Сверхновые звезды и проблема темной энергии

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 29 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН УПРАВЛЕНИЕ
ОБРАЗОВАНИЯ
СЕВЕРО- КАЗАХСТАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Областная специализированная гимназия - интернат для одаренных детей
имени Абу Досмухамбетова

Сатбеков Саят

Мергалиев Мансур

учащиеся 11 класса

Сверхновые звезды и проблема темной

энергии

Научное направление: Научно – технический прогресс – как ключевое
звено экономического роста
Секция: Механика

Научный руководитель:
Мустафин Бекет Салыкович,
Касленкина Нургуль Есенгалиевна
учителя физики областной
специализированной гимназии-
интерната для одаренных детей
имени Абу Досмухамбетова

Научный консультант:
Солодовник Андрей Андреевич, доцент
факультета информационных технологий
Северо – Казахстанского
государственного университета
им. М.Козыбаева

Петропавловск- 2013

Содержание
1.Введения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ..3
2.Сверхновые звезды и проблема темной
энергии ... ... ... ... ... ... ... ... ...4
2.1Современные сведения о строении Вселенной. Масштабы Вселенной. (какие
объекты появляются по мере удаления от Земли: звёзды, наша Галактика,
соседние галактики, местная группа галактик, скопления галактик,
сверхскопления галактик, квазары, понятие Метагалактики – её размер и
структура;)
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 4-10
2.2 История открытия расширения Вселенной. Закон Хаббла ... ... ... 10-14
2.3 Методы определения расстояний во
Вселенной ... ... ... ... ... ... .. ...14-15
2.4 Постоянная Хаббла и её
уточнение ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 15-19
2.5 Что такое Сверхновые звёзды 1
типа ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15-19
2.6 Открытие тёмной энергии. Проблема тёмной энергии ... ... ... ... ..19-
21
2.7 Шкала расстояний и проблема её
уточнения ... ... ... ... ... ... .. ... ... .21
3. Исследовательская часть ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21-28
4. Заключение ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .29
5. Список использованной литературы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..30

Аннотация
Рассмотрена проблема существования ускоренного космологического
расширения Вселенной. Показано, что гипотеза о “темной энергии” связана с
установлением шкалы расстояний во Вселенной. Выдвинута и подтверждена
расчетами гипотеза, объясняющая эффект ускоренного расширения Вселенной
изменением скорости света во времени.
Во введении показана актуальность темы, определяемая острым интересом
науки к физическому объяснению причины недавно открытого явления
ускоренного расширения Вселенной. Целью поставленной в проекте является
исследование проблемы устройства Метагалактики и поиск возможного
объяснения ускоренного расширения Вселенной.
Основная часть состоит из двух глав. В первой главе излагаются
современные сведениях о строении Вселенной её масштабах, история открытия
расширения Вселенной, методы определения расстояний во Вселенной.
Рассматривается природа cверхновых звёзд 1 типа. Анализируется гипотеза
тёмной энергии, шкалы расстояний и проблема её уточнения. Во второй главе –
излагается исследовательская часть работы в виде расчетов влияния изменения
скорости света на оценки шкалы расстояний. Здесь приводиться альтернативный
вариант взгляда на масштабы Вселенной.
В проекте показано, что в науке нет заранее определённых путей. И то,
что сегодня объясняется одним способом, завтра может предстать совсем в
ином свете. И даже на уровне школьного научного проекта можно предложить
оригинальные пути решения сложнейших проблем. В нашем случае показано, что
эквивалентом идеи темной энергии может быть гипотеза о непостоянстве
скорости света.
В заключении делаются выводы и представляется список использованной
литературы при работе над проектом.
Annotation

This paper considers the problem of intensive cosmological widening
of Universe.It is shown that solving of “ the dark energy” is connected
with the set scale of distances of Universe.The hypothesis proved by
calculations and explaining the effect of intensive Universe widening
with the change of light speed during the time passed is launched.

In introduction part the topicality of the theme is demonstrated
which is determined by keen scientific interest to the full physical
explanation of reasons of the phenomenon of intensive widening of the
Universe.

The main part consists of two parts. The first part describes modern data
of Universe formation, the scales of it, history of its discovery , the
law of Khabble, methods of determining of distances of Universe ,
Khabble’constant , elaboration of Supernew stars of type 1, the problem
of dark energy, the scale of distances and the problem of its
elaboration.In the second part investigation work of calculation of
characteristics given in the first chapter are carried out, the problem of
dark energy and supernew stars is raised and practical justification of the
hypothesis and objectives of the work is stated.

In our project we showed that in science there are no definite
ways that can be determined beforehand. What is explained today this way,
tomorrow may appear quite the other way. Even on the level of a school
science project it is possible to suggest unusual ways of solving the
complicated problems.

In conclusion, the results are made and the list of literature used is
given.

Введение
Целью исследования является изучение проблем устройства Метагалактики и
поиск возможного объяснения ускоренного расширения Вселенной.
Методы исследования:
Литературный анализ по сути проблемы темной энергии, сбор данных о
сверхновых звездах, ознакомление с теорией большого взрыва, теоретичиские
опыты на основе проверенных данных ( доказательство гипотезы о
непостоянстве скорости света).
Новизна работы определяется совершенно новым и оригинальным объснением
недавно выявленного эффекта ускорение расширения Вселенной, надежных
объяснений которого пока нет.
Актуальность работы определяется острым интересом науки к полному
физическому объяснению причины совсем недавно открытого явления ускоренного
расширения Вселенной

Сверхновые звёзды и проблема тёмной энергии

1. Масштабы Вселенной и ее строение:
Наша Земля - одна из планет Солнечной системы. По сравнению с другими
планетами она расположена довольно близко к Солнцу, хотя и не является
самой близкой. Условно размеры Солнечной системы можно принять равными 50-
100 астрономическим единицам. И ни одна из звезд - ближайших соседок
Солнечной системы - не находится к нам ближе, чем на 1 пс. Например, звезда
Проксима Центавра удалена от нас на расстояние около 1,3 пс, что 270 000
раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца. Это хорошо иллюстрирует
изолированность нашей Солнечной системы от других звездных систем.
Но окружающие звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть
гигантского коллектива звезд и туманностей, который называется
"Галактикой". Галактика имеет сложную структуру. В первом приближении мы
можем считать, что звезды и туманности, из которых она состоит, заполняют
объем, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. Часто в популярной
литературе форму галактики сравнивают с двояковыпуклой линзой. В
действительности оказывается, что разные типы звезд и других объектов
совершенно по-разному концентрируются к центру галактики и к ее
"экваториальной плоскости". Например, газовые туманности, а также очень
горячие массивные звезды сильно концентрируются к экваториальной плоскости
галактики. Все же оказывается, что основная часть звезд в галактике
находится в гигантском диске, диаметр которого около 100 тысяч световых
лет, а толщина около 1500 тысяч световых лет. В этом диске насчитывается
больше 150 млрд. звезд самых различных типов. Наше Солнце - одна из этих
звезд, находящаяся на периферии галактики вблизи от ее экваториальной
плоскости. Расстояние от Солнца до ядра галактики составляет около 30 тыс.
световых лет. Звездная плотность в галактике весьма неравномерна. Выше
всего она в области галактического ядра, где, по последним данным,
достигает 2 тысяч звезд на кубический парсек, что почти в 20 тысяч раз
больше средней звездной плотности в окрестностях Солнца.
Отсюда ясно, что по мере проникновения во все более удаленные области
Вселенной масштаб Солнечной Системы уже не годится, так как теряет
наглядность. Уже около века астрономы настойчиво изучают другие звездные
системы, в той или иной степени сходные с нашей. Эта область исследований
получила название "внегалактической астрономии". Она сейчас играет едва ли
не ведущую роль в астрономии. В течение последних двух десятилетий
внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов. Понемногу стали
вырисовываться грандиозные контуры Метагалактики, в состав которой наша
звездная система входит как малая частица. Огромная удаленность объектов
создает совершенно специфические трудности, которые разрешаются путем
применения самых мощных средств наблюдения в сочетании с глубокими
теоретическими исследованиями. Все же общая структура Метагалактики в
последние годы в основном стала ясной. Можно определить Метагалактику как
совокупность звездных систем - галактик, движущихся в огромных
пространствах наблюдаемой нами части Вселенной. (www.airbase.ru)
В большие телескопы наблюдается огромное количество галактик. Многие из
них удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет.
Это означает, что свет, который был излучен такой удаленной галактикой еще
задолго до архейского периода геологической истории Земли!
Спектры большинства галактик напоминают солнечный; в обоих случаях
наблюдаются отдельные темные линии поглощения на довольно ярком фоне. В
этом нет ничего неожиданного, так как излучение галактик - это излучение
миллиардов входящих в их состав звезд, более или менее похожих на Солнце.
Внимательное изучение спектров галактик много лет назад позволило сделать
одно открытие фундаментальной важности. Дело в том, что по характеру
смещения длины волны какой-либо спектральной линии по отношению к
лабораторному стандарту можно определить скорость движения излучающего
источника по лучу зрения. Иными словами, можно установить, с какой
скоростью источник приближается или удаляется. Если источник света
приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн,
если удаляется - в сторону более длинных. Это означает, что все галактики
удаляются от нас, причем скорость "разлета" по мере удаления галактик
растет. Она достигает огромных значений. Астрономы исследовали свет,
который был излучен тогда, когда образовывались Солнце и планеты, а может
быть, даже "немного" раньше. С тех пор открыты еще более удаленные объекты.

Причины расширения системы, состоящей из огромного количества галактик,
мы касаться не будем. Этот сложный вопрос является предметом современной
космологии. Однако сам факт расширения Вселенной имеет большое значение для
анализа развития жизни в ней. Галактики не обнаруживают ярко выраженную
тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. В частности, группа
из примерно 20 близких к нам галактик образует так называемую "местную
систему". В свою очередь местная система входит в большое скопление
галактик, центр которого находится в той части неба, на которую
проектируется созвездие Девы. Это скопление насчитывает несколько тысяч
членов и принадлежит к числу самых больших.
Мы познакомились в общем виде с основными структурными особенностями и
с масштабами Вселенной. Это как бы застывший кадр ее развития. Не всегда
она была такой, какой мы теперь ее наблюдаем. Все во Вселенной меняется:
появляются, развиваются и "умирают" звезды и туманности, развивается
закономерным образом галактика, меняются сама структура и масштабы
Метагалактики. Поэтому нарисованную статическую картину Вселенной
необходимо дополнить динамической картиной эволюции отдельных космических
объектов, из которых она образована, и всей Вселенной как целого.
Есть предположения, что самые первые звёзды нашей Вселенной появились
приблизительно 150 миллионов лет после пресловутого Большого Взрыва.
Водород и гелий, заполняющий тогда Вселенную, были очень холодными, и это
позволяло атомам этих газов быть электрически нейтральными.
(dic.academic.ru)
Галактики:
Галактиками называют гигантские звёздные системы, расположенные вне
нашей галактики. Их называют ещё внегалактическими туманностями, так как
при визуальном наблюдении в телескоп они выглядят туманными пятнышками, как
и обычные газовые туманности. Изучение галактик требует максимально мощных
инструментов, в частности оптических телескопов с зеркалами диаметром более
метра, а также новейших средств и методов исследования далёких слабых
объектов. Исключительно быстрому развитию внегалактической астрономии
способствовало внедрение радиоастрономических методов исследования
космических объектов. Среди всех более слабых по блеску объектов число
галактик быстро возрастает.
Изучение пространственного распределения галактик выявляет
крупномасштабную структуру Вселенной. В исследовании пространственного
распределения галактик и путей их эволюции внегалактическая астрономия
смыкается с космологией - наукой о Вселенной в целом. Одной из важнейших во
внегалактической астрономии остаётся проблема определения расстоянии до
галактик. Благодаря тому, что в ближайших галактиках найдены цефеиды, новые
звезды, а также ярчайшие звёзды постоянного блеска, удалось установить
расстояния до этих галактик. Для более удалённых галактик, в которых
невозможно различить даже сверхгигантские звёзды, расстояния оцениваются
иными способами. Определение расстояний до галактик и их положения на небе
позволило установить, что встречаются одиночные и двойные галактики, группы
галактик, их большие скопления и даже облака скоплений. Среднее расстояния
между галактиками в группах и скоплениях составляют несколько сотен Кпк;
это примерно в 10-20 раз больше размера крупнейших галактик. Среднее
расстояния между группами галактик, одиночными галактиками и кратными
системами составляют 1-2 Мпк, расстояния между скоплениями - десятки Мпк.
Также однозначно, что галактики заполняют пространство с большей
относительной плотностью, чем звёзды внутригалактического пространство.
Большинство галактики входят в группировки, насчитывающие от несколько
ярких членов и до сотен и тысяч членов. Яркие одиночные галактики редки -
их не более 10% от общего числа галактик. (ru.wikipedia.org)
Скопления галактик:
Галактики редко бывают одиночными. Около 90 процентов 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. Скопление в созвездии Волосы Вероники. В
Местную группу галактик, размеры которой 1,5 Мпк, входит наша Галактика,
Туманность Андромеды, Туманность Треугольника, Большое Магелланово Облако,
Малое Магелланово Облако, неправильные галактики NGC 6822, IC 1613,
карликовые галактики – всего около сорока галактик, связанных взаимной
гравитацией. Скопления сферической формы, состоящие из тысяч галактик,
называются регулярными. В них чаще всего встречаются эллиптические
галактики. Как правило, они являются сильными радиоисточниками. Одним из
самых больших скоплений, содержащим 40 000 галактик, является скопление в
созвездии Волосы Вероники. Оно находится от нас на расстоянии 100 Мпк.
Скопление занимает на небе область диаметром около 10°, а его размеры
достигают десяти миллионов световых лет. В иррегулярных скоплениях много
спиральных галактик, но общее число галактик значительно меньше по
сравнению с регулярными скоплениями. Наивысшая плотность галактик
наблюдается в центральных областях крупных скоплений, что и галактики здесь
часто сталкиваются. Конечно, расстояния между звездами огромны, и при
столкновении двух галактик звезды одной из них свободно проходят между
звездами другой. Однако галактики притягивают друг друга, звезды сходят с
орбит; в некоторых случаях галактики сливаются. Пространство между
галактиками заполнено газом, температура которого более десяти миллионов
кельвинов. В среднем на каждый кубический дециметр пространства приходится
всего один атом, однако в связи с огромным объемом скопления полная масса
газа сопоставима с массой всех галактик скопления. Чтобы столь горячий газ
не покидал скопление, его должна удерживать большая сила тяготения. По
оценкам ученых суммарного гравитационного поля всех галактик для этого не
достаточно. Необходимо предположить, что существует так называемая скрытая
масса. К этому же выводу можно прийти, рассматривая устойчивость самих
скоплений: скорости отдельных галактик настолько высоки, что без скрытой
массы они разлетелись бы в разные стороны. Скопления галактик, по-видимому,
самые крупные устойчивые системы во Вселенной. Области повышенной
концентрации скоплений галактик чередуются с пустотами в сотни миллионов
световых лет. (ru.wikipedia.org)

Строение и свойства Метагалактики:
Галактики в своем немыслимом множестве населяют космическую систему
более высокого уровня – Метагалактику.
Метагалактика – это вся видимая часть Вселенной. Метагалактика, если
судить по красному смещению линий поглощения химических элементов в
спектрах света от дальних галактик, расширяется, а галактики убегают от нас
со скоростями, которые тем больше, чем дальше от нас находятся эти
галактики. Самые дальние улетают от нас со скоростью больше, чем 300000
кмсек. Поэтому видны только те галактики, скорость удаления которых меньше
скорости света. Силы гравитации удерживает галактики в ярких и в длинных
узлах. Силы антигравитации раздвигает пространство между скоплениями
галактик. Млечный Путь в Метагалактике выглядит как маленькая, едва
заметная микро звёздочка.
Многолетние исследования Метагалактики выявили два основных свойства,
два космологических постулата:
— Метагалактика однородна в больших объемах,
— Метагалактика изотропна в больших объемах.
Изотропность Метагалактики доказывается наблюдениями реликтового
излучения. Реликтовое излучение одинаково по всем направлениям. Участок
небесной сферы малого размера. Однородная Вселенная Изотропная Вселенная.
(ukhtoma.ru), (www.astronet.ru)
Квазары:
Активные галактики замечательны, но они не идут ни в какое сравнение с
группой таинственных загадочных объектов, впервые обнаруженных в 60-х
годах. Уже хорошо знакомые с радиогалактиками и разного рода местными
источниками в Млечном Пути астрономы стали находить нечто новое — крохотные
яркие радиоисточники, которые не удавалось связать ни с одним из известных
объектов. На вид они были маленькими как звёзды, но находились в областях
неба, где не было галактик, остатков сверхновых или областей HII. По мере
уточнения их положений недоумение росло. Оказалось, что положения этих
ярких радиоисточников совпадают с положениями слабых звёзд.
2.Расширение Вселенной — явление, состоящее в почти однородном и
изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной.
Экспериментально расширение Вселенной проявляется в виде
выполнения закон Хаббла, а также многими другими способами. Вселенная
расширяется из начального сверхплотного и сверх горячего состояния — так
называемый Большой взрыв. Является ли исходное состояние сингулярным или
нет — активно дебатируемый вопрос, надежды на его разрешение связывают с
разработкой квантовой теории гравитации.
Теоретически явление было предсказано и А. Фридманом на раннем этапе
разработки общей теорией относительности из общефилософских соображений об
однородности и изотропности Вселенной.
Метрическое расширение пространства является увеличением расстояния
между двумя отдалёнными частями Вселенной с течением времени. Метрическое
расширение является ключевым элементом космологии Большого Взрыва и
математически моделируется с помощью метрики Фридмана — Леметра —
Робертсона — Уокера. Эта модель действует в современную эпоху только на
больших масштабах. На меньших масштабах материальные объекты связаны друг с
другом силой гравитационного притяжения, и такие связанные скопления
объектов не расширяются. (avisdim.narod.ru)
Ускорение расширения Вселенной:
Наибольшим научным достижением и загадкой современной астрофизики
является ускоренное расширение Вселенной, которое было открыто в 1998
году при наблюдениях за сверхновыми типа Ia. Ранее существовавшие
космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется.
Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной
составляет материя — как видимая, так и невидимая. На основании новых
наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, предполагается, что
во Вселенной существует ранее неизвестная энергия с отрицательным
давлением. По имеющимся оценкам, ускоренное расширение Вселенной началось
приблизительно 5 миллиардов лет назад. Если оно будет продолжаться
бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего
Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут
для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость
света. Это не является нарушением специальной теорией относительности. На
самом деле невозможно даже определить относительную скорость в
искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и
может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на
достаточно малом участке искривлённого пространства-времени. Любая форма
коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и
всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система,
наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе
достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная
исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой
смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей,
плоской модели Вселенной с преобладанием материи.
Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из
них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. расходящемуся
расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии
продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные
силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт
все гравитационно-связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы
электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и
нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.
С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже
сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация
возобладает и приведёт Вселенную к Большому Хлопку. Некоторые сценарии
предполагают циклическую модель Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не
подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль
в установлении конечной судьбы Вселенной должны сыграть точные измерения
темпа ускорения. (compulenta.computerra.ru)
Как видим, есть различные сценарии. И главный вопрос состоит в том,
насколько доказано существование тёмной энергии. В многом ответ на него
связан с наличием точной шкалы расстояний во Вселенной. А она, в свою
очередь, базируется на законе Хаббла. Рассмотрим его.
Закон Хаббла:
Закон Хаббла — эмпирической закон, связывающий красное смещение
галактик и расстояние до них линейным образом:

где z — красное смещение галактики, D — расстояние до неё, H0 —
коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. При малом
значении z выполняется приближённое равенство cz=Vr, где Vr — скорость
галактики вдоль луча зрения наблюдателя, c —скорость света. В этом случае
закон принимает классический вид:
На основании этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский
возраст Вселенной:

Этот возраст является характерным временем расширение Вселенной на
данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту
Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
История открытия:
В 1913—1914 годах американский астроном В. Слайфер установил,
что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся
относительно Солнечной системы с огромными скоростями. Это означало, что
все они находится за пределами галактики. Другой важный результат: все
исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной
системы. В 1917—1922 годах Слайфер получил дополнительные данные,
подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей
направлена, прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе осаждавшихся в те
годы космологических моделей. Общей теорией относительности предположил,
что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем
дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная
скорость. Вид закона для расширения Вселенной был установлен
экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в 1927,
позже — знаменитым Э.Хабблом в 1929 с помощью 100-дюймового телескопа,
который разрешает ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды,
используя зависимость период-светимость которых, Хаббл измерил расстояние
до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их
радиальную скорость. Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности
составлял около 500 кмс на мегапарсек. Современное значение
составляет 73,8 ± 2,4 кмс на мегапарсек. Столь существенную разницу
обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости
период-светимость на поглощение и существенный вклад собственных
скоростей в общую скорость для ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.