VIII. Строение и эволюция вселенной

Определения и обозначения

Вселенная — вся окружающая нас материя и пространство. В неё входят звёзды, галактики и другие космические объекты, а также пространство между ними. Астрономия изучает, как устроена Вселенная и как она меняется. Это помогает понять не только отдельные небесные тела, но и общую картину космоса.

Галактика — гигантская система звёзд, газа и пыли, связанных гравитацией, то есть взаимным притяжением. Гравитация удерживает эти объекты вместе, хотя расстояния между ними могут быть огромными. Пример галактики — Млечный Путь, в котором находится Солнечная система. Понятие галактики помогает объединить отдельные звёзды в крупные космические системы.

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. Это единица расстояния, а не времени: год в названии указывает, за какой промежуток свет преодолевает этот путь. Для земных расстояний такая единица неудобна, но для космоса она позволяет записывать огромные значения компактнее. Например, расстояние до звезды можно выразить числом световых лет.

Большой взрыв — модель, согласно которой Вселенная возникла из очень горячего и плотного состояния и с тех пор расширяется. Слово «взрыв» не означает обычный взрыв вещества вокруг одной точки. Модель нужна, чтобы описывать ранние этапы развития Вселенной и объяснять наблюдаемое расширение. Её выводы сопоставляют с данными наблюдений.

Как это устроено

Космические объекты образуют иерархию: звёзды вместе с газом и пылью входят в галактики. Гравитация удерживает материю галактики и влияет на движение её частей. Сами галактики на больших масштабах распределены не случайно: они образуют скопления и ещё более крупные структуры. Поэтому описание Вселенной строится от отдельных звёзд к системам и затем к крупномасштабной картине.

Расстояния до звёзд и галактик очень велики, поэтому километры дали бы неудобно длинные числа. Световой год связывает расстояние со скоростью света и временем его распространения. Поскольку свет не доходит мгновенно, он приносит сведения о том, каким объект был в момент своего излучения. Чем дальше объект, тем раньше был отправлен свет, который мы видим сейчас; далёкие наблюдения позволяют заглядывать в прошлое.

Звезда не остаётся неизменной на протяжении всей жизни: в её недрах происходят изменения, а запас топлива постепенно расходуется. То, чем завершится её эволюция, зависит прежде всего от начальной массы. Звёзды сравнительно небольшой массы могут стать белыми карликами — горячими плотными остатками звёзд. Для более массивных звёзд возможны другие исходы: образование нейтронной звезды или чёрной дыры.

Свет звёзд и галактик можно разложить на спектр — набор цветов и характерных линий. Сравнивая линии в спектре далёкой галактики с известными линиями, астрономы обнаруживают их смещение к красному краю. Оно показывает, что галактика удаляется от наблюдателя. Наблюдения многих галактик позволяют сделать вывод, что на больших масштабах расширяется Вселенная.

Модель Большого взрыва описывает раннюю Вселенную как чрезвычайно горячее и плотное состояние, за которым последовало расширение и изменение её свойств. Это не означает, что вещество разлетелось из одной точки в заранее пустое пространство. Расширяется само пространство, поэтому расстояния между далёкими галактиками увеличиваются. У такого процесса нет единственного центра внутри Вселенной, от которого всё разлетается.

Космические объекты и масштабы расстояний

Сначала определите, о каком объекте или расстоянии идёт речь, а затем прочитайте его особенность в соседнем столбце. Световые годы подходят для расстояний до звёзд и галактик, потому что космические масштабы слишком велики для привычных километров. Для очень далёких галактик астрономы также используют мегапарсеки.

Разбор задач

1. Сколько километров составляет один световой год?

Скорость света равна 3·10⁸ м/с, а в году примерно 3,16·10⁷ с. Требуется найти путь, который свет проходит за это время. Сначала найдём расстояние в метрах, затем переведём его в километры.

1. Используем формулу пути s = vt. Подставляем данные: s = 3·10⁸ м/с · 3,16·10⁷ с. Секунды сокращаются, поэтому результат получается в метрах.

2. Перемножаем числа и складываем показатели степеней: s = 9,48·10¹⁵ м. Это расстояние за один год, а не длительность года. Теперь переводим метры в километры, разделив результат на 1000.

3. Получаем 9,48·10¹² км. Такая оценка показывает, насколько длинен путь света за год. Ответ: один световой год примерно равен 9,48·10¹² км.

2. Свет от звезды шёл до Земли 12 лет. Каково расстояние до неё и что мы наблюдаем?

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. Значит, время путешествия света напрямую указывает расстояние в световых годах. Нужно также учесть задержку между излучением света и его наблюдением.

1. Если свет шёл 12 лет, то он преодолел путь в 12 световых лет. Здесь не требуется переводить годы в секунды, потому что единица расстояния уже определена через путь света за год. Полученное число сразу отвечает на вопрос о расстоянии.

2. Свет, который приходит к нам сейчас, покинул звезду 12 лет назад. Поэтому мы наблюдаем не её состояние в эту минуту, а состояние в прошлом. За прошедшие 12 лет звезда могла измениться.

3. Ответ: расстояние до звезды — 12 световых лет. Сейчас мы видим её такой, какой она была 12 лет назад. Это следствие конечной скорости распространения света.

3. Оценим расстояние до галактики по закону Хаббла

Галактика удаляется со скоростью 7000 км/с, а постоянная Хаббла равна 70 км/(с·Мпк). Закон Хаббла записывается как v = H·r, где r — расстояние. Чтобы найти расстояние, выразим его через скорость и постоянную Хаббла.

1. Преобразуем формулу: r = v/H. Подставляем значения: r = 7000 км/с ÷ 70 км/(с·Мпк). Скорость измерена в км/с, поэтому единицы согласованы.

2. При делении единиц км/с сокращаются, а деление на величину с единицей 1/Мпк даёт мегапарсеки. Численно получаем 7000 ÷ 70 = 100. Так проверяется не только расчёт, но и правильность единиц.

3. Ответ: расстояние до галактики примерно 100 Мпк. Это оценка по принятой постоянной Хаббла. Закон связывает скорость удаления галактики с расстоянием до неё.

Типичные ошибки

Световой год иногда принимают за время из-за слова «год». Путаница возникает потому, что название содержит единицу времени, но величина определяется длиной пути света. Проверьте себя: если в задаче нужно найти расстояние, световой год можно сравнивать с километром, а не с секундой.

Большой взрыв представляют как событие в одной точке обычного пространства, после которого вещество разлетелось наружу. Такой образ возникает из-за привычного значения слова «взрыв», но модель описывает расширение самой Вселенной. Проверка: спросите, где находится точка взрыва; у расширения нет выделенного центра внутри пространства.

Удаление галактик иногда объясняют движением всех объектов от общего центра. Это представление кажется естественным, если вообразить разлёт осколков после взрыва. Но расширение происходит на больших масштабах повсюду, а не от одного центра; проверьте объяснение, не помещает ли оно такой центр внутрь Вселенной.

О судьбе звезды судят только по её нынешнему размеру. Размер сам по себе не показывает, каким будет финал, потому что решающую роль играет начальная масса звезды. Проверяя вывод, выясните, известна ли масса и учитывается ли она; без этого надёжно определить исход эволюции нельзя.

Связь с другими темами

Чтобы вычислять расстояния в космосе, нужны скорость света, формула пути s = vt и умение переводить единицы времени и расстояния. Знания о строении вещества и гравитации помогают понять, как формируются звёзды и почему вещество удерживается в галактиках. Представления о расширении Вселенной понадобятся при дальнейшем изучении космологии — науки о её развитии, — и наблюдательной астрономии. Так школьные темы о движении и силах становятся инструментами для объяснения космоса.

Что запомнить

• Галактика — система звёзд, газа и пыли, связанная гравитацией.

• Солнечная система находится в галактике Млечный Путь.

• Световой год — единица расстояния, а не времени.

• Чем дальше объект, тем более далёкое прошлое мы наблюдаем в его свете.

• Спектры далёких галактик свидетельствуют о расширении Вселенной.

• Согласно модели Большого взрыва, Вселенная расширяется из горячего и плотного состояния.

• Исходная масса звезды влияет на её дальнейшую эволюцию.