Страница 247 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Каков предмет изучения астрофизики и космологии?

Астрофизика и космология — это два тесно связанных раздела астрономии, которые изучают Вселенную, но фокусируются на разных масштабах и аспектах.

Астрофизика

Астрофизика — это раздел астрономии, который изучает физические процессы, свойства и химический состав небесных объектов и явлений. Она применяет законы физики для объяснения того, что мы наблюдаем в космосе. Предметом её изучения являются:

• Небесные объекты: звёзды, планеты и их системы, галактики, туманности, межзвёздная среда, чёрные дыры, нейтронные звёзды.

• Их свойства: светимость, температура, масса, размер, плотность, химический состав, возраст, магнитные поля.

• Процессы и явления: рождение и эволюция звёзд, взрывы сверхновых, формирование и динамика галактик, гравитационные волны, космические лучи.

Проще говоря, астрофизика изучает, из чего состоят и как функционируют отдельные «части» Вселенной.

Космология

Космология — это раздел астрономии, который изучает Вселенную как единое целое. Она рассматривает самые общие свойства, структуру и эволюцию Вселенной от момента её возникновения до её возможного будущего. Предметом изучения космологии являются:

• Происхождение и эволюция Вселенной: теория Большого взрыва, ранняя Вселенная, эпоха инфляции, образование первых элементов (первичный нуклеосинтез).

• Крупномасштабная структура: распределение галактик и их скоплений в пространстве, которое образует так называемую космическую паутину.

• Состав Вселенной: изучение природы и пропорций обычной (барионной) материи, загадочных тёмной материи и тёмной энергии, которые, как считается, составляют около 95% всей массы-энергии Вселенной.

• Фундаментальные параметры и судьба Вселенной: её геометрия (форма), темп расширения и возможные сценарии будущего (например, вечное расширение или «Большое сжатие»).

Таким образом, если астрофизика изучает отдельные «деревья» (звёзды, галактики), то космология изучает «лес» (Вселенную) в целом: как он возник, по каким законам развивается и что его ждёт в будущем. Данные астрофизики служат фундаментом для построения и проверки космологических теорий.

Ответ: Предметом изучения астрофизики являются физические свойства, химический состав и эволюция отдельных небесных объектов (звёзд, планет, галактик) и их систем, а также физические процессы, происходящие в космосе. Предметом изучения космологии является Вселенная как единое целое: её происхождение, эволюция, крупномасштабная структура, глобальный состав (включая тёмную материю и тёмную энергию) и конечная судьба.

2. В каких единицах измеряют расстояние в астрофизике и космологии?

В астрофизике и космологии имеют дело с огромными расстояниями, поэтому использование стандартных единиц СИ, таких как метры или километры, неудобно из-за очень больших числовых значений. Для удобства были введены специальные внесистемные единицы длины, которые более адекватно отражают масштабы Вселенной. Основными из них являются астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.)

Это основная единица измерения расстояний в пределах Солнечной системы. Исторически она определялась как среднее расстояние от Земли до Солнца. С 2012 года Международный астрономический союз установил точное значение астрономической единицы.

1 а.е. = 149 597 870 700 метров (точно).

Для расчетов часто используют приближенное значение: $1 \text{ а.е.} \approx 1.496 \cdot 10^{11} \text{ м}$. Например, расстояние от Солнца до Юпитера составляет около 5.2 а.е., а до Нептуна — примерно 30 а.е.

Ответ: Астрономическая единица (а.е.) — единица измерения расстояний, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца ($1 \text{ а.е.} \approx 1.496 \cdot 10^{11} \text{ м}$), используется преимущественно для измерения расстояний внутри планетных систем.

Световой год (св. год)

Это расстояние, которое свет проходит в вакууме за один юлианский год (365.25 суток). Эта единица, хотя и не является основной в профессиональной астрономии, широко используется в научно-популярной литературе для описания расстояний до звезд и других галактик.

Скорость света в вакууме $c \approx 299 792 458 \text{ м/с}$. Количество секунд в юлианском году: $365.25 \cdot 24 \cdot 60 \cdot 60 = 31 557 600 \text{ с}$.

Таким образом, $1 \text{ св. год} = c \cdot t \approx 2.998 \cdot 10^8 \text{ м/с} \cdot 3.156 \cdot 10^7 \text{ с} \approx 9.46 \cdot 10^{15} \text{ м}$.

В других единицах $1 \text{ св. год} \approx 63241 \text{ а.е.}$. Расстояние до ближайшей к Солнцу звезды, Проксимы Центавра, составляет около 4.24 световых лет.

Ответ: Световой год (св. год) — расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год ($1 \text{ св. год} \approx 9.46 \cdot 10^{15} \text{ м}$). Используется для измерения расстояний до звезд и между галактиками, в основном в научно-популярном контексте.

Парсек (пк)

Парсек (сокращение от "параллакс-секунда") — основная единица измерения расстояний в профессиональной астрофизике и космологии. Это расстояние до объекта, годичный тригонометрический параллакс которого равен одной угловой секунде ($1''$). Иными словами, это расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а.е.), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду.

Из определения следует, что $1 \text{ пк} = \frac{1}{\tan(1'')} \text{ а.е.} \approx 206265 \text{ а.е.}$.

Соотношения с другими единицами: $1 \text{ пк} \approx 3.086 \cdot 10^{16} \text{ м}$, что примерно равно $3.26 \text{ светового года}$.

Для измерения больших расстояний используются производные единицы:

Килопарсек (кпк): $1 \text{ кпк} = 10^3 \text{ пк}$. Используется для описания размеров галактик. Например, диаметр Млечного Пути составляет около 30 кпк.

Мегапарсек (Мпк): $1 \text{ Мпк} = 10^6 \text{ пк}$. Используется для измерения расстояний между галактиками и скоплениями галактик. Расстояние до Туманности Андромеды — примерно 0.78 Мпк.

Гигапарсек (Гпк): $1 \text{ Гпк} = 10^9 \text{ пк}$. Используется в космологии для описания самых больших масштабов наблюдаемой Вселенной.

Ответ: Парсек (пк) — основная единица измерения межзвездных и межгалактических расстояний в астрономии, определяемая через годичный параллакс ($1 \text{ пк} \approx 3.086 \cdot 10^{16} \text{ м} \approx 3.26$ светового года). Для больших масштабов используются килопарсеки (кпк), мегапарсеки (Мпк) и гигапарсеки (Гпк).

3. Укажите последовательность астрономических структур в порядке возрастания их масштаба.

Решение

Для того чтобы указать последовательность астрономических структур в порядке возрастания их масштаба, необходимо рассмотреть их иерархию во Вселенной, от самых малых до самых больших объектов.

1. Планета

Это небесное тело, обращающееся по орбите вокруг звезды. Планеты имеют достаточную массу, чтобы под действием собственной гравитации принять форму, близкую к шару, но недостаточную для запуска термоядерных реакций. Их масштабы измеряются в тысячах или десятках тысяч километров. Пример: диаметр Земли составляет около 12 742 км.

2. Звезда

Это массивный самосветящийся плазменный шар, в недрах которого происходят термоядерные реакции, являющиеся источником его энергии. Звёзды значительно превосходят планеты по размеру и массе. Пример: диаметр Солнца составляет примерно 1,4 миллиона километров.

3. Звёздная система

Это система, состоящая из центральной звезды (или нескольких звёзд) и всех гравитационно связанных с ней объектов: планет, их спутников, астероидов, комет и космической пыли. Масштабы звёздных систем могут достигать одного-двух световых лет. Пример: Солнечная система, чей радиус, включая гипотетическое Облако Оорта, составляет около 1 светового года ($ \approx 9.5 \times 10^{12} $ км).

4. Галактика

Это гигантская, гравитационно связанная система из звёзд, звёздных скоплений, межзвёздного газа, пыли и тёмной материи. Галактики содержат от миллионов до сотен триллионов звёзд. Их размеры составляют от нескольких тысяч до сотен тысяч световых лет. Пример: диаметр нашей галактики Млечный Путь оценивается примерно в 100 000 световых лет.

5. Скопление галактик

Это структура, которая состоит из сотен или тысяч галактик, удерживаемых вместе взаимным гравитационным притяжением. Скопления галактик — одни из крупнейших гравитационно-связанных объектов во Вселенной. Их масштабы достигают миллионов световых лет. Пример: Скопление в созвездии Девы содержит более 1300 галактик и имеет диаметр около 15 миллионов световых лет.

6. Сверхскопление галактик

Это одна из крупнейших структур во Вселенной, представляющая собой массивное собрание групп и скоплений галактик. В отличие от скоплений, сверхскопления обычно не являются гравитационно-связанными системами и расширяются вместе со Вселенной. Их размеры могут достигать сотен миллионов световых лет. Пример: Сверхскопление Ланиакея, в которое входит и Млечный Путь, простирается на 520 миллионов световых лет.

7. Крупномасштабная структура Вселенной (Космическая паутина)

На самых больших масштабах Вселенная имеет ячеистую, или сетчатую, структуру. Она состоит из гигантских нитей (филаментов) и стен, образованных сверхскоплениями галактик, которые окружают огромные почти пустые пространства — войды. Протяжённость этих структур может достигать миллиардов световых лет. Пример: Великая стена Геркулес — Северная Корона, крупнейшая известная структура, имеет протяжённость около 10 миллиардов световых лет.

8. Наблюдаемая Вселенная

Это вся область Вселенной, состоящая из галактик и других форм материи, которую мы в принципе можем наблюдать с Земли в настоящий момент. Её граница определяется расстоянием, которое свет успел пройти с момента Большого взрыва. Диаметр Наблюдаемой Вселенной оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет и представляет собой предел наших текущих астрономических наблюдений.

Ответ:

Последовательность астрономических структур в порядке возрастания их масштаба: Планета → Звезда → Звёздная система → Галактика → Скопление галактик → Сверхскопление галактик → Крупномасштабная структура Вселенной → Наблюдаемая Вселенная.

4. Каково расстояние Солнечной системы от центра нашей Галактики и каков период её обращения вокруг центра?

Расстояние Солнечной системы от центра нашей Галактики

Солнечная система является частью большой спиральной галактики с перемычкой, называемой Млечный Путь. Наша система расположена не в центре и не на краю галактического диска, а в одном из его спиральных рукавов — рукаве Ориона.

Расстояние от Солнца до центра Галактики, где, как предполагается, находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, является фундаментальной астрономической величиной. Современные измерения, использующие различные методы (например, наблюдение за движением звезд вокруг центра или радиолокацию мазеров), дают схожие, но не идентичные результаты. Значения, как правило, находятся в диапазоне от 25 000 до 28 000 световых лет. В астрономии для таких расстояний часто используют единицу "парсек". Один парсек равен примерно 3.26 светового года, поэтому расстояние до центра Галактики составляет около 8 килопарсек ($8$ кпк).

Ответ: Расстояние от Солнечной системы до центра нашей Галактики составляет примерно 26 000 – 27 000 световых лет (около 8 килопарсек).

Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики

Солнечная система вместе со всеми близлежащими звездами движется по орбите вокруг центра Млечного Пути. Период этого обращения, называемый галактическим годом, представляет собой колоссальный промежуток времени. Его можно оценить, зная расстояние до центра Галактики и орбитальную скорость Солнца.

Дано:

Среднее расстояние до центра Галактики, $R \approx 26 \ 500$ световых лет.

Средняя орбитальная скорость Солнечной системы, $v \approx 230$ км/с.

1 световой год $\approx 9.46 \times 10^{15}$ м.

1 год $\approx 3.15 \times 10^{7}$ с.

Перевод в систему СИ:

$R \approx 26500 \times 9.46 \times 10^{15} \text{ м} \approx 2.507 \times 10^{20}$ м.

$v = 230 \text{ км/с} = 230 \times 10^3 \text{ м/с} = 2.3 \times 10^5$ м/с.

Найти:

Период обращения $T$.

Решение:

Для оценки периода будем считать орбиту Солнечной системы круговой. Длина такой орбиты $L$ вычисляется по формуле длины окружности:

$L = 2 \pi R$

Период обращения $T$ — это время, необходимое для прохождения всей орбиты с постоянной скоростью $v$. Он определяется как отношение длины орбиты к скорости:

$T = \frac{L}{v} = \frac{2 \pi R}{v}$

Подставим значения в системе СИ для вычисления периода в секундах:

$T = \frac{2 \times 3.14159 \times 2.507 \times 10^{20} \text{ м}}{2.3 \times 10^{5} \text{ м/с}} \approx 6.85 \times 10^{15} \text{ с}$

Теперь переведем полученное значение из секунд в земные годы, зная, что в одном году примерно $3.15 \times 10^7$ секунд:

$T \approx \frac{6.85 \times 10^{15} \text{ с}}{3.15 \times 10^{7} \text{ с/год}} \approx 2.17 \times 10^8 \text{ лет}$

Расчет показывает, что период обращения составляет около 217 миллионов лет. Научные данные, учитывающие более сложные модели движения и уточненные параметры, дают диапазон от 220 до 250 миллионов лет.

Ответ: Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики, или галактический год, составляет примерно 220–250 миллионов земных лет.

5. Каково число звёзд в нашей Галактике?

Определить точное количество звёзд в нашей Галактике, Млечном Пути, — чрезвычайно сложная задача, и на сегодняшний день астрономы могут дать лишь приблизительную оценку. Прямой подсчёт невозможен по нескольким причинам:

– Мы находимся внутри Галактики, и наш обзор ограничен. Огромные облака межзвёздного газа и пыли, особенно в направлении галактического центра, скрывают от нас свет большинства звёзд.

– Многие звёзды, особенно тусклые красные карлики, которые составляют большинство звёздного населения, слишком малы и слабо светят, чтобы их можно было обнаружить на больших расстояниях даже с помощью самых мощных телескопов.

Поэтому учёные используют косвенные методы для оценки числа звёзд:

1. Оценка массы Галактики: Астрономы измеряют скорость вращения звёзд и газа вокруг центра Млечного Пути. На основе законов гравитации, зная эти скорости и расстояния до центра, можно вычислить общую массу Галактики, которая удерживает все эти объекты на своих орбитах.

2. Вычитание массы незвёздных объектов: Из общей массы вычитается масса тёмной материи (которая, по оценкам, составляет около 85% массы Галактики), а также масса межзвёздного газа и пыли. Оставшаяся масса — это совокупная масса всех звёзд.

3. Определение средней массы звезды: Следующим шагом является определение средней массы одной звезды. Это сложный момент, так как в Галактике существуют звёзды самых разных масс — от гигантов, в десятки раз массивнее Солнца, до карликов, масса которых составляет лишь десятую долю солнечной. Большинство звёзд — это как раз маленькие и тусклые красные карлики. Учёные анализируют распределение звёзд по массам в окрестностях Солнца и экстраполируют эти данные на всю Галактику.

4. Итоговый расчёт: Разделив общую массу звёздного населения Галактики на среднюю массу одной звезды, получают оценочное количество звёзд.

Из-за неопределённостей в каждом из этих шагов (особенно в оценке доли тёмной материи и средней массы звезды) итоговые оценки могут сильно различаться.

Современные научные оценки количества звёзд в Млечном Пути лежат в диапазоне от 100 до 400 миллиардов. Некоторые недавние исследования, основанные на данных космического телескопа Gaia, склоняются к более низкой границе этого диапазона, оценивая число звёзд примерно в 100–200 миллиардов (то есть от $10^{11}$ до $2 \cdot 10^{11}$).

Ответ: Точное число звёзд в нашей Галактике (Млечном Пути) неизвестно. По современным научным оценкам, их количество составляет от 100 до 400 миллиардов (от $10^{11}$ до $4 \cdot 10^{11}$) звёзд.