Інформація про новину
  • Переглядів: 298
  • Дата: 17-06-2020, 03:33
17-06-2020, 03:33

29. A világegyetem. A világegyetem keletkezése és fejlődése. az univerzumról alkotott elképzelések fejlődésének története. A kozmológia megfigyelhető alapjai

Категорія: Tankönyvek magyar » Csillagászat





Попередня сторінка:  28. Csillagrendszerek - galaxisok. A galaxisok világa
Наступна сторінка:   30. Az ember a világegyetemben. A földöntúli élet keresése

1. Galaxishalmazok. A galaxisok a csillagokhoz hasonlóan csoportokat és halmazokat alkotnak. Ismeretes, hogy a látható Világegyetemben összesen 100-200 milliárd galaxis található. A Tejútrendszer, Androméda-köd és közel 50 szomszédos galaxis együttesen alkotják azt a több száz kiloparszek átmérőjű galaxishalmazt, amely a Lokális galaxiscsoport nevet viseli.

A galaxishalmazok galaxis-rendszereket alkotnak, amelyek akár ezer galaxist is tartalmazhatnak, és méreteik meghaladhatják a néhány megaparszeket. A legközelebbi, körülbelül 5 Mpc átmérőjű, nagy galaxishalmaz a szabálytalan alakú Virgo-halmaz, amely a Szűz csillagkép irányában figyelhető meg. Távolsága közel 20 Mpc. Nevét onnan kapta, hogy az égbolton megfigyelhető részének középpontja a Szűz (Virgo) csillagképben van (7.12. ábra).

Hatalmas elliptikus és spirális galaxisok alkotják, köztük a Virgo A rádiógalaxis, a spirális Sombrero galaxis (7.13. ábra).

A legnagyobb ismert távolsággal (5200 Mpc) rendelkező galaxishalmaz a Bereniké Haja csillagképben látható. Legfényesebb galaxisait csak a legnagyobb teleszkópokkal lehet elkülöníteni. A 30-60 Mpc nagyságú, galaxishalmazokból álló rendszereket, amelyek akár 10 galaxishalmazt is magúkban foglalhatnak, szuper-halmazoknak nevezzük.

A Virgo-halmaz egy szuperhalmaz, a La-niakea központi sűrűsödésében helyezkedik el, amelynek tagja a Lokális galaxiscsoport is. Napjainkra a Lokális csoportban közel 60 galaxist, a lokális szuperhalmazban pedig 100 000 galaxist fedeztek fel. A galaxisok szuperhalmazai és halmazai szálas szerkezeteket alkotnak a térben, amelyek a méhsejt rácsra emlékeztetnek (7.14. ábra).

Az üres „szigetek” mérete közel 100-150 Mpc, a „szálak” vastagsága közel 10 Mpc. Az anyag átlagsűrűsége a „szálakban” közel 1СГ24 kg/m3. A Világegyetem nagy léptékű szerkezete sejtes felépítésű. 300 Mpc feletti léptékben a világos anyag átlagos sűrűsége 3 ■ 1СГ28 kg/m3. Ez az érték megegyezik a világos anyag átlagos sűrűségével a Világegyetem teljes megfigyelhető részében, tehát nagy léptékben az Univerzum homogén.

2. A Világegyetem tágulása. A megfigyelt, különböző típusú galaxisok és halmazaik összessége, a kvazárok és a galaxisközi anyag együttesen alkotják a Világegyetemet. Az Univerzum egyik fő tulajdonsága az állandó tágulása, a galaxishalmazok „szétszóródása”, amelyet a galaxisok színképében megfigyelhető vöröseltolódás bizonyít. A Világegyetem a megközelítőleg homogén és izotróp tágulás állapotában van. A Világegyetem izotróp (tetszőleges irányba nézve ugyanolyan) és homogén (bármely távolságban ugyanolyan). Az egyneműség a tér kitüntetett területeinek hiányáról, az izotrópia a kitüntetett irány hiányáról tanúskodik. Azt a feltételezést, hogy kellően nagy térfogatot tekintve a Világegyetem homogén és izotróp, kozmológiai elvnek nevezzük.

A Világegyetem tágulásának hipotézisét Einstein általános relativitáselmélete és pontos matematikai számítások alapján Alekszand Friedmann (1888-1925) orosz fizikus és matematikus fogalmazta meg 1922-ben.

Einstein egyenleteinek első nem statikus megoldásai, melyeket a tudós 1922-1924-ben kapott az Univerzum relativisztikus modelljeinek tanulmányozása során, megalapozták a nem statikus Világegyetem elméletét. A tudós nem statikus, egynemű, izotróp modelleket vizsgált, pozitív görbületű térrel, amelyben egyenletesen oszlik el az anyag (nulla nyomással). A modellek instabilitása a görbületi sugár és a sűrűség időfüggésével írható le, ahol a sűrűség fordítottan aránylik a görbületi sugár köbéhez. Friedmann megmagyarázta a modellek viselkedését a gravitációs egyenletek határain belül, ráadásul külön esetnek bizonyult Einstein stabil Univerzum modellje. Nem értett egyet azzal, hogy az általános relativitáselmélet megköveteli a véges Univerzum létezését. Friedmann eredményei megmutatták, hogy Einstein egyenletei nem vezetnek egy egységes Világegyetem modellhez, bármekkora értéket is vegyen fel a kozmológiai állandó. A homogén, izotróp Világegyetem modelljéből következik, hogy a tágulása során a távolsággal arányos vöröseltolódás figyelhető meg. Ezt csillagászati megfigyelései alapján igazolta E. Hubble 1929-ben: a megfigyelt galaxisok színképében a vonalak eltolódtak a színkép vörös területei felé, ami a távolodásukra utal.

Friedmann számításaiból három lehetséges végkifejlet következik: a Világegyetem és vele együtt a tér időben tágul; bizonyos idő elteltével a Világegyetem elkezd

összehúzódni; hatalmas időközönként ismétlődnek a Világegyetem tágulásának és összehúzódásának folyamatai. Felmerül a kérdés: a három változat közül melyik valósul meg a mi Világegyetemünkben? A választ kizárólag azok a csillagászati megfigyelések adhatják meg, amelyek az anyag jelenlegi átlagos sűrűségének meghatározását célozzák, és pontosítják a Hubble-állandó értékét. Miért fontos ismernünk ezeknek az állandóknak a minél pontosabb értékét ?

A jelenlegi becslések szerint a Világegyetem anyagának sűrűsége megközelített egy kritikus értéket: vagy egész kicsit nagyobb, vagy egész kicsit kisebb (mivel még nem oldódott meg véglegesen a galaxisközi gáz és „rejtett tömeg” kimutatásának kérdése). Ha a Világegyetem anyagának tényleges átlagos sűrűsége meghaladja a kritikus értéket, a tágulást felváltja az összehúzódás, amennyiben kisebb, a tágulás folytatódik.

A Hubble-állandó lehetőséget ad arra, hogy meghatározzuk, mennyi ideje tágul a Világegyetem. Megállapították, hogy ez az idő nem kevesebb, mint 10 milliárd, és nem több mint 19 milliárd év. A Világegyetem legvalószínűbb kora közel 15 milliárd év. Ez az érték megfelel a legidősebb csillagok korának.

3. A forró Univerzum modell. A modern csillagászati világkép alapján a Világ-egyetem keletkezését a forró Univerzum modell szemlélteti. Ennek megfelelően a tágulás korai szakaszaiban a Világegyetemet nemcsak nagy sűrűség, de nagyon magas hőmérséklet is jellemezte. A forró Univerzum hipotézist George Lemaitre (1894-1966) belga katolikus pap, csillagász és matematikus, valamint George Ga-mow (1904—1968) ukrán származású amerikai elméleti fizikus, kozmológus fogalmazták meg. A hipotézis a Nagy Bumm (ősrobbanás) elnevezést kapta.

Az elmélet szerint a Világegyetem spontán keletkezett egy végtelenül kicsiny, sűrű és forró térrészből az ősrobbanást követően. Az anyag ősrobbanás előtti állapotát szingularitásnak nevezzük. A Világegyetem tágulását nem tekinthetjük úgy, mint a szupersűrűségű anyag szétterjedését a környező térbe, mert az nem létezett. A Világegyetem - minden, ami létezik. Az Univerzum anyaga már az első pillanattól egyneműen betöltötte az egész végtelen teret. A Világegyetem tágulásának kiváltó okai még mindig nem ismertek. A tágulás ütemében a hőmérséklet a nagyon magastól a nagyon alacsonyig csökkent, megteremtve a kedvező feltételeket a csillagok és galaxisok kialakulásához.

Friedmann modelljei alapján leírhatjuk az ősrobbanás után közvetlenül történteket, így az anyag fejődésének szakaszait is. Már 3 perccel az ősrobbanást követően véget ért a korai Világegyetem kialakulása, és elkezdődött a protonok és neutronok egyesülése atommagokká. Ezt közel 500 ezer évig lassú lehűlés követte. Amikor a Világegyetem hőmérséklete elérte a közel 3 000 fokot, a hidrogén és hélium atommagok képesekké váltak szabad elektronok befogására, így semleges atomokká alakulhattak.

A tágulás kezdete után egymillió évvel beköszöntött az anyag korszaka, amikor a forró, főleg hidrogén-hélium plazmából elkezdődött a ma ismert világunk változatosságának kialakulása.

A Világegyetem egyenetlenségei, amelyekből később kialakultak a ma ismert szerkezeti elemek, jelentéktelen, véletlenszerű változásokból (fluktuációkból) jöttek létre. Ezek a folyamatok megerősödtek abban az időszakban, amikor az ionizált gáz semlegessé kezdett válni, azaz amikor a sugárzás „különvált” az anyagtól.

Miután az anyag „átlátszóvá” vált az elektromágneses sugárzás számára, elkezdték kifejteni hatásukat a gravitációs erők. Ezek az erők felülmúltak minden más kölcsönhatást a Világegyetem legnagyobb részét alkotó, csaknem semleges anyag tömegei között. A gravitációs erők hatására alakultak ki a galaxisok, csillag-halmazok és bolygók.

Mi a Világegyetem sorsa? A majdani Világegyetemnek két elméleti modellje létezik - a zárt és a nyitott. A zárt modell szerint a Világegyetem egy hatalmas zárt rendszer, amely korlátlan számú fejlődési cikluson megy át. A tágulási szakaszt követi az összeomlás a szingularitásba, majd újra robbanás, és í. t. A Világegyetem tágulásának és összeomlásának teljes ciklusa közel 100 milliárd évig tart. Minden alkalommal, amikor a Világegyetem összeomlik a szingularitásba, „elveszíti az emlékezetét” az előző állapotról, és képes teljesen új paraméterekkel és fizikai állandókkal „újjászületni”.

A nyitott modellekben a Világegyetem „hőhalálának” különböző változataitvizsgálják. Előreláthatóan 1014 év elteltével a csillagok többsége kihűl, ennek következtében a bolygók elszakadnak csillagaiktól, a csillagok pedig elhagyják galaxisaikat. Ezután a galaxisok központi területei összeomlanak, fekete lyukat hozva létre, így megszűnnek létezni.

KÉRDÉSEK A TANULTAKHOZ

1. írjátok le a galaxisok térbeb eloszlását a Világegyetemben! Müyen korúak a galaxisok és csillagok?

2. Mi a lényege a táguló Világegyetem elméletének?

3. Milyen következtetésre jutott Friedmann a Világegyetem stabilitásával kapcsolatban?

4. Mit értünk a Világegyetem kritikus sűrűségén? Milyen összefüggés áll fenn a Jpdtikus sűrűség és a Világegyetem tágulása vagy összehúzódása között?

5. írjátok le a forró Univerzum modellt!

6. írjátok le a Világegyetem fő fejlődési szakaszait!

7. Mit értünk a Világegyetem zárt és nyitott modelljein?

OLDJUK MEG EGYÜTT!

1. feladat. Egyes kozmológiai modellek feltételezik, hogy a teljes Világegyetem sokkal nagyobb, mint a megfigyelhető része. Milyen következtetéseket vonhatunk le ebből?

Megoldás. Elméletileg a megfigyelhető Világegyetem határa eléri a kozmológiai szingularitást, viszont a gyakorlati határt a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás jelenti. Ez a sugárzás (pontosabban az utolsó szóródási felület) a korszerű tudomány által tanulmányozható legtávolabbi objektum a Világegyetemben. Napjainkban az utolsó szóródási felület méreteit tekintve úgy változik, hogy tágulnak a Me-tagalaktika határai, és növekszik a Világegyetemben megfigyelhető anyag tömege.

A megfigyelhető Világegyetemet egy gömbként képzelhetjük el, a megfigyelővel a közepében. A megfigyelhető Világegyetem mérete fényévekben kifejezve megfelel a tér egyenletes terjedési korának, és egyenlő a 13-tól 18 milliárd fényévig terjedő sugárral. Az utolsó elismert számítások 13,4-15 milliárd fényév értéket adnak.

2. feladat. Nevezzétek meg a Világegyetem fejlődésének három lehetséges változatát Friedmann elmélete szerint!

1 A lehetséges sorsok: 1) Nagy Reccs — a Világegyetem gravitációja erősebb, mint az ősrobbanásból származó erő, ezért a tágulás megáll, és a visszájára fordul; az Univerzum egyre forróbb és sűrűbb lesz, végül szingularitássá omlik össze, amelyből akár új Világegyetem is keletkezhet; 2) Nagy Fagy - a Világegyetemben túl kevés anyag van jelen, ezért a gravitáció nem tudja megállítani a tágulást; bár a tágulás lassul majd, a galaxisok szétesnek, a csillagok kihunynak, s végül az atomok is alkotóelemeikre esnek szét; 3) Módosított Nagy Fagy — ha nem változik a Világegyetemben a sötét energia által képviselt erő, a tágulás üteme felgyorsul, a galaxisok egyre távolabb kerülnek, s az Univerzum sorsa elkerülhetetlenül a Nagy Fagy; 4) Nagy Szakadás — ha a sötét energia tovább gyorsítja a tágulást, évmilliárdok múlva a gravitáció mellett az atomok között és azokon belül ható erőket is felülmúlja; az anyag egy kataklizmikus Nagy Szakadás formájában szétszakad, és az idő is véget érhet.

Megoldás. Friedmann elmélete szerint a Világegyetem fejlődésének három lehetséges változata létezik: zárt, nyitott és pulzáló Világegyetem. A közös bennük az, hogy egy bizonyos időpontban a múltban (10 vagy 20 milliárd éve) a távolság

a Világegyetem objektumai között nulla volt. Ebben, a Nagy Bummnak nevezett pillanatban a Világegyetem sűrűsége és a tér görbülete végtelenül nagy volt, ezért a Világegyetemnek egyetlen pontnak kellett lennie, amit a matematikusok szingulárisnak neveznek. Ebben a pontban a fizikai törvények elvesztik hatásukat, ezért vizsgálhatjuk úgy, mint egy új fizikai valóság matematikai megjelenését. A kozmikus anyag átmenetének folyamata ebből a pontszerű állapotból a tágulás állapotába maga a Nagy Bumm. Ettől a pillanattól veszi kezdetét a Világegyetem történelme.

3. feladat. Magyarázzátok meg, hogyan határozható meg a galaxisok távolsága spektroszkópiai megfigyelések alapján!

Megoldás. Hubble megállapította, hogy összehasonlítva a mozdulatlan objektumok színképével, az ismert galaxisok színképének vonalai eltolódtak a vörös tartomány felé. A megfigyelések alapján sikerült felállítani a galaxisok távolsága és távolodási sebessége közötti összefüggést:!; = Hr, ahol H= 75 km/(s • Mpc) - a Hubb-

le-állandó. Ezzel együtt:

hullámhosszúságú színképvonal

eltolódása; c - a fény sebessége légüres térben. Végül megkapjuk:

FELADATOK ÉS GYAKORLATOK

7.1. Hányszor kerülte meg létezése alatt a Nap a galaxis középpontját?

7.2. Határozzátok meg a csillag térbeli sebességét, ha a radiális és tangenciális sebesség-összetevők modulusai rendre 30 és 25 km/s! Készítsetek rajzot!

7.3. Milyen csillagok találhatók a Galaktika síkjában?

7.4. Milyen lehet a galaxisok szerkezete?

7.5. Hogyan határozható meg egy galaxis távolsága Hubble törvénye segítségével?

7.6. Végbemehet-e galaxisok ütközése?

7.7. Mit nevezünk galaktikus évnek, és mennyi a Nap kora galaktikus években kifejezve?

7.8. A csillagos égbolton sötét ködöket figyelünk meg. Minek köszönhetően láthatjuk őket, annak ellenére, hogy nem sugároznak látható fényt?

7.9. Hogyan lehet a színképeik segítségével megállapítani a kvazárok távolságát?

7.10. Hogyan határozható meg a galaxisok távolsága a szupernóvák kitörései segítségével?

7.11. Mit nevezünk kozmikus háttérsugárzásnak?

7.12. Melyik világűrből érkező sugárzást láthatjuk csukott szemmel?

7.13. Melyik világűrből érkező sugárzás tanúskodik a Nagy Bummról?

7.14. Mi a zárt Világegyetem sorsa?

7.15. Mi vár a jövőben a nyitott Világegyetemre?

7.16. Milyen eseménnyel kezdődött a Világegyetem tágulása?

7.17. Miről tanúskodik a Világegyetem kozmikus háttérsugárzása?

7.18*. A galaxis 100 millió pc távolságban található. Határozzátok meg, mennyi idő alatt éri el a fénye a Földet!

7.19*. Miért nem a korai Világegyetemben ment végbe a nehéz kémiai elemek kialakulása, hanem jelenleg zajlik a csillagok magjában?

7.20*. Mekkora sebességgel távolodik tólünk a galaxis, ha 109 fényév távolságra van a Földtől?

ELLENŐRIZD A KÉSZSÉGEDET!

Ellenőrző kérdések

1. Milyen kémiai elemekből keletkezett a legnagyobb mennyiség a Világegyetemben, és azok mikor jöttek létre?

2. Homogén-e a Világegyetem?

3. Véges vagy végtelen-e a Világegyetem?

4. Mennyi a Világegyetem kora?

5. Milyen szerves anyagokat fedeztek fel a világűrben?

Amit tudok, és amire képes vagyok

• Tudok csillagászati feladatokat megoldani

1. Napjainkban az ősrobbanás következményeként megfigyelhető egy tény — a galaxisok távolodása. Miért nem távolodnak egymástól egy konkrét galaxis határain belül a csillagok?

2. Egy nagyon távoli galaxis színképében nagyon fényes vonalakat figyeltek meg a spektrum kék tartományában, amelyek a földi laboratóriumokban, ebben a színképtartományban nem láthatók. Miről tanúskodik a megfigyelt jelenség?

• Tudom, mi megy végbe a Világegyetemben

3. Milyen „kozmikus vendégnek” állítottak a világon egyedülálló emlékművet, és melyik űrlény sajátságos emlékmű?

4. Mikor nem lesznek galaxisok a Világegyetemben?

5. Visszafordítható-e az anyag fejlődésének folyamata a Világegyetemben?

TESZTFELADATOK

1. A galaocis görög szó jelentése:

A Sófuvarosok (csumákok) Útja В ezüst út C fekete út D nagy út E Tejút

2. Mi található a Galaktika magjában?

A csillaghalmaz В fekete lyuk C vörös óriás D fehér törpe E fekete felhő

3. A galaktikus év egyenlő:

A a Galaktika tengelyforgási periódusával В a Nap keringési periódusával a Galaktika középpontja körül C a fény által az Androméda-galaxisig megtett távolság D a Galaktika keringési periódusa a Világegyetem középpontja körül E a Galaktika gömbösszetevőjét alkotó csillagok keringési periódusával a Galaktika középpontja körül

4. A Nagy Fal kifejezés jelentése a csillagászatban:

A új csillagok és bolygórendszerek kialakulása

В nagy galaxishalmazok a Szűz és Bereniké Haja csillagképek irányában C a galaktikus civilizációk által létrehozott védelmi létesítmények

D gáz- és porhalmaz a galaxisközi térben

E az ismeretlen sötét anyag halmaza, amely elnyeli a távoli galaxisok fényét

5. Hubble törvénye szerint a galaxisok minden irányban távolodnak. Mi található a távolodás középpontjában?

A a Föld

В a Tejútrendszer

C az M31 galaxis az Androméda csillagképben D galaxishalmaz a Szűz csillagképben

E nincs középpont, mert a végtelen Világegyetemben nincs középpont és környező területek

6. Mit jelent a csillagászatban a Nagy Bumm kifejezés?

A nova kitörése В galaxismag kitörése C galaxisok ütközése

D a kozmikus tér tágulásának első pillanata E a galaxisok keletkezésének pillanata

7. Mikor történt az Ősrobbanás?

A 10 éve В 2003 éve C і. e. 1 000 000 évvel D і. e. 1 milliárd évvel E i. e. 15 000 000 000 évvel

8. Mikor keletkezett a Naprendszer?

A i. e. 6000 évvel В і. e. 100 000 évvel C і. e. 1 000 000 évvel D i. e. 5 milliárd évvel E i. e. 15 milliárd évvel

9. A világűr melyik részében ment végbe az Ősrobbanás?

A az Univerzum közepében

В a Tejútrendszer magjában

C a Szűz csillagképben levő galaxishalmazban

D mindenhol, mert a galaxisok nem a Világegyetemhez viszonyítva mozognak

E egy másik dimenzióban a Világegyetem határain túl

10. Mennyi a Világegyetem átlaghőmérséklete?

A 0 °С В0К C-270 °С D2,7K E-300 °С F 300 K

Talán nincs semmi más, ami jobban foglalkoztatná az embert, mint az élet és értelem keresése a Világegyetemben. Az emberiség nem lelhet teljes nyugalomra, amíg meg nem fejti származása titkát. Ehhez azonban meg kell ismerni az Univerzum születésének rejtélyeit, az élet eredetét, és megérteni az elme működését. A csillagászok és fizikusok a Világegyetem keletkezését és fejlődését vizsgálják. A biológusok és pszichológusok az élőlényeket tanulmányozzák, és az elme titkait kutatják. Az élet eredetét azonban mindenki, köztük csillagászok, fizikusok, biológusok, kémikusok szeretnék megismerni. Sajnos csak egyetlen életformát ismerünk - a fehérje alapú életet, és egyetlen helyet, ahol ez az élet létezik - a Föld bolygót. Ha felfedeznénk más lakott bolygókat, hamarabb megfejthetnénk az élet keletkezésének rejtélyét. Főleg ha azokon a bolygókon értelmes élet lenne... Elakad a lélegzetünk, ha csak elképzeljük az első beszélgetést a távoli értelmes lényekkel.

 

Ez a csillagászat tankönyve 11. évfolyamának anyaga Szirotyuk, Mirosnicsenko

 



Попередня сторінка:  28. Csillagrendszerek - galaxisok. A galaxisok világa
Наступна сторінка:   30. Az ember a világegyetemben. A földöntúli élet keresése



^