Строение вселенной

Определения и обозначения

Вселенная — всё существующее пространство, время, вещество, излучение и физические поля. Земля и Солнечная система входят в этот огромный мир, но занимают в нём лишь малую область: Солнце — одна звезда среди множества звёзд галактики, а сама галактика — одна среди множества других. Это понятие помогает не путать Вселенную с отдельной её частью.

Галактика — гигантская гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. В отличие от отдельной звезды, она включает множество объектов; в отличие от планетной системы, содержит множество звёзд и гораздо крупнее. Понятие галактики позволяет описывать крупные космические системы, удерживаемые общим притяжением.

Млечный Путь — галактика, в которой находятся Солнечная система и Земля. Это не вся Вселенная, а один из её многочисленных островов звёзд; другие галактики расположены за пределами Млечного Пути. Зная это, можно точно определить наше место среди космических объектов.

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год, а не промежуток времени. Свет движется очень быстро, поэтому за год преодолевает огромное расстояние — около 9,46·10¹² км. Эта единица удобна для сравнения расстояний между звёздами и галактиками.

Как это устроено

Космические объекты образуют иерархию: планета входит в планетную систему, та — в галактику, а галактики объединяются в группы и скопления. Причина такого объединения — гравитация: взаимное притяжение удерживает тела в системах и влияет на движение галактик. На ещё больших масштабах видны сверхскопления, нити и пустоты, хотя не всякая такая структура является единым связанным объектом.

Солнечная система не является центром Вселенной, потому что наблюдения не показывают особого положения, которое выделяло бы её среди других областей космоса. Она расположена в диске Млечного Пути, далеко от его центра, и движется вместе с галактикой. Поэтому нельзя переносить представление о центре планетной системы на всю галактику или Вселенную.

В центре Солнечной системы находится Солнце — звезда, излучающая собственный свет и тепло. Планеты обращаются вокруг звезды и сами заметно не излучают видимого света, а спутники обращаются вокруг планет. Астероиды — небольшие преимущественно каменистые тела, кометы содержат много льда и пыли; при нагревании комета может образовать газовую оболочку и хвост.

Расстояния внутри Солнечной системы часто выражают в астрономических единицах: одна а.е. примерно равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Межзвёздные расстояния даже в таких единицах получаются огромными, поэтому для них удобнее световые годы. Эти единицы не меняют физическое расстояние, а помогают записывать и сравнивать масштабы без длинных чисел в километрах.

Свет распространяется с конечной скоростью, поэтому наблюдатель получает его не сразу после излучения. Если галактика находится в миллионах световых лет от нас, её свет летел миллионы лет, и телескоп показывает её прошлое состояние. Чем дальше объект, тем более ранний этап его истории мы можем увидеть.

Уровни строения Вселенной

Читайте таблицу сверху вниз: каждый следующий уровень охватывает более крупные структуры. Характерные масштабы приблизительны и зависят от того, какие границы объекта рассматриваются. Пример помогает связать общее название уровня с конкретным космическим объектом.

Разбор задач

Задача 1. Расположите объекты от меньшего уровня строения к большему: Земля, Млечный Путь, Солнечная система, скопление галактик. Нужно определить, частью какого объекта является каждый следующий элемент, а затем выстроить их по иерархии. Земля относится к Солнечной системе, система находится в галактике, а галактики входят в скопления.

1. Земля — планета, обращающаяся вокруг Солнца.
2. Солнечная система включает Солнце и обращающиеся вокруг него тела.
3. Система расположена в галактике Млечный Путь.
4. Млечный Путь входит в группу галактик, а группы и галактики относятся к более крупным структурам.

Ответ: Земля → Солнечная система → Млечный Путь → скопление галактик. Здесь порядок определяется включением меньшего объекта в больший, а не только их расстоянием от Земли.

Задача 2. Сколько километров составляет 4,3 светового года, если c = 3·10⁸ м/с, а год длится 3,15·10⁷ с? Световой год найдём как путь света за указанный промежуток времени. Сначала вычислим путь в метрах, затем переведём его в километры и умножим на 4,3.

1. Используем формулу пути равномерного движения: s = ct.
2. За один год свет проходит 3·10⁸ · 3,15·10⁷ = 9,45·10¹⁵ м.
3. Переводим в километры: 9,45·10¹⁵ м = 9,45·10¹² км.
4. Для 4,3 светового года получаем 4,3 · 9,45·10¹² ≈ 4,06·10¹³ км.

Ответ: около 4,1·10¹³ км. Такое большое значение показывает, почему межзвёздные расстояния удобнее выражать в световых годах, а не в километрах.

Задача 3. Свет от галактики Андромеды идёт до Земли около 2,5 млн лет. Что мы видим сейчас и во сколько раз это расстояние больше расстояния от Земли до Солнца, если 1 световой год примерно равен 63 000 а.е.? Время пути света сразу задаёт расстояние в световых годах. Для сравнения с расстоянием Земля—Солнце переведём это расстояние в астрономические единицы.

1. Расстояние до Андромеды составляет примерно 2,5·10⁶ световых лет.
2. В а.е. это 2,5·10⁶ · 63 000 = 1,575·10¹¹ а.е.
3. Значит, расстояние до галактики примерно в 1,6·10¹¹ раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Ответ: мы видим Андромеду такой, какой она была около 2,5 млн лет назад; расстояние до неё приблизительно в 157,5 млрд раз больше 1 а.е. Перевод единиц позволяет сопоставить масштабы, которые иначе трудно представить.

Типичные ошибки

Световой год иногда принимают за единицу времени из-за слова «год» в названии. Но год здесь указывает, сколько времени движется свет, а результатом является пройденное расстояние. Проверьте себя: величина c · t имеет единицы длины, поскольку скорость умножена на время.

Млечный Путь иногда называют всей Вселенной, потому что с Земли его звёзды видны как широкая светлая полоса. На самом деле полоса — видимая проекция нашей галактики, а за её пределами находятся другие галактики. Если в объяснении речь идёт обо всём существующем, употребляйте слово «Вселенная», а не название одной галактики.

Смешение Солнечной системы с галактикой возникает из-за того, что оба объекта включают звёзды и другие тела. Однако Солнечная система связана с одной звездой — Солнцем, а галактика содержит множество звёздных систем. Для проверки задайте вопрос: вокруг какого объекта обращаются тела и сколько звёзд включает рассматриваемая система?

Солнце иногда представляют в центре Млечного Пути или Вселенной, перенося на космос привычную схему Солнечной системы. Солнце находится в одной из областей диска Млечного Пути и не занимает его центр; оснований считать его центром Вселенной также нет. Проверяйте, к какому именно объекту относится слово «центр»: системы, галактики или всей Вселенной.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны представления о строении Солнечной системы, звезде, планете и спутнике, а также умение переводить единицы и записывать числа в научном виде. Иерархия космических систем опирается на гравитацию: притяжение помогает объяснить, почему небесные тела образуют связанные системы. Дальше эти знания пригодятся при изучении эволюции звёзд, космологии, расширения Вселенной и способов измерения расстояний в космосе.

Что запомнить

• Вселенная включает всё пространство, время, вещество и излучение.
• Солнечная система состоит из Солнца и обращающихся вокруг него небесных тел.
• Солнечная система находится в галактике Млечный Путь.
• Галактика содержит огромное количество звёзд и других космических объектов.
• Галактики объединяются в группы, скопления и более крупные структуры.
• Световой год — единица расстояния.
• Наблюдая далёкие объекты, мы видим их такими, какими они были в прошлом.