Урок по теме "Звезды. Расстояние до звезд"

Цель урока: Познакомиться с разнообразием мира звёзд и разъяснить принципы определения расстояния до них.

 Образовательные задачи урока:

• познакомиться с разнообразием мира звёзд;
• выяснить принципы определения расстояния до звёзд;
• дать понятие видимой и абсолютной звёздной величине;
• решать задачи на определение расстояний;
• совершенствовать работу по нахождению звёзд на карте.

 Развивающие задачи:

• формировать умение подбирать литературу и выделять главное из большого объёма материала;
• развивать умение работать с аудиторией;
• развивать умение проводить анализ и самоанализ работ учащихся;
• закреплять умение делать презентации по заданной теме с использованием современных информационных программ Microsoft Word, Microsoft Excel, Photoshop, Power Point, Internet Explorer и периферийных устройств.

 Воспитательные задачи:

• продолжить формирование естественнонаучных взглядов;
• прививать эстетический вкус в оформлении работ;
• формировать умение работать в группе;
• продолжить развитие творческих способностей учащихся.

 Оборудование:

• техническое оснащение: компьютеры, мультимедийный проектор, компакт диск с записью музыки, диски с программами.
• программное обеспечение:программы Microsoft Word, Photoshop, Power Point, Internet Explorer, “Открытая астрономия”.
• наглядные пособия: таблица “Звёзды”, демонстрационная карта звёздного неба, подвижные карты звёздного неба (у каждого ученика), выставка творческих работ учащихся (рисунки, рефераты, стихи, отзывы о посещении планетария), презентации учителя и учеников.

 ХОД УРОКА

Посмотрите на звёзды! Посмотрите, посмотрите на небеса!
О, посмотрите на этих огненных жителей неба!
Жерард Менли Хопкинс “Звездная ночь”

1. Постановка целей и задач.

Звезда дрожит среди вселенной…
Чьи руки дивные несут
Какой-то влагой драгоценной
Столь переполненный сосуд?
Звездой пылающей, топиром
Земных скорбей, небесных слёз
Зачем, о господи, над миром
Ты бытиё моё вознёс?

Вы узнали стихи этого человека. Да это Иван Алексеевич Бунин. Его поэзия по праву считается самой звёздной.

В его поэтическом наследии (около 1200 стихотворений) переливается великолепное созвездие ночных, сумеречных стихов, наполненных тишиной и таинственным мерцанием. Никто из русских поэтов не дал столь разнообразного описания звёздного неба.

Что же такое - звезды? Их тайны мы начнём постигать сегодня.

Тема нашего урока: Звёзды. Определение расстояний до звёзд. Д/з.: § 22, вопрос №5 письменно (пояснение к заданию есть в учебнике, и мы рассмотрим его по ходу урока), продолжаем работать над презентациями и рефератами по видам звёзд.

Сегодня на уроке мы:

• начнем знакомиться с разнообразием мира звёзд;
• выясним, как определяется расстояние до звёзд;
• продолжим учиться работать с аудиторией и в группе, проводить самоанализ и анализ работ;
• будем отрабатывать умение работать в Microsoft Excel.

Для этого вы будете:

• по карте находить звёзды;
• решать задачи;
• сравнивать звёздные величины и блеск звёзд;
• просмотрите презентацию ребят и оцените её;
• ответите на вопросы теста.

 2. Изучение нового материала.

Звезды — огромные пылающие шары, расположенные за пределами земной атмосферы на расстоянии в триллионы километров. На протяжении многих столетий астрономов волновала сложная задача определения расстояний до звезд.

Еще Н. Коперник понимал, что расстояния до звезд можно вычислить, если удастся измерить их годичное параллактическое смещение, вызываемое обращением Земли вокруг Солнца. Но в эпоху Коперника не было даже простейших телескопов, а невооруженным глазом параллактические смещения звезд не обнаруживаются.

Первые попытки обнаружить параллактическое смещение были предприняты английским астрономом Дж. Брадлеем (1693–1762), который с середины декабря 1725 г. по декабрь 1726 г. систематически измерял зенитное расстояние звезды гамма Дракона (2,4Т) в моменты ее верхней кульминации, надеясь таким образом обнаружить ее параллактическое смещение, но это сделать Брадлею не удалось.

Лишь через сто с лишним лет, в 1835–1837 гг., астрономическая техника “доросла” до измерения столь малых величин. Первые измерения расстояний до звезд в России сделаны Василием Яковлевичем Струве и почти одновременно произведены в Германии.

Измерение параллактического смещения звезд хотя и очень трудоемко, но является самым надежным, фундаментальным способом определения их расстояний.

Существуют и другие способы определения расстояний:

• зная абсолютную и видимую звёздную величину;
• по изменениям собственных движений звёзд;
• по анализу спектра звезды;
• по периоду изменения блеска цефеид, но их мы рассмотрим по мере изучения материала.

Итак, рассмотрим подробнее 1 способ. В нём тщательно измеряется положение звезды по отношению к другим звездам. Наблюдателю кажется, что по мере движения Земли вокруг Солнца близкие звезды перемещаются вперед и назад на фоне более отдаленных звезд.

На рисунке показаны положения Солнца (С), Земли (Т1 – Т4), звезды (S) и видимые положения ее на небе (S1 – S4). Через 6 месяцев, когда земные телескопы переместятся в диаметрально противоположную точку орбиты Земли, проводится повторное измерение положения звезды.

Смещения звезд очень малы. Например: Ближайшая соседка Солнца — слабенькая звездочка из созвездия Центавра, Проксима, что с греческого значит “ближайшая”, смещается на 1,5".

Чтобы представить себе эту величину, нужно воткнуть на расстоянии 1 мм друг от друга две булавки и привязать к каждой по нитке. Отойти от булавок на 130 м и соединить свободные концы ниток. Угол, образовавшийся при этом между двумя нитками, и будет равен 1,5" дуги.

Итак, для определения расстояние до звезды используется половина параллактического смещения, т.е. годичный параллакс.

 Годичный параллакс (π)  - угол, под которым со звезды был бы виден средний радиус земной орбиты (а), расположенный перпендикулярно направлению на звезду.

Параллаксы звёзд очень малы, поэтому синусы углов можно заменить самими углами, выразив их в радианах.

На протяжении почти двух лет Струве определял параллактическое смещение яркой звезды Веги (a Лиры), а по нему вычислял расстояние до Солнца. Он нашел, что параллакс Веги составляет 0,123" и расстояние равно 1 650 000 а.е., а для самой близкой звезды Проксима расстояние равно 275 000 а.е..

Большие числа могут привести к ошибкам в вычислениях, поэтому для измерения расстояний до звезд введена специальная единица длины, названная парсеком. Парсек - расстояние до звезды, которое соответствует параллаксу в 1". Парсек – от слов “параллакс” и “секунда”.

1 пк = 206265 а.е.

r = 1/π

Таким образом, по годичному параллаксу и формуле расстояние вычисляется в парсеках, а затем уже переводится в световые года.

Рассмотрим соотношение между единицами.

Для измерения больших расстояний, используются более крупные единицы:

1 килопарсек (кпк) = 103 пк и 1 мегапарсек (Мпк) = 106 пк.

В литературе и реже — в науке расстояния до звезд выражаются также в световых годах (св. г.), показывающих, за сколько лет свет, излученный объектом, достигает Земли или Солнца (что по расстоянию одинаково).

 Световой год — это путь, проходимый светом за 1 год.

1 а.е. = 1,496 – 108 км

1 пк = 206265 а.е. = 3,08 – 1013 км

1 св.год = 9,46 – 1012 км

1 пк = 3,26 св.лет

 Решение задач

 Рассматривается решенная задача в учебнике.

Самостоятельное решение в Microsoft Excel следующей задачи.

 Параллакс Проциона равен 0,28". Сколько времени идет свет от этой звезды до Земли?

Работа с программой “Открытая астрономия”

Начиная знакомство со звёздным небом, мы выяснили, что яркость звёзд неодинакова. Ещё астрономы древности использовали такое понятие, как “звёздная величина”.

Откройте программу “Открытая астрономия”. Прочтите материал. Выясните: что такое видимая и абсолютная звёздная величина? Как эти величины связаны? На модели посмотрите, какую абсолютную и видимую звёздную величину имеют небесные тела. Выясните, как определить расстояние, зная абсолютную и видимую звёздные величины?

(Обсуждение вопросов, запись формулы в рабочую тетрадь.)

В домашнем задании, подставив в формулу звёздные величины, вы найдёте расстояние до звезды.

 Работа с таблицей “Основные сведения о наиболее ярких звездах”

Откройте учебник на стр. 217. Используя таблицу “Основные сведения о наиболее ярких звездах”, сравним яркость звезд.

Во сколько раз Вега ярче Полярной звезды? (6,3 раза)

Во сколько раз Арктур (a Волопаса) ярче Антареса (a Скорпиона)? (2,5 раза)

Во сколько раз Сириус (a Большого Пса) ярче Регул (a Льва)? (16 раз)

Выступление с презентацией

 Получить дополнительную информацию о звёздах мы сможем из презентации, которую приготовили ребята, а подробнее изучим материал на последующих уроках.

Откройте критерии оценки презентации и проставьте баллы за работу над презентацией. (Приложение 1)

Какую оценку получили ребята? Что понравилось? Ваши пожелания.

 3. Закрепление новых знаний.

Проверка усвоения материала (тест)

1. Какие единицы используют при измерении расстояний до звезд?

А. Световой год.

Б. Парсек.

В. Годичный параллакс.

2. Парсек — это ... (выберите правильное утверждение)

A. ... расстояние, которое свет проходит в течение года.

Б. ... расстояние, равное большой полуоси земной орбиты.

B. ... расстояние, с которого большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1".

3. Годичный параллакс звезды — это …

A. ... угол, под которым со звезды можно было бы видеть большую полуось земной орбиты, если она перпендикулярна лучу зрения.

Б. ... угол, под которым со светила виден радиус Земли, перпендикулярный к лучу зрения.

B. ... угол, под которым виден с Земли диаметр Луны, перпендикулярный лучу зрения.

4. Самую низкую температуру имеют ...

A. ... белые звезды.

Б. ... желтые звезды.

B. ... красные звезды.

5. Основными элементами в атмосферах звезд являются ...

 А. ... азот и кислород, как в земной атмосфере.

 Б. ... водород и гелий, как в солнечной атмосфере.

 B. ... молекулярный водород и метан, как в атмосфере планет-гигантов.

 Работа с подвижной картой звездного неба

 Наложив накладной круг на карту, установите вид звездного неба на данное время. Какие из названных звезд можно было бы пронаблюдать на небе?

4. Итог урока.

Эпиграфом к сегодняшнему уроку взяты слова: “Учиться можно только весело… Чтобы переваривать знания, надо поглощать их с аппетитом”. (Франс А.)

Как вы думаете, сегодняшний урок помог нам это сделать?

Конспект урока "Физическая природа звезд"

«Хотел бы я знать, зачем звезды светятся…»

Антуан де Сент-Экзюпери

Простым детским вопросом начинаем ознакомление с физической природой звезд.

Звезда – это массивный газовый шар, излучающий свет и тепло в результате протекания термоядерного синтеза в его недрах. Например, на Солнце происходит серия реакций, которая называется водородным циклом. Важной характеристикой любой звезды является такая величина как светимость (то есть мощность излучаемой энергии). Другие звезды тоже освещают Землю, но из-за огромного расстояния до них, это освещение ничтожно мало, по сравнению с освещением, предоставляемым Солнцем.

Например, согласно измерениям, Полярная звезда создает освещенность на поверхности Земли, равную 4,28×10–9 Вт/м2. Это примерно в 370 миллиардов раз меньше, чем освещенность, создаваемая Солнцем. Однако, следует заметить, что Полярная звезда находится примерно за 132 парсека от нас. Теперь вычислим светимость Полярной звезды уже известным способом:

Подобные измерения показали, что существуют звезды, светимость которых в десятки и сотни тысяч раз больше или меньше чем светимость Солнца. Также, было выяснено, что от температуры поверхности звезды зависит её видимый свет и наличие спектральных линий поглощения тех или иных химических элементов в её спектре. В связи с этим в 1910 году Эйнар Герцшпрунг и независимо от него Генри Рассел предложили классифицировать звезды с помощью специальной диаграммы.

Эта диаграмма получила название «диаграмма спектр-светимость».

Как видно, эта диаграмма разбивает звезды на несколько спектральных классов с соответствующими светимостями и температурами на поверхности. На этой диаграмме светимость звезд выражена в единицах светимости Солнца. Итак, на диаграмме видны, такие группы звезд, как белые карлики, главная последовательность, красные гиганты и сверхгиганты. Что это за звезды? Начнем с главной последовательности, поскольку именно к этой группе звезд относится Солнце. К звездам главной последовательности относятся те звезды, источником энергии в которых является термоядерная реакция синтеза гелия из водорода. В связи с этим, их температура и светимость определяются массой. Светимость звезды главной последовательности можно вычислить, исходя из простой формулы

Красные гиганты – это звезды красного цвета, размеры которых в десятки раз превышают размеры Солнца, а светимости могут в сотни и даже тысячи раз превышать светимость Солнца.

Что касается сверхгигантов – то светимости этих звезд в сотни тысяч раз превышают светимость Солнца, а размеры сверхгигантов в сотни раз больше размеров Солнца.

Отличительной особенностью красных гигантов и сверхгигантов является то, что ядерные реакции протекают уже не в самом центре, а в тонких слоях вокруг очень плотного центрального ядра. В самых внешних слоях ядра, где температура сравнима с температурой в центре Солнца, протекает та же термоядерная реакция: из водорода синтезируется гелий. А вот в более глубоких слоях образуются все более тяжелые элементы. Сначала это углерод, затем кислород. В конце концов, в очень массивных звездах может образоваться железо.

Размеры белых карликов сравнимы с размерами Земли, аих светимость в сотни тысяч раз меньше светимости Солнца. Несмотря на это, белые карлики имеют довольно большую плотность (~ 108 кг/м3). На самом деле, название «белые карлики» не означает, что все звезды этой группы имеют белый цвет. Просто звезды именно этого цвета были открыты значительно раньше звезд других цветов, принадлежащих этой же группе.

Сведем в общую таблицу все то, что было сказано. Существуют семь основных спектральных классов – это O, B, A, F, G, K и M. В этой таблице приведены примеры звезд каждого класса.

Например, звезда Беллатрикс находится в созвездии Ориона и является одной из 26 самых ярких звезд на небе. В древности Беллатрикс входила в число навигационных звезд. Беллатрикс относится к классу O и имеет голубой цвет. А вот Бетельгейзе имеет красный цвет и относится к классу М. Эта звезда является сверхгигантом (она примерно в 1000 раз больше Солнца), а её светимость примерно в 90 тысяч раз превышает светимость Солнца.

Но помимо всех перечисленных классов и групп звезд есть и другие объекты, быть может, еще более интересные. Например, к таким объектам относятся нейтронные звезды. Нейтронная звезда, по современным представлениям, образуется, когда энергия внутри звезды заканчивается. Из-за гравитационного сжатия ядро нейтронной звезды становится сверхплотным.

При этом, некоторые нейтронные звезды вращаются вокруг своей оси с огромной скоростью. Такие нейтронные звезды называются пульсарами. Пульсары испускают высокочастотные импульсы радиоизлучения, которые так взволновали астрономов в конце 60 годов двадцатого века. Дело в том, что из-за огромной скорости вращения пульсаров (а на экваторе это порядка нескольких десятков километров в секунду) импульсы повторялись с высокой стабильностью, причем периоды этих импульсов измерялись в секундах, а иногда и в миллисекундах. Это заставило ученых думать, что они имеют дело с некими сигналами, которые посылают на Землю какие-то внеземные цивилизации с целью установления контакта. Однако, в конце концов, удалось доказать, что дело во вращении нейтронных звезд. Помимо этого, некоторые нейтронные звезды обладают колоссальным магнитным полем (порядка десяти или даже ста миллиардов тесла, в то время, как  магнитное поле Земли составляет ~ 10мкТл). Такие нейтронные звезды получили название магнетаров. Магнетары ещё очень мало изучены, но известно, что именно они являются причиной многих мощных вспышек рентгеновского и g-излучения.

Все типы нейтронных звезд имеют радиус, который измеряется всего в нескольких десятках километров, но при этом они имеют колоссальную плотность – ~ 1017 кг/м3. Такие плотности характерны и для других довольно странных объектов во вселенной – черных дыр. Вторая космическая скорость черных дыр превышает скорость света. Таким образом, даже фотоны не могут вырваться из гравитационного влияния черной дыры, поэтому черные дыры остаются невидимыми. Любая черная дыра характеризуется такой величиной, как горизонт событий (иногда используется термин «гравитационный радиус» или «радиус Шварцильда»). Оказавшись на этом расстоянии от черной дыры, никакое тело уже не имеет возможности вырваться из её гравитационного влияния, а потому упадет в черную дыру.

Черные дыры, как и нейтронные звезды, имеют радиус, измеряющийся в десятках километров, но при этом их масса составляет не менее трех солнечных масс.

Однако, черные дыры могут разрастаться за счет многократного поглощения вещества. Такие черные дыры обладают массой в миллионы и даже миллиарды раз превосходящей массу Солнца. Эти объекты, как правило, находятся в центре галактик (а по одной из гипотез являются причиной образования галактик). Например, в центре нашей галактики Млечный путь находится сверхмассивная черная дыра, масса которой составляет порядка четырех миллиардов солнечных масс. По оценкам ученых, Солнце находится на расстоянии порядка 27000 световых лет от этой черной дыры.

Если говорить обобщенно, то те или иные классы или группы звезд, которые были рассмотрены, относятся к определенным этапам эволюции звезды.

Упражнения.

Задача 1. Звезда главной последовательности имеет параллакс 0,04 угловой секунды. Известно, что температура на поверхности этой звезды составляет 7500 К, и излучение хорошо подчиняется модели излучения абсолютно черного тела. Найдите массу этой звезды, если известно, что её радиус равен 1010 м. Также найдите освещенность, создаваемую данной звездой на поверхности Земли.

Основные выводы:

– Основные группы звезд – это сверхгиганты, красные гиганты, главная последовательность (к этой группе относится Солнце) и белые карлики.

– Нейтронные звезды и черные дыры – это сверхплотные небесные тела, обладающие уникальными свойствами. По современным представлениям, нейтронные звезды и черные дыры представляют собой последние этапы эволюции звезд.

Тема урока: Двойные звезды

Ход урока:

1. Повторение материала

Экспресс-опрос (перед собой иметь диаграмму“спектр-светимость”, используется для показа мультимедийный проектор). Оценивается каждый ученик по количеству правильных ответов (по ходу отмечается отдельным учеником в подготовленном списке-таблице). На каждый вопрос для ответа отводится не более 1 сек. Продолжительность экспресс-опроса 10 минут.  Итак вопросы.

• 1.      Существуют ли звезды спектрального класса А с абсолютной звездной величиной +4m.
• 2.      Какие звезды самые горячие?
• 3.      Может ли светимость звезды спектрального класса В превышать светимость Солнца в 10000 раз?
• 4.      В каких пределах заключены  массы звезд?
• 5.      Существуют ли звезды, светимость которых в 100 раз меньше солнечной, а температура на поверхности 30000К?
• 6.      В каких пределах заключены светимости звезд?
• 7.      Оцените по диаграмме абсолютную звездную величину  Денеба (A2)
• 8.      Какие звезды самые холодные?
• 9.      Благодаря чему звезды светят?
• 10.     Звезды каких спектральных классов наиболее массивны?
• 11.     Какие звезды называются гигантами?
• 12.     Звезды каких спектральных классов имеют наибольшую скорость вращения?
• 13.     К какому спектральному классу звезд относится Солнце?
• 14.     Какова абсолютная звездная величина  Бетельгейзе (M2)
• 15.     Какова светимость Солнца в ваттах?
• 16.     Какие звезды называются карликами?
• 17.     Что называется светимостью звезды?
• 18.     Абсолютная звездная величина Солнца равна
• 19.     Почему светимости звезд обычно определяют в светимостях Солнца?
• 20.     Какую температуру имеют желтые карлики?

• 1.      Каковы размеры звезд?
• 2.      Какую температуру имеют голубые гиганты?
• 3.      Как связана температура с размерами звезды?
• 4.      Какие звезды  имеют маленькую светимость?
• 5.      Сравните Бетельгейзе и Солнце
• 6.      Каков цвет Бетельгейзе?
• 7.      К какому классу звезд относится звезда Вольф 457?
• 8.      Годичный параллакс звезды равен 0,5'. Чему равно расстояние до звезды (в парсеках)?
• 9.      Блеск звезды 6-й величины по сравнению с блеском звезды 1 величины
• 10.     Абсолютная звездная величина равна видимой, если звезда расположена на расстоянии
• 11.     Эффективная температура у звезд с одинаковыми радиусами различается в 2 раза.
• 12.     Размеры звезд одинаковы; светимость первой 40L?, второй 100L?. Какая из звезд имеет большую температуру?
• 13.     Самую большую светимость имеют звезды?
• 14.     Что является индикатором температуры наружных слоев звезды?
• 15.     Какой цвет звезд класса  О?

• 1.      Полная энергия излучаемая звездой в единицу времени?
• 2.      Каково время жизни звезд, подобных Солнцу?
• 3.      Какова связь массы и светимости?
• 4.      Какие звезды имеют большую продолжительность жизни?
• 5.      Как зависит возраст звезды от ее массы?
• 6.      Какая звезда дольше живет на главной последовательности в 10М?или 20М??
• 7.      Какова масса звезды с временем жизни в 100 млрд.лет?
• 8.      Сравните средние плотности Бетельгейзе, Солнца и белого карлика Сириус В. Вывод?
• 9.      Как возросла бы светимость Солнца, если бы его масса увеличилась в 2 раза?
• 10.     Какова масса звезд со временем жизни на главной последовательности порядка 10 млрд. лет?
• 11.     Что нужно знать, чтобы определить расстояние до звезды?
• 12.     Система нескольких двойных звезд?
• 13.     Каков цвет Солнца?
• 14.     От чего зависит светимость звезд?
• 15.     Чем отличается красный карлик от  коричневого ?

II. Новый материал.

1. ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ - две звезды, обращающиеся по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс под действием сил тяготения. Приблизительно половина всех ”звезд" на самом деле - двойные или кратные (несколько, не менее 3-х звезд) системы , хотя многие из них расположены так близко, что компоненты по отдельности наблюдать невозможно.

    Существуют Оптически двойные - рядом проецируются на воображаемую сферу, но физически не связаны. Так в древности у легионеров А.Македонского проверяли зрение по Дзета (?) Большой Медведицы (Мицар –конь, предпоследняя в ручке ковша) оптически двойной звезды в 12' от нее 80 UMa  (Алькор - всадник,). Может они физически и связаны, но если период обращения более 1000 лет, то определить двойственность очень трудно.

    Обнаружена первая двойная звезда, увиденная в телескоп, гамма Овна (? Овен) – физически двойная звезда, оба компонента бело-голубые звезды с Т?11000К, находящиеся на угловом расстоянии 8". На всякий случай даже для Солнца придуман (но не обнаружен) гипотетический спутник-звезда Немезида.

    Изучение двойных звезд  началось в середине 17в, когда Г. Галилей открыл несколько звезд и предложил метод определения относительного параллакса яркой главной звезды  по отношению к более слабой и поэтому, вероятно, более далёкой. К середине 18в было обнаружено всего около 20 двойных звезд; тогда же начались и первые измерения позиционного угла  и расстояния между компонентами. К 1803 году У. Гершель опубликовал списки нескольких сотен двойных звезд и отметил среди них 50, у которых обнаружилось смещение компонентов. Планомерные наблюдения двойных звезд организовал русский астроном В. Я. Струве на обсерватории в Тарту, открыв 3134 звездные пары. Результаты его наблюдений опубликованы в трех каталогах.

     В конце XIX века инициативу в исследованиях двойных звезд перехватили американские астрономы, использовавшие в своих наблюдениях новейшие рефракторы. Они собрали и систематизировали в "Общем каталоге 13665 звезд" Ш.У. Бернхема (1906 год), охватывающем все известные к тому времени наблюдения двойных звезд в зоне склонений от -30° до Северного полюса.

     На сегодняшний день одним из самых полных сборников является Вашингтонский каталог визуально-двойных звезд (WDS - Washington Double Star) 1996 года с данными о 78100 двойных, наблюденных до 1995 года. В окрестностях Солнца (d<20 пк) находится более 3000 звезд, среди них около половины – двойные звезды всех типов, включая тесные спектральные и широкие визуальные.

2. Типы двойных (физически двойных) звезд:

1.  Визуально-двойные звезды, двойственность которых может быть видна в телескоп. К середине 20в известно около 60 000 визуально-двойных звёзд.

  Чем дальше звезды друг от друга, тем медленнее движутся. Пары, в которых угловое расстояние достаточно велико для того, чтобы звезды можно было разрешить при наблюдении в телескоп, часто имеют период обращения 50 -100 лет. Например:

СИРИУС ( ? Большого Пса) - самая яркая звезда видимая у нас на небе. Это тройная звезда в 8,56св. годах от нас. Системы из более чем двух звезд называют кратными.

Сириус А  - главная звезда в расцвете сил, МА=2,14М?, RА=1,7R? , Т=10400К, L=23,55L?, ?А=0,36г/см3.

Сириус В (Щенок) -белый карлик, открыт в 1862г А.Кларк (США) МВ=М?, RВ=0,02R? , L=0,002L?,?В=180г/см3. Период обращения 49,9 лет с удалением от Сириуса А от 8а.е до 32а.е. На фото справа маленькая светлая точка.

Сириус С -красно-коричневый карлик, открыт в 1995г МС=0,05М?, Т=2000К, период обращения 6,3 года с максимальным удалением от Сириуса А до 8а.е.

2. Спектрально- двойные - выявляемые по периодическим колебаниям или раздвоению спектральных линий. Их периоды обычно составляют от нескольких дней до нескольких недель. Иногда компоненты двойных систем расположены так близко, что гравитация искажает сферическую форму звезд. Они могут обмениваться веществом и могут быть окружены общей газовой оболочкой. Когда потоки вещества устремляются к компактной вращающейся звезде двойной системы, может образоваться аккреционный диск. Освободившаяся энергия излучается в рентгеновском диапазоне.

    Первую Мицар (? Б.Медведицы), находящуюся в 78,2 св.г от нас, открыл Э.Пикеринг (1889г, США) - Мицар А и Мицар В, а в 1964г выяснилось, что каждая звезда спектрально-двойная. Сейчас известно в нашей Галактике свыше 4000 звёзд этого класса.  Определённые периоды спектрально-двойных звёзд заключены в пределах от 0.1084 сут. (гамма Малой Медведицы) до 59.8 лет (визуально двойная кси Большой Медведицы). Подавляющее большинство спектрально-двойных звёзд имеет периоды порядка нескольких суток.

3. Затменно-двойные - звезды, изменяющие свой блеск вследствие затмения одного компонента двойной звезды. Это происходит, если орбиты двойной системы сориентированы в пространстве так, что при наблюдении с Земли одна звезда проходит перед другой. Такая система имеет переменную яркость, так как одна звезда периодически заслоняет свет другой. Сейчас известно более 5000 таких звезд. Самая известная и первая открытая в 1669г итальянцем Г. Монтанари Алголь (? Персея, арабское "эль гуль" - дьявол). Алголь А - бело-голубая, МА=5М?, RА=3R?. Алголь В - тускло-желтая, МВ=М?, RВ=3,2R?. Видимая яркость системы меняется от 2,1m до 3,4m c периодом 12,914 дня=12дн20час48мин53с.

   Рекордсменом среди таких звезд является ? Возничего в 2700R?. При периоде обращения спутника вокруг главной звезды за 27 лет, его затмение длится два года, что говорит об огромном размере главной звезды.

4. Астрометрически двойные – выявляются по отклонению в движении (колебаниям) главной звезды, вызванное орбитальным движением более слабого спутника. Если одна звезда намного слабее другой (невидимый спутник), ее присутствие можно обнаружить только по видимому движению более яркого компаньона. Этот способ, как и исследование спектральных смещений, позволяет определить наличие планетных систем у звезд (открыты у более 180 звезд).

Некоторые звёздные системы:

• •       Сириус (три звезды);
• •       ? Центавра (три звезды);
• •       4 Центавра (4 звезды);
• •       Мицар (пять звёзд);
• •       Кастор (шесть звёзд);
• •       ? Скорпиона (семь звёзд);
• •       Лебедь X-1 (одна звезда и одна чёрная дыра);

3. Определение масс звезд в двойных системах.

III Закрепление материала

1. По рис. 85 - максимум блеска, минимум блеска

• - период колебаний блеска
• - какова амплитуда изменение блеска?
• - за какое время блеск изменится от минимума к максимуму?

2. Пример №12. Просмотреть, записать решение и найти массу каждой звезды, если их отношение 2:1.

3. Задача: Период обращения двойной звезды 100 лет. Большая полуось видимой орбиты 2", параллакс звезды 0,05". Звезды отстоят от центра масс на расстоянии, относящихся как 1:4. Определит сумму масс и массу каждой звезды.

Итог урока астрономии

• 1. Какие звезды называют двойными?
• 2. Назовите виды двойных звезд.
• 3. Как можно определить массу звезд в двойных системах?
• 4. Оценки.

Конспект урока "Переменные и нестационарные звёзды"

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что во Вселенной существует огромное количество звёздных систем, состоящих из двух и более звёзд, связанных между собой силами тяготения и обращающихся вокруг общего центра масс. Их изучение позволило оценить массы и, соответственно, размеры звёзд различных типов.

Наряду с исследованиями двойных звёзд важную роль в развитии представлений о физической природе звёзд сыграли исследования физических переменных или нестационарных звёзд. В отличие от затменно-переменных звёзд, они меняют свою светимость в результате физических процессов, происходящих в самих звёздах. И кстати, не следует путать переменность звёзд с их мерцанием, которое происходит из-за колебаний воздуха земной атмосферы. При наблюдении из космоса звёзды не мерцают.

В зависимости от характера процессов физические переменные звёзды принято подразделять на пульсирующие и эруптивные.

Пульсирующие переменные звёзды — это физические переменные звёзды, у которых происходят периодические колебания блеска.

Самая первая пульсирующая звезда была открыта в далёком 1596 году немецким астрономом Давидом Фабрициусом в созвездии Кита. А Ян Гевелий дал ей имя — Мира, то есть «удивительная».

Период изменения блеска этой звезды составляет около 332 дней, в течение которых видимая звёздная величина изменяется от 2m (в максимуме блеска) до 10,1m — в минимуме.

Долгопериодические звёзды (типа Миры Кита) с периодами от нескольких недель до года и более называют миридами. Практически все они являются красными гигантами огромных размеров и большой светимости, находящимися на конечных этапах своей эволюции.

Предполагается, что изменение блеска мирид связано с их периодическим сжатием и расширением, вызванным нарушениями равновесия между силами гравитационного притяжения и лучевого давления. Такие периодические колебания переменных звёзд называются пульсационными.

19 октября 1784 года молодой английский астроном-любитель Джон Гудрайк, наблюдая за звездой Дельта Цефея, обнаружил, что её блеск меняется со строгой периодичностью (период составляет 5 дней и 9 часов), а амплитуда изменения светимости составляет примерно одну звёздную величину.

Причём рост блеска происходил гораздо быстрее, чем спад. Так был открыт новый очень обширный класс ярких переменных звёзд-сверхгигантов и гигантов классов F и G — класс цефеид.

В настоящее время цефеидами называют пульсирующие переменные звёзды, блеск которых плавно и периодически меняется от 0,5 до 2 звёздных величин с периодом изменения блеска от 1,5 до 70 суток.

Изучение спектров цефеид показало, что изменение их светимости сопровождается изменениями их лучевой скорости и температуры (в среднем на 1500 оС). Причиной этому является пульсация наружных слоёв звёзды — они периодически то расширяются, то сжимаются.

В начале ХХ века было замечено, что период пульсации цефеид зависит от их светимости: чем она больше, тем больший период пульсации. То есть цефеиды обладают очень важной зависимостью «период — светимость»:

В записанной формуле Р — это период изменения блеска (то есть период пульсации) в сутках, а М — средняя абсолютная звёздная величина.

Таким образом, получается, что по известному из наблюдений периоду можно определить абсолютную звёздную величину или светимость звезды. А далее, сравнивая абсолютную звёздную величину цефеида с его видимой звёздной величиной, можно легко определить расстояние до него:

M = m + 5 – 5lg D;

lg D = 0,2(M – m) + 1.

Как мы уже говорили, цефеиды — это звёзды-сверхгиганты, которые обладают очень высокой светимостью. Она, наряду с переменностью блеска, позволяет обнаруживать цефеиды в других звёздных системах, находящихся от нас на расстоянии до 20 Мпк. Их наблюдают в ближайших галактиках, определяя таким образом расстояния до этих звёздных систем. Поэтому не зря цефеиды часто называют «маяками Вселенной».

Ещё одной разновидностью пульсирующих переменных звёзд являются звёзды типа RR Лиры. Все они являются гигантами спектрального класса А с периодами от 0,2 до 1,2 дня.

Иногда в звёздном небе появляются звёзды, видимые невооружённым глазом в тех местах, где их раньше никогда не наблюдали. Это новые звёзды. Как правило, их блеск внезапно увеличивается в тысячи и миллионы раз в течении нескольких суток. А затем в течение года и более блеск звезды ослабевает до своего первоначального значения.

Обращаем ваше внимание на то, что термин «новая звезда» не подразумевает, что звезда родилась. Так называют звёзды, у которых внезапно увеличивается блеск. Так, например, в июне 1918 года в созвездии Орла вспыхнула самая яркая новая звезда, зарегистрированная за последние 300 лет — V603 Орла. Изначально на месте новой была маленькая звёздочка одиннадцатой звёздной величины. Но 9 июня (в максимуме блеска) её звёздная величина достигла –1,4m. После этого звезда стала постепенно угасать, пока в марте следующего года она стала не видна невооружённым глазом.

Интересно, что первые описания новых звёзд были найдены в китайских и японских летописях 532 г. до н. э. Однако механизм образования новых звёзд был не ясен вплоть до середины XIX века. Современные наблюдения за новыми звёздами показали, что все они являются компонентами тесных двойных систем, состоящих из белого карлика и звезды-компаньона (чаще красного гиганта). Из-за их близкого расположения на белый карлик перетекает газ из атмосферы компаньона.

Аккрецируемый газ накапливается на поверхности белого карлика, образуя обогащённый водородом слой, температура и плотность которого постоянно увеличивается — создаются условия для начала протекания термоядерных реакций превращения водорода в гелий. Но эти реакции протекают настолько быстро, что приобретают взрывной характер. Во время взрыва внешние слои расширяются и выбрасываются в космическое пространство. Их свечение мы-то и наблюдаем как вспышку новой звезды.

Кстати, за время вспышки новая звезда излучает столько энергии (1038 Дж), сколько наше Солнце излучает примерно за сто тысяч лет!

Вскоре после вспышки начинается новый цикл накопления водородного слоя. И через некоторое время вспышка повторяется. Интервал между вспышками составляет от десятков лет у повторных новых до тысяч лет у классических новых звёзд.

Однако в некоторых случаях взрывной процесс может приобрести характер катастрофы. Так, если при перетекании вещества масса белого карлика превысит 1,4M⨀, то возникает взрыв, который может полностью разрушить звезду. Происходит вспышка сверхновой первого класса.

Сверхновые звёзды — это одно из самых грандиозных и захватывающих космических явлений. Отдельные сверхновые звёзды в максимуме блеска превышают светимость Солнца в десятки миллиардов раз, достигая при этом –20т…–21т. Во время вспышки выделяется такое количество энергии, которое наше Солнце может излучить за всё время своего существования (1045 Дж).

Сверхновые второго класса представляют собой звёзды на заключительном этапе своей эволюции и наблюдается у массивных звёзд, масса которых в десятки раз превосходит массу Солнца. Звезда вспыхивает вследствие коллапса (схлопывания) своего массивного ядра. Объясняется такой феномен следующим образом. Вы знаете, что на разных этапах жизни массивной звезды в её ядре протекают термоядерные реакции, при которых сначала водород превращается в гелий, затем гелий — в углерод и так далее до образования ядер железа, никеля и кобальта. Последующие реакции с образованием более тяжёлых элементов должны идти уже с поглощением энергии.

Поэтому лишённое энергии железное ядро буквально за несколько миллисекунд коллапсирует (то есть катастрофически сжимается). Внутренние слои буквально обрушиваются к центру звёзды и происходит термоядерный взрыв огромной мощности. В итоге наружные слои звезды выбрасываются с огромной скоростью и наблюдается вспышка сверхновой. От огромной звезды остаются лишь расширяющаяся с огромной скоростью газовая оболочка и нейтронная звезда или чёрная дыра.

Нейтронная звезда образуется в том случае, когда масса звезды до взрыва была в 8 раз больше массы Солнца. Она представляет собой космическое тело, состоящее в основном из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (∼1—2 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. При массе, сравнимой с массой Солнца, нейтронная звезда обладает очень маленьким радиусом — около 10—20 км. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра.

Если нейтронная звезда обладает очень быстрым вращением и мощным магнитным полем, то её называют пульсаром. Он представляет собой источник строго периодических радиоимпульсов с периодом от 0,0014 до 11,8 с.

Интересно, что первый пульсар был открыт в июле 1967 года. Но результаты открытия несколько месяцев хранились в тайне, а первому открытому пульсару присвоили имя LGM-1 (от английского Little Green Men)— «маленькие зелёные человечки»). Такое название было связано с предположением, что эти строго периодические импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение.

Наиболее замечательный пульсар в точности совпадает с одной из звёздочек в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца. Интересна она тем, что Крабовидная туманность является остатками сверхновой звезды, вспыхнувшей в 1054 году.

Её наблюдали китайские и японские астрономы в виде внезапно появившейся «звезды-гостьи», которая казалась ярче Венеры и была видна даже днём.

Иногда взрываются и очень массивные звёзды с массой более 80 масс Солнца. Сила их взрыва в 10 раз превышает мощность взрыва обычной сверхновой звезды. Такие звёзды стали называть гиперновыми.

Если после взрыва масса оставшегося вещества превосходит 2—3М⨀ солнечные массы, то звезда сжимается в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Учёные полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению чёрной дыры. Это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что даже свет не может его преодолеть.

Критический радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда. Для массивных звёзд гравитационный радиус может быть определён как

Как правило, для массивных звёзд он составляет всего несколько десятков километров.

Из-за того, что чёрные дыры непосредственно наблюдать нельзя, их поиски во Вселенной сопряжены с очень большими трудностями. Поэтому обнаружить такой объект пока возможно лишь двумя способами. Проще всего найти чёрную дыру можно тогда, когда она является одним из компонентов тесной двойной звёздной пары. В этом случае наблюдается обращение второго компонента вокруг массивного «пустого места».

Второй способ предполагает, что в тесных двойных системах мощное гравитационное поле чёрной дыры вызывает падение на неё газа из атмосферы звезды-спутника. В этом случае из-за сильного нагрева должно возникать мощное рентгеновское излучение. Примером может служить звезда Лебедь Х-1. Она представляет собой массивную двойную систему, одним из компонентов которой является чёрная дыра массой около 14,8 масс Солнца, а второй компонент — это голубой сверхгигант.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА ПО АСТРОНОМИИ «ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЁЗД»

Организационная структура урока

 Возраст звезд и галактик

1) С помощью космического аппарата НАСА WMAP, запущенного 30 июня 2001г, курсирующего вокруг Солнца по орбите гравитационного баланса между Солнцем, Землей и Луной и собирающего сведения о фоновом микроволновом излучении, в 2005 году установлено:

• а) Возраст нашей Галактики составляет 13,7 млрд.лет (точность 1%).
• б) Вселенная состоит из:

- 4% атомов на которые распространяются известные законы электромагнетизма и гравитации;

- 23% занимает темное вещество;

- остальные 73% загадочная "антигравитация", побуждающая Вселенную расширяться.

2) Галактики начали образовываться через 100 млн.лет после Большого Взрыва и в последующие 3-5 млрд.лет сформировались и сгруппировались в скопления. Следовательно возраст самых старых эллиптических галактик около 14 млрд.лет.

3) Первые звезды появляются через 1млн.лет после Большого Взрыва, следовательно должны иметься звезды с возрастом около 14 млрд.лет.

4) Исследования самых старых шаровых скоплений, где звезды рождаются практически одновременно, показывает, что возраст звезд в них не менее 10 млрд.лет (население 2-го типа с низким содержанием элементов тяжелее Не). Скорее всего они образовались одновременно с галактиками.

5) Рассеянные скопления (звездные ассоциации) имеют возраст звезд 10-100 млн.лет (население 1-го типа звезд с высоким, около 3%, содержанием металлов). Процесс звездообразования идет и сейчас (например в туманности Ориона).

Небо усеяно множеством звезд, среди которых разбросаны огромные облака пыли и газов, водорода в основном. Звезды рождаются именно в таких туманностях, или межзвездных областях.

Звезда живет настолько долго (до десятков миллиардов лет), что астрономам не под силу проследить жизнь от начала и до конца, хотя бы одной из них. Но зато у них есть возможность наблюдать за разными стадиями развития звезд.

Ученные объединили полученные данные, и смогли проследить за этапами жизни типичных звезд: момент рождения звезды в межзвездном облаке, ее молодость, средний возраст, старость и иногда весьма эффектную смерть.

РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗДЫ.

Возникновение звезды начинается с уплотнения вещества внутри туманности.Постепенно, образовавшееся уплотнение, уменьшается в размерах, сжимаясь под воздействием гравитации. Во время этого сжатия, или коллапса, выделяется энергия, которая разогревает пыль и газ и вызывает их свечение.

Возникает так называемая протозвезда. Температура и плотность вещества в ее центре, или ядре максимальные. Когда температура достигает отметки около 10 000 000°С, в газе начинают протекать термоядерные реакции.

Ядра атомов водорода начиняют соединяться и превращаются в ядра атомов гелия. При таком синтезе выделяется огромное количество энергии. Эта энергия, в процессе конвекции, переносится в поверхностный слой, а потом, в виде света и тепла излучается в космос. Таким вот образом, протозвезда превращается в настоящую звезду.

Излучение, которое исходит из ядра, разогревает газовую среду, создавая давление, которое направленное вовне, и таким образом, препятствуя гравитационному коллапсу звезды.

Результатом является, то, что она обретает равновесие, то есть имеет постоянные размеры, постоянную поверхностную температуру и постоянное количество выделяемой энергии.

Астрономы звезду на этой стадии развития называют звездой главной последовательности, таким образом, указывая место, которое она занимает на диаграмме Герцшпрунга-Ресселла. Эта диаграмма выражает связь между температурой звезды и светимостью.

Протозвезды, имеющие небольшую массу, никогда не разогреваются до температур, которые необходимы для начала термоядерной реакции. Эти звезды, в результате сжатия, превращаются в тусклых красных карликов, или даже еще более тусклых коричневых карликов. Первая звезда коричневый карлик была открыта лишь 1987 году.

ГИГАНТЫ И КАРЛИКИ.

Диаметр Солнца приблизительно равен 1 400 000 км, а температура его поверхности около 6 000°С, и оно излучает желтоватый свет. Оно на протяжении 5 млрд. лет входит в главную последовательность звезд.

Водородное «топливо» на такой звезде, приблизительно за 10 млрд. лет исчерпается, а в ее ядре останется, главным образом, гелий. Когда больше не остается чему «гореть», интенсивность излучения, направленного от ядра, уже не достаточна для уравновешивания гравитационного коллапса ядра.

Но той энергии, которая при этом выделяется, достаточно для того, чтобы разогреть окружающее вещество. В этой оболочке начинается синтез ядер водорода, выделяется больше энергии.

Звезда начинает ярче светиться, но теперь уже красноватым светом, и одновременно она еще и расширяется, увеличиваясь в размере в десятки раз. Теперь такая звезда называются красным гигантом.

Ядро красного гиганта сжимается, а температура возрастает до 100 000 000°С и более. Здесь происходит реакция синтеза ядер гелия, превращая его в углерод. Благодаря той энергии, которая при этом выделяется, звезда еще светится каких-нибудь 100 млн. лет.

После того как заканчивается гелий и реакции затухают, вся звезда постепенно, под влиянием гравитации, сжимается почти до размеров Земли. Энергии, которая при этом выделяется, достаточно для того, чтобы звезда (теперь уже белый карлик) продолжала еще некоторое время ярко светиться.

Степень сжатия вещества в белом карлике очень высока и, следовательно, у него очень большая плотность – вес одной столовой ложки может достигать тысячи тонн. Таким вот образом проходит эволюция звезд размером с наше Солнце. 

Жизненный цикл у звезды, масса которой в пять раз превышает массу Солнца, значительно короче, и она несколько иначе эволюционирует.Такая звезда намного ярче, а температура ее поверхности 25 000°С и более, период пребывания в главной последовательности звезд всего лишь около 100 млн. лет.

Когда такая звезда входит в стадию красного гиганта, температура в ее ядре превышает 600 000 000°С. В нем происходят реакции синтеза ядер углерода, который превращается в более тяжелые элементы, включая железо.

Звезда, под действием выделяемой энергии, расширяется до размеров, которые в сотни раз превышают ее первоначальные размеры. Звезду на этой стадии называют сверхгигантом.

В ядре внезапно прекращается процесс производства энергии, и оно в течение считаных секунд сжимается. При всем этом выделяется огромное количество энергии и образуется катастрофическая ударная волна.

Эта энергия проходит через всю звезду и выбрасывает значительную ее часть силой взрыва в космическое пространство, вызывая явление, которое известно как вспышка сверхновой звезды.

Для лучшего представления всего написанного, рассмотрим на схеме цикл эволюции звезд

В феврале 1987 года подобная вспышка наблюдалась в соседней галактике – Большом Магеллановом облаке. Эта сверхновая звезда в течение короткого времени светилась ярче целого триллиона Солнц.

Ядро сверхгиганта сжимается и образует небесное тело диаметром всего лишь 10-20 км, а плотность его настолько велика, что чайная ложка его вещества может весить 100 млн. тонн!!! Такое небесное тело состоит из нейтронов и называется нейтронной звездой.

Нейтронная звезда, которая только что образовалась, отличается большой скоростью вращения и очень сильным магнетизмом.

В результате создается мощное электромагнитное поле, которое испускает радиоволны и другие виды излучения. Они распространяются из магнитных полюсов звезды в форме лучей.

Эти лучи, из-за вращения звезды вокруг своей оси, как бы сканируют космическое пространство. Когда они проносятся мимо наших радиотелескопов, мы их воспринимаем как короткие вспышки, или импульсы (англ. Pulse). Поэтому такие звезды называются пульсарами.

Обнаружены пульсары были благодаря именно радиоволнам, которые они излучают. Сейчас стало известно, что многие из них излучают световые и рентгеновские импульсы.

Первый световой пульсар обнаружили в Крабовидной туманности. Его импульсы повторяются с периодичностью 30 раз в секунду.

Импульсы других пульсаров повторяются гораздо чаще: ПИР (пульсирующий источник радиоизлучения) 1937+21 вспыхивает 642 раза в секунду. Представить даже сложно такое!

Звезды, которые имеют наибольшую массу, превышающую в десятки раз массу Солнца, тоже вспыхивают, как сверхновые. Но из-за огромной массы, их коллапс имеет гораздо более катастрофический характер.

Разрушительное сжатие не прекращается даже на стадии образования нейтронной звезды, создавая область, в которой обычное вещество прекращает свое существование.

Остается только лишь одна гравитация, которая настолько сильная, что ничто, даже свет, не может избежать ее воздействия. Эта область называется черной дырой. Да уж, эволюция больших звезд страшная и очень опасная. 

Тема урока: Звезды, их основные характеристики

Цель урока: 

. создать условия для   творческого переосмысления  уже известной информации о звездном небе и созвездиях, и  восприятию новой информации по теме.

Обучающие:

приобретение обучающимися знаний об звездном небе, созвездиях, зодиакальных созвездиях, о происхождении их названий

Развивающие:

развития умения переформулировать полученную информацию, разбивать ее на смысловые блоки и оформлять в виде схем и таблиц;

формирование умений устанавливать причинно-следственные связи между фактами, явлениями и причинами;

развитие   умения сравнивать, обобщать, анализировать, выделять главное, развитие внимания,  критического мышления;

умение связно и логично излагать свои мысли

Воспитательные:

воспитание самодисциплины, сотрудничества в группах, положительной мотивации к обучению, формирование коммуникативных способностей, культуры умственного труда.

Формы работы:  индивидуальная, парная,  групповая  и  фронтальная работа

Оборудование: наглядные пособие, учебник, раздаточный материал (пкзн). Методы: словесные, наглядные

Тип урока:комбинированный.

Планируемый результат обучения, в том числе и формирование УУД:

Познавательные УУД: построение самостоятельного процесса поиска информации,  изучение звездного неба, с помощью подвижной карты звездного неба, получение  обучающимися информации о созвездиях, зодиакальных созвездиях, о происхождении их названий.

Коммуникативные УУД: планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками; умения переформулировать полученную информацию, разбивать ее на

смысловые блоки и оформлять в виде схем и таблиц;

формирование умений устанавливать причинно-следственные связи между фактами, явлениями и причинами;

умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с задачами и условиями коммуникации.

Регулятивные УУД: целеполагание как постановка учебной задачи; оценка − осознание качества и уровня усвоения знаний; оценка результатов работы.

 Личностные УУД: формирование умений управлять своей учебной деятельностью,  сотрудничества в группах, положительной мотивации к обучению, формирование коммуникативных способностей, развитие внимания, памяти, творческого мышления.

Ход урока:

1. Организационный момент (1мин ) 

  Проверка готовности учащихся к уроку;

    Запись темы урока в тетрадях и на доске.

2. Проверка домашнего задания.(5мин)

1. Работа по группам с карточками  ( 2 группы по 4 человека)

1. Карточка: Каково увеличение телескопа, если в качестве его объектива используется линза, оптическая сила которой равна 0,6 дптр, а в качестве  окуляра линза с оптической силой 10дптр?
2. Карточка: а) В каком телескопе ход

                                         луча имеет вид:

                    б) В чем отличие астрофизики от небесной механики?

3.Актуализация опорных знаний.(5мин)

Фронтальный опрос.

1. Какие сведения из астрономии вы получили в курсах природоведения, естествознания, физики, истории?

2. В чем специфика астрономии (по объектам и методам исследования) по сравнению с другими науками о природе.

3. Какие типы небесных тел вам известны?

4. Какова роль наблюдений в астрономии? С помощью каких инструментов они выполняются?

5. Какова роль космонавтики в исследовании Вселенной?

6.Чем отличаются оптические системы рефрактора и рефлектора?

7. Решение каких задач занимается небесная механика?

4.Изучение нового материала.(15мин)

Уже в древние времена наши предки делили звездное небо на четко различимые сочетания звезд, которые назвали созвездиями. Астрономия возникла раньше всех других наук – подмечая закономерности в движении звезд, наши предки научились измерять время, создали первые прообразы календаря, научились ориентироваться на местности. Названия созвездий связывали с мифами, именами богов, названиями приборов и механизмов.

Знание созвездий – азбука астрономии. Как же ориентироваться в этом огромном и прекрасном мире, в этой звездной россыпи?

Созвездием называется участок небесной сферы, границы которого определены специальным решением Международного астрономического союза (МАС). Всего на небесной сфере 88 созвездий. Границы между этими строго определенными участками неба условны, они не имеют никакого физического смысла. Из 88 созвездий, которые приняты официально в наше время (в 1930 году), 48 созвездий перечислил еще Птолемей во II веке. Звезды, составляющие ковш Большой Медведицы, в пространстве расположены очень далеко друг от друга и никакой связанной группы не образуют

В 1603 году Иоганн Байер начал обозначать яркие звезды каждого созвездия буквами греческого алфавита: α (альфа), β (бета), γ (гамма), δ (дельта) и так далее, в порядке убывания их блеска. Эти обозначения используются до сих пор. Самые яркие звезды имеют собственные названия. Например, α созвездия Лиры – Вега.

• Только в 58 созвездиях самые яркие звезды называются α (альфа). В 13 созвездиях самые яркие звезды – β (бета), а в некоторых других – и другие буквы греческого алфавита.
• Самые большие размеры имеет созвездие Гидра (1303 квадратных градуса).
• Самые маленькие размеры имеет созвездие Южный Крест – (68 квадратных градусов).
• Самые большие размеры из видимых в северном полушарии имеет созвездие Большая Медведица (1280 квадратных градусов).
• Самое большое число звезд ярче второй звездной величины содержит созвездие Орион – 5 звезд.
• Самое большое количество звезд ярче четвертой звездной величины содержит созвездие Большая Медведица – 19 звезд.

1. Переменные звезды - звезды,  блеск которых изменяется. Первая переменная открыта в 1596г Давидом Фабрициус (Германия) - о Кита (Мира Кита или Удивительная Кита).

    Изменение блеска, происходящее по разным причинам, может происходить строго периодически (правильные), с нарушением периодичности (полуправильные) и хаотически (неправильные). Так к строго периодическим (правильным) относятся уже изученные затменно-переменные звезды. Но существуют различные типы физически переменных звезд, изменение блеска которых связано с происходящими на них физическими процессами. Принятые способы обозначения переменных звезд восходят, главным образом, к обозначениям Ф.В.А. Аргеландера, который использовал для девяти самых ярких переменных в каждом созвездии буквы от R до Z в соединении с названием созвездия. Для последующих переменных стали использовать пары букв, от RR до RZ, от SS до SZ и так далее, вплоть до ZZ (буква J опускается). Затем используются пары букв от AA до AZ, от BB до BZ и так далее, что доводит число доступных обозначений до 334. Однако во многих созвездиях число открытых переменных намного превысило предельное значение 334, так что эти звезды стали обозначать просто как V335, V336, и так далее.

2. Физически переменные звезды - на короткопериодические (период изменения блеска от 1 до 90 суток) и долгопериодические (период изменения блеска от 90 до 739 суток).

1) Цефеиды - весьма распространенные, вид строго периодических (правильных) физически переменных звезд с изменением блеска до 1,5m. Название получили от классической звезды  Цефея с Т= 5дней 8 часов 37 минут. Поскольку это яркие желтые гиганты, обладающие колоссальной светимостью, поэтому их называют “маяки Вселенной”. 

2). Другие периодические (правильные). Вот некоторые:

 а) Мириды – красные гиганты, Т=90  730 суток. Прототип  о Кита (Мира Кита или Удивительная Кита). Мира - гигант класса М (R=390R, M=10M), яркость которой изменяется от 2m  до 10,1m с периодом 331,6 дней.

б) Лириды – гигантские белые и желтые звезды класса А и F с Т=0,2  1,2 суток и изменением яркости от 0,2m  до 2,0m (прототип RR Лиры, существует три подтипа Лирид)- старые звезды с пониженным содержанием тяжелых элементов.

и другие

2.Полуправильные– на определенный период накладываются более мелкие колебания.

а) Типа  Щита, класс F с изменением блеска на 0,25m, Т=3  14,6 часа. Интересна  Эридана, Т=4ч 10м накладывается на Тmax= 5,25 дня. Прототип мало амплитудных  Близнецов.

б) Типа RV Тельца с Т= 30  150 дней, или DF Лебедя с Т=49,808 дня.  И другие типы правильных, полуправильных и неправильных.

4. Вспыхивающие звезды (новая) - звезда, яркость которой внезапно увеличивается примерно на десять звездных величин (обычно от  2m до 8m ), а затем постепенно (в течение нескольких месяцев) падает. Новые представляют собой тесные двойные звезды, один из компонентов которых - белый карлик. В любой галактике, как правило, в год возникает несколько десятков новых в двойных системах. Считается, что четверть всех звезд вспыхивает. Зависимость между силой взрыва и длительностью периода установили П.П.Перенаго  и Б.В.Кукаркин. 

Вот некоторые:

А) тип UV Кита (открыл В.Люйтер (1948г, США),  вспыхивает вследствие мощных магнитных изменений. За  30 час светимость изменяется в 100 раз. Известно  100 звезд. Вспышки не регулярны, кратковременны.

Б) Тип U Близнецов (короткопериодические двойные системы- обычно обычная звезда и белый карлик, открыта 15.12.1855г Джоном Хайд (Англия)) вспышки через 3-4 месяца, с изменяем светимости 100 раз – карликовые новые.

В) Тип R Северной Короны – сверхгиганты, вспышки - подъем вещества из недр звезды на поверхность (выброс). 

5.Взрывающиеся звезды (сверхновые)- катастрофический взрыв звезды, в ходе которого выделяется так много энергии, что по яркости она может превзойти всю галактику с ее миллиардами звезд. Кроме того, в десять раз больше энергии выделяется в виде кинетической энергии выброшенного взрывом вещества и еще в сто раз больше - в виде энергии нейтрино. Взрыв сверхновой происходит, когда старая массивная звезда (более 8 масс Солнца) истощает запас ядерного топлива. В этих условиях ядро становится неустойчивым и коллапсирует (меньше чем за секунду).  Оставшееся ядро представляет собой нейтронную звезду (пульсар) с массой не превосходящей трех солнечных и размером в 20-30 км. Магнитное поле под действием мощной ударной волны усиливается, и скорость вращения остатка возрастает. Первый ПУЛЬСАР (нейтронная звезда) открыт в созвездии Лисичка в  1967 году Энтони Хьюиш (Англия). Сейчас известно >600 пульсаров. При более значимых массах взрыв сверхновой приводит к образованию черной дыры.

  Сверхновая - очень редкое событие: за последнюю тысячу лет в Галактике визуально наблюдалось только пять сверхновых, а по подсчетам взрывается одна в среднем в 30 лет, но в большинстве скрыты затеняющей пылью. Первую сверхновую  упоминает Гиппарх (134г до НЭ), вспыхнувшую в нашей Галактике.

Созвездия Зодиакальные созвездия Видимый годовой путь Солнца проходит через тринадцать созвездий, начиная от точки весеннего равноденствия: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы. Двенадцать из них называются зодиакальными. Пояс из двенадцати зодиакальных созвездий называется зодиаком. В таблице приведены названия зодиакальных созвездий и их знаки:

 В каждом зодиакальном созвездии Солнце проводит примерно месяц. Около 2 тысяч лет назад знаки зодиака совпадали с одноименными зодиакальными созвездиями. Причиной смещения знаков зодиака относительно одноименных зодиакальных созвездий является установленная еще Гиппархом Родосским во II веке до нашей эры прецессия, или предварение равноденствий. В ту далекую эпоху, во времена Гиппарха, точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна, поэтому была обозначена знаком этого созвездия, знаком Овна . Аналогично точка летнего солнцестояния находилась в созвездии Рака и обозначена его знаком , точка осеннего равноденствия в созвездии Весов , а точка зимнего солнцестояния – в созвездии Козерога . Но затем они постепенно сместились к западу и давно уже находятся: точка весеннего равноденствия в созвездии Рыб, а точка осеннего равноденствия в созвездии Девы. Точка летнего солнцестояния с 1988 года находится в созвездии Тельца. Смещение точки весеннего равноденствия (она обозначается на картах ) происходит навстречу годичному движению Солнца примерно на 50" в год. Навигационные звезды Навигационные звёзды — звёзды, с помощью которых в авиации, мореплавании и космонавтике определяют местонахождение и курс корабля. Из 6000 звёзд, видимых невооружённым глазом, навигационными считаются 24. Это наиболее яркие звёзды, примерно до 2-й звёздной величины (ярче или близко к яркости звезд Большого Ковша в Большой Медведице) и слабенькая по яркости, но оказавшаяся в месте Северного полюса мира на небосводе, Полярная звезда (Малая Медведица). Для ориентирования в Северном полушарии Земли используются следующие 14 звёзд:

• Полярная (Малая Медведица);
• Арктур (Волопас);
• Вега (Лира);
• Капелла (Возничий);
• Поллукс (Близнецы);
• Альтаир (Орел);
• Регул (Лев);
• Альдебаран (Телец);
• Денеб (Лебедь);
• Бетельгейзе (Орион);
• Процион (Малый Пес);
• Альферац (Андромеда);
• Хамаль (Овен);
• Мирфак (Персей).

К этим звёздам добавляются 3 звезды южного полушария неба:

• Сириус (Большой Пес);
• Спика (Дева);
• Антарес (Скорпион).

Чтобы безошибочно отыскать навигационную звезду, недостаточно знать, в каком созвездии она находится. В облачную погоду, например, наблюдается только часть звёзд. При космических полётах существует другое ограничение: в иллюминатор виден лишь небольшой участок неба. Поэтому необходимо уметь быстро распознать нужную навигационную звезду по цвету и блеску.

    Следует сказать, .что полярная звезда входит в созвездие Малой Медведицы или Малого Ковша – крайняя звезда в ручке Малого Ковша. Полярная – очень важная звезда из-за своего особого расположения – она всего на 45` дуги отстоит от точки, называемой северным полюсом мира. Весь небесный свод как бы вращается вокруг нее, а сама она остается на месте (единственная неподвижная звезда на небе северного полушария). На самом деле вращается, конечно, Земля. Но, т. к. мы находимся в системе отсчета «Земля», то относительно неё мы покоимся, и кажется, что вращается звездное небо вокруг нас.

Если вы живете в северном полушарии в средних широтах, то вы встаете лицом к Полярной и впереди у вас – север, за спиной – юг, слева – запад, справа – восток.

            5.Усвоение полученных знаний.(10мин)

       У каждого на парте лежит ПКЗН. Рассмотрим принцип ее работы. На внешнем крае карты нанесены сектора с названиями месяцев, к ним примыкает шкала с цифрами, обозначающими даты. На внешнем крае накладного круга нанесены часы. Положите круг на карту так, чтобы совместить отметку «5 ч» на круге с датой 20 сентября на карте. Участок неба, который вы видите в «окне» – то, что вы можете наблюдать над горизонтом 20 сентября в 5 часов на широте. Здесь обозначены стороны света. Объекты, находящиеся на востоке, восходят;  на западе – заходят.

Задание 1. Найти созвездия, расположенные между севером и югом 10 октября в 21 час.

Задание 2. Будут ли видны созвездия Девы, Рака, Весов в полночь 15 сентября? Какое созвездие в это же время будет находиться вблизи горизонта на севере?

6.Закрепление полученного материала.(5мин)

Вопросы:

1. Что называется созвездием?
2. Перечислите известные вам созвездия.
3. Как обозначаются звезды в созвездиях?
4. Назовите самую яркую звезду.
5. Назначение звезд в древности.
6. С чем связано изменение образов созвездий на небе?

         7.  Домашнее задание.(1мин).

П. 3 учебника. Найдите на ПКЗН зодиакальное созвездие, под которым вы рождены и ответьте на вопрос: когда вы его можете наблюдать и когда оно выходит из вашего поля зрения?

          8. Рефлексия(1мин).

Тема урока: Экзопланеты: их открытие и характеристики

В последние годы ленты новостей буквально пестрят сообщениями о сенсационных открытиях астрономов. Получив в свое распоряжение высокотехнологичное оборудование и орбитальные телескопы, созерцатели неба начали давать ответы на вопросы, мучившие их на протяжении веков. И один из этих вопросов — есть ли во Вселенной еще планеты, кроме тех восьми в Солнечной системе, которые уже известны нам? Такие планеты, которые существуют рядом с другими звездами, мы называем экзопланеты. На конец 2008 года их количество составило 333 штуки.

Огромный прорыв произошел в области экзопланет именно за прошедший год, их количество увеличилось, по меньшей мере, на 50 новых членов. Из-за чего же произошел такой взрывной всплеск в количестве обнаружения этих объектов? Причин тому несколько: новые технологии, инструментальные усовершенствования уже существующих и только введенных телескопов, все это позволило существенно повысить чувствительность измерений и, следовательно, реально привести к водопаду открытий.

Конечно, на первом месте у астрономов было желание непосредственно увидеть "глазом" другую «Землю». И такие новости пришли в ноябре, когда сразу две группы исследователей сообщили, что они получили прямые изображения экзопланетных систем.

Еще можно выделить в области открытий экзопланет за этот год три события:

1. обнаружение наименее массивной планеты, лишь в три раза превышающей по массе Землю;
2. самая горячая планета WASP-12b, с температурой поверхности приблизительно в 2200 С;
3. открытие трех, так называемых супер-Земель.

Ученые предсказывают, что будущий год приблизит нас еще ближе к возможности обнаружения двойника Земли. Например, миссия НАСА Кеплер, запуск которой планируется в марте 2009 года, создается с целью нахождения именно твердых планет земного типа, которые обращаются вокруг своих звезд на расстояниях возможного обитаемого пояса, т.е. там, где может быть в жидкой форме вода и возможно существование жизни. Так что, ждем-с.

1. Как все начиналось…

Поиски экзопланет, начались задолго до того, как у астрономов появились совершенные средства, позволяющие увидеть «невидимое». Обычно изучались системы, состоящие из двух объектов. Одним объектом при этом была видимая звезда, вторым объектом — невидимая. Невидимый объект оказывает влияние на движение видимой звезды и тем самым обнаруживает себя. Разными исследователями в разное время изучались более десятка двойных систем. Оказалось, что в большинстве случаев невидимыми компаньонами видимых звезд являются тоже звезды. Но все-таки у двух систем компаньонами звезд, по мнению астрономов, являлись самые настоящие планеты.

Одна из этих двух звезд — «летящая» Барнарда, которая имеет очень большую угловую скорость движения. Астроном Ван-де-Камп проанализировал информацию о положении этой звезды более чем за 60 лет, начиная с 1916 года. Тщательный анализ показал, что на 2400 фотопластинках содержатся свидетельства изменения положения звезды, которые повторяются с периодом в 25 лет. Эти изменения могли быть обусловлены только ее обращением вокруг общего центра тяжести всей системы (звезда плюс невидимые для нас планеты). Звезда находится от нас на расстоянии 1,8 парсек. Масса ее невелика и составляет 14% от массы Солнца — поэтому она легко поддается действию на нее планет, в результате чего изменяется ее скорость. Расчеты показывают, что эти изменения в движении вызываются двумя планетами, массы которых составляют 80% и 40% массы Юпитера. Периоды обращения этих планет должны быть равны 12 и 26 лет. Но открытие оказалось мнимым, Дж. Гейтвуд в 1973 году выяснил, что звезда Барнарда движется без колебаний и, значит, массивных планет не имеет.

Настоящая революция в деле поиска планет у иных звезд произошла в начале 1990-х годов. В 1992 году американские астрономы с помощью 300-метрового радиотелескопа, расположенного в местечке Аресибо (Пуэрто-Рико) обнаружили в созвездии Девы новый пульсар, получивший в звездном каталоге обозначение RSR 1257+12. Скоро вы узнаете, что пульсарами, называются сверхплотные нейтронные звезды, от которых исходит излучение в виде серии последовательных и очень четких радиоимпульсов. В данном конкретном случае ученые обнаружили довольно старую (возраст ее около миллиарда лет) нейтронную звезду. Вращается она очень быстро, делая 161 оборот в секунду. Причем в серии излучаемых импульсов время от времени наблюдались какие-то сбои. Проанализировав их, астрономы обнаружили двойную периодичность — 66,5 и 98,2 дня. Причиной периодического сбоя радиоимпульсов, по мнению исследователей, являются две планеты, обращающиеся вокруг пульсара и время от времени перекрывающие поток радиосигналов собственными телами.

Интересное открытие в 2007 году сделано на орбитальном телескопе «Хаббл». Обнаружена газообразная и довольно массивная планета у пульсара PSR B1620-26, который находится на расстоянии 1717 парсек от Земли, в звездном скоплении М4. Особенность этой планеты в том, что ее возраст составляет 12,7 миллиардов лет, а значит, она сформировалась почти сразу после Большого Взрыва, в юной Вселенной. Не удивительно поэтому, что и назвали эту невероятную планету по имени библейского патриарха, деда Ноя — Мафусаил, прожившего 969 лет.

В 1988 году был обнаружен сам пульсар и вскоре рядом с ним белый карлик. Эта двойная система вращалась вокруг общего центра масс с периодом в один земной год. Однако потом обнаружилось, что на пульсар воздействует ещё один космический объект. Кто-то выдвинул идею о планете. На него замахали руками, поскольку речь шла о шарообразном скоплении, в котором считалось, что планет существовать не может. Но так как найденная масса планеты составляла всего 2,5 масс Юпитера — это слишком мало и для звезды, и даже для бурого карлика. Соответственно, планета — единственный оставшийся вариант. Теперь учёные предполагают, что это газовый гигант, в котором тяжёлые элементы присутствуют в очень незначительных количествах.

Каким-то образом эта планета пережила всё, что сопровождало процессы гибели старых и образования новых звёзд в том, что впоследствии будет названо шаровым скоплением М4. Планета и её звезда в один прекрасный миг приблизились к пульсару и оказались у него в ловушке. Звезда, вокруг которой вращался Мафусаил, со временем раздулась, превратившись в красного гиганта, затем сжалась до состояния белого карлика. А Мафусаил все продолжал мерно вращаться вокруг обеих звёзд на расстоянии, приблизительно равном расстоянию от Солнца до Урана.

Большую часть своего года Мафусаил нагревается излучением белого карлика, суммарным излучением звезд М4 и имеет температуру 60-80К. При таких температурах планета будет окутана легкими облаками из замерзшего метана, которые придадут ей глубокий темно-голубой цвет. Однако дважды за орбитальный период, иначе говоря, каждые 50 лет, Мафусаил на несколько месяцев попадает под яростный пульсарный луч. Метановые облака испаряются и рассеиваются. Температура атмосферы повышается в несколько раз. Верхняя атмосфера Мафусаила будет люминесцировать, как экран телевизора, окрашивая небо в призрачный розовый цвет.

В 1995 г. произошло поистине историческое событие - открытие первой экзопланеты у 51Пегаса, т.е. у нормальной звезды очень похожей на наше светило и находящейся от нас на расстоянии 14,7 парсек. Расчеты показали, что периодические изменения радиальной скорости движения звезды, вызваны планетой, имеющей массу, вдвое меньшую, чем Юпитер. Вращается эта планета очень близко от своей звезды — на расстоянии всего 0,05 астрономической единицы (в двадцать раз ближе, чем Земля от Солнца).

2. Методы обнаружения экзопланет.

На сегодняшний день существует четыре метода обнаружения экзопланет.

• Первым (исторически) является астрометрический метод.
• Другой метод, связан с прохождением планеты на фоне звезды. Этот метод называют методом переходной фотометрии.
• Третий метод - гравитационное линзирование.
• Четвертый, самый распространенный на сегодняшний день метод - спектрометрическое измерение радиальной скорости звезд.

Астрометрический метод основан на изменении собственного движения звезды под гравитационным воздействием планеты. Работы Гейтвуда, которые поставили крест на летящей Барнарда, с другой стороны, принесли и новую находку: были замечены зигзаги в движении пятой от Солнца звезды Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звезды обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет и массой 1,6 Мю и вторая с периодом 6 лет и массой 0,9 Мю. С помощью астрометрии были уточнены массы некоторых экзопланет, и открыта планета (Эпсилон Эридана b). Будущее этого метода связано с орбитальными миссиями, такими, как SIM, запланированной на 2009 г.

Метод транзитной фотометрии, связан с прохождением планеты на фоне звезды. Позволяет определить размеры, а в сочетании с методом Доплера — плотности планет. В настоящее время (ноябрь 2007) обнаружено более 30 транзитных планет.

Гравитационное линзирование. Гравитацио́нная ли́нза — массивное тело (планета, звезда) или система тел (галактика, скопление галактик), искривляющая своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза. Метод чувствителен к планетам с малой массой, вплоть до земной. На май 2007 года открыты 4 планеты.

Спектрометрическое измерение радиальной скорости звёзд (метод Доплера). Это самый распространённый метод с его помощью открыто около 270 планет. Он позволяет обнаружить планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды и планеты-гиганты с периодами до ~10 лет. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды. Сейчас точность инструментов уже приближается к 1 м/с — то есть к скорости идущего человека.

3. Наиболее интересные открытия.

Именно этим методом воспользовались швейцарские астрономы Мишель Майор и Диди Килоз, обнаружив изменение спектра у звезды 51 Пегаса.

Э́псилон Эрида́на —это третья из ближайших звёзд, видимых без телескопа. В 1988 вокруг звезды был обнаружен пылевой диск на расстоянии, близком к расстоянию Пояса Койпера от нашего Солнца. Высокая активность и переменчивость звезды долгое время затрудняла обнаружение планет. В 2000 году было заявлено об обнаружении юпитероподобной планеты Эпсилон Эридана b с массой 1,2 массы Юпитера, вращающейся вокруг звезды на среднем расстоянии 3,3 а.е. по сильно вытянутой орбите. Предположение о наличии планеты Эпсилон Эридана c было высказано в 2002 году на основании анализа пылевого диска звезды. Наличие неоднородностей в диске может быть объяснено эффектом резонанса, вызванным наличием планеты массой около 0,1 массы Юпитера, вращающейся по орбите с большой полуосью около 40 а.е. и эксцентриситетом около 0,3. Период обращения такой планеты должен составлять около 280 лет. До настоящего времени существование этой планеты не подтверждено.

На расстоянии в 41 световой год от Земли у звезды 55 Рака открыто пять планет, что делает данное солнце рекордсменом. Одна из газовых планет этой системы находится в зоне жизни, если у этой планеты есть спутники, то на них вполне возможно наличие жидкой воды, а следовательно, и жизни. Вообще же, система 55 Рака очень похожа на нашу. Звезда эта имеет примерно тот же возраст и массу, что и Солнце. Все планеты и в той, и в нашей системе движутся по орбитам, близким к круговым.

Тройная звёздная система в созвездии Лебедь. Расстояние от Солнечной системы составляет примерно 149 световых лет. Предположительно, в системе находится экзопланета. Неофициально ее называют Татуином, по аналогии с родным миром персонажа «Звёздных войн» Люка Скайуокера. На каждые миллион одиночных, двойных и тройных систем в нашей Галактике должно приходиться около 120 тройных звезд с планетами. Это не слишком много, но всё же обнаружить такие системы вполне возможно.

Глизе 581 c — вторая экзопланета в планетной системе звезды Глизе 581 была обнаружена в апреле 2007 года. Из всех известных в настоящее время экзопланет Глизе 581 c очевидно наиболее похожа по своим параметрам и вероятным условиям на Землю из-за чего её неофициально прозвали «Суперземлёй», ускорение силы тяжести равно 1,6 g. Планетная система Глизе 581 состоит из трех планет. Орбитальный период Глизе 581 c составляет 13 земных дней. Планета удалена от звезды на расстояние около 11 миллионов км. (тогда как Земля, для сравнения, на расстоянии 150 миллионов км. от Солнца). В результате, несмотря на то, что звезда Глизе 581 почти в три раза меньше нашего Солнца, на небе планеты её родное солнце выглядит в 20 раз больше нашего светила. Глизе 581 c находится в пределах так называемой «зоны жизни», то есть на ней вполне могла бы существовать жидкая вода.

4. Первые снимки экзопланет.

14 ноября 2008 года былапоказана первая инфракрасная фотография высокой контрастности звезды HR 8799 расположенной на расстоянии 140 световых лет от Земли в созвездии Пегаса. Три красные точки вокруг - предполагаемые экзопланеты. Планеты удалены от своей звезды на расстояние 24, 38 и 68 астрономических единиц Массы планет находятся в пределах от 7 до 13 масс Юпитера.

В тот же день было объявлено об открытие планеты у звезды Фомальгаута. Исследовав "рот кита" (именно так переводится название звезды), ученые увидели планету, вероятно ответственную за внешний вид пылевого пояса, окружающего Фомальгаут. Фотографии были сделаны на космическом телескопе Хаббла. Видно, что за 1.73 года наблюдений планета сместилась. Соответственно, можно определить ее примерную орбиту. Ее большая полуось составила примерно 115 а.е. Период обращения около 872 лет. Сама планета довольно массивна, ее масса составляет несколько юпитерианских.

Фомальгаут - относительно молодая звезда (100-300 миллионов лет), поэтому вокруг нее еще сохранился мощный пылевой диск. Изначально ученые предполагали, что форма диска определяется влиянием планет, находящихся в нем. А поскольку планеты очень молоды, то они еще должны быть горячими, поэтому можно было надеяться на их прямую регистрацию. Проблема лишь в том, что Фомальгаут - очень яркая звезда. Поэтому понадобился Космический телескоп и коронографические наблюдения.

4. Проекты поиска экзопланет.

Открытие экзопланет позволило астрономам сделать вывод: планетные системы — явление в космосе распространённое. Большинство обнаруженных систем сильно отличается от Солнечной — скорее всего это объясняется селективностью применяемых методов. В большинстве случаев планеты, подобные Земле, современными методами в таких планетных системах обнаружить пока невозможно. Но проекты, которые готовятся в настоящий момент должны ответить на этот вопрос.

Корот (COROT) — специализированный 30-сантиметровый орбитальный космический телескоп, снимающий кривые блеска многих звёзд в момент прохождения перед ними планет. Запущен 27 декабря 2006 г. Предполагается с его помощью обнаружить десятки планет земного типа. В мае 2007 г. уже открыл свою первую экзопланету Corot-exo-1b.

Кеплер — Запуск состоялся 6 марта 2009 года. Телескопа Шмидта 0,95 м, способен одновременно отслеживать 100 000 звёзд. Целью этой миссии является открытие планет типа Земли около звезд типа Солнца по изменению светового потока. Планируется обнаружить порядка 50 планет, подобных Земле, или же порядка 600 планет, в 2,2 раза превосходящих Землю по размеру.

«Darwin» - уникальная система — шесть одновременно работающих телескопов, данные с которых объединяются и передаются на Землю. Чтобы увеличить вероятность обнаружения этих планет, система «Darwin» будет наблюдать звезды в инфракрасном диапазоне. Чтобы регистрировать слабые излучения от землеподобных планет, «Darwin» должен иметь телескоп с диаметром около 30 метров. Разумеется, это нереально поэтому и задумана система из шести аппаратов с диаметром зеркала 1,5 м. «Darwin» достигнет пункта назначения — точки либрации L2 системы Солнце-Земля в 2014.

Космическое агентство NASA запланировало на 2009 год отправку на орбиту нового космического телескопа Space Interferometry Mission (SIM), который будет специализироваться на поиске планет у не очень далеких от нас звезд. Предполагается, что телескоп SIM достаточно подробно исследует около сотни ближайших звезд и проведет более поверхностный обзор нескольких тысяч более далеких звезд. Телескоп SIM будет искать планеты косвенным методом "астрометрических колебаний". По характеристикам "колебаний" звезд, астрономы смогут определить характеристики их планет (массу, параметры орбиты, температуру поверхности).

TPF это будет два различных спутника. Первый из них — Terrestrial Planet Finder-C — телескоп, работающий в видимом диапазоне волн, размером 4-6 метров. Он будет оснащён коронографом для блокирования света звезды. На орбиту его запустят, по последним данным, примерно в 2014 году. Второй — Terrestrial Planet Finder-I — инфракрасный мультителескоп-интерферометр, составленный из нескольких телескопов, по 3-4 метра каждый, летящих "плотным строем". Он подключится к своему напарнику не позднее 2020 года.

Косми́ческий телескóп «Гершель» Запуск состоялся 14 мая 2009 года, с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-5». Миссия названа в честь сэра Уильяма Гершеля, первого исследователя инфракрасного спектра.

Спутник размещен на гелиоцентрической орбите вблизи второй точки Лагранжа системы Земля — Солнце, то есть постоянно закрыт от Солнца Землёй. Телескоп «Гершель» — первая космическая обсерватория для полномасштабного изучения инфракрасного излучения в космосе. Телескоп с зеркалом диаметром 3,5 метра — самый крупный космический телескоп из когда-либо запущенных. Материалом для зеркала послужил карбид кремния.

Космический телескоп имени Джеймса Вебба — орбитальная инфракрасная обсерватория, которая предположительно заменит космический телескоп Хаббл. Назван в честь второго руководителя НАСА Джеймса Е. Уэбба. JWST будет обладать огромным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр Хаббла — 2,4 метра) и солнечным щитом размером с теннисный корт. Будет размещён в точке Лагранжа L2. Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5», не ранее июня 2013 года.

Вопросы экспресс-опроса

1. Какие вы знаете методы обнаружения экзопланет?

2. Сколько примерно открыто экзопланет?

3. Как называется самая древняя из открытых планет?

4. В каком году была открыта первая экзопланеты у нормальной звезды?

5. Как называется единственная экзопланета схожая с Землей?

6. В каком году были получены первые фотографии экзопланет?

Тема: « Состав и структура Галактики»

Цель: Формирование представления о строении Вселенной и месте планеты Земля во Вселенной.

Задачи:

• Образовательные: познакомить обучающихся с космологией, ввести внесистемные единицы измерения, используемые в космологии, познакомить с возрастом и размерами Вселенной, ввести понятие галактики, познакомить с видами галактик, сформировать представление о скоплениях галактик, о видах звёздных скоплений, об образовании туманностей во Вселенной, познакомить с применением спектрального анализа в космологии, сформировать знания о явлении красного смещения спектральных линий в спектрах галактик, о эффекте Доплера, о законе Хаббла, познакомить с Теорией Большого взрыва, ввести понятие критической плотности вещества.
• Воспитательные: способствовать воспитанию нравственных качеств, толерантного отношения ко всем жителям нашей планеты и ответственности за сохранность жизни на планете Земля.
• Развивающие: способствовать повышению интереса к изучению дисциплины “Физика”, способствовать развитию логического мышления (анализу, обобщению полученных знаний).
• Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Ход урока

I. Организационный момент.

Перед обучающимися определяются цели урока, освещается ход урока и конечные результаты его проведения.

II. Мотивация учебной деятельности.

Знания строения и эволюции Вселенной помогают осознать место каждого из нас в этом мире и ту ответственность, которая лежит на нас за сохранность жизни и нашей уникальной планеты для будущих поколений людей.

III. Актуализация знаний.

Фронтальный опрос

1. Какая называется ближайшая к планете Земля звезда? (Солнце)
2. Сколько планет в Солнечной системе? (Восемь)
3. Как называются планеты Солнечной системы? (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун)
4. Какое место по удалённости от Солнца занимает планета Земля в Солнечной системе? (Планета Земля – третья планета от Солнца)

IV. Изложение нового материала.

Космология. Внесистемные единицы измерения. Возраст и размер Вселенной.

“Вселенная — не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности: умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую — астрономической Вселенной, или Метагалактикой”. [2] Сегодня мы познакомимся со строением астрономической Вселенной. И определим место нашей планеты Земля во Вселенной. “Вселенная является предметом исследования космологии”. [2]

Расстояния и массы объектов во Вселенной очень велики. Космология использует внесистемные единицы измерения. 1 световой год (1 св. г.) – расстояние, которое проходит свет за 1 год в вакууме – 9,5 * 1015 м; 1 астрономическая единица (1 а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца (средний радиус земной орбиты) – 1,5 * 1011 м; 1 парсек (1 пк) - расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а. е.), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1') – 3 * 1016 м; 1 масса Солнца (1 Мo) – 2 * 1030 кг.

Учёные определили возраст и размер Вселенной. Возраст Вселенной t=1,3 * 1010 лет. Радиус Вселенной R=1,3 * 1010 св.л.

Галактики. Виды галактик. Скопления галактик.

В начале ХХ века стало очевидным, что почти всё видимое вещество во Вселенной сосредоточено в гигантских звёздно-газовых островах с характерным размером от нескольких кпк. Эти “острова” стали называть галактиками.

Галактики – это большие звёздные системы, в которых звёзды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звёзд. “Эта группа галактик называется Квинтет Стефана. Однако только четыре галактики из этой группы, расположенные в трехстах миллионах световых лет от нас, участвуют в космическом танце, то сближаясь, то удаляясь друг от друга. Лишнего найти довольно просто. Четыре взаимодействующие галактики имеют желтоватую окраску и искривленные петли и хвосты, форма которых обусловлена влиянием разрушительных приливных гравитационных сил. Голубоватая галактика, расположенная на картинке вверху слева, находится гораздо ближе остальных, всего в 40 миллионах световых лет от нас”. [3] 

Существуют разные типы галактик: эллиптические, спиральные и неправильные.

Эллиптические галактики составляют примерно 25 % от общего числа галактик высокой светимости.

Эллиптические галактики имеют вид кругов или эллипсов, яркость плавно уменьшается от центра к периферии, не вращаются, в них мало газа и пыли, М  1013 Мo . Перед вами эллиптическая галактика М87 в созвездии Девы.

Спиральные галактики по внешнему виду напоминают две сложенные вместе тарелки или двояковыпуклую линзу. В них имеется как гало, так и массивный звездный диск. Центральная часть диска, которая видна как вздутие, называется балджем. Темная полоса, идущая вдоль диска – непрозрачный слой межзвездной среды, межзвездная пыль. Плоская дискообразная форма объясняется вращением. Существует гипотеза, что во время образования галактики центробежные силы препятствуют сжатию протогалактического облака в направлении, перпендикулярном оси вращения. Газ концентрируется в некоторой плоскости – так образовались диски галактик.

Спиральные галактики состоят из ядра и нескольких спиральных рукавов или ветвей, ветви отходят непосредственно от ядра. Спиральные галактики вращаются, в них много газа и пыли, М  1012М?

“Американское аэрокосмическое агентство НАСА завело собственный аккаунт в сети Instagram, где выкладываются фотографии с видами Земли и других уголков Вселенной. Потрясающие фотографии с телескопа Хаббл, самой известной Большой обсерватории НАСА, позволяют увидеть то, что никогда не было доступно человеческому глазу. Невиданные ранее далекие галактики и туманности, умирающие и рождающиеся звезды поражают воображение своим разнообразием, подталкивают к мечте о далеких путешествиях. Сказочные пейзажи из звездной пыли и газовых облаков открывают перед нами потрясающие по своей красоте загадочные явления”.[3] Перед вами одна из красивейших спиральных галактик в созвездии Волосы Вероники.

В 20-е гг. ХХ века стало ясно: спиральные туманности - это огромные звездные системы, похожие на нашу Галактику и удаленные от нее на миллионы световых лет. В 1924 году Хаббл и Ричи разложили на звёзды спиральные рукава туманностей в Андромеде и Треугольнике. Было установлено, что эти ”внегалактические туманности” в несколько раз дальше от нас, чем поперечник системы Млечного Пути. Эти системы стали по аналогии с нашей называть галактиками. “Средняя по размерам галактика M33 называется также галактикой в Треугольнике по имени созвездия, в котором она находится. Она примерно в 4 раза меньше по радиусу, чем наша галактика Млечный Путь и галактика Андромеды. M33 находится недалеко от Млечного Пути и её прекрасно видно в хороший бинокль”.[3]

“Галактика Андромеды — самая близкая к нашему Млечному Пути из гигантских галактик. Скорее всего, наша галактика выглядит примерно так же как и эта. Сотни миллиардов звезд, составляющих галактику Андромеды, вместе дают видимое диффузное свечение. Отдельные звезды на изображении являются в действительности звездами нашей Галактики, расположенными гораздо ближе удаленного объекта.”[3] 

“При наблюдении звёздного неба вдали от крупных городов на нём в безлунную ночь хорошо видна широкая светящаяся полоса – Млечный путь. Млечный путь тянется серебристой полосой по обоим полушариям, замыкаясь в звёздное кольцо. Наблюдения установили, что все звёзды образуют огромную звёздную систему (галактику)”. [1] Галактика содержит две основных подсистемы, вложенные одна в другую: гало (её звёзды концентрируются к центру галактики) и звёздный диск (“две сложенные краями тарелки”). “Солнечная система входит в состав галактики Млечный путь. Мы находимся внутри галактики, поэтому нам трудно представить её внешний вид, но во Вселенной есть много других похожих галактик и по ним мы можем судить о нашем Млечном пути”.[1] Галактика Млечный путь состоит из ядра, находящегося в центре галактики, и трёх спиральных рукавов.

“Исследования распределения звёзд, газа и пыли показали, что наш Млечный путь – галактика представляет собой плоскую систему, имеющую спиральную структуру”. [1] Размеры нашей галактики огромны. Диаметр диска галактики около 30 пк (100 000 св.л.); толщина – около 1 000 св. л.

В нашей галактике около 100 млрд. звёзд. Среднее расстояние между звёздами в галактике около 5 св. лет. Центр галактики расположен в созвездии Стрельца. “В настоящее время астрономы тщательно изучают центр нашей галактики. Наблюдения за движением отдельных звёзд около центра галактики показали, что там, в небольшой области с размерами, сравнимыми с размерами Солнечной системы, сосредоточена невидимая материя, масса которой превышает массу Солнца в 2 млн. раз. Это указывает на существование в центре галактики массивной чёрной дыры”. [1] Галактика Млечный путь вращается вокруг центра галактики. Один оборот вокруг центра галактики Солнце делает за 200 млн. лет.

Примерами неправильных галактик служат Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – самые близкие к нам галактики, видимые невооружённым глазом в южном полушарии неба, вблизи Млечного пути. Эти две галактики являются спутниками нашей галактики.

У неправильных галактик отсутствует чётко выраженное ядро, нет вращательной симметрии, около половины вещества в них – межзвездный газ. При исследовании неба с помощью телескопов обнаружено множество галактик неправильной, клочковатой формы, похожих на Магеллановы Облака.

“В ядрах некоторых галактик происходят бурные процессы, такие галактики получили название активных галактик. В галактике М87 в созвездии Девы наблюдается выброс вещества со скоростью 3000 км/с, масса этого выброса составляет  Эта галактика оказалась мощным источником радиоизлучения. Ещё более мощным источником радиоизлучения являются квазары. Квазары также являются мощными источниками инфракрасного, рентгеновского и гамма-излучения. А вот размеры квазаров оказались небольшими, около 1 а.е. Квазары не являются звездами; это яркие и очень активные ядра галактик, расположенные на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли”. [1] “В центре квазара находится сверхмассивная чёрная дыра, всасывающая в себя вещество — звезды, газ и пыль. Падая на чёрную дыру, материя формирует огромный диск, в котором разогревается от трения и действия приливных сил до гигантских температур”. [2] “На сайте “Хаббла” была опубликована, вероятно, одна из самых детальных фотографий квазара на сегодняшний день. Это один из самых известных квазаров 3C 273, который находится в созвездии Девы”. [3] Он стал первым открытым объектом такого рода; в начале 1960-х годов его обнаружил астроном Алан Сэндидж. “Квазар 3C 273 — самый яркий и один из самых близких квазаров: расстояние до него составляет примерно 2 миллиарда световых лет, а блеск позволяет увидеть его в любительский телескоп”. [3]

Галактики редко бывают одиночными. 90 % галактик концентрируются в скопления, в которые входят от десятков до нескольких тысяч членов. Средний диаметр скопления галактик 5 Мпк, среднее число галактик в скоплении – 130. “В Местную группу галактик, размеры которой 1,5 Мпк, входит наша Галактика, Галактика Андромеды M31, Галактика Треугольника M33, Большое Магелланово Облако (БМО), Малое Магелланово Облако (ММО) – всего 35 галактик, связанных взаимной гравитацией. Галактики Местной группы связаны общим тяготением и движутся вокруг общего центра масс в созвездии Дева”. [1]

Звёздные скопления.

В галактике каждая третья звезда – двойная, имеются системы из трех и более звезд. Известны и более сложные объекты – звездные скопления.

Рассеянные звездные скопления встречаются вблизи галактической плоскости. Перед вами звёздное скопление “Плеяды”. Голубая дымка, сопутствующая “Плеядам”, – рассеянная пыль, отражающая свет звезд.

Шаровые скопления – старейшие образования в нашей Галактике, их возраст от 10 до 15 миллиардов лет и сравним с возрастом Вселенной. Бедный химический состав и вытянутые орбиты, по которым они движутся в Галактике, говорят о том, что шаровые скопления образовались в эпоху формирования самой Галактики. Шаровые скопления сильно выделяются на звездном фоне благодаря значительному числу звезд и четкой сферической форме. Диаметр шаровых скоплений составляет от 20 до 100 пк. М= 104 106 М?

Межзвёздное вещество. Туманности.

Кроме звёзд, космических лучей (протонов, электронов, и ядер атомов химических элементов), которые движутся со скоростями, близкими к скорости света, в галактиках присутствует газ и пыль. Газ и пыль в галактике распределены очень не однородно. Помимо разреженных пылевых облаков, наблюдаются плотные тёмные облака пыли. Когда эти плотные облака освещены ярким звёздами, они отражают их свет, и тогда мы видим туманности.

“Команда Хаббла ежегодно выпускает сногсшибательную фотографию, чтобы отпраздновать годовщину запуска космического телескопа 24 апреля 1990 года. В 2013 году они представили миру фотографию известной туманности “Конская Голова”, которая находится в созвездии Ориона в 1500 световых годах от Земли”. [3]

“В яркой туманности Лагуна находится множество различных астрономических объектов. К особенно интересным объектам относятся яркое рассеянное звездное скопление и несколько активных областей звездообразования”.[3] 

“Разноцветная Трёхраздельная туманность позволяет исследовать космические контрасты. Известная также как M20, она находится на расстоянии около 5 тысяч световых лет в богатом туманностями созвездии Стрельца. Размер туманности — около 40 св. л.”. [3]

“Пока неизвестно, что освещает эту туманность. Особенно загадочным представляется яркая дуга в форме перевернутой буквы V, которая очерчивает верхний край похожих на горы облаков межзвездной пыли, находящихся около центра картинки. Эта напоминающая призрак туманность включает небольшую область звездообразования, заполненную темной пылью. Она была впервые замечена на снимках, полученных спутником IRAS в инфракрасном свете в 1983 году. Здесь показано замечательное изображение, полученное космическим телескопом Хаббл. Хотя на нем и видно много новых деталей, причину возникновения яркой, четкой дуги установить не удалось”. [3]

Суммарная масса пыли всего 0,03 % полной массы галактики. Её полная светимость составляет 30 % от светимости звёзд и полностью определяет излучение галактики в инфракрасном диапазоне. Температура пыли 15  25 К.

Применение спектрального анализа. Красное смещение. Эффект Доплера. Закон Хаббла.

Свет галактик представляет собой суммарный свет миллиардов звёзд и газа. Для изучения физических свойств галактик астрономы используют методы спектрального анализа. Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, основанный на исследовании его спектра. Астрономы используют метод спектрального анализа для определения химического состава объектов и их скорости движения.

В 1912 году Слайфер – американский астроном – обнаружил в спектрах далёких галактик смещение линий к красному концу. “Это явление было названо красным смещением. При этом отношение смещения спектральной линии  к длине волны оказалось для всех линий одинаковым в спектре данной галактики. Отношение  , где  - длина волны спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, характеризует красное смещение”.[1]

“Общепринятая в настоящее время интерпретация этого явления связана с эффектом Доплера. Смещение спектральных линий к красному концу спектра вызвано движением (удалением) излучающего объекта (галактики) со скоростью v по направлению от наблюдателя. При малых красных смещениях (z) скорость галактики может быть найдена по формуле Доплера: , где c – скорость света в вакууме”.[1]

В 1929 году Хаббл установил, что вся система галактик расширяется. “По спектрам галактик установлено, что они “разбегаются” от нас со скоростью v, пропорциональной расстоянию до галактики:

v = H·r, где H = 2,4 * 10-18 с-1 – постоянная Хаббла, r – расстояние до галактики (м)”. [1]

Теория Большого взрыва. Критическая плотность вещества.

Появилась теория расширяющейся Вселенной, согласно которой наша Вселенная возникла из сверхплотного состояния в ходе грандиозного взрыва и её расширение продолжается и в наше время. Около 13 млрд. лет назад всё вещество Метагалактики было сосредоточено в небольшом объёме. Плотность вещества была очень высокой. Такое состояние вещества назвали “сингулярным”. Расширение в результате “взрыва” (“хлопка”) привело к уменьшению плотности вещества. Стали формироваться галактики и звёзды.

Существует критическое значение плотности вещества, от которого зависит характер его движения. Критическое значение плотности вещества кр рассчитывается по формуле:

где H = 2,4 * 10-18 с-1 – постоянная Хаббла, G = 6,67 * 10-11 (Н * м2)/кг2– гравитационная постоянная. Подставив числовые значения, получим кр =10-26 кг/м3. При  < кр - расширение Вселенной. При  > кр - сжатие Вселенной. Усреднённая плотность вещества во Вселенной  = 3 * 10-28 кг/м3.

Человек всегда стремится познать окружающий его мир. Изучение Вселенной только началось. Многое ещё предстоит узнать. Человечество лишь в самом начале пути изучения Вселенной и её загадок. “Представляя Вселенную как весь окружающий мир, мы сразу делаем её уникальной и единственной. И вместе с этим лишаем себя возможности описать её в терминах классической механики: из-за своей уникальности Вселенная ни с чем не может взаимодействовать, она — система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер. Вместо этого приходится прибегать к языку термодинамики, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав”. [2]

Для более подробного знакомства с этой информацией вы можете воспользоваться следующими источниками:

1). Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. Учреждений: базовый и профил. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чагурин; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. - 19-е изд. – М. : Просвещение, 2010. – 399 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 978-5-09-022777-3.;

2). http://ru.wikipedia.org;

3). http://diddlybop.ru;

4). http://www.adme.ru

Адрес нашего дома во Вселенной: Вселенная, Местная группа галактик, Галактика Млечный путь, Солнечная система, Планета Земля – третья планета от Солнца.

Мы любим нашу планету и будем беречь её всегда!

V. Первичное закрепление знаний.

Фронтальный опрос

• Как называется наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной? (Космология)
• Какие внесистемные единицы измерения используются в космологии? (Световой год, астрономическая единица, парсек, масса Солнца)
• Какое расстояние называют световым годом? (Расстояние, которое проходит свет за один год)

VI. Самостоятельная работа.

Обучающимся предлагается самостоятельно решить задачу: Усреднённая плотность вещества во Вселенной  = 3 * 10-28 кг/м3 . Рассчитайте критическое значение плотности вещества и сравните его с усреднённой плотностью вещества во Вселенной. Проанализируйте полученный результат и сделайте вывод о том, расширяется или сжимается Вселенная.

VII. Рефлексия.

Обучающимся предлагается оценить работу преподавателя и свою собственную работу на уроке путём рисования позитивных или негативных смайликов на выданных преподавателем листочках.

VIII. Домашнее задание.

Тема урока: Крупномасштабная структура Вселенной. Метагалактики. Космологические модели Вселенной

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Цель: Формирование представления о строении Вселенной и месте планеты Земля во Вселенной.

Задачи: 

• Образовательные: познакомить обучающихся с космологией, ввести внесистемные единицы измерения, используемые в космологии, познакомить с возрастом и размерами Вселенной, ввести понятие галактики, познакомить с видами галактик, сформировать представление о скоплениях галактик, о видах звёздных скоплений, об образовании туманностей во Вселенной, познакомить с применением спектрального анализа в космологии, сформировать знания о явлении красного смещения спектральных линий в спектрах галактик, о эффекте Доплера, о законе Хаббла, познакомить с Теорией Большого взрыва, ввести понятие критической плотности вещества.
• Воспитательные: способствовать воспитанию нравственных качеств, толерантного отношения ко всем жителям нашей планеты и ответственности за сохранность жизни на планете Земля.
• Развивающие: способствовать повышению интереса к изучению дисциплины “Физика”, способствовать развитию логического мышления (анализу, обобщению полученных знаний).

Ход урока

Некоторые основные составляющие элементы Вселенной

Примером простейшей структуры в космическом пространстве является система планета-спутник. Кроме двух ближайших к Солнцу планет (Меркурий и Венера), все остальные имеют своего спутника, и в большинстве случаев даже не одного. Если Землю сопровождает лишь Луна, то вокруг Юпитера вращается целых 67 спутников, хотя некоторые из них довольно малы. Однако вместе со своими спутниками планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, образуя так называемую планетную систему.

Солнечная система

В результате наблюдений, астрономами было выявлено, что большинство других звезд также входят в состав планетных систем. Вместе с тем сами светила тоже зачастую образовывают системы и скопления, которые назвали звездными. Согласно имеющимся данным, преобладающая часть звезд составляют парные звездные системы, или с кратным количеством светил. В этом плане наше Солнце считается нетипичным, так как оно не имеет пары

Если же рассматривать околосолнечное пространство в более увеличенных масштабах, то становится очевидно, что все звездные скопления вместе со своим планетными системами образуют звездный остров, так называемую галактику Млечный Путь.

История изучения структуры Вселенной

Впервые об идее крупномасштабной структуры Вселенной задумался выдающийся астроном Уильям Гершель. Именно ему принадлежат такие открытия как обнаружение планеты Уран и двух ее спутников, двух спутников Сатурна, открытие инфракрасного излучения и идея о движении Солнечной системы сквозь космическое пространство. Самостоятельно сконструировав телескоп и проведя наблюдения, он выполнил объемные подсчеты светил различной яркости в определенных областях небосвода и пришел к выводу, что в космическом пространстве существует большое множество звездных островов.

Позже, в начале ХХ-го века американский космолог Эдвин Хаббл смог доказать принадлежность некоторых туманностей к структурам, отличным от Млечного Пути. То есть было достоверно известно, что за пределами нашей галактики также существуют различные звездные скопления. Исследования в этом направлении вскоре значительно расширили наше понимание Вселенной. Оказалось, что помимо Млечного Пути в космическом пространстве существуют десятки тысяч иных галактик. В попытке составить какую-нибудь упрощенную карту видимой Вселенной ученые наткнулись на тот примечательный факт, что галактики в пространстве распределены неравномерно и составляют собою иные структуры немыслимых размеров.

Крупномасштабная структура Вселенной

Со временем ученые обнаружили, что галактики-одиночки – достаточно редкое явление во Вселенной. Подавляющая же часть галактик образуют крупномасштабные скопления, которые могут быть различных форм и включать в себя две галактики или кратное число, вплоть до нескольких тысяч. Помимо огромных звездных островов эти массивные звездные структуры включают еще и скопления газа, разогретого до высоких температур. Несмотря на очень низкую плотность (в тысячи раз меньше, нежели в солнечной атмосфере), масса этого газа может значительно превышать суммарную массу всех звезд в некоторых совокупностях галактик.

Полученные результаты наблюдений и расчетов навели ученых на мысль о том, что скопления галактик также могут образовывать иные более крупные структуры. Вслед за этим стали два интригующих вопроса: если сама по себе галактика, сложная структура, является частью некой более масштабной конструкции, то может ли эта конструкция быть составной чего-нибудь еще большего?  И, в конце концов, есть ли предел такой иерархичной структурности, когда каждая система входит в состав другой?

Положительный ответ на первый вопрос подтверждается наличием сверхскоплений галактик, которые в свою очередь перерастают галактические нити, или как их иначе называют «стены». Их толщина в среднем около 10 млн. св. лет, а длина 160 — 260 млн. световых лет. Однако, отвечая на второй вопрос, следует отметить, что сверхскопления галактик не являются некой обособленной структурой, а лишь более плотные участки галактических стен. Поэтому сегодня ученые уверены в том, что именно галактические нити (стены), наибольшие космические структуры, вмесите с войдами (пустым пространством, свободным от звездных скоплений) формируют волокнистую или ячеистую структуру Вселенной.

Положение Земли во Вселенной

Несколько отходя от темы, укажем положение нашей планеты в столь сложной структуре:

1. Планетарная система: Солнечная
2. Местное межзвёздное облако
3. Галактический рукав Ориона
4. Галактика: Млечный Путь
5. Скопление галактик: Местная группа
6. Сверхскопление галактик: Местное сверхскопление (Девы)
7. Сверхскопление галактик: Ланиакея
8. Стена: Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита

Современные результаты исследований утверждают, что Вселенная состоит не менее чем из 200 миллиардов галактик. Галактические стены по своей природе являются относительно плоскими и составляют собой стенки «ячеек» Вселенной, а места их пересечений и формируют сверхскопления галактик. В центре же этих ячеек располагаются войды (англ. void — пустота).

Материалы по теме

Интерактивная шкала масштабов Вселенной

Анализ сформированной учеными трехмерной модели распределения галактик говорит о том, что ячеистая структура наблюдается на расстоянии в более чем миллиард световых лет в любом направлении. Данная информация позволяет полагать, что в масштабе в несколько сотен миллионов световых лет любой фрагмент Вселенной будет иметь почти одинаковое количество вещества. А это доказывает, что в указанных масштабах Вселенная однородна.

Причины возникновения крупномасштабной структуры Вселенной

Несмотря на наличие таких масштабных конструкций, как галактические стены и нити, самыми крупными устойчивыми структурами все же считаются скопления галактик. Дело в том, что известное расширение Вселенной постепенно растягивает структуру любых объектов, и бороться с этой силой может лишь гравитация. В результате наблюдений за скоплениями и сверхскоплениями был обнаружен такой потрясающий эффект как «гравитационное линзирование». То есть лучи, проходящие через межзвездное пространство, искривляются, что указывает на наличие в нем огромной невидимой, скрытой массы. Она может принадлежать различным ненаблюдаемым космическим телам, однако в таких масштабах вероятнее всего принадлежит темной материи

Опираясь на почти однородное реликтовое излучение, ученые убеждены в том, что и вещество во Вселенной должно распределяться равномерно. Но особенность гравитации в том, что она склонна стягивать любые физические частицы в плотные структуры, тем самым нарушая однородность. Таким образом, спустя какое-то время после Большого Взрыва незначительные неоднородности в распределении вещества в пространстве стали все более стягиваться в некоторые структуры. Их возрастающая гравитация (в силу возрастания массы на объем) постепенно замедляла расширение, пока не остановила его вовсе. Мало того, в некоторых частях расширение обернулось в сжатие, что и стало причиной образования галактик и галактических скоплений.+

Подобная модель проверялась при помощи компьютерных расчетов. Учитывая совсем незначительные флуктуации (колебания, отклонения) в однородности реликтового излучения, компьютер просчитал, что такие же мелкие флуктуации в распределении вещества после Большого Взрыва при помощи гравитации вполне могли породить скопления галактик и ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной.

Тема урока: Другие галактики и их основные характеристики. Активность ядер галактик. Квазары.

Тип урока: урок изучения нового материала (урок - лекция).

Цель урока: Формирование понятийного аппарата, необходимого для усвоения информации о галактиках как одном из основных типов космических систем. Рассмотреть виды галактик и классификацию Хаббла.

Задачи урока:

 1. Обучающая: Ввести понятия: другие галактики, радиогалактики, квазары, каталоги. Подчеркнуть, что мир галактик многообразен, дав представление об основных классах галактик (эллиптических, линзовидных, спиральных, неправильных, взаимодействующих, карликовых и т.д.), их структуре, составе, физических характеристиках; о космическом явлении активности ядер галактик; о межгалактических расстояниях.

 2. Воспитывающая: Галактика – одна из множества галактик нашей Вселенной. Формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историей изучения, природой и происхождением галактик разных классов, их основными физическими характеристиками, строением и составом; на основе раскрытия философских положений о материальном единстве и познаваемости мира при изложении астрономического материала о природе галактик. Патриотическое воспитание при сообщении сведений о роли советских ученых в изучении природы галактик. Политехническое образование и трудовое воспитание при повторении и углублении знаний о методах и инструментах, применяемых для изучения галактик (спектральный анализ, радиоастрономия т.д.)

 3. Развивающая:  анализировать и систематизировать информацию, строить классификационные таблицы и схемы, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, процессов и явлений, делать выводы. Решать задачи на расчет межгалактических расстояний и характеристик галактик. Полезно подчеркнуть, что подобно невидимым микрообъектам, которые были открыты физикой элементарных частиц (мир атомов, многообразие элементарных частиц) и биологией (мир мельчайших организмов, исследования на клеточном и молекулярном уровнях), внегалактическая астрономия открыла мегамир (мир галактик и их скоплений), недоступный непосредственному наблюдению.

Знать:

1-й уровень (стандарт) – основные признаки понятия "галактика" как отдельного типа космических систем, виды галактик и их классификацию, понятие радиогалактик и квазаров.

2-й уровень - основные признаки понятия "галактика" как отдельного типа космических систем, виды галактик и их классификацию, понятие радиогалактик и квазаров.  О явлении активности ядер галактик и межгалактических расстояниях.

Уметь:

1-й уровень (стандарт) – анализировать и систематизировать учебный материал, строить классификационные таблицы и схемы, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, процессов и явлений, и решать задачи на расчет диаметра галактики и ее примерной массы.

2-й уровень - анализировать и систематизировать учебный материал, строить классификационные таблицы и схемы, объяснять свойства космических систем на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, процессов и явлений, и решать задачи на расчет межгалактических расстояний и характеристик галактик.

Ход урока:

1. Организационный этап. Приветствие. Подготовка класса к уроку.
2. Повторение материала

По вопросам и заданиям для самоконтроля. По очереди, кто отвечает определяет руководитель группы. Быстрый темп, 2 минуты вначале, чтобы определиться в группах.

3. Изучение нового материала.

 1. Открытие других галактик

     Идея о том, что наша Галактика не заключает в себя весь звездный мир и существуют другие, сходные с ней звездные системы, впервые была высказана учеными и философами в середине 18 века  (Э.Сведенборг в Швеции, И.Кант в Германии, Т.Райт в Англии).

     Вильям (Уильям) Вильгельм Фридрих ГЕРШЕЛЬ (1738-1822, Англия) начав с 1775г вести планомерные обзоры неба открывает, что среди данных видимых туманностей ряд из них состоит из звезд (открывает звездные скопления), а некоторые представляют собой правильную форму (открывает и вводит название планетарных туманностей) и к 1791г приходит к правильному выводу о существовании самостоятельных звездных систем (галактик), подтвержденных лишь в 1924г.

      1 января 1925г Эдвин Поуэлл ХАББЛ (1889-1953, США) -сообщает об открытии других галактик на примере М31 Адромеды (NGC224-по Новому общему каталогу (New General Catalog), 1908 год) - определив по цефеидам расстояние до нее в 300кпк (на самом деле 675кпк). Это единственная для наших широт видимая невооруженным глазом галактика и замечена была еще в 10 веке арабским астрономом Ас-Суфи (903-986). Обозначение М сохранилось еще по каталогу 1781 года Шарля МЕССЬЕ (1730-1817, Франция), составившего каталог на 110 объектов, чтобы не путать туманные пятна на небе с появляющимися кометами. Если взять например галактику в созвездии Девы, и посмотреть, сколько названий она имеет, то получится: М 87, NGC 4486, UGC 7654, PGC 41361, 87GB 122819.0 +124029, 1 ES 1228 +126, IRAS 12282+1240, Дева А, Арп 152. Посмотрев на эти цифры,  подумаешь, что это слишком сложно, но если разобраться, то на самом деле всё это не так уж сложно. Немного о каталогах галактик.

      Невооруженному глазу на небе доступно всего три галактики – туманность Андромеды в северном полушарии и более близкие к нам Большое и Малое Магеллановы Облака – в южном.          

2. Многообразие (классификация) галактик

Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звезд. Наша Галактика c 200-250 млрд. звезд – Млечный Путь – достаточно велика. Самые маленькие галактики содержат в миллион раз меньше звезд. Абсолютная звездная величина самых ярких сверхгигантских галактик М = –24m, у карликовых галактик М = –15m, самые слабые из карликовых галактик имеют абсолютную звездную величину М = –6m. У туманности Андромеды абсолютная звездная величина М = –20,3m, у нашей Галактики М = –19m.

    Э.П. Хаббл в 1925 году впервые разработал первую классификацию галактик (внегалактических туманностей), руководствуясь гипотезой Д. Джинса по формам, составляющим основу современной классификации.

Сперва были: Е- эллиптические, S – спиральные, I – неправильные (иррегулярные), а в 1936г усовершенствовал свою классификацию (опубликована в 1961г А.Сендидж в «Хаббловском атласе галактик»).

    Считал, что классификация отражает эволюцию галактик: возникая как сферические, они сильно вытягивались в эллиптические, превращаясь в спиральные с перемычками или без. На самом деле никакой эволюции в классификации нет.

    Сейчас известно свыше 1 млрд. разнообразных галактик. Наша Галактика, как и М31, принадлежит к типу Sb, а М33 к типу Sс.

    Около 90 % массы галактик приходится на долю тёмной материи и энергии, природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.

     В 2004 году самой далёкой галактикой из тех, что когда-либо наблюдались человечеством, стала галактика Abell 1835 IR1916. Однако в феврале 2007 года обнаружена галактика еще более удаленная, в 11 миллиардах световых лет от Земли, располагаемая вокруг квазара.

1)   Эллиптические галактики составляют примерно 20 % от общего числа галактик высокой светимости, обозначаются буквой E (англ. elliptical). Типичная Е-галактика выглядит как сфера или эллипсоид, диск в ней практически полностью отсутствует. Эллиптические галактики, как и сферические компоненты у галактик других типов, почти лишены межзвездного газа (не считая разреженного и очень горячего газа, заполняющего всю галактику), а следовательно и молодых звезд. По степени вытянутости эллиптических галактик Эдвин Хаббл получил 8 подтипов галактик от Е0 до Е7 (E0 – «шаровые» галактики, E7 – «сплюснутые»). Звезды эллиптических галактик обращаются вокруг центра галактики очень медленно (скорость вращения обычно не превышает нескольких десятков км/с). Таким образом, эллиптические галактики – это системы с низким удельным моментом импульса. Ближайшая к нам эллиптическая галактика – Sculptor (ESO 351-30, подкласс – E0, радиус – 1505 световых лет). На фото последний объект в каталоге Шарля Мессье - М110 (или NGC 205)- карликовая эллиптическая галактика - яркий спутник большой спиральной галактики Андромеды.  На переднем плане изображения видно множество близких звезд. Размер M110 - около 15 тысяч световых лет.

2)    Линзовидные галактики – это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими, составляют до 20%. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0.

3)    В 1845 году английский астроном лорд Росс (Вильям ПАРСОНС, 1800-1877) обнаружил целый класс «спиральных туманностей». В начале XX века было доказано, что спиральные туманности – это огромные звездные системы, похожие на нашу Галактику. С тех пор их стали называть галактиками и они составляют до 80% всех галактик . Спиральные галактики содержат как гало, так и массивный звездный диск и обозначаются буквой S. Их различают по степени своей спиральной структуры добавлением к символу S букв a, b, c. Sa – спиральная галактика с мало развитой спиральной структурой и с мощным ядром. Sc – галактика с малым ядром и с сильно развитыми спиральными ветвями. Наша Галактика принадлежит к промежуточному типу Sb. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется звездная перемычка – бар. В этом случае к их обозначению после буквы S добавляется B. В 2005 году при работе с Космическим телескопом имени Спитцера и основываясь на более ранних наблюдениях, было установлено, что Млечный Путь также следует относить к спиральным галактикам с баром. Гипотеза о наличии бара в нашей галактике была выдвинута на основе многочисленных данных с радиотелескопов. Однако только благодаря изображениям со Спитцера, работающего в инфракрасном диапазоне, данное предположение получило твердое подтверждение. На фото спиральной галактики NGC 613 с перемычкой, находящейся на расстоянии 65 миллионов световых лет от нас в южном созвездии Скульптор, имеющая размер более 100 тысяч световых лет и в центре массивную черную дыру.

    Плоская дискообразная форма объясняется вращением. Существует гипотеза, что во время образования галактики центробежные силы препятствуют сжатию протогалактического облака в направлении, перпендикулярном оси вращения. Газ концентрируется в некоторой плоскости – так образовались диски галактик. Характер движения звезд и газа в галактиках не одинаков: газ вращается быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150–500 км/с, то старые звезды гало всегда вращаются медленнее. Балджи спиральных галактик, состоящие из старых звезд, вращаются в 2–3 раза медленнее, чем диски. Во вращающемся диске, образуемом звездным газом, могут даже распространяться спиральные волны плотности сжатия-разрежения, наподобие звуковых волн. Они обегают галактику за несколько сотен миллионов лет с постоянной угловой скоростью. Именно эти волны ответственны за появление спиральных ветвей. При сжатии газа начинается образование холодных газовых облаков и их комплексов, активное звездообразование. Почти все звезды диска то попадают внутрь спиральных ветвей, то выходят из них. Когда звёзды проходят сквозь рукав галактики, они замедляются, несколько увеличивая среднюю плотность рукава. Подобные «волны», состоящие из медленно едущих машин, можно увидеть на переполненных дорогах. В результате возникающей неоднородности гравитационного потенциала (10-20 %) «догоняющий» межзвёздный газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей и тормозится о «набегающий», образуя ударную волну со значительно повышенной, по сравнению со средней, плотностью. Рукава заметны потому, что повышенная плотность способствует формированию звёзд, из-за чего спиральные рукава населены молодыми голубыми звёздами. Единственное место, где скорости звезд и рукавов совпадают, – это коротационная окружность. Именно вблизи нее в нашей Галактике и располагается наше Солнце. Для Земли это обстоятельство крайне благоприятно: наша планета существует в относительно спокойном месте Галактики и в течение миллиардов лет не испытывает влияния галактических катаклизмов.

4)     При исследовании неба с помощью телескопов обнаружено множество галактик неправильной, клочковатой формы, похожих на Магеллановы Облака. Около половины вещества в них – межзвездный газ. Подобные галактики называются неправильными и по классификации Хаббла обозначаются Ir (англ. irregular). К этому классу относятся около 3% всех галактик. (на фото неправильная галактика NGC 1427A) Существует два больших типа неправильных галактик:

•        •  Неправильные галактики первого типа (Irr I) представляют собой неправильные галактики, имеющие намеки на структуру, которых, однако, не достаточно чтобы отнести их к последовательности Хаббла. Существует два подтипа таких галактик — обнаруживающих подобие спиральной структуры (Sm), и с отсутствием таковой (Im).

•        •  Неправильные галактики второго типа (Irr II) — это галактики, не имеющие никаких особенностей в своей структуре, позволяющих отнести их к последовательности Хаббла.

•        •  Третий подтип неправильных галактик — так называемые карликовые неправильные галактики, обозначаемые как dI или dIrrs. Этот тип галактик в настоящее время считается важным звеном в понимании общей эволюции галактик. Вызвано это тем, что они обнаруживают тенденцию низкого содержания металлов и экстремально высокого содержания газа и поэтому подразумеваются схожими с самыми ранними галактиками, заполнявшими Вселенную. Этот тип галактик может представлять местную (и поэтому наиболее современную) версию тусклых голубых галактик, обнаруженных при сверх глубоком обзоре неба.

     В прошлом считалось, что Большое и Малое Магеллановы Облака относятся к неправильным галактикам. Однако позже было обнаружено, что они имеют спиральную структуру с баром. Поэтому эти галактики были переквалифицированы в SBm, четвертый тип спиральных галактик с баром. Да и возможно они просто пролетающие мимо галактики, а не спутники Млечного Пути.

ИТАК:

•        •  E0—E7 — эллиптические галактики, имеют относительно равномерное распределение звёзд без явного ядра. Цифра показывает эксцентриситет: галактики E0 практически шарообразны, с увеличением номера развивается уплощение. Число показывает форму проекции на плоскость наблюдения, а не реальную форму галактики, которую может быть трудно установить.

•        •  S0 — линзообразные галактики дискообразной формы с явно выраженным центральным балджем (выпуклостью), но без наблюдаемых рукавов.

•        •  Sa, Sb, Sc, Sd — спиральные галактики, состоящие из балджа и внешнего диска, содержащего рукава. Буква показывает, насколько плотно расположены рукава.

•        •  SBa, SBb, SBc, SBd — спиральные галактики с перемычкой, в которых центральный балдж пересекает яркий бар (перемычка), от которого отходят рукава.

•        •  Irr — иррегулярные галактики, которые не могут быть отнесены ни к одному из перечисленных классов. Галактики типа IrrI показывают остатки спиральной структуры, а IrrII имеют совершенно неправильную форму.

5)     В 2003 году Майклом Дринкуотером (Michael Drinkwater) из университета Квинсленда (University of Queensland) был открыт новый вид галактик, классифицируемый как ультракомпактные карликовые галактики, которые не вписываются в классификацию Хаббла. Они в десятки раз меньше по размерам обычных галактик. Карликовые галактики обозначают буквой d (от англ. dwarf - "карлик"). Их можно разделить на карликовые эллиптические dE, карликовые сфероидальные dSph (Sph - сокращение от англ. sphere - "шар"), карликовые неправильные dIr и карликовые голубые компактные галактики dBCG (здесь BCG - blue compact galaxies). dSph похожи на шаровые звездные скопления, увеличенные по объему в тысячи раз. Такие галактики – рекордсмены по низкой поверхностной яркости среди карликов, которая даже во внутренней области галактик часто бывает значительно ниже яркости темного ночного неба. Несколько галактик dSph являются спутниками нашей Галактики. В отличие от них галактики dBCG имеют высокую поверхностную яркость при небольшом линейном размере, а их голубой цвет свидетельствует об интенсивно происходящем звездообразовании. Эти объекты особенно богаты газом и молодым звездами. Галактик со спиральными ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего, для образования спиралей нужен массивный звездный диск, а масса карликовых галактик недостаточна для этого. На фото Leo A - карликовая неправильная галактика - одна из наиболее многочисленного типа галактик во Вселенной, которые, возможно, являются строительными блоками более массивных галактик.

Существуют и другие виды галактик.

1) Взаимодействующие - галактики, соединенные перемычками из звезд и газа, а также далеко уходящими в сторону протяженными "хвостами". В середине XX столетия крупные телескопы выявили, что 5–10 % от общего числа галактик имеет весьма странный, искаженный вид, так что их трудно классифицировать по Хабблу. Иногда такие галактики окружены светящимся гало либо связаны звездной перемычкой. Иногда от галактик на сотни тысяч световых лет отходят длинные хвосты. В некоторых системах обращает на себя внимание сложный характер внутреннего движения межзвездного газа. Если галактики в своем движении близко походят друг к другу, то они могут испытывать сильное гравитационное взаимодействие на расстоянии, даже не соприкасаясь. При взаимном проникновении галактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет. Открыты и впервые исследованы Борисом Александровичем Воронцовым - Вильяминовым (1904-1994) открыл более 2000 и начал их исследование). Первый атлас таких галактик на более 800 объектов создал в 1959г, в который вошла и наша Галактика с Большим Магеллановым Облаком и Малым Магеллановым Облаком.

    Например радиогалактика Центавр А (NGC 5128) считается результатом слияния спиральной галактики с эллиптической. Именно поэтому в этой галактике так много пыли. Газопылевой диск, наследство от спиральной галактики, как бы перечеркивает эту сферическую галактику.

    В галактике М64 слились две дисковые спиральные галактики с разным направлением вращения. В итоге возник газопылевой диск, вращающийся в направлении, противоположном вращению звездного диска. На снимке активно взаимодействует спиральная галактика М51 с соседней галактикой.

2) Галактики с активными ядрами (4 типа) - обычно это эллипсоидные и неправильные гелактики. Они всего составляют около 1% всех галактик.

1) Сейфертовские - Тип галактик с ярким точечным ядром и незаметными спиральными рукавами, открыты в 1943г Карлом Кинан Сейфертом (1911-1960, США) -молодые спиральные галактики, внутри которых происходит беспорядочное движение газовых масс со скоростями в тысячи км/с и выбросы вещества ("джеты") со скоростью 500-4000км/с. Их спектр показывает широкие эмиссионные линии. Около 1% всех спиральных галактик являются сейфертовскими. Многие из них - сравнительно сильные инфракрасные источники; в некоторых центральное ядро является и слабым радиоисточником. Обычно наблюдается изменение яркости ядра.

  На фото сейфертовская галактика NGC 1566, находящаяся на расстоянии около 50 млн. световых лет. Кроме плотно закрученных спиральных рукавов с ясно выраженной симметрией, эта галактика представляет большой интерес благодаря своему светящемуся ядру, обладающему многими характеристиками квазара, хотя и гораздо менее энергетически насыщенному.

2) Радиогалактики - источником  интенсивного радиоизлучения. На каждый миллион галактик приходится одна радиогалактика. Радиоизлучение представляет собой синхротронное излучение электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В радиогалактике Лебедь A (3С 405, первым открыт в 1946г, а отождествлен в 1951г; 3С- Третий Кембриджский каталог 1959г на 471 радиоисточник) часто считающейся прототипом радиогалактик, имеются два обширных облака радиоизлучения, расположенных симметрично с каждой стороны возмущенной эллиптической галактики и простирающихся более, чем на три миллиона световых лет. Кажется маловероятным, что столь большое выделение энергии может быть результатом нормальных ядерных реакций в звездах. Поэтому был предложен механизм, в котором в качестве "центрального движителя" работают черные дыры.

    Радиогалактики тесно связаны с квазарами, многие из которых в радиодиапазоне имеют близкие характеристики.

3) Лацертиды (Lacerta (лат. ящерица))- эллиптическая галактика с ярким существенно переменным плотным ядром. Первым таким объектом была туманность BL Ящерицы, открытая в 1929г. Тогда думали, что это переменная звезда (откуда и форма названия). Уникальное свойство таких объектов - резко выраженная короткопериодическая переменность светового излучения при отсутствии каких-либо характерных черт в спектре (линий, т.е. спектр непрерывен). Яркость может измениться за месяц в сотни раз, причем иногда изменения наблюдаются ежедневно. Что самое странное, он излучает, как сотни миллиардов солнц, именно поэтому его причисляют к квазарам.

    Многие из объектов типа BL Ящерицы являются радиоисточниками. Интенсивные радиовыбросы замечены и в самой туманности BL Ящерицы, но они не коррелируют с вариациями яркости в световом диапазоне. На фото BL Ящерицы с окружением.

4) Квазары (квази-звездный объект, QSO, название сокращенное обозначение радиоисточника QUAsi-StellAR  было дано в 1963г ) - тип галактик с наиболее яркими (в сотни раз от нормальных) активными  ядрами, удаленные на расстояние более 1 млрд. световых лет из-за чего трудно рассмотреть слабое туманное свечение окружающей галактики, обнаруженное все же у небольшого числа квазаров. Внешне подобны звездам, но излучают сильно в радиодиапазоне.   Открыты квазары в 1963г астрофизиком Маартен Шмидт (р. 1929г, США). Присутствие эмиссионных линий означает, что энергия излучения возникла в результате нетепловых процессов. Методами интерферометрии с очень большой базой удалось показать, что объем центрального источника энергии в квазарах ограничен размерами порядка диаметра Солнечной системы. Это значит, что источником энергии может быть падение вещества на сверхмассивную черную дыру.

    Если луч света от удаленного квазара проходит через близлежащую галактику, то может возникнуть эффект гравитационной линзы, открытая в 1979г (QSO 0957+561 А и В,  появление кратного изображения квазара). Для него расстояние между объектами составляло 6" (колеблется от 0,77" до 7" у 25 открытых микролинз).

     В 1998г открыт самый ближний квазар Маркарян 231 (3С 273) в 500 млн. св.лет от нас - центр эллиптической галактики. Его возраст 1 млн. лет и проявляет себя как компактный радиоисточник.

     К началу 2007 года обнаружено около 100 тысяч квазаров, но только дюжина - двойных. Одиночным считался и открытый 1989 году квазар LBQS 1429-008, находящийся от нас на расстоянии 10,5 миллиарда световых лет, а в конце 2006 года профессор Джордж Джорговски из Калифорнийского Технологического Института в Пасадене вместе с командой коллег-астрономов открыли, что он является первым тройным квазаром.

Имеется распространенная разновидность квазаров с низким радиоизлучением - квазаги, т. е. квазигалактики.

3. Определение размеров, масс и расстояний до галактик (некоторые способы).

IV. Первичное закрепление изученного материала.

1. Определите размеры Туманности Андромеды М31 (NGC 224), если она удалена от нас на расстоянии 675кпк и видна под углом 3,0ох1,1о. (из формулы D=rd/206265 найдем  D=675000.3.3600/206265=35343пк и 12960пк)

2. Оцените массу Галактики, лежащую внутри области орбитального движения Солнечной системы вокруг центра Галактики, находящейся в 26000 св.лет, если масса Солнечной системы М ~ 1 М? , а период ее обращения (галактический год) составляет 213 миллионов лет. [Мя=R?2/G  и учитывая, что ?=s/t=2?R/t, получим  Мя=4?2R3/Gt2 отсюда Мя=40.260003/6,67259.10-11.(213.106)2=70304.1010/3027300=0,23.109 М?, тогда Галактики 2,3.109 М?]

Итог

•        1. Виды галактик.

•        2. Виды галактик с активными ядрами.

•        3. Оценки.

V.Подведение итогов урока.

VI. Домашнее задание по астрономии: §31, вопросы, приготовить конспекты на тему: "Строение галактик, "Открытие галактик".

Тема:  «Сверхмассивные черные дыры и активность галактик. Представление о космологи»

Как образуются черные дыры?                                              

    Из курса физики известно, что чем больше космическое тело, тем большую скорость нужно набрать, чтобы навсегда покинуть его. Эта скорость называется второй космической, и для Земли равна 11 км/сек. Но вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, т.к. с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает. На Солнце 2-я космическая скорость равна 620 км/сек, но на его поверхности. Если же представить, что Солнце сжали до радиуса 10 километров, оставив при этом массу прежней, то 2-я космическая скорость увеличится до половины скорости света или 150 тысяч километров в секунду! Значит, если радиус Солнца уменьшать еще дальше (оставляя массу неизменной), то наступит такой момент, когда вторая космическая скорость достигнет световой или 300 000 км/сек!    Это значит, что небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость превышает скорость света, становится невидимой для внешнего наблюдателя! Иначе, свет пытается вырваться в пространство, но гравитация не позволяет ему этого сделать, и со стороны мы можем видеть лишь черное пятно в космосе, проще говоря, некую дыру! Итак, мы убедились, что могут существовать невидимые небесные тела, которые в реальности существуют, но не могут быть наблюдаемы с Земли в виду отсутствия излучения от них.

     Все это казалось убедительным до того, как научный мир не познакомился в начале 20 века с теорией великого физика – Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности позволила сделать большой шаг к определению черной дыры в современном ее понимании. Чтобы понять суть различия между тяготением по Ньютону и тяготением по Эйнштейну, вернемся к опыту со сжатием Солнца. Закон Ньютона гласит, что при сжатии вдвое гравитация возрастает вчетверо, но Эйнштейну удалось блестяще доказать, что гравитация будет расти быстрее, и чем дальше мы сжимаем тело, тем быстрее будет расти гравитация. Если следовать ньютоновскому тяготению, то гравитация станет бесконечно большой, если радиус станет равным 0. Эйнштейн же нашел, что тяготение становится бесконечным при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Сфера описываемся таким радиусом, называется также сферой Шварцшильда. Иначе, тело не сожмется в точку, оно будет иметь определенные размеры, но гравитацию, стремящуюся к бесконечности. Гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. Например, гравитационный радиус Земли равен 10мм (при настоящем – 6400км), а для Солнца 3000м (700000 км).

     Итак, теория гласит о том, что любое небесное тело (звезда, планета) сжавшееся до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, т.к. свет или любое другое излучение не может покинуть данное тело по причине того, что 2-я космическая скорость от гравитационного радиуса и меньше будет выше скорости света. Остается один вопрос: что и каким образом может сжать звезду до гравитационного радиуса. Ответ: сама звезда! Пока звезда «живет» внутри ее происходят термоядерные реакции создающие потоки излучения к поверхности газового шара. Но вещество (водород) для реакций ограничено, и за время от нескольких десятков миллионов до миллиардов лет иссякает.

После того, как водородное топливо будет израсходовано, внутреннее давление создаваемое ранее реакциями исчезнет, и звезда начнет сжиматься под действием собственной гравитации примерно так, как мы сжимает руками большой кусок ваты. Некоторые звезды сжимаются очень быстро – катастрофически. Происходит так называемый гравитационный коллапс, и образуется черная дыра.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же известно, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.

              Как обнаружить черные дыры?        

     Теоретически черные дыры существуют, но как найти их практически? Ведь, по словам знаменитого философа Конфуция, приходится искать черную кошку в темной комнате, и неизвестно есть ли она там вообще. Поиск таинственных объектов начинался с рентгеновских источников излучения, т.е. тех, которые излучают всем известные лучи Рентгена, широко использующиеся в медицине для съемки костей и внутренних органов человека. У рентгеновских источников есть замечательное свойство: они излучают только при нагревании окружающего газа до сверх высоких температур. Но чтобы нагреть газ до такой температуры, нужно чтобы поле тяготения было очень сильным. Такими полями обладают сжавшиеся звезды (белые карлики, нейтронные звезды и…. черные дыры!).

  Но если белые карлики можно наблюдать непосредственно, то как вычислить черную дыру? Астрономы разрешили и эту задачу. Выяснилось, что если сжавшаяся звезда имеет массу в два раза превышающую массу Солнца, то самый вероятный кандидат в черные дыры. Измерить же массу небесного тела легче всего если он существует в паре с другим, проще говоря, в двойной системе по его орбитальному движению. Поиск подобных двойных систем, которые к тому же излучают в рентгене увенчался успехом. Астрономы нашли такую систему в созвездии Лебедя, выяснив что, по крайней мере, один из компонентов обладает массой, превышающей критическую, т.е. более двух солнечных масс. Созвездие Лебедя лучше всего наблюдать летом и осенью, когда оно видно прямо над головой. Объект был назван Лебедь Х-1, и является первым объектом – кандидатом в черные дыры. Он расположен на расстоянии 6000 световых лет от Земли и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 20 солнц и невидимый объект массой 10 солнц, излучающий в рентгеновском диапазоне.

  Но как же может излучать черная дыра, если ничто не может покинуть ее! Да, это верно, но дело в том, что излучает не сама черная дыра, а лишь вещество, падающее на черную дыру. Именно по излучению падающего вещества мы можем оценивать присутствие черной дыры.

   Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, как бы высасывает материю, которая по спирали устремляется к черной дыре. Чем ближе вытягиваемое вещество к черной дыре, тем сильнее оно разогревается и, наконец, начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные приемники излучения. При достижении окрестностей гравитационного радиуса (откуда еще может вырваться излучение) газ разогревается до 10 миллионов градусов, а рентгеновская светимость этого газа в тысячи раз превосходит светимость Солнца во всех диапазонах! Вспышки излучения видны не менее, чем в 200 километрах от центра черной дыры, а ее действительные размеры составляют около 30 километров.

   Итак, черные дыры можно обнаружить по рентгеновскому излучению, испускаемому во время аккреции вещества на них, и чтобы произвести перепись подобных источников, в околоземное комическое пространство были запущены спутники с рентгеновскими телескопами на борту. Занимаясь поиском источников Х-лучей, космические обсерватории «Чандра» (Chandra) и «Росси» (Rossi) обнаружили, что небо заполнено фоновым рентгеновским излучением, и является в миллионы раз более ярким, чем в видимых лучах. Значительная часть этого фонового рентгеновского излучения неба должна исходить от черных дыр.

   Заполняя пространство рентгеновскими лучами, они, тем не менее, не желают показывать свое истинное «лицо». Но чтобы построить четкую теорию связи фонового рентгеновского излучения с черными дырами, необходимо знать их количество. На данный момент космическим телескопам удалось обнаружить лишь небольшое количество сверхмассивных черных дыр, существование которых можно считать доказанным. Косвенные признаки позволяют довести количество наблюдаемых черных дыр, ответственных за фоновое излучение, до 15%. Приходится предполагать, что остальные сверхмассивные черные дыры просто прячутся за толстым слоем пылевых облаков, которые пропускают только рентгеновские лучи высокой энергии или же находятся слишком далеко для обнаружения современными средствами наблюдений.

Сверхмассивная черная дыра (окрестности) в центре галактики M87 (рентгеновское изображение). Виден выброс (джет) от горизонта событий.

Поиск скрытых черных дыр — одна из главных задач современной рентгеновской астрономии. Последние прорывы в этой области, связанные с исследованиями при помощи телескопов «Чандра» и «Росси», тем не менее охватывают лишь низкоэнергетический диапазон рентгеновского излучения — приблизительно 2000–20 000 электрон-вольт (для сравнения, энергия оптического излучения — около 2 электрон-вольт). Существенные поправки в эти исследования может внести европейский космический телескоп «Интеграл» (Integral), который способен проникнуть в еще недостаточно изученную область рентгеновского излучения с энергией 20 000–300 000 электрон-вольт. Важность изучения этого типа рентгеновских лучей состоит в том, что хотя рентгеновский фон неба имеет низкую энергетику, но на этом фоне проявляются множественные пики (точки) излучения с энергией около 30 000 электрон-вольт. Ученые еще только приоткрывают завесу тайны того, что порождает эти пики, а «Интеграл» — первый достаточно чувствительный телескоп, способный найти подобные источники рентгеновских лучей. По предположению астрономов, лучи высокой энергии порождают так называемые Комптон-объекты (Compton-thick), то есть сверхмассивные черные дыры, окутанные пылевой оболочкой. Именно Комптон-объекты ответственны за пики рентгеновского излучения в 30 000 электрон-вольт на поле фонового излучения.

  Но, продолжая исследования, ученые пришли к выводу, что Комптон-объекты составляют лишь 10% от того числа черных дыр, которые должны создавать пики высоких энергий. Это — серьезное препятствие для дальнейшего развития теории. Значит, недостающие рентгеновские лучи поставляют не Compton-thick, а обычные сверхмассивные черные дыры? Тогда как быть с пылевыми завесами для рентгеновских лучей низкой энергии.? Ответ, похоже, кроется в том, что многие черные дыры (Комптон-объекты) имели достаточно времени, чтобы поглотить весь газ и пыль, которые окутывали их, но до этого имели возможность заявить о себе рентгеновским излучением высокой энергии. После поглощения всего вещества такие черные дыры уже оказались неспособными генерировать рентгеновское излучение на горизонте событий. Становится понятно, почему эти черные дыры нельзя обнаружить, и появляется возможность отнести недостающие источники фонового излучения на их счет, так как хотя черная дыра уже не излучает, но ранее созданное ей излучение продолжает путешествие по Вселенной.

  Тем не менее, вполне возможно, что недостающие черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть их. Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено для фонового излучения и пролить свет на их активность в раннюю эпоху Вселенной.

Черные дыры – угроза материи

    Самые большие из черных дыр - супермассивные, которые в миллионы и миллиарды раз превышают массу Солнца, а каждая из них находится в центре большинства галактик.    Некоторые черные дыры считаются более активными, чем их спокойные соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в поле тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена». Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне.

    Многие представляют черную дыру своеобразным «космическим пылесосом», втягивающим в себя окружающее пространство. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды. На самом деле, черные дыры — это обычные космические объекты, обладающие исключительно сильным гравитационным полем.

Если бы на месте Солнца возникла черная дыра таких же размеров, Земля не была бы втянута внутрь, она вращалась бы по той же орбите, что и сегодня. Расположенные рядом с черными дырами звезды теряют часть массы в виде звездного ветра (это происходит в процессе существования любой звезды) и черные дыры поглощают только эту материю.

   Пройдя около Земли, черная дыра вполне может своим тяготением изменить форму Земли и начать затягивать ее вещество внутрь себя. Но подобное событие крайне маловероятно, тем более, как было сказано, ближайшие из них находятся на расстоянии в несколько тысяч световых лет. Поэтому даже если допустить, что черная дыра вдруг направится к Земле, то достичь она сможет ее только через несколько тысяч лет, и это при том, что двигаться она будет со скоростью света. При этом должно соблюдаться условие точной направленности к Земле, что на таком расстоянии теряет всякий смысл. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что гибель от черной дыры человечеству не грозит….

Тема. Красное смещение. Закон Хаббла

Цели урока. Учащиеся должны:

• Иметь представление и структуре Вселенной.
• Знать доказательства расширения Вселенной. 
• Знать современные теории возникновения элементов во Вселенной.

Основные понятия. Эволюция Вселенной. Структура Вселенной. Нуклеосинтез в ранней Вселенной. Основные периоды эволюции Вселенной. Инфляционная эра. Стадия рекомбинации водорода. Лептонная эра. Возникновение галактик. Горизонт событий.

Демонстрационный материал. Фотографии и рисунки из Планетария.

Самостоятельная деятельность учащихся. Выступления учащихся на конференции

Мировоззренческий аспект урока. Формирование научной картины мира и научного мировоззрения учащихся. Развитие навыков логического мышления учащихся и научного подхода к изучению Вселенной, выявление причинно-следственных связей. Формирование представлений об универсальности законов физики.

Использование новых информационных технологий. Работа с интерактивными моделями.

Конспект урока

Под Вселенной мы понимаем материальный мир, рассматриваемый с астрономической точки зрения.

Космология – это физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

К.Фламмарион. Познание человеком Вселенной происходило этапами: от столов и черепахи, поддерживающей Землю, к концентрическим сферам около Земли, центру Вселенной в Солнечной системе в Средневековье и к современной теории Большого Взрыва

Во Вселенной медленно происходят изменения, носящие необратимый характер, например ее расширение.

Наблюдаемую часть Вселенной обычно называют Метагалактикой. Метагалактику составляют различные наблюдаемые структурные элементы: галактики, звезды, сверхновые, квазары и т. д.

 Размеры Метагалактики ограничены нашими возможностями наблюдений и в настоящее время приняты равными 1026 м.

Ясно, что понятие размеров Вселенной весьма условно: реальная Вселенная безгранична и нигде не кончается.

На протяжении веков разные космологические модели сменяли друг друга, но считалось абсолютно незыблемым, что Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Звездное небо над головой являлось символом вечности и неизменности.

В XX веке стали известны два экспериментальных факта, подтверждающих расширение Вселенной:

• красное смещение,
• реликтовое излучение.

Наличие красного смещения у галактик позволяет с большой точностью определять расстояния до них. Чем сильнее смещены линии в спектре галактик, тем дальше галактика. Этот метод определения расстояний до галактик основан на хорошо известном в физике эффекте Доплера.

Если пользоваться не частотой, а длиной волны, то в системе координат наблюдателя излучение источника будет описываться формулой

где Δλ = – изменение длины волны, v – скорость удаления галактики, c – скорость света, λ0 – длина волны лабораторного, неподвижного источника. С другой стороны, скорость источника связана с расстоянием до него по закону Хаббла:

где H – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. Зная величину красного смещения z =  например, для какой-нибудь галактики, мы можем определить расстояние до нее.

        Закон Хаббла был сформулирован Эдвином Хабблом исходя из наблюдений спектров галактик в 1929 году.

 Хаббл Эдвин Пауэлл (1889–1953), Разработал основы структурной классификации галактик. Имя Эдвина Хаббла носит крупнейший космический телескоп.

Закон Хаббла вовсе не означает, что наша Галактика является центром, от которого и идет расширение. В любой точке Вселенной наблюдатель увидит ту же самую картину: все галактики имеют красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Поэтому иногда говорят, что расширяется само пространство. Это, естественно, следует понимать условно: галактики, звезды, планеты и мы с вами не расширяемся.

В настоящие время принято считать, что разбегание галактик, связанное с общим расширением окружающей нас части Вселенной, есть результат Большого Взрыва.

В  2003 году была обнаружена одна из самых удаленных галактик - галактика в созвездии Волосы Вероники, находящаяся от нас на расстоянии 12, 8 млрд.лет,  когда после большого Взрыва прошло всего около 900 млн. лет и Вселенная находилась в младенческом возрасте. Изучение таких галактик не просто приближает нас к границам Вселенной, но позволяет изучать галактики во время их формирования.

Постоянная Хаббла в настоящее время принимается равной H = 60 км/(с∙Мпк).

        Наблюдаемая граница Вселенной – это граница, отделяющая наблюдателя от области, которую он принципиально не может увидеть. Эта область для наблюдателя является ненаблюдаемой и существует вследствие расширения Вселенной.

        Со времени Большого Взрыва прошло 13,6 млрд лет. Расширение Вселенной началось с сингулярного состояния. За это время свет успел пройти расстояние s = c⋅ t – 13,6 млрд св. лет.

Очевидно, что у наблюдателя, находящегося в другом месте во Вселенной, своя собственная наблюдаемая граница Вселенной, подобно тому, как каждый наблюдатель на земном шаре имеет свой горизонт.

Горизонт видимости во Вселенной.

Примерно через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это излучение назвали реликтовым, его температура была около 3000 К. Гипотезу о существовании такого излучения высказал Георгий Гамов. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Реликтовое фоновое излучение открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось в высокой степени изотропным, одинаковым по всем направлениям и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение) приходит с расстояний, определяемых рекомбинацией, т. е. практически с расстояний до горизонта видимости во Вселенной.

С течением времени горизонт расширяется по мере того, как к наблюдателю доходит свет от более далёких областей Вселенной. Чем ближе к горизонту расположен источник излучения, тем больше для него значение красного смещения z. На самом горизонте красное смещение z.

В космологии этот горизонт называют  горизонтом частиц. Горизонт частиц - это расстояние до самого далекого источника, в принципе наблюдаемого в данный момент времени. Расстояние определяется до объекта в момент приема фотона, а не в момент излучения. Иногда этот радиус определяют по-другому: расстояние, которое фотон может пройти от  t = 0 до момента регистрации фотона. В ускоряющейся Вселенной есть объекты, которые мы никогда не увидим, сколько бы ни ждали. Этот горизонт нельзя определить как скорость света, умноженную на время после начала расширения Вселенной.

Таким образом, в доступном для наблюдений объёме Вселенной находится, хотя и очень большое, но конечное число галактик и звёзд.

Первичное распределение элементов во Вселенной. Возникновение элементов в процессе эволюции Вселенной

Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией.

По теоретическим расчетам, в течение первых 10–36 с, когда температура Вселенной была больше 1028 К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной.

При температуре 5∙1012 К закончилась стадия рекомбинации: почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в фотоны; остались только те, для которых не хватило античастиц. Как показали наблюдения, на один барион приходится почти миллиард фотонов – продуктов аннигиляции. Значит, первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составляет одну миллиардную от их числа. Именно из этого «избыточного» вещества и состоит в основном вещество наблюдаемой Вселенной.

Спустя несколько секунд после Большого Взрыва в горячей и плотной Вселенной началась стадия первичного нуклеосинтеза, продолжавшаяся около трех минут. В результате термоядерных реакций образовывались ядра тяжелого водорода и гелия. Затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной. Предсказанные количества водорода (75 %) и гелия (25 %) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.

Согласно модели горячей Вселенной 20–30 % первичного водорода (по массе) должно было превратиться в гелий еще в начальной стадии космологического расширения Вселенной.

На  ранних  стадиях   расширения   Вселенной   в   ходе   реакций происходивших между «элементарными»  частицами,  образовались  ядра  атомов водорода и гелия. Более тяжелые элементы не успели возникнуть, так как Вселенная расширялась и остывала. Более  тяжелые  химические  элементы  появились  позже,  как  продукты ядерных реакций, происходивших в недрах звезд. Эти элементы  рассеивались в пространстве, например, в результате взрыва сверхновых, из них возникали новые звезды второго поколения, уже обогащенные тяжелыми элементами.

В настоящее время распространённость химических элементов отражена в таблице «Космическая распространенность наиболее обильных элементов». При составлении этой таблицы учитывалось распространение элементов не только на Земле, но и на Солнце, звёздах, а также состав космических лучей. Наибольшую распространенность имеет водород, за ним следует гелий.

Космическая распространенность наиболее обильных элементов (по А. Камерону)

Как видно из данной таблицы, самый распространенный элемент во Вселенной – водород. Анализируя химический состав планет нашей Солнечной системы можно прийти к выводу, что наше Солнце образовалось из протозвёздного облака уже обогащённого  тяжелыми элементами. Поэтому можно сказать, что мы – дети вспышек сверхновых.

В 1992 году была открыта анизотропия реликтового излучения – незначительное отклонение температуры (на 30 мкК) от среднего значения 2,725 К в различных направлениях на небе.

Распределение температуры реликтового излучения. На этой карте всего неба излучение в направлении движения Земли показывает голубое смещение и выглядит горячее, в то время как в противоположном направлении оно показывает красное смещение и представляется более холодным. Хорошо заметна  дипольная составляющая, вызванная эффектом Доплера. Местная группа движется со скоростью около 600 километров в секунду относительно реликтового излучения. Светлые области отличаются от темных всего на 0,001 К

Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию Горячей Вселенной и Большого Взрыва. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует.

Изучение скоплений галактик и движение галактик в скоплениях показало, что существует так называемая скрытая масса – тёмная материя.

Ближайшее к нам крупное скоплений галактик, насчитывающее тысячи галактик, находится в созвездии Девы и занимает на небе область с радиусом более 20o.

Скопления галактик по-видимому самые устойчивые образования во Вселенной. Области с повышенной концентрацией галактик сопровождаются с областями с пониженной концентрацией галактик.

Характерный размер скоплений галактик – несколько Мпк. Среднее расстояние между скоплениями 30 Мпк. В любом кубе со стороной 300 Мпк, что соответствует 10 миллиардам световых лет, содержится примерно 1000 скоплений. В этих масштабах вещество распределено уже однородно. Но наряду со скоплениями галактик существуют и более крупные неоднородности с размерами 50–100 Мпк, образующие крупномасштабную структуру Вселенной.

В конце ХХ века Я.Б.Зельдовичем и его сотрудниками была разработана теория «блинов». Эта теория предсказывала, что вскоре после рекомбинации, когда в первоначально ионизованном веществе молодой Вселенной ионы объединились с электронами, образовав нейтральные атомы водорода и гелия, выделяются неоднородности с массой около 1015 солнечных масс, которые начинают сжиматься. Причем это сжатие происходит несимметрично. При этом образуются плоские объекты, которые за свою форму получили название «блинов». Это подтверждается современными наблюдениями скоплений галактик и наличием ячеек в пространственном распределении галактик.

Пространственное распределение скоплений галактик по результатам компьютерного моделирования (крупномасштабная структура).

В XXI веке открыли ускорение расширения Вселенной. В настоящее время идут попытки связать факт ускорения расширения с фактом ненулевой массы нейтрино и тёмной материей.

Вопросы для рефлексии:

1. Как называется стадия развития Вселенной, при которой стали образовываться первые частицы и античастицы?
2. Почему так распространен в настоящее время элемент железо?
3. Через сколько лет после Большого Взрыва начали образовываться первые звёзды и галактики?
4. Через сколько лет после Большого Взрыва стали образовываться тяжёлые элементы? Каким способом это стало происходить?
5. Как образуются и распространяются во Вселенной биологически важные для жизни элементы, такие как кислород и углерод?
6. Как и когда возникли галактики?

Тема: Эволюция Вселенной. Большой Взрыв. Реликтовое излучение. Темная энергия

Цель:

Обучающая : познакомить учащихся с понятием  «Большой взрыв.

Развивающая :  : развивать научность мышления, умение анализировать,   выделять главное.

Воспитывающая:  : формировать добросовестное отношение к учебному труду.

Оборудование:   интерактивная доска,  компьютер .

Ход урока.

Ι.Организационный  момент.

ΙΙ . Проверка домашнего задание.  Повторение .

1.  Чем отличаются квазары от обычных галактик?
2. Можно ли по периоду изменения блеска квазара определить расстояние до него?

III. Изучение нового материала .

История окружающего нас мира, история Вселенной - это вопрос, который волновал человечество, начиная с самых ранних ступе­ней познания. Мифы и религиозные учения предполагают свои «космологические систе­мы», свои теории эволюции Вселенной.

Эволюция Вселенной, начиная с Большого взрыва, рассматривается как совместное развитие микро- и мак­роявлений, включающее процессы дифференциации и усложне­ния в микро - и макроветвях эволюции.

Наша Вселенная участвует в закономерном эволюционном процессе.

Но было бы ошибкой процесс эволюции Вселенной, равно, как и всякой другой материальной системы, отождествлять лишь с одной прогрессивной ветвью развития. Развитие всегда состоит из двух ветвей или этапов - прогрессивного и регрессивного, которые объединяются одной общей характеристикой: необратимостью происходящих в них изменений.

Состояние вещества и ход физических процессов, сами понятия о времени и пространстве в «ранний» период эволюции Вселенной, когда плотность была грандиозна, еще недо­статочно ясны и, вероятно, существенно отли­чаются от понятий физики сегодняшнего дня.

Но качественные изменения во Вселенной происходили не только в далеком прошлом. Имеются теоретические предположения, что при определенных условиях эволюция звезд приводит к образованию так называемых «черных дыр». Поле тяжести у поверхности этих дыр так велико, что силы гравитации «сковывают» в этой части пространства все виды лу­чистой энергии, в том числе и свет. Поэтому эти массивные звезды становятся невидимыми, если только на них не падает вещество извне. Выяснение того, как при этом все же обнаружить «черные дыры», является одной из интереснейших задач современной астрофизики.

Вселенная – это материальный мир, рассматриваемый со стороны его астрономических аспектов. Существуют разные модели Вселенной: «Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Леметра», «Вселен­ная Наана», «Вселенная Зельманова», соответствующие разным представлениям о ней как в целом.

Современная картина эволюционирующей Вселенной – не только расширяющейся, но и буквально «взрывающейся», - пожалуй, так же мало похожа на картину статичной Вселенной, которую рисовала астрономия начала XX в., как современные представления о взаимопревращаемости атомов и элементарных частиц на неделимые атомы классической физики.

Научная постановка вопроса об истории Вселенной-одно из важнейших завоеваний современной науки. Астрономия использует наблюдения с помощью телескопов, исследует спектры далеких небесных тел, изучает ра­диоволны, приходящие из самых отдаленных областей. Выводы из этих наблюдений дела­ются с учетом законов природы, изученных в земных лабораториях. Мы используем данные о спектрах атомов, о законах излучения и распространения радиоволн. Мы применяем к Вселенной и к огромным скоплениям звезд теорию всемирного тяготения, проверенную в земных условиях и в Солнечной системе, в частности по движению созданных человеком космических аппаратов.

Большим достижением нашего века явля­ется установление факта эволюции, изменяе­мой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего - водорода. Горение здесь заключа­ется в превращении водорода в гелий путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд. Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тыс. млн. звезд. Нужно только пом­нить, что ни сама Земля, ни Солнечная си­стема, ни Галактика не расширяются.

Новое, открытое в 1965 г. излучение объ­ясняется тем, что много миллиардов лет на­зад вся Вселенная была совершенно не похо­жа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плаз­мой,- горячим газом, состоящим из электро­нов, ядер водорода и гелия и излучением. Частицы из­лучения при этом даже преобладали. Все­ленная расширялась, и в ходе этого расшире­ния происходило постепенное изменение, ос­тывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время, - это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод подтверж­дается и спектром радиоволн - теория по­зволяет правильно предсказывать потоки волн в разных диапазонах.

С охлаждением связано и выделение от­дельных небесных тел. Всем известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные пары, содержавшиеся в воз­духе, превращаются в капельки воды. Нечто похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме газа.

Подробное теоретическое исследование про­цесса образования Галактик и звезд является одной из центральных задач астрофизики.

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»);

б) лептонная эра (следующая фаза, характеризующаяся снижением энергии частиц и температуры вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»;

в) фотонная эра или эра излучения (характеризуется снижением температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г) звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших дней.

В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10 12 К (по некоторым оценкам до 10 14 К), а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е– и е+); мюонами и антимюонами (м – и м +); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v e, v e), так и мюонными (v m, v m) и тау-нейтрино (v t, v t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10 11 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

IV. Закрепление.

1. Каковы размеры Метагалактики?
2. Что подтверждает теорию Большого взрыва в наши дни?
3. Сколько лет нашему Солнцу?
4. Каков возраст нашей Галактики?

V. Домашнее задание.   § 12.2

Тема урока:  "Возраст галактик и звезд"

1. Новый материал.

Космогония это – раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел.  Космология развивается исходя из гипотез, подтверждаемых наблюдаемыми фактами и позволяющие предсказать новые открытия. Эволюция - изменения объекта, происходящие в течение жизни: от рождение до стадии угасания.

1. Происхождение и эволюция галактик.   Эволюция звезд

Эволюция звезд, это - изменения, происходящие в течение жизни звезды, включая ее рождение в межзвездной среде, истощение годного к использованию ядерного топлива и конечную стадию угасания.

    Горение водорода в ядре продолжается до тех пор, пока не истощатся запасы топлива. В течение этой фазы звезда находится на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. Здесь масштабы времени резко уменьшаются с увеличением массы. Для Солнца время жизни на главной последовательности составляет 10 млрд. лет (около половины которого уже прошло). Когда при исчерпании всего топлива горение водорода в ядре прекращается, в структуре звезды происходят фундаментальные изменения, связанные с потерей источника энергии. Звезда уходит с главной последовательности в область красных гигантов. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых может (в зависимости от массы) активироваться новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов. При температурах порядка 108 K кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be8: He4 + He4 = Be8.Большая часть Be8 снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be8 с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C12: Be8 + He4 = C12 + 7,3 МэВ.

Массивные звезды

По современным представлениям в звездах главной последовательности с массой больше 10 M?  термоядерные реакции проходят в невырожденных условиях вплоть до образования самых устойчивых элементов железного пика. Масса эволюционирующего ядра слабо зависит от полной массы звезды и составляет 2–2,5 M?.

   Сброс оболочки звезды объясняют взаимодействием нейтрино с веществом. Распад ядер требует значительных затрат энергии, т.к. представляет собой как бы всю цепочку термоядерных реакций синтеза водорода в железо, но идущую в обратном порядке, не с выделением, а с поглощением энергии. Вещество теряет упругость, ядро сжимается, температура возрастает, но все же не так быстро, чтобы приостановить сжатие. Большая часть выделяемой при сжатии энергии уносится нейтрино. Таким образом, в результате нейтронизации вещества и диссоциации ядер происходит как бы взрыв звезды внутрь – имплозия. Вещество центральной области звезды падает к центру со скоростью свободного падения. Образующаяся при этом гидродинамическая волна разрежения втягивает последовательно в режим падения все более удаленные от центра слои звезды.

   Начавшийся коллапс может остановиться упругостью вещества, достигшего ядерной плотности и состоящего в основном из вырожденных нейтронов (нейтронная жидкость). При этом образуется нейтронная звезда . Оболочка звезды приобретает огромный импульс (скорее всего, передающийся нейтрино) и сбрасывается в межзвездное пространство со скоростью 10 000 км/с. Такие остатки вспышек сверхновых при расширении взаимодействуют с межзвездной средой и заметно светятся.

    Вспышки сверхновых типа Iа, по-видимому, вызваны коллапсом белого карлика входящего в состав двойной звездной системы, при достижении им массы, близкой к пределу Чандрасекара, в процессе перетекания вещества с расширившейся в ходе эволюции соседней звезды. В таблице приведены этапы эволюции звезды массой 25 M?.

Эволюция звезд типа Солнца

Протозвезда. Звезды образуются в результате гравитационной неустойчивости в холодных и плотных молекулярных облаках (если его масса не менее 2000 масс Солнца. Т=10К). Поэтому звезды всегда рождаются группами (скоплениями, комплексами). Гигантские молекулярные облака с массами, большими 105 M?  (их известно более 6 000), содержат 90 % всего молекулярного газа Галактики. Именно с ними связаны области звездообразования. Если бы гигантские молекулярные облака в Галактике свободно сжимались из-за гравитационной неустойчивости, то за 50 миллионов лет из них образовались бы звезды. Сжатию способствуют ударные волны при расширении остатков вспышек сверхновых , спиральные волны плотности и звездный ветер от горячих ОВ-звезд. Температура вещества при переходе от молекулярных облаков через фрагментацию облака (появление глоб) к звездам возрастает в миллионы раз, а плотность – в 1020 раз, увеличивается скорость вращения.

   Стадия развития звезды, характеризующаяся сжатием и не имеющая еще термоядерных источников энергии, называется протозвездой (греч. протос «первый»). Эволюцию протозвезды массой 1 M?  можно разделить на три стадии:

По достижению температуры в несколько миллионов градусов в центре начинаются термоядерные реакции. Минимальная масса, которая необходима для этого, составляет около одной двенадцатой массы Солнца. Если вещества меньше, то реакции нуклеосинтеза никогда не начнутся. Объекты, массы которых лежат в промежутке 0,01–0,08 M?, называются коричневыми карликами.

    В 60-е годы ХХ века Ч. Хаяши и Т. Накано впервые подробно рассмотрели динамику сжатия протозвезды. Они показали, что в процессе сжатия температура фотосферы молодой звезды возрастает до 3 000 К, светимость звезды – до 300 L?. Заключительные стадии формирования звезды могут быть весьма бурными. Помимо так называемого протозвездного ветра многие звезды выбрасывают с огромной скоростью в пространство гигантские струи горячего вещества – джеты.

Звезда. Ядро втягивает все, или почти все вещество, сжимается и когда температура внутри  превысит 10 млн.К, начинается процесс выгорания водорода (термоядерная реакция). Для звезд с M? от самого начала прошло 60 млн.лет, а для звезд с 10M? прошло 300000 лет. При массе ядра не превосходящей 0,08 массы Солнца, температуры такой не достигнет, возникнет коричневый карлик, который не попадает на главную последовательность, постепенно погаснет и в конце рассеется.

Звезда на главной последовательности. Находится пока внутри происходит термоядерная реакция выгорания водорода в ядре, что зависит от массы. Время жизни самое долгое в эволюции. Для звезд разной массы: M=0,8M? ?=20 млрд.лет, M=M? ?=10 млрд.лет, M=1,5M? ?=1,5 млрд.лет, M=2,0M? ?=0,8 млрд.лет

     После того как звезда израсходует содержащийся в центральной части водород, гелиевое ядро начнет сжиматься, его температура повысится настолько, что начнутся реакции с большим энерговыделением (при температуре 2•107 К начинается горение гелия - составляет по времени десятую часть горения Н). В прилегающем к ядру слое, как правило, остается водород, возобновляются протон-протонные реакции, давление в оболочке существенно повышается, и внешние слои звезды резко увеличиваются в размерах. На диаграмме Герцшпрунга – Рассела звезда начинает смещаться вправо – в область красных гигантов, увеличиваясь примерно в размере в 50 раз. Звезды скромных размеров, включая и Солнце, в конце жизни, после стадии красного гиганта сжимаются, сбрасывают оболочку (до 30% массы - образуется планетарная туманность), превращаясь в белые карлики, имеющие массу, не превышающую 1,2 M?, радиус в 100 раз меньше солнечного, и, следовательно, плотность в миллион раз больше солнечной. Белый карлик продолжает слабо светиться еще очень долго, пока его тепло не израсходуется полностью, и он превратится в мертвого черного карлика.

Завершающие стадии эволюции красных гигантов

Будущее Метагалактики

3. Возраст звезд и галактик

1) С помощью космического аппарата НАСА WMAP, запущенного 30 июня 2001г, курсирующего вокруг Солнца по орбите гравитационного баланса между Солнцем, Землей и Луной и собирающего сведения о фоновом микроволновом излучении, в 2005 году установлено:

• а) Возраст нашей Галактики составляет 13,7 млрд.лет (точность 1%).
• б) Вселенная состоит из:

- 4% атомов на которые распространяются известные законы электромагнетизма и гравитации;

- 23% занимает темное вещество;

- остальные 73% загадочная "антигравитация", побуждающая Вселенную расширяться.

2) Галактики начали образовываться через 100 млн.лет после Большого Взрыва и в последующие 3-5 млрд.лет сформировались и сгруппировались в скопления. Следовательно возраст самых старых эллиптических галактик около 14 млрд.лет.

3) Первые звезды появляются через 1млн.лет после Большого Взрыва, следовательно должны иметься звезды с возрастом около 14 млрд.лет.

4) Исследования самых старых шаровых скоплений, где звезды рождаются практически одновременно, показывает, что возраст звезд в них не менее 10 млрд.лет (население 2-го типа с низким содержанием элементов тяжелее Не). Скорее всего они образовались одновременно с галактиками.

5) Рассеянные скопления (звездные ассоциации) имеют возраст звезд 10-100 млн.лет (население 1-го типа звезд с высоким, около 3%, содержанием металлов). Процесс звездообразования идет и сейчас (например в туманности Ориона).

4. Шкала Вселенной

2. Закрепление материала:

1. Каков эволюционный путь звезды с массой 1,7 солнечно и показать треки на диаграмме Г-Р.

2. Решение №8, стр.182

Итог урока:

• 1. Что такое космогония и ее отличие от космологии?
• 2. Каковы основные этапы эволюции звезд?
• 3. Какова судьба Солнца в будущем?
• 4. Оценки.

Конспект урока "Происхождение планет"

Мы с вами уже говорили о том, что движение звёзд на небе привлекало людей с древних времён. Ещё древние греки — как и многие другие народы до и после них — проводили различие между Землёй, которую они считали центром Вселенной, и планетами. А планетами они называли маленькие светящиеся точки в небе, которые вращались вокруг Земли.

Сегодня мы точно знаем, что Земля не является не то что центром Вселенной, но даже не центром Солнечной системы.

Но что же такое Солнечная система? В современном понимании под Солнечной системой понимается всё космическое пространство и вся материя, находящаяся в сфере притяжения Солнца.

То есть Солнце — это самый главный и самый массивный объект Солнечной системы, который занимает в ней центральное положение. Вокруг Солнца вращается огромное количество небесных тел. Но самыми значительными из них являются большие планеты. Они представляют собой тела, имеющие форму, близкую к сферической, движущиеся вокруг звезды в её гравитационном поле, светящиеся отражённым от звезды светом и расчистившие область своей орбиты от других мелких объектов.

На начало две тысячи семнадцатого года в Солнечной системе выделяют восемь больших планет, удалённых от Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Но Солнечная система — это не только Солнце и 8 больших планет. Конечно же, большие планеты — самые важные представители семьи Солнца. Но у нашей звезды есть ещё очень много и других «родственников».

Например, уже хорошо известный нам Иоганн Кеплер, который всю жизнь занимался поисками гармонии планетных движений, первым обратил внимание на то, что между орбитами Марса и Юпитера наблюдается пустая зона, тянущаяся на 550 миллионов километров. При этом между орбитами других известных на то время планет это расстояние не превышало 80 миллионов.

То есть, по логике, там должна была бы находиться планета. И примерно через два столетия в этом самом месте была обнаружена малая планета, которая по размерам оказалась в 3,4 раза, а по объёму в 40 раз меньше нашей Луны. Найденное небесное тело назвали в честь древнеримской богини урожая и плодородия Церерой.

Вскоре выяснилось, что у Цереры есть множество «сестёр», большинство из которых как раз движутся между орбитами Марса и Юпитера. Там они образуют своеобразный пояс малых планет — главный пояс астероидов.

Второй пояс астероидов был открыт сравнительно недавно на окраинах нашей планетной системы — это пояс Койпера. И хотя он похож на главный пояс астероидов, но примерно в 20 раз его шире и в 20—200 раз массивнее.

Иногда на небе бывают видны хвостатые «звезды» — кометы, которые приходят к нам издалека и, как правило, появляются внезапно. Как считают учёные, на окраинах Солнечной системы существует гипотетическая сферическая область, состоящая из более ста миллиардов потенциальных кометных ядер, служащая источником долгопериодических комет. Эта область космического пространства была названа облаком Оорта, в честь нидерландского астронома Яна Оорта, который первым высказал предположение о его существовании.

20 января 2016 года астрономы из Калифорнийского технологического института Константин Батыгин и Майкл Браун на основании математического моделирования особенностей движения некоторых наиболее удалённых объектов высказали гипотезу о возможном существовании девятой планеты, находящейся примерно в 20 раз дальше от Солнца, чем Нептун. По предварительным оценкам, масса планеты Икс примерно в 10 раз превышает массу Земли, а радиус — в 3,66.

Но мы немного отвлеклись. Итак, все большие планеты обращаются вокруг Солнца почти по круговым орбитам в одну и ту же сторону — с запада на восток. Такое направление движения в астрономии принято называть прямым движением.

Солнце вращается вокруг своей оси в ту же сторону, в какую движутся планеты вокруг Солнца. Вращение планет вокруг своих осей также совпадает с направлением их обращения вокруг Солнца. Исключение составляют Венера и Уран, которые вращаются в противоположную сторону. Причём ось вращения Урана почти лежит в плоскости орбиты планеты.

Восемь больших планет принято делить на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.

К планетам земной группы относятся четыре ближайшие к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Их размеры относительно небольшие, но их средняя плотность почти в 5 раз больше плотности воды. Объясняется это тем, что большая часть массы планет земной группы приходится на долю твёрдых веществ — оксидов и других соединений тяжёлых химических элементов.

Оставшиеся четыре планеты — это планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Они намного массивнее планет земной группы и очень сильно превосходят их по объёму. Однако их средняя плотность невелика. А, например, Сатурн, если конечно найти бассейн огромных размеров, мог бы даже плавать в воде.

Малая плотность планет-гигантов обусловлена в первую очередь тем, что в их составе преобладают водород и гелий, которые находятся в жидком и газообразном состояниях.

Отличия между планетами двух групп проявляются и в том, что планеты-гиганты быстрее вращаются вокруг оси. Например,

Юпитер совершает один оборот вокруг

своей оси за 9,925 земных часов, в то время как Венере на это требуется 243,02 земных суток.

Вокруг планет, кроме Меркурия и Венеры, обращаются спутники, которых на 2017 год насчитывалось 175. Причём на долю планет земной группы приходится лишь три спутника: Луна у Земли, а также Фобос и Деймос у Марса.

Столь значительные различия планет двух групп можно объяснить лишь на основании современных представлений о формировании Солнечной системы. Для её построения учёным необходимо было знать возраст небесных тел. Так, возраст найденных древнейших пород на Земле достигает 4 миллиардов 640 миллионов лет. Возраст лунных пород оценивается от 2 до 4,5 миллиардов лет, а каменных и железных метеоритов — от 0,5 до 5 миллиардов лет. Возраст нашего светила, который определяется на основании теории строения и эволюции звёзд, также оценивается примерно в 5 миллиардов лет. Всё это позволяет выдвинуть предположение о том, что формирование планет и Солнца произошло из одного и того же газопылевого облака.

Впервые эта идея была выдвинута ещё Иммануилом Кантом в 1755 году. Он предполагал, что Солнце и планеты возникли из горячего и быстро вращающегося газопылевого облака, которое под действием гравитации сжималось и распадалось на фрагменты. Но эта теория оказалась несостоятельной из-за множества возникших противоречий.

В 1919 году Джеймс Джинс высказал предположение о том, что планетное вещество было «вырвано» из Солнца проходящей рядом с ним другой звездой. Впоследствии из этого «вырванного куска» и образовались планеты. Но исследование метеоритов и земных пород показало, что они образовались не из газовых сгустков, а из вполне себе твёрдых частиц.

Лишь в 1944 году советский учёный (уроженец города Могилёва (ныне Республика Беларусь)) Отто Юльевич Шмидт разработал теорию о происхождении Солнечной системы. Эта теория развивается и по сей день.

Согласно этой теории, около 5 миллиардов лет назад недалеко от места рождения Солнечной системы произошёл взрыв сверхновой звезды. Он не только наполнил газопылевое облако, состоящее в основном из водорода и гелия, железом и ураном, но и определил его будущее, поскольку фронт ударной волны сжал облако газа до критической массы. Эта масса под действием гравитационных сил начала сжиматься. В быстро сжимающемся облаке газ и пыль уплотнились во множество комков, каждый из которых стал яслями для будущих звёзд. Сегодня примерно то же самое мы можем наблюдать в созвездии Ориона, через которое на сотни световых лет протянулось гигантское молекулярное облако.

Вначале сжатие облака гравитационными силами привело к образованию центрального горячего тела — про́тозвезды́ — будущего Солнца. Молодое Солнце интенсивно поглощало газ и пыль. Это привело к тому, что большая их часть (около 90 %) оказалась на Солнце. А из мизерных остатков космической пыли образовались зародыши планет — планетезимали. Считается, что число таких допланетных тел достигало многих миллионов.

Примерно через миллион лет всё, что находилось ближе к протосолнцу, испарилось под действием высоких температур. Но на расстоянии около 8 миллионов километров образовалась «каменная линия», где формировались планетезимали, полностью состоявшие из каменистых материалов и соединений металлов. Примерно через 100 миллионов лет из этого вещества сформировались первые протопланеты земной группы. А ещё через несколько миллиардов лет они обрели привычный нам вид.

Во внешней области Солнечной системы образовалась снеговая линия. В ней летучие вещества (в основном водород, гелий, вода, метан и аммиак) намерзали на твёрдые частицы. Здесь процесс образования планет шёл гораздо быстрее. Ядра будущих планет-гигантов росли быстро, захватывая окружающий газ и превращаясь в планеты-гиганты. Например, считается, что Юпитер набрал около 90 % своей массы в течение не более 100 тысяч лет. А в течение следующих нескольких миллионов лет дорос до теперешних размеров.

Спутники планет образовывались в результате тех же процессов, что и сами планеты.

Также у планет гигантов есть образования из мелких частиц — это кольца, которые отсутствуют у планет земной группы. Считается, что это остатки околопланетного облака.

В самой холодной внешней части диска конденсирующее вещество почти всё было ледяным. Множество отдельных ледяных планетезималий и глыб породили ядра комет и ледяные астероиды.

Конспект урока "Жизнь и разум во Вселенной. Астрономическая картина мира"

Существование жизни вне Земли, в особенности жизни разумной, с давних пор является одним из вопросов, которые волнуют человечество. История поисков жизни вне Земли полна драматических событий и горьких разочарований.

Первые идеи о том, что Земля не является единственным населённым миром в беспредельном пространстве Вселенной, высказывались ещё древними философами. Многие из них считали, что обитаемы все планеты, и даже Луна. Поэтому первые поиски внеземной жизни велись исключительно в нашей Солнечной системе. Однако по мере изучения её планет прогнозы о внеземной жизни становились всё менее оптимистичными. В итоге главными претендентами остались Венера и Марс.

На одном из уроков мы с вами говорили о том, что Венера классифицируется как землеподобная планета, и иногда её называют «сестрой Земли».

Связано это с тем, что обе планеты похожи размерами и составом. Однако изучение поверхности нашей соседки показало, что она является самой горячей планетой в нашей Солнечной системе. Поэтому ничто живое не способно выжить на ней. Хотя в последнее время всё больше учёных склоняются к тому, что в облаках Венеры присутствуют микробы, подобные земным экстремофилам. Об этом свидетельствуют химические вещества, обнаруженные в облаках этой планеты. Но это пока только догадки.

Тогда все надежды стали связывать с самой загадочной планетой — Марсом. Многие учёные давно считали, что на красной планете есть жизнь. В прошлом даже выдвигались проекты о том, как заявить марсианам о своём существовании. Так, например, немецкий математик Иоганн Гаусс предлагал прорубить в лесах Сибири гигантские просеки в форме треугольника и других геометрических фигур, чтобы обитатели Марса узнали о наличии на нашей планете разумной жизни.

В начале ХХ века, когда на Земле были построены Панамский и Суэцкий каналы, с большим энтузиазмом были встречены сообщения учёных о том, что похожие каналы были обнаружены и на красной планете.

В середине 60-х годов НАСА запустила программу «Маринер» для проведения научных исследований Марса. Итогом этой программы стал запуск двух космических аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2», которые должны были попытаться обнаружить биологическую жизнь на Марсе. Однако в ходе анализа марсианских пород не было обнаружено никаких следов органических соединений. Для сравнения: такой же прибор при пробах антарктического грунта нашёл значительное количество ископаемых органических соединений.

В 1976 году станция «Викинг-1» передала на Землю снимок загадочного объекта. Его размер составлял около полутора километров. Этот объект назвали «головой сфинкса», тем самым приписав его к архитектурному сооружению какой-то древней марсианской цивилизации.

Споры о том, что же это такое, не утихали вплоть до 2001 года, пока на орбиту Марса не была выведена беспилотная исследовательская станция «Марс Глобал Сервейор». Она сделала детальный снимок «марсианского лица», который в действительности оказался обычным природным объектом.

В конце 2013 года и начале 2014 марсианской научной лаборатории «Кьюриосити» удалось два раза обнаружить десятикратное увеличение средней доли метана в атмосфере Марса. Проще говоря, где-то на планете существует локальный источник метана. Однако имеет ли он биологическое или же иное происхождение, специалисты утверждать затрудняются вследствие нехватки данных для полноценного анализа.

В середине 90-х годов на орбиту Юпитера был выведен космический аппарат НАСА «Галилео». В то время как поиски жизни на Марсе зашли в тупик, он передал сообщение о том, что на Европе, возможно, обнаружен океан тёплой воды, находящийся под её ледяным панцирем.

Вы уже знаете, что вся поверхность Европы покрыта льдом и является одной из самых гладких поверхностей Солнечной системы. Также на поверхности спутника очень мало кратеров, но много трещин. Рельеф некоторых участков поверхности указывает на то, что здесь когда-то давно лёд был расплавлен и в воде плавали льдины и айсберги.

Над южным полюсом Европы были зафиксированы признаки выброса водяного пара — это результат действия гейзеров, бьющих из трещин ледяной коры. Следовательно, если на Европе есть тёплая вода, то могут существовать и какие-либо формы жизни. Интересные характеристики Европы, а также возможность отыскать внеземную жизнь привели к тому, что в 2016 году НАСА выделило из бюджета средства на создание межпланетной станции для детального изучения этого спутника Юпитера. Запуск аппарата намечен на середину 2020-х гг.

Ещё одним интересным местом для поиска жизни в нашей Солнечной системе является крупнейший спутник Нептуна Тритон.

Дело в том, что во время пролёта «Вояджера-2» около спутника было зафиксировано всего 179 ударных кратеров (для сравнения, на Миранде, спутнике Урана, зафиксировано 835 кратеров, и это при том, что площадь её поверхности составляет всего около 3 % от площади Тритона). Такое малое количество кратеров свидетельствует о том, что возраст поверхности не превышает и ста миллионов лет. А сам спутник является одним из немногих геологически активных спутников Солнечной системы. Об этом говорят и следы тектонической активности, замысловатый рельеф и многочисленные криовулканы. Это дало основание полагать, что под ледяной поверхностью Тритона располагается жидкий океан из смеси аммиака и воды, где могла бы зародится биологическая жизнь.

Вы, наверное, обратили внимание на то, что практически все поиски внеземной жизни сводятся к поиску жидкой воды. Дело в том, что в настоящее время считается, что любые формы жизни могут зародится исключительно в водной среде. И хотя вода как химическое соединение имеет довольно широкое распространение не только в нашей Солнечной системе, но и во Вселенной, пока только на Земле мы встречаемся с таким её количеством в жидком виде.

Уже научно доказано, что из смеси водорода, метана, аммиака, сероводорода и, главное, воды (таков первичный состав земной атмосферы) под действием ультрафиолета и электрических разрядов можно получить 22 аминокислоты, 12 из которых входят в строительный материал белков живых организмов. И четыре из пяти оснований, образующих молекулы ДНК и РНК. То есть могут появиться особые органические клетки, которые начнут размножаться и развиваться. Каждый раз будут возникать все более сложные клеточные образования и по количеству, и по качеству, подобно тому, как развилась жизнь на Земле.

Эта такая форма жизни, которая нам знакома. Мы не способны представить себе другую жизнь, потому что устроены определённым образом. Наше воображение очень ограниченное и черпает все формы из существующей реальности. Попробуйте вообразить существо, живущее на другой планете, и у вас обязательно получится нечто, похожее на земные существа. Возможны лишь вариации по количеству ног и с хвостом или без него, но наша фантазия не способна выйти за границы этого мира.

Однако существование органических соединений, процессы, происходящие с ними в живых организмах и составляющие основу жизнедеятельности, могут происходить лишь при температурах от нуля до ста градусов Цельсия. Более того, для возникновения и развития живых организмов необходимо, чтобы эти условия поддерживались в течение достаточно длительного времени. (Согласно современным представлениям, в земной биосфере от момента зарождения простейших форм жизни до появления человека прошло примерно 3 млрд лет.)

Таким образом, существование жизни возможно только на тех планетах, где изменения температуры не выходят за указанные пределы. А таким требованиям удовлетворяют только те планеты, которые движутся по почти круговым орбитам вокруг звёзд главной последовательности классов F и G.

Как вы знаете, поиск планет вне Солнечной системы сопряжён с большими трудностями, так как планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звёздами, а сами звёзды находятся далеко от Солнца. Первые экзопланеты были открыты лишь в конце 80-х годов прошлого века.

Сейчас же такие планеты стали открывать благодаря усовершенствованным научным методам, зачастую на пределе их возможностей. На 11 декабря 2017 года достоверно подтверждено существование 3716 экзопланет.

Однако их открытие не гарантирует развития на них биологической жизни. Для этого они должны попадать в область, называемую зоной обитаемости или зоной жизни. Это, конечно, условная зона, определённая из расчёта, что условия на поверхности находящихся в ней планет будут близки к условиям на Земле.

7 марта 2009 года на орбиту Земли была выведена космическая обсерватория «Кеплер». Этот телескоп, оснащённый сверхчувствительным фотометром, специально предназначен для поиска экзопланет. Уже 5 декабря 2011 года астрономы объявили об открытии первой достоверно подтверждённой экзопланеты Kepler-22 b в обитаемой зоне звезды Kepler-22.

А 23 июля 2015 года учёные сообщили об обнаружении экзопланеты Kepler-452 b на орбите жёлтого карлика спектрального класса G2 в созвездии Лебедя. По оценкам, её диаметр всего на 60 % больше диаметра Земли, что делает её более похожей на нашу планету по сравнению с ранее обнаруженными. Период обращения планеты вокруг звезды составляет 385 суток, что так же крайне близко к периоду обращения Земли вокруг Солнца. Таким образом, поиски внеземных цивилизаций вышли за пределы Солнечной системы.

Но поиски разумной жизни не ограничиваются лишь прямыми наблюдениями и исследованием планет и их спутников. В 1960 году американский астроном Фрэнк Дрейк предпринял первые попытки в поиске искусственных радиосигналов от двух ближайших звёзд. И хотя обнаружить искусственные сигналы ему не удалось, но эра поисков сигналов внеземных цивилизаций была открыта.

В июле 1967 года от одной из звёзд в созвездии Лисички был получен радиосигнал, который обладал строгой периодичностью. Сейчас-то мы знаем, что эти сигналы испускал радиопульсар. Но тогда результаты открытия несколько месяцев хранились в тайне, так как учёные считали, что эти импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение. Поэтому первому открытому пульсару и было присвоено имя LGM-1 (от английского «маленькие зелёные человечки»).

А 15 августа 1977 года был зарегистрирован сигнал, вошедший в историю под названием «Bay!» («Wow!»).

Характеристики сигнала соответствовали (в некоторых интерпретациях) теоретически ожидаемым от сигнала внеземного происхождения (в том числе и длительность в 72 секунды). Однако однозначной трактовки этого сигнала нет. Как нет и от сигнала, полученного 5 января 2012 года по направлению от экзопланеты в системе KOI 817 в созвездии Лебедя.

Параллельно с поиском внеземных цивилизаций ведётся работа и по сообщению им информации о нас с вами. Например, в 1972 году был запущен космический аппарат «Пионер-10». На его борту закреплена пластинка из анодированного алюминия, несущая «межзвёздное письмо». На пластине изображены:

1)                молекула нейтрального водорода (в качестве эталона размера);

2)                две человеческие фигуры, мужчины и женщины, на фоне контура аппарата;

3)                положение Солнца относительно центра Галактики и четырнадцати (14) пульсаров;

4)                схематическое изображение Солнечной системы и траектория аппарата относительно планет.

Если с аппаратом ничего не случится, то примерно через два миллиона лет он доберётся до окрестностей звезды Альдебаран.

Более информационные «письма» несут на себе космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977 году. Золотая пластинка, закреплённая на каждом из них, содержит приветствия на 55 языках, 27 музыкальных произведений, 50 голосов и звуков, а также 116 изображений, закодированных как видеосигналы.

И хотя поиски внеземных цивилизаций пока не увенчались успехом, они продолжаются и по сей день. Наша Вселенная удивительно приспособлена к возникновению и развитию в ней жизни. Так, из бесконечного разнообразия начальных условий и значений физических постоянных, которые, вероятно, возникали в ранней Вселенной, реализовались только пригодные для существования разумной жизни.

Приведём несколько фактов. Например, мы с вами живём в пространстве трёх измерений. И только в таком пространстве возможны устойчивые планетные движения.

А если бы гравитационная постоянная была в несколько раз больше, то время жизни Солнца как устойчивого горячего плазменного шара измерялось бы несколькими десятками миллионов лет.

Если бы масса электрона была в три раза больше современной, то время жизни протона было бы малым. И при его взаимодействии с электроном он бы распадался на нейтрон и нейтрино. Тогда звёзды и галактики состояли бы из нейтронов. Следовательно, не существовало бы более сложных форм.

Этот иллюстративный ряд можно продолжать ещё долго. Однако уже сейчас можно говорить о том, что наша Вселенная представляет собой единое связное целое, согласованную систему, удивительно приспособленную к существованию жизни. Другие вселенные с иными физическими параметрами развивались бы, как отметил советский космолог Абрам Леонидович Зельманов, без свидетелей.

Тест по теме «Строение и эволюция Вселенной»

Вариант 1

1. Расположите в порядке увеличения размеров следующие объекты:

1) Звёздная система

2) Планета

3) Скопление галактик

4) Галактика

2. В Северном полушарии невооружённым глазом можно увидеть галактику:

1) Туманность Андромеды

2) Треугольника

3) Большое Магелланово Облако

4) Малое Магелланово Облако

3. Планеты в отличие от звёзд:

1)сами излучают свет

2) поглощают весь дошедший до них свет

3)светятся ярче, чем звёзды

4)отражают свет, дошедший до них от звёзд

4. По закону Хаббла:

1) чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она приближается

2) чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется

3) чем ближе к нам находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется

4) чем ближе к нам находится галактика, тем с большей скоростью она приближается

5. Полярная звезда находится на расстоянии 4*106 млрд км от Земли. Допустим, что на этой звезде произошла мощная вспышка. Её можно увидеть на Земле примерно:

1) через 420 лет

2) через 130 лет

3) через 2,5 тыс. лет

4) через 5 лет

6. В результате термоядерных реакций, происходящих в недрах звёзд:

1) ядро гелия превращается в 4 протона

2) 4 ядра водорода превращаются в ядро гелия

3) протоны превращаются в ядра водорода

4) образуются атомы водорода

7. В настоящее время Солнце находится:

1) в основной фазе своей эволюции

2) на стадии протозвезды

3) на стадии красного гиганта

4) на стадии белого карлика

8. Звезда, подобная Солнцу, после полного сжигания гелия становится:

1) красным гигантом

2) белым карликом

3) нейтронной звездой

4) протозвездой

9. Вспышка сверхновой происходит при эволюции звёзд, массы которых:

1) намного меньше массы Солнца

2) во много раз превышают массу Солнца

3) в 2-5 раз больше массы Солнца

10. Расположите основные фазы эволюции звезды, подобной Солнцу, в порядке их следования.

1) Белый карлик

2) Основная фаза звезды

3) Протозвезда        

4) Красный гигант

11. Все электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью:

1) 340 м/с

2) 300 000 м/с

3) 300 000 км/с

4) зависящей от типа волны

12. Расположите названия типов электромагнитного излучения в порядке возрастания их длин волн.

1) Ультрафиолетовое излучение        

2) Радиоволны

3) Видимый свет                

4) Рентгеновские лучи

5) Гамма-лучи                

6) Инфракрасное излучение

13. Устройство оптических приборов основано на использовании:

1) ультрафиолетового излучения

2) инфракрасного излучения

3) видимой части электромагнитного спектра

4) радиоволн

14. Из электромагнитных волн, наполняющих нашу Вселенную, с поверхности Земли можно наблюдать:

1) гамма-лучи

2) рентгеновские лучи

3) видимый свет

4) радиоволны

15. Мощные солнечные вспышки являются источником:

1) гамма-лучей

2) инфракрасного излучения

3) видимого света

4) радиоволн

16. Учёные считают, что возраст Вселенной составляет примерно:

1) 4,5 млрд лет

2) 14 млрд лет

3) 300 000 лет

4) 1500 млрд лет

17. С момента Большого взрыва Вселенная:

1) постоянно расширяется и остывает

2) постоянно расширяется и нагревается

3) сначала расширялась, теперь сужается и остывает

4) сначала расширялась, теперь сужается и нагревается

18. Через секунду после Большого взрыва Вселенная состояла в основном:

1) из ядер гелия

2) из лёгких молекул

3) из атомов водорода

4) из электронов, фотонов и протонов

19. Согласно теории Большого взрыва, протоны и ядра гелия объединились с электронами и образовали нейтральные атомы спустя примерно:

1) 3 мин после Большого взрыва

2) 300 000 лет после Большого взрыва

3) 1 млрд лет после Большого взрыва

4) 4,5 млрд лет после Большого взрыва

20. Установите соответствие между рисунками и описанием возможных вариантов развития Вселенной.

1) Все звёздыпогаснут, а Вселенная станет холодной итёмной

2) Вселеннаясожмётся в одну точку

3) Вселенная всё времярасширяется и остывает

4) Произойдёт новыйБольшой взрыв

21. Наблюдением за процессами рождения звёзд занимаются:

1) рентгеновские обсерватории

2) инфракрасные обсерватории

3) оптические телескопы

4) гамма-обсерватории

22. «Хаббл» является:

1) рентгеновским телескопом

2) инфракрасным телескопом

3) оптическим телескопом

4) гамма-обсерваторией        

23. Рентгеновским телескопом является:

1) «Чандра»

2) «Спитцер»

3) «Хаббл»

4) «Интеграл»        

24. Установки, называемые коллайдерами, предназначены:

1) для столкновения частиц и ядер, движущихся со скоростями, близкими к скорости света

2) для наблюдения за частицами и ядрами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света

3) для получения новых радиоактивных изотопов

4) для изучения радиоактивного излучения

25. Установка Большого адронногоколлайдера (БАК) расположена:

1) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН)

2) в Брукхейвенской национальной лаборатории (БНЛ)

3) в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ)

Тест по теме «Строение и эволюция Вселенной»

Вариант 2

1. Расположите в порядке уменьшения размеров следующие объекты:

1) Звёздная система                

2) Планета

3) Скопление галактик                

4) Галактика

2. В Южном полушарии невооружённым глазом можно увидеть галактики:

1) Большое Магелланово Облако

2) Малое Магелланово Облако

3) Треугольника

4) туманность Андромеды

3. Экзопланетами называются планеты:

1) находящиеся за пределами нашей Галактики

2) вращающиеся по орбите вокруг Солнца, но имеющие малую массу

3) находящиеся за пределами Солнечной системы

4) вращающиеся вокруг других планет

4. Согласно закону Хаббла:

1) Вселенная расширяется

2) размеры Вселенной не изменяются

3) Вселенная сжимается

5. Ближайшей к нам галактикой является галактика туманность Андромеды, которая находится на расстоянии 1,6*1011 а. е. Допустим, что в этой галактике произошла вспышка сверхновой. Её можно увидеть на Земле примерно:

1) через 1,5 млрд лет

2) через 10 лет

3) через 5 тыс. лет

4) через 2,5 млн лет

6. Солнце и другие звёзды излучают энергию за счёт:

1) цепных реакций деления

2) сжигания полезных ископаемых

3) отражения поступающего к ним света

4) термоядерных реакций синтеза

7. После того как весь водород в звезде выгорел, происходят ядерные реакции:

1) превращения гелия в водород

2) превращения гелия в углерод

3) образования тяжёлых элементов

4) деления углерода

8. Звёзды, массы которых значительно превышают массу Солнца, заканчивают свой жизненный цикл:

1) нейтронной звездой

2) красным гигантом

3) белым карликом

4) чёрной дырой

9. Белые карлики образуются при эволюции звёзд, массы которых:

1) в 2-5 раз больше массы Солнца

2) во много раз превышают массу Солнца

3) намного меньше массы Солнца

10. Расположите основные фазы эволюции звезды, масса которой во много раз превышает массу Солнца, в порядке их следования.

1) Вспышка сверхновой                

2) Основная фаза звезды

3) Протозвезда                

4) Красный сверхгигант

5) Нейтронная звезда

11. Длина волны электромагнитного излучения связана с частотой следующей формулой:

1)2)3)4)

12. Расположите названия типов электромагнитного излучения в порядке возрастания их частот.

1) Инфракрасное излучение                

2) Видимый свет

3)Гамма-лучи                

4) Рентгеновские лучи

5) Ультрафиолетовое излучение                

6) Радиоволны

13. Устройство приборов ночного видения основано на использовании:

1) видимой части электромагнитного спектра

2) инфракрасного излучения

3) радиоволн

4) ультрафиолетового излучения

14. Из электромагнитных волн, наполняющих нашу Вселенную, с поверхности Земли нельзя наблюдать:

1) гамма-лучи

2) видимый свет

3) радиоволны

4) рентгеновские лучи

15. Чёрные дыры и центры галактик являются источником:

1) гамма-лучей

2) рентгеновских лучей

3) инфракрасного излучения

4) видимого света

16. Возраст Вселенной был подсчитан учёными в предположении, что:

1) Вселенная расширяется с момента своего рождения

2) Вселенная сужается с момента своего рождения

3) Вселенная сначала сужалась, теперь расширяется

4) Вселенная сначала расширялась, теперь сужается

17. Впервые термин «Большой взрыв» применил:

1) Фред Хойл

2) Стивен Хокинг

3) Эдвин Хаббл

4) Альберт Эйнштейн

18. Через 300 000 лет после Большого взрыва во Вселенной образовались:

1) первые звёзды

2) ядра гелия

3) тяжёлые элементы

4) атомы водорода и гелия

19. Согласно теории Большого взрыва, первые звёзды и галактики начали формироваться спустя примерно:

1) 3 мин после Большого взрыва

2) 300 000 лет после Большого взрыва

3) 1 млрд лет после Большого взрыва

4) 4,5 млрд лет после Большого взрыва

20. Расставьте этапы эволюции Вселенной в порядке их следования.

1) Галактики и планеты                

2) Фотоны, электроны и протоны

3) Отдельные кварки и глюоны                

4) Первые звёзды

5) Атомы водорода и гелия                

6) Ядра водорода и гелия

21. Изучением чёрных дыр занимаются:

1) гамма-обсерватории

2) рентгеновские обсерватории

3) инфракрасные обсерватории

4) оптические телескопы

22. «Спитцер» является:

1) рентгеновским телескопом

2) оптическим телескопом

3) инфракрасным телескопом

4) гамма-обсерваторией

23. Для получения наиболее полного представления об изучаемом объекте учёные:

1) рассматривают только изображения, полученные инфракрасным телескопом

2) комбинируют изображения, полученные посредством нескольких телескопов

3) рассматривают только изображения, полученные рентгеновским телескопом

4) рассматривают только изображения, полученные оптическим телескопом

24. Установка, называемая циклотроном, не предназначена:

1) для столкновения частиц и ядер, движущихся со скоростями, близкими к скорости света

2) для ускорения тяжёлых заряженных частиц

3) для синтеза новых элементов

4) для получения радиоактивных изотопов, применяемых для диагностики онкологических заболеваний

25. Релятивистский коллайдер тяжёлых ядер (RHIC) расположен:

1) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН)

2) в Брукхейвенской национальной лаборатории (БНЛ)

3) в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ)