Номер 4, страница 407 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 16. Строение вселенной. Параграф 109. Примеры решения задач по теме «Астрономия». Повторите материал главы 16 по следующему плану - номер 4, страница 407.

Условие.

4. Опишите основные явления, связанные с галактиками.

Решение.

Решение 2.

Решение

Основные явления, связанные с галактиками, охватывают их рождение, эволюцию, динамику и влияние на космологические процессы. Ниже описаны ключевые из них.

1. Формирование и эволюция галактик

Галактики не существовали вечно; они сформировались и продолжают эволюционировать. Согласно современной иерархической модели, Вселенная вначале была почти однородной, но с небольшими флуктуациями плотности. Более плотные области под действием гравитации начали притягивать к себе окружающее вещество (в основном водород, гелий и темную материю). Этот процесс, называемый гравитационным коллапсом, привел к образованию первых, небольших протогалактик. Со временем эти меньшие структуры сталкивались и сливались, образуя все более крупные галактики. В ходе эволюции в галактиках идут процессы звездообразования, когда межзвездный газ сжимается и формирует новые звезды. Смерть массивных звезд (взрывы сверхновых) и активность центральных черных дыр обогащают межзвездную среду тяжелыми элементами и влияют на дальнейшее формирование звезд, создавая сложный цикл эволюции.

Ответ: Галактики формируются из гравитационного коллапса первичных флуктуаций плотности и эволюционируют путем иерархического слияния меньших структур, а также через непрерывные процессы звездообразования и обратной связи от звезд и черных дыр.

2. Вращение галактик и темная материя

Одним из самых загадочных явлений является вращение спиральных галактик. Наблюдая за движением звезд и газа, астрономы строят так называемые кривые вращения — графики зависимости скорости вращения от расстояния до центра галактики. Исходя из законов небесной механики и видимого распределения массы (звезд, газа, пыли), ожидалось, что скорость вращения на окраинах галактики будет падать. Однако наблюдения показывают, что скорость остается практически постоянной или даже растет. Это расхождение получило название "проблема скрытой массы". Для его объяснения была предложена гипотеза о существовании темной материи — невидимого вещества, которое не испускает и не поглощает свет, но участвует в гравитационном взаимодействии. Считается, что каждая галактика погружена в массивное гало из темной материи, масса которого в несколько раз превышает массу всего видимого вещества.

Ответ: Аномально высокая скорость вращения внешних частей галактик, несовместимая с количеством видимого вещества, является главным свидетельством существования темной материи, образующей массивные невидимые гало вокруг галактик.

3. Активность галактических ядер

В центрах большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь, находятся сверхмассивные черные дыры (СМЧД) с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца. Когда на такую черную дыру интенсивно падает окружающее вещество (газ, пыль, звезды), вокруг нее образуется аккреционный диск. Вещество в диске, двигаясь по спирали к черной дыре, разогревается до огромных температур и начинает ярко светиться во всех диапазонах электромагнитного спектра. Эта чрезвычайно яркая центральная область называется активным ядром галактики (АЯГ). Мощность излучения АЯГ может превышать суммарную светимость всех звезд галактики. К числу АЯГ относятся квазары (наиболее мощные и далекие объекты), сейфертовские галактики и радиогалактики, часто испускающие релятивистские струи (джеты) вещества.

Ответ: Активность галактических ядер — это мощное излучение, возникающее при падении (аккреции) вещества на сверхмассивную черную дыру в центре галактики, что делает ее ядро аномально ярким.

4. Взаимодействие и слияние галактик

Галактики редко существуют в полной изоляции. Они часто образуют группы и скопления, где гравитационные силы заставляют их взаимодействовать друг с другом. При сближении галактик приливные силы искажают их форму, создавая вытянутые "хвосты" и "мосты" из звезд и газа. Такое взаимодействие может спровоцировать сжатие межзвездных облаков и вызвать бурную вспышку звездообразования (starburst). В конечном итоге, если галактики находятся на траектории столкновения, они могут слиться в одну, более крупную галактику. Слияния являются важнейшим механизмом эволюции галактик, приводящим к изменению их морфологического типа (например, слияние двух спиральных галактик может образовать эллиптическую). Наша галактика Млечный Путь через примерно 4.5 миллиарда лет столкнется и сольется с галактикой Андромеды.

Ответ: Гравитационное взаимодействие и последующее слияние галактик являются фундаментальными процессами, которые кардинально меняют их структуру, морфологию и интенсивность звездообразования.

5. Красное смещение и закон Хаббла

Наблюдая спектры далеких галактик, астрономы обнаружили, что линии поглощения и испускания в них смещены в красную (длинноволновую) сторону спектра. Это явление, известное как "красное смещение", аналогично эффекту Доплера и указывает на то, что галактики удаляются от нас. В 1929 году Эдвин Хаббл установил, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее. Этот эмпирический факт известен как закон Хаббла и математически выражается формулой: $v = H_0 \cdot d$, где $v$ — скорость удаления галактики, $d$ — расстояние до нее, а $H_0$ — постоянная Хаббла. Это открытие стало первым наблюдательным подтверждением теории расширяющейся Вселенной и является основой современной космологии. Красное смещение галактик — это не просто их движение в пространстве, а следствие расширения самого пространства-времени.

Ответ: Наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик, описываемое законом Хаббла, свидетельствует о том, что Вселенная расширяется, и является ключевым явлением для понимания космологии.