Поэтому движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении около l = 269 ° и b = +29 ° . Это примерно под углом 45 ° относительно направления на центр скопления галактик в Деве (Virgo).
Анизотропия реликтового излучения.
Температура реликтового излучения является лишь одним из его параметров, описывающих раннюю Вселенную. В свойствах этого излучения сохранились и другие явные следы очень ранней эпохи эволюции нашего мира. Астрофизики находят эти следы, анализируя спектр и пространственную неоднородность (анизотропию) реликтового излучения.
Согласно теории горячей Вселенной, по прошествии примерно 300 тыс. лет после начала расширения температура вещества и связанного с ним излучения уменьшилась до 4000 К. При этой температуре фотоны уже не могли ионизовать атомы водорода и гелия. Поэтому в ту эпоху, соответствующую красному смещению z = 1400, произошла рекомбинация горячей плазмы, в результате которой плазма превратилась в нейтральный газ. Тогда еще никаких галактик и звезд, конечно, не было. Они возникли значительно позже.
Став нейтральным, заполняющий Вселенную газ оказался практически прозрачным для реликтового излучения (хотя в ту эпоху это были не радиоволны, а свет видимого и близкого инфракрасного диапазонов). Поэтому древнее излучение почти беспрепятственно доходит до нас из глубин пространства и времени. Но все же по пути оно испытывает некоторые влияния и как археологический памятник несет на себе следы исторических событий.
Хотя в нашу эпоху большая часть обычного вещества плотно упакована в звездах, а те в галактиках, все же и вблизи нас реликтовое излучение может испытать заметное искажение спектра в том случае, если его лучи по пути к Земле проходят сквозь крупное скопление галактик. Обычно такие скопления заполнены разреженным, но очень горячим межгалактическим газом, имеющим температуру около 100 млн К. Рассеиваясь на быстрых электронах этого газа, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (все тот же обратный комптон-эффект) и переходят из низкочастотной, рэлей-джинсовской области спектра в высокочастотную, виновскую область. Этот эффект был предсказан Р.А.Сюняевым и Я.Б.Зельдовичем и обнаружен радиоастрономами в направлении многих скоплений галактик в виде понижения температуры излучения в рэлей-джинсовской области спектра на 1–3 мК. Эффект Сюняева – Зельдовича был открыт первым среди эффектов, создающих анизотропию реликтового излучения. Сравнение его величины с рентгеновской светимостью скоплений галактик позволило независимо определить постоянную Хаббла (H = 60 ± 12 км/с/Мпк).
В последнее время проводится и планируется много экспериментов по измерению амплитуды флуктуаций реликтового излучения в различных угловых масштабах – от градусов до секунд дуги. Различные физические явления, происходившие в самые первые мгновения жизни Вселенной, должны были оставить свой характерный отпечаток в приходящем к нам излучении. Теория предсказывает определенную зависимость между размерами холодных и горячих пятен в интенсивности реликтового излучения и их относительной яркостью. Зависимость очень своеобразная: в ней заключена информация о процессах рождения Вселенной, о том, что происходило сразу после рождения, а также о параметрах сегодняшней Вселенной.
Угловое разрешение первых наблюдений – в экспериментах «Реликт-2 и COBE – было очень плохое, примерно 7 ° , поэтому информация о флуктуациях реликтового излучения была неполной. В последующие годы такие же наблюдения проводились с помощью как наземных радиотелескопов (в нашей стране для этой цели используется инструмент РАТАН-600 с незаполненной апертурой диаметром 600 м), так и радиотелескопов, которые поднимались на воздушных шарах в верхние слои атмосферы.
Владимир Сурдин
Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975
Космология: теория и наблюдения. М., 1978
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981
Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной. М., 1982
Сюняев Р.А. Микроволновое фоновое излучение. – В кн.: Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М., 1986
Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. М., 1988
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990
Развивающая: развитие логического мышления путем систематизации фактов; развитие наблюдательности; формирование мировоззрения; развитие познавательной активности; умений делать выводы; применять полученные знания для объяснения явлений.
Воспитательная: развивать речь и умение слушать других, коммуникативные компетенции.
Оборудование: компьютер, интерактивная доска, презентация.
Тип урока: изучение нового материала.
Вид урока: комбинированный.
1. Организационный этап – 1мин.
2. Актуализация знаний учащихся – 5 мин.
3. Изучение нового материала-29 мин.
4. Закрепление изученного – 6 мин.
5. Итоги урока – 1 мин
6. Домашнее задание – 2 мин
7. Рефлексия – 1мин.
- Организационный этап.
- Приветствие.
- Определение отсутствующих.
Проверка домашнего задания в виде интерактивного текста, включающего основные понятия, которые изучены в данной теме, такие как:
1. Раздел астрономии, занимающийся изучением строения Вселенной и процессов,
происходящих в ней, называется:
а) космогонией б) космологией в) космонавтикой г) астрофизикой
2. Соотнесите термины, указанные буквами и определения, указанные цифрами:
а) Вселенная б) Метагалактика в) Галактика г) Звездная система; 1) Самая большая наблюдаемая, нестационарная, постоянно эволюционирующая,
расширяющаяся система, не имеющая центра расширения
2) Материальная система, безграничная в пространстве и развивающаяся во времени
3) Вращающаяся система, имеющая в центре мощный источник нетеплового излучения
(не связанный с нагретым газом)
4) Вращающаяся система, имеющая в центре мощный источник теплового излучения
3. Выберите главные космологические признаки Вселенной:
а) анизотропность б) изотропность в) неоднородность г) однородность
Ключ к тесту: 1. б) 2. а – 2), б – 1), в – 3), г – 4) 3. б), г)
Вспомним, что по современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия – термоядерные реакции. Слайд 3.
Существует гипотеза, что около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.
Проверьте это предположение. (Работа с учебником Стр.132)
а) Известно, что каждую секунду в недрах Солнца в термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода выделяется энергия
б) При образовании одного ядра гелия выделяется энергия
в) Поэтому каждую секунду в Солнце образуется N = 10 38 ядер атомов гелия, или
m = 6,7 10 11 кг гелия.
г) Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной
t = 1,3 10 10 лет = 3,9 10 17 с,
д) легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звездах (10 11 звезд) за это время:
М = 6,7 10 11 кг/с . 10 11 . 3,9 10 17 с = 2,6 10 40 кг.
Вывод: Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики 2 · 10 41 кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.
Исходя, из этого, в 1946 году астрофизик Г.А.Гамов пришел к выводу, что основная масса гелия образовалась не в звездах, а на ранних стадиях расширения Вселенной, еще до формирования в ней звезд.
Учитывая то, что гелий может образовываться только в термоядерных реакциях при температуре свыше нескольких миллионов кельвинов, то на ранних этапах расширения
Вселенная была не только плотной, но и горячей. Слайд 5. Поэтому принятая в настоящее время модель расширяющейся Вселенной получила название модели горячей Вселенной . Слайд 6.
Время, прошедшее с момента Большого Взрыва
Рождение классического пространства-времени
Вселенная начинает расширяться, появляются возмущения плотности, из которых потом образуются скопления галактик. Появляется барионная асимметрия
начиная с 10 –36 c
Вещество и излучение находится в равновесии. На каждый барион приходится 10 9 фотонов
вплоть до 10 –4 c
Аннигиляция частиц и античастиц с образованием квантов излучения
Образуются протоны и нейтроны. Синтез ядер водорода и гелия, а также лития и берилия
Стадия рекомбинации водорода
Вещество становится прозрачным. Образование реликтового излучения
1 с – 1 000 000 лет
Начало возникновения звезд и галактик
Существование галактик и звезд. Расширение Вселенной продолжается
15–20 миллиардов лет
Известные нам законы физики начали действовать с момента t в = 10 -43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G , постоянной Планка h и скоростью света с , когда размеры Вселенной составляли R в = 10 31 м при плотности материи ρ в =10 74 –10 94 г/см 3 с температурой Т в = 1,3 × 10 32 К.
При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р=р×с 2 породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума. Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту t в = 10 -36 с полностью выделилась в форме рождения частиц; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась.
Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик. По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10 9 К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар.
Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых "возмущений плотности", а старые сгустки продолжали рассасываться.
Через 10 12 с после Большого Взрыва началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - реликтовое излучение. Слайд 8.
Которое открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Слайд 9.
Слайд 10. За это открытие ученые в 1978 году получили Нобелевскую премию.
- Закрепление изученного материала.
- Объясните, почему современная модель расширяющейся Вселенной названа моделью горячей Вселенной?
- Что такое реликтовое излучение?
- Оценка деятельности.
- Домашнее задание.
§ 36 Вопросы и задания стр.133
2. Мультимедийная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г.
4. Презентация, сделанная с использованием учебника Чагурина В.М. и картинок из Яндекса.
Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии - модели "горячей Вселенной".
В этой модели основное внимание переносится на состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным.
С построением моделей "горячей Вселенной" в космологии наряду с законами тяготения активно применяются законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика.
Модель горячей Вселенной получила эмпирическое подтверждение в 1965 году в открытии реликтового излучения американскими учеными Пензиасом и Уилсоном.
Реликтовое излучение - одна из составляющих общего фона космического электромагнитного излучения. Реликтовое излучение равномерно распределено по небесной сфере и по интенсивности соответсвует тепловому излучению абсолютно черного тела при температкур около 3К.
Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось - кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К. Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим взрывом.
В основе современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной: во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны. Это утверждение об однородности и изотропности Вселенной часто называют космологическим постулатом.
В теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели Вселенной: открытая и замкнутая.
В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели рассотяния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают.
В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием.
На основании имеющихся наблюдательных данных нельзя сделать никакого выбора между открытой и замкнутой моделями. Эта неопределнность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения) - величину не достаточно определенную по данным наблюдений.
В моделях однородной изотропной Вселенной выделяется ее особое начальное состояние - сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение.
Значение постоянной Хаббла (вернее, параметра Хаббла) определяет время, истекшее с начала расширения Вселенной, которое сейчас оценивается в 10-20 млрд. лет.
Современная космология рисует картину Вселенной вблизи сингулярности. В условиях очень высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но даже и атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь разных элементарных частиц.
Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение ее физических параметров в процессе расширения.
Из этих уравнений следует, что начальные высокие плотность и температура быстро падали.
Общие законы физики надежно проверены при ядерных плотностях, а такую плотность Вселенная имеет спустя 10-4с от начала расширения. Следовательно, с этого времени от состояния сингулярности физические свойства эволюционирующей Вселенной вполне поддаются изучению (в ряде случаев эту границу отодвигают непосредственно к сингулярности).
В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая завершилась уже к моменту t около 10-36 с. Эту стадию расширения Вселенной назвали инфляционной. На этой стадии, когда температура была невероятно высока (больше 1028 К), Вселенная расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась постоянной.
До момента рекомбинации, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в эпоху, предшествующую рекомбинации. На сегодняшний день это можно сделать с помощью теоретических моделей.
Вначале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии фотонов хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц. При температуре 1013 К во Вселенной рождались и гибли (аннигилировали) пары различных частиц и их античастиц. При понижении температуры до 5х1012 К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те из них, для которых "не хватило" античастиц. Фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы. Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих "избыточных" протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной.
При температуре 2х1010 К с веществом перестали взаимодействовать нейтрино - от этого момента должен был остаться "реликтовый фон нейтрино", обнаружить который, возможно, удастся в будущем.
Спустя несколько секунд после начала расширения Вселенной началась эпоха, когда образовались ядра дейтерия, гелия, лития и бериллия - эпоха первичного нуклеосинтеза. Продолжалась эта эпоха приблизительно 3 минуты. Ее результатом в основном стало образование ядер гелия. Остальные элементы, более тяжелые, чем гелий, составили ничтожно малую часть вещества.
Определение химического состава (особенно содержание гелия, дейтерия и лития) самых старых звезд и межзвездной среды молодых галактик является одним из способов проверки выводов теории горячей Вселенной.
После эпохи нуклеосинтеза (t около 3 мин.) и до эпохи рекомбинации (t около 106 лет) происходило спокойное расширение и остывание Вселенной.
Читайте также: