Страница 252 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Каковы размеры пространственных флуктуаций реликтового излучения?

Каковы размеры пространственных флуктуаций реликтового излучения?

Пространственные флуктуации реликтового излучения, также известные как анизотропия космического микроволнового фона (CMB), представляют собой очень небольшие отклонения температуры этого излучения от среднего значения по небу. Эти флуктуации являются ключевым источником информации о ранней Вселенной, ее составе и эволюции.

Основные характеристики этих флуктуаций:

1. Амплитуда флуктуаций: Реликтовое излучение чрезвычайно однородно. Его средняя температура составляет $T \approx 2.725$ Кельвина. Флуктуации (отклонения от этой средней температуры, $\Delta T$) очень малы и составляют примерно одну стотысячную долю от среднего значения: $\Delta T / T \approx 10^{-5}$. В абсолютных величинах это соответствует разнице температур порядка десятков микрокельвинов (мкК).

2. Угловой размер флуктуаций: "Размер" флуктуаций обычно характеризуют их угловым размером на небесной сфере. Эти флуктуации существуют в широком диапазоне угловых масштабов.

• Характерный размер: Наиболее выраженный и важный для космологии угловой размер флуктуаций составляет примерно 1 градус. На карте реликтового излучения это наиболее заметные "пятна". Этот размер соответствует так называемому первому акустическому пику в спектре мощности анизотропии CMB. Он соответствует физическому размеру звукового горизонта в эпоху рекомбинации (примерно через 380 000 лет после Большого взрыва). Это максимальное расстояние, на которое могли распространиться звуковые волны в первичной плазме до того, как Вселенная стала прозрачной для излучения.

• Спектр размеров: Анализ флуктуаций показывает их наличие на всех угловых масштабах, от самых больших (десятки градусов, что соответствует дипольной анизотропии, вызванной движением нашей Галактики) до очень малых (доли угловой минуты). Связь между амплитудой флуктуаций и их угловым масштабом описывается спектром мощности. Этот спектр имеет сложную структуру с серией пиков и провалов, положение и высота которых позволяют с высокой точностью определять космологические параметры (плотность барионной и темной материи, темной энергии, кривизну пространства и др.). Первый и самый высокий пик находится на мультипольном моменте $l \approx 220$, что как раз и соответствует угловому масштабу $\theta \approx 180^\circ/l \approx 0.8^\circ$.

Таким образом, флуктуации реликтового излучения — это отпечатки первичных неоднородностей плотности в молодой Вселенной. Области с чуть большей плотностью (соответствуют "холодным" пятнам) стали гравитационными центрами, которые со временем выросли в галактики и скопления галактик, которые мы видим сегодня.

Ответ: Пространственные флуктуации реликтового излучения имеют широкий спектр угловых размеров, но наиболее характерный и выраженный размер, соответствующий первому акустическому пику, составляет около 1 градуса на небесной сфере. Относительная амплитуда этих температурных флуктуаций очень мала, порядка $10^{-5}$.

2. Почему крупномасштабные структуры возникают прежде всего в определённых плоскостях?

Почему крупномасштабные структуры возникают прежде всего в определённых плоскостях?

Возникновение крупномасштабных структур Вселенной, таких как галактические «стены» и «филаменты» (нити), которые образуют так называемую космическую паутину, объясняется процессом гравитационной неустойчивости и анизотропного (неоднородного по направлениям) коллапса вещества.

1. Исходные условия. В ранней Вселенной вещество (в основном, тёмная и барионная материя) было распределено почти равномерно. Однако существовали крошечные случайные флуктуации плотности — области, где плотность была чуть выше или чуть ниже средней. Эти первичные неоднородности мы можем наблюдать сегодня как температурные флуктуации в реликтовом излучении.

2. Гравитационная неустойчивость. Области с плотностью чуть выше средней обладали и чуть более сильной гравитацией. Со временем они начали притягивать к себе вещество из соседних, менее плотных областей. Этот процесс, называемый гравитационной неустойчивостью, приводил к тому, что богатые веществом области становились ещё богаче, а бедные — ещё беднее, превращаясь в гигантские пустые пространства — войды.

3. Анизотропный коллапс (модель «блинов Зельдовича»). Ключевой момент в ответе на вопрос — почему структуры получаются плоскими. Первичные области повышенной плотности не были идеально сферическими. Они имели неправильную, чаще всего вытянутую или сплюснутую форму (похожую на эллипсоид). Гравитационное сжатие такого объекта происходит неравномерно:

• Сжатие (коллапс) происходит быстрее всего вдоль самой короткой оси первоначального сгустка материи. В результате вещество сжимается в плоскую, двумерную структуру, напоминающую блин. Эти структуры и есть те самые «определённые плоскости» или, как их называют в космологии, галактические стены или «блины Зельдовича» (по имени предложившего эту модель астрофизика Якова Зельдовича).
• Далее, вещество внутри этого «блина» продолжает сжиматься, но уже вдоль следующей по длине оси. Это приводит к формированию вытянутых, одномерных структур — филаментов (нитей). Филаменты образуются на пересечениях «блинов».
• Наконец, вещество, двигаясь вдоль филаментов, собирается в самых плотных точках — на их пересечениях. Здесь формируются самые массивные объекты во Вселенной — сверхскопления галактик.

Таким образом, иерархическое формирование структур (сначала плоскости, потом нити, потом скопления) является естественным следствием гравитационного коллапса изначально несферических областей повышенной плотности. Тёмная материя играет в этом процессе роль «каркаса», так как она начала сжиматься раньше барионной материи и сформировала гравитационные «ямы», в которые затем «стекалось» обычное вещество, образуя галактики.

Ответ: Крупномасштабные структуры возникают прежде всего в определённых плоскостях («стенах») из-за анизотропного гравитационного коллапса. Первичные неоднородности плотности во Вселенной не были сферическими, и гравитационное сжатие происходило быстрее всего по самому короткому направлению, что приводило к формированию сначала плоских структур, а уже затем — нитей и скоплений на их пересечениях.

3. Опишите последовательность образования галактик.

Образование и эволюция галактик — это сложный и длительный процесс, который описывается в рамках стандартной космологической модели, известной как модель Лямбда-CDM ($ \Lambda $CDM). Последовательность этого процесса можно разбить на несколько ключевых этапов.

Начальные флуктуации плотности. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была почти идеально однородной и состояла из горячей плазмы. Однако в этой среде существовали крошечные квантовые флуктуации плотности. Эти микроскопические неоднородности, следы которых мы видим в реликтовом излучении, стали гравитационными "затравками" для будущих крупномасштабных структур, включая галактики.

Формирование гало темной материи. С расширением и остыванием Вселенной гравитация начала усиливать эти начальные флуктуации. Области с чуть большей плотностью, чем в среднем, стали притягивать к себе окружающее вещество. Ключевую роль на этом этапе играла темная материя, составляющая основную часть массы Вселенной. Поскольку она не взаимодействует со светом, она смогла начать сгущаться в гравитационно связанные структуры (гало) раньше, чем обычное (барионное) вещество. Эти гало темной материи создали гравитационные "колодцы", ставшие "колыбелями" для галактик.

Аккреция газа и образование протогалактик. Барионное вещество (в основном водород и гелий) было притянуто гравитацией в гало темной материи. Падая в гало, газ нагревался, а затем остывал, излучая энергию. Остывший газ уплотнялся и оседал к центру гало. В самых плотных его областях началось формирование первых звезд (звезд III популяции) и, соответственно, первых небольших протогалактик.

Иерархическое слияние. Современная теория придерживается модели "снизу вверх". Это означает, что первыми сформировались небольшие объекты, которые затем на протяжении миллиардов лет сливались друг с другом, образуя все более крупные галактики. Слияния (мерджеры) являются важнейшим механизмом роста галактик, они приводят к вспышкам звездообразования и изменяют структуру галактик.

Формирование различных типов галактик и обратная связь. В зависимости от истории слияний и других условий формировались разные типы галактик. Спиральные галактики (как Млечный Путь) образовались в результате относительно спокойного стягивания газа во вращающееся гало, что привело к формированию диска. Эллиптические галактики, как полагают, являются продуктом крупных слияний, которые разрушили диски, перемешали звезды и израсходовали почти весь газ. Важную роль в эволюции играет и обратная связь: энергия от взрывов сверхновых и активных ядер галактик (сверхмассивных черных дыр) может прекратить звездообразование, регулируя рост галактики.

Ответ:

Последовательность образования галактик включает следующие этапы:

1. Возникновение в ранней Вселенной микроскопических неоднородностей плотности вещества.
2. Гравитационный коллапс этих неоднородностей с преобладанием темной материи и формирование гравитационно связанных гало.
3. Аккреция (падение) обычного газа в гало, его остывание и концентрация в центре.
4. Формирование первых звезд и протогалактик внутри гало.
5. Иерархический рост галактик путем многократных слияний более мелких галактик в более крупные.
6. Дальнейшая эволюция, формирование различных морфологических типов (спиральных, эллиптических и т.д.) и регуляция роста галактик процессами обратной связи от звезд и сверхмассивных черных дыр.

4. Поясните особенности формирования эллиптических и спиральных галактик.

Формирование галактик различных типов, в частности эллиптических и спиральных, является сложным процессом. Современная астрофизика объясняет его с помощью двух основных моделей, которые не исключают, а дополняют друг друга: модель монолитного коллапса и модель иерархического слияния.

Модель монолитного коллапса (начальные условия)

Эта гипотеза предполагает, что тип будущей галактики предопределен начальными условиями в протогалактическом облаке (огромном скоплении газа и темной материи). Два ключевых параметра здесь — это вращение и плотность.

1. Начальный угловой момент (вращение):

Если протогалактическое облако обладало значительным начальным вращением, то при гравитационном сжатии оно не могло коллапсировать равномерно. Сохранение углового момента приводило к формированию уплощающегося газового диска. В этом диске звездообразование шло постепенно и продолжается до сих пор. В результате формировалась спиральная галактика. Если же облако почти не вращалось, его сжатие было более сферическим. Газ быстро и по всему объему превращался в звезды, формируя эллиптическую галактику, состоящую из старых звезд с хаотичными орбитами.

2. Начальная плотность:

Если облако имело высокую начальную плотность, оно коллапсировало очень быстро. Это вызывало мощную, но короткую вспышку звездообразования, которая расходовала весь газ еще до того, как мог бы сформироваться устойчивый диск. Результатом становилась эллиптическая галактика. И наоборот, менее плотное облако сжималось медленнее, давая газу время для формирования вращающегося диска, что приводило к появлению спиральной галактики.

Модель иерархического слияния (эволюционный путь)

Эта модель является доминирующей в современной космологии и утверждает, что крупные галактики образуются путем последовательных слияний более мелких. В этом сценарии тип галактики — это результат ее истории взаимодействий.

Формирование спиральных галактик:

Считается, что спиральные галактики, подобные Млечному Пути, эволюционировали в относительно "спокойной" обстановке. Они избежали крупных столкновений с другими массивными галактиками и росли в основном за счет плавного притока газа из межгалактической среды и поглощения небольших спутников. Это позволило им сохранить свой хрупкий газовый диск, где продолжается звездообразование.

Формирование эллиптических галактик:

Эллиптические галактики, согласно этой модели, являются продуктом катастрофических столкновений и слияний двух или более крупных галактик (часто двух спиральных). Во время такого события гравитационные силы разрушают упорядоченные диски, а орбиты звезд становятся хаотичными, что и создает сфероидальную форму. Кроме того, столкновение газовых облаков провоцирует мощнейшую вспышку звездообразования, которая быстро исчерпывает все запасы газа. В результате остается "красная и мертвая" галактика, состоящая из старых звезд, практически без газа и нового звездообразования.

Современные представления объединяют оба подхода. Начальные условия ("природа") создают предрасположенность, а последующая история слияний и окружение ("воспитание") играют решающую роль в определении окончательного вида галактики.

Ответ:Особенности формирования галактик определяются двумя основными сценариями. Спиральные галактики формируются либо из быстро вращающихся и медленно сжимающихся протогалактических облаков, что позволяет газу образовать диск с длительным звездообразованием, либо в ходе спокойной эволюции без крупных столкновений. Эллиптические галактики формируются либо из медленно вращающихся и быстро коллапсирующих облаков, где газ быстро расходуется, либо, что считается более частым сценарием, в результате крупных слияний других галактик. В процессе слияния их диски разрушаются, орбиты звезд становятся хаотичными, а мощная вспышка звездообразования прекращает дальнейшее рождение звезд.

5. Каковы источники энергии звёзд?

Источники энергии звёзд меняются на протяжении их жизненного цикла. Основными механизмами, генерирующими энергию, являются термоядерный синтез и гравитационное сжатие. Их роль и значимость меняются в зависимости от массы звезды и стадии её эволюции.

Термоядерный синтез

Это доминирующий источник энергии для подавляющего большинства звёзд, находящихся на так называемой главной последовательности — наиболее длительном этапе жизни звезды, на котором находится и наше Солнце. Процесс происходит в ядре звезды, где из-за огромной гравитации создаются экстремальные условия: температура в миллионы кельвинов и высочайшее давление. При таких условиях протоны и атомные ядра преодолевают силы электростатического отталкивания и сливаются, образуя более тяжёлые ядра.

Энергия в этих реакциях выделяется благодаря дефекту массы: масса образовавшегося ядра оказывается меньше суммы масс исходных частиц. Эта разница в массе, $\Delta m$, преобразуется в колоссальное количество энергии $E$ согласно уравнению Эйнштейна:

$E = \Delta m c^2$

где $c$ — это скорость света. Поскольку $c^2$ является очень большой величиной, даже незначительная потеря массы приводит к выделению огромной энергии. Основные реакции синтеза водорода в гелий:

• Протон-протонный цикл (pp-цикл): Преобладает в звёздах с массой, равной или меньшей массы Солнца. В ходе нескольких последовательных реакций четыре ядра водорода ($^1H$) превращаются в одно ядро гелия ($^4He$).
• Углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл): Является основным в звёздах, масса которых превышает 1,3 массы Солнца. В этом цикле углерод, азот и кислород выступают в качестве катализаторов, помогая четырём протонам слиться в ядро гелия.

После исчерпания водорода в ядре, массивные звёзды могут последовательно «сжигать» более тяжёлые элементы: гелий (в тройном альфа-процессе), углерод, неон, кислород и кремний, вплоть до образования железа.

Гравитационное сжатие (механизм Кельвина — Гельмгольца)

Этот механизм является ключевым источником энергии на двух этапах жизни звезды:

1. На стадии формирования: Когда звезда представляет собой протозвезду, она сжимается под действием собственной гравитации. При этом её гравитационная потенциальная энергия превращается во внутреннюю тепловую энергию, которая разогревает звезду и заставляет её светиться ещё до начала термоядерных реакций.
2. На поздних стадиях эволюции: Когда в ядре звезды заканчивается один вид ядерного топлива (например, водород), термоядерные реакции в нём прекращаются. Гравитация вновь начинает преобладать, и ядро сжимается. Это сжатие приводит к его разогреву до температур, необходимых для начала следующего цикла термоядерных реакций (например, горения гелия).

Исторически гравитационное сжатие считалось главным источником энергии звёзд, однако оно могло бы поддерживать светимость Солнца лишь в течение нескольких десятков миллионов лет, что противоречит данным о возрасте Солнечной системы.

Ответ:

Основными источниками энергии звёзд являются термоядерный синтез (слияние лёгких атомных ядер в более тяжёлые с выделением энергии за счёт дефекта масс, $E = \Delta m c^2$) и гравитационное сжатие (преобразование гравитационной потенциальной энергии в тепловую). Термоядерный синтез является главным источником энергии на протяжении большей части жизни звезды (на главной последовательности), в то время как гравитационное сжатие доминирует на этапе формирования (протозвезда) и в переходные периоды её эволюции.