Страница 396 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Млечный Путь похож на галактику Сомбреро (см. рис. XII на вклейке). Диаметр этой галактики равен 30 кпк. Оцените толщину газопылевого слоя и диаметр центральной наиболее яркой области, окружающей ядро.

Дано:

Диаметр галактики Сомбреро $D = 30$ кпк.

В системе СИ:

1 парсек (пк) $\approx 3.086 \times 10^{16}$ м

$D = 30 \text{ кпк} = 30 \times 10^3 \text{ пк} \approx 30 \times 10^3 \times 3.086 \times 10^{16} \text{ м} \approx 9.258 \times 10^{20} \text{ м}$

Найти:

Толщину газопылевого слоя $h$.

Диаметр центральной наиболее яркой области, окружающей ядро $D_{я}$.

Решение:

Для решения задачи необходимо оценить размеры структурных элементов галактики Сомбреро относительно ее общего диаметра. В условии указано, что нужно использовать рисунок XII, который не предоставлен. Поэтому для оценки мы воспользуемся типичными фотографиями галактики Сомбреро (M104). Эта галактика видна нам почти точно с ребра, что очень удобно для оценки соотношения ее диаметра и толщины диска, а также диаметра центрального вздутия (балджа).

Метод решения заключается в установлении пропорций между видимыми на фото размерами и реальными размерами.

Оценка толщины газопылевого слоя

На фотографиях галактики Сомбреро хорошо видна темная полоса — газопылевой слой, расположенный в плоскости диска. При визуальном сравнении полного диаметра галактики ($d_{изм}$) с толщиной этой полосы ($h_{изм}$) видно, что диаметр значительно больше. Их отношение $\frac{d_{изм}}{h_{изм}}$ составляет примерно 40–50. Для оценки возьмем это отношение равным 45.

Так как отношение реальных размеров равно отношению видимых размеров, можем записать:

$\frac{h}{D} = \frac{h_{изм}}{d_{изм}} \approx \frac{1}{45}$

Отсюда находим искомую толщину $h$:

$h \approx \frac{D}{45} = \frac{30 \text{ кпк}}{45} \approx 0.67 \text{ кпк}$

Округлим результат до десятых.

Ответ: Толщина газопылевого слоя составляет примерно $0.7$ кпк.

Оценка диаметра центральной наиболее яркой области, окружающей ядро

Центральная наиболее яркая область — это балдж галактики. Проведем аналогичную процедуру для оценки его диаметра $D_{я}$. На фотографиях видно, что диаметр балджа ($D_{я, изм}$) является существенной частью общего диаметра галактики. Отношение диаметра балджа к общему диаметру галактики $\frac{D_{я, изм}}{d_{изм}}$ составляет примерно 0.4 (или $\frac{2}{5}$).

Следовательно, для реальных размеров соотношение будет таким же:

$\frac{D_{я}}{D} \approx 0.4$

Отсюда находим диаметр центральной яркой области $D_{я}$:

$D_{я} \approx 0.4 \times D = 0.4 \times 30 \text{ кпк} = 12 \text{ кпк}$

Ответ: Диаметр центральной наиболее яркой области составляет примерно $12$ кпк.

1. На фотографии спиральной галактики, видимой с ребра (см. рис. XII цветной вклейки), заметна тёмная полоса, тянущаяся вдоль экватора. Чем это можно объяснить?

1. Тёмная полоса, заметная на фотографиях спиральных галактик, видимых с ребра, представляет собой скопление межзвёздного вещества (газа и пыли), сконцентрированного в плоскости галактического диска.

Структура спиральной галактики включает в себя центральное уплотнение (балдж), состоящее в основном из старых звёзд, и плоский диск, в котором находятся спиральные рукава, молодые звёзды, а также большое количество газа и пыли. Всё это окружено разреженным сферическим гало.

Когда мы смотрим на галактику с ребра, наш луч зрения проходит через большую протяжённость её диска. Частицы межзвёздной пыли, находящиеся в диске, эффективно поглощают и рассеивают свет видимого диапазона, идущий от звёзд, которые расположены за этим пылевым слоем (включая звёзды балджа и дальней части диска). Этот эффект называется межзвёздной экстинкцией.

В результате этого поглощения света, плотная полоса пыли и газа выглядит как тёмная линия, которая как бы разделяет галактику на две части по её экватору. Это явление аналогично тому, как мы видим Млечный Путь на ночном небе: тёмные прожилки и разрывы в нём — это облака пыли в диске нашей Галактики, которые закрывают от нас свет более далёких звёзд.

Ответ: Тёмная полоса объясняется поглощением и рассеянием света звёзд скоплениями межзвёздной пыли и газа, которые сосредоточены в тонкой плоскости диска спиральной галактики.

обчислить.

2. С какой скоростью обращается Солнце вокруг центра Галактики?

2. Солнце вместе со всей Солнечной системой обращается вокруг центра нашей Галактики Млечный Путь. Движение происходит по почти круговой орбите. Скорость этого движения не является абсолютно постоянной, но в современную эпоху, по разным оценкам, она составляет от 220 до 240 км/с. Эту скорость можно рассчитать, зная расстояние от Солнца до центра Галактики и период одного оборота (так называемый галактический год).

Произведем примерный расчет, используя усредненные астрономические данные.

Дано:

Расстояние от Солнца до центра Галактики (радиус орбиты), $R \approx 8,5 \text{ кпк}$ (килопарсек)

Период обращения Солнца вокруг центра Галактики, $T \approx 230 \text{ млн. лет}$

Найти:

Орбитальная скорость Солнца, $v - ?$

Решение:

Для нахождения скорости движения по круговой орбите используется формула, связывающая линейную скорость, радиус и период обращения:

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

Подставим значения в СИ в формулу и произведем вычисления:

$v = \frac{2 \cdot 3,14 \cdot 2,623 \cdot 10^{20} \text{ м}}{7,25 \cdot 10^{15} \text{ с}} \approx \frac{1,647 \cdot 10^{21} \text{ м}}{7,25 \cdot 10^{15} \text{ с}} \approx 0,227 \cdot 10^6 \text{ м/с}$

Переведем полученную скорость в более привычные единицы — километры в секунду:

$v \approx 0,227 \cdot 10^6 \text{ м/с} = 227 \text{ км/с}$

Полученное значение находится в пределах современных оценок скорости движения Солнца.

Ответ: Скорость обращения Солнца вокруг центра Галактики составляет примерно 220–240 км/с.

3. Что находится в центре Млечного Пути?

3. В центре нашей галактики Млечный Путь, в направлении созвездия Стрельца (Sagittarius), находится сверхмассивная черная дыра. Этот объект известен под названием Стрелец А* (Sagittarius A*, сокращенно Sgr A*).

Сам по себе этот объект невидим, так как черные дыры не излучают свет. Его существование и свойства были установлены по косвенным признакам, в первую очередь, по гравитационному воздействию на окружающие звезды. Астрономы на протяжении десятилетий наблюдали за движением звезд в непосредственной близости от галактического центра. В частности, звезда S2 обращается вокруг Sgr A* с периодом около 16 лет, приближаясь на расстояние всего 17 световых часов. Анализ орбит этих звезд позволил с высокой точностью вычислить массу центрального объекта. Она составляет примерно 4,3 миллиона масс Солнца, или $ \approx 4.3 \times 10^6 M_{\odot} $. Весь этот огромный вес сосредоточен в области, сравнимой по размеру с орбитой Урана.

Наблюдения в видимом свете невозможны из-за плотных облаков межзвездной пыли и газа, которые поглощают свет на пути к Земле. Поэтому для изучения центра Галактики используют радиотелескопы, инфракрасные и рентгеновские обсерватории, чье излучение способно проходить сквозь эти облака.

Помимо самой черной дыры, галактический центр представляет собой очень плотное и активное место. Здесь находится массивное звездное скопление, состоящее из миллионов звезд, плотность которых в миллионы раз выше, чем в окрестностях Солнца. Также в этой области наблюдаются мощные магнитные поля и облака горячего газа.

В 2022 году коллаборация «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT) представила первое в истории изображение тени черной дыры Стрелец А*, что стало прямым визуальным подтверждением ее существования.

Ответ: В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А* (Sgr A*), масса которой составляет около 4,3 миллиона масс Солнца, а также плотное скопление звезд и облака газа.

4. На основании каких наблюдений изучают распределение магнитного поля и космических лучей в Галактике?

Изучение распределения магнитного поля и космических лучей в Галактике является сложной задачей, поскольку мы находимся внутри изучаемого объекта. Эти компоненты межзвездной среды невидимы в оптическом диапазоне, поэтому для их исследования используются косвенные методы, основанные на наблюдении их взаимодействия с веществом и излучением, а также на прямой регистрации частиц.

Распределение и структура магнитного поля Галактики изучаются на основе следующих наблюдательных эффектов:

Синхротронное излучение. Релятивистские электроны, являющиеся частью космических лучей, движутся по спиральным траекториям в магнитном поле и испускают нетепловое радиоизлучение. Интенсивность и поляризация этого излучения, наблюдаемые с помощью радиотелескопов, несут информацию о силе и направлении компоненты магнитного поля, перпендикулярной лучу зрения, а также о плотности релятивистских электронов.

Эффект Фарадея. Плоскость поляризации радиоволн от далеких источников (например, пульсаров или внегалактических радиоисточников) поворачивается при прохождении через намагниченную межзвездную плазму. Угол поворота, или мера вращения Фарадея (RM), пропорционален интегралу вдоль луча зрения от произведения концентрации свободных электронов $n_e$ и компоненты магнитного поля вдоль луча зрения $B_{\|}$: $RM \propto \int n_e B_{\|} \, dl$. Измерения RM для множества источников в разных направлениях позволяют построить карту распределения продольной компоненты поля в Галактике.

Поляризация света звезд. Свет далеких звезд становится частично поляризованным, проходя через облака вытянутых межзвездных пылинок, которые имеют свойство ориентироваться перпендикулярно линиям магнитного поля. Массовые наблюдения поляризации света звезд в оптическом и инфракрасном диапазонах позволяют картировать направление магнитного поля (в проекции на плоскость неба), в основном в локальной области Галактики.

Эффект Зеемана. Сильное магнитное поле вызывает расщепление спектральных линий атомов и молекул на несколько компонент. Наблюдая это расщепление в радиолиниях (например, в линии нейтрального водорода на длине волны 21 см или в линиях молекул OH), можно напрямую измерить напряженность поля вдоль луча зрения. Этот метод наиболее эффективен для плотных молекулярных облаков, где магнитные поля значительно сильнее, чем в среднем по Галактике.

Распределение космических лучей (потоков высокоэнергетических заряженных частиц, в основном протонов и ядер атомов) изучается следующими методами:

Прямые наблюдения. Детекторы, установленные на космических аппаратах (например, AMS-02 на МКС), высотных аэростатах и ракетах, напрямую регистрируют частицы космических лучей, достигающие окрестностей Земли. Эти приборы измеряют их энергию, заряд и массу, то есть определяют состав лучей. Этот метод дает точную, но локальную информацию, характеризующую потоки частиц только вблизи Солнечной системы.

Непрямые наблюдения. Поскольку траектории заряженных частиц космических лучей искривляются галактическими магнитными полями, направление их прилета на Землю не указывает на источник (за исключением частиц сверхвысоких энергий). Поэтому их крупномасштабное распределение в Галактике изучают по вторичным продуктам, которые они генерируют при взаимодействии с межзвездной средой. Ключевыми являются наблюдения:

• Гамма-излучения, которое возникает преимущественно при столкновении космических лучей с ядрами атомов межзвездного газа. Карта гамма-яркости Галактики (полученная, например, космическим телескопом Fermi-LAT) при известном распределении газа позволяет восстановить карту плотности космических лучей по всему галактическому диску.

• Синхротронного радиоизлучения, которое, как уже упоминалось, создается электронной компонентой космических лучей и позволяет изучать распределение именно этих частиц.

• Нейтрино высоких энергий, которые рождаются в тех же процессах взаимодействия космических лучей с газом, что и гамма-кванты. Регистрация нейтрино (например, обсерваторией IceCube) служит важным независимым каналом информации о распределении и источниках самых энергичных космических лучей в Галактике.

Ответ: Распределение магнитного поля в Галактике изучают на основании наблюдений синхротронного излучения, эффекта Фарадея (вращения плоскости поляризации радиоволн), поляризации света далеких звезд и эффекта Зеемана в спектральных линиях. Распределение космических лучей изучают путем прямых измерений их потока у Земли с помощью спутников и аэростатов, а также косвенно — по наблюдению вторичного излучения (гамма-лучей, радиоволн и нейтрино), которое возникает при взаимодействии космических лучей с межзвездным газом и магнитными полями Галактики.

1. Нашу Галактику можно представить в виде

1) гигантского звёздного шара

2) гигантской сплюснутой системы звёзд

3) гигантской бесформенной совокупности звёзд

4) гигантского сплюснутого диска из звёзд, газа и пыли, образующих спирали

1. Наша Галактика, известная как Млечный Путь, относится к классу спиральных галактик с перемычкой (баром). Её структура достаточно сложна, но основные видимые компоненты можно описать следующим образом:

Во-первых, Галактика имеет выраженную дисковую структуру. Этот диск является плоским, или сплюснутым, и содержит подавляющее большинство звёзд, включая наше Солнце, а также межзвёздный газ и пыль. Именно в диске концентрируются процессы активного звездообразования.

Во-вторых, характерной чертой диска являются спиральные рукава — яркие, вытянутые образования, которые состоят из молодых горячих звёзд, газа и пыли. Эти спирали придают Галактике её узнаваемый вид.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) «Гигантский звёздный шар» — это описание эллиптической галактики, а не спиральной, как наша.

2) «Гигантская сплюснутая система звёзд» — это описание является верным, но неполным. Оно не упоминает важнейшие компоненты, такие как газ, пыль и спиральную структуру.

3) «Гигантская бесформенная совокупность звёзд» — так описывают неправильные (иррегулярные) галактики. Млечный Путь имеет чётко выраженную структуру.

4) «Гигантский сплюснутый диск из звёзд, газа и пыли, образующих спирали» — это наиболее точное и полное описание нашей Галактики, которое включает все ключевые характеристики: форму (сплюснутый диск), состав (звёзды, газ, пыль) и структуру (спирали).

Ответ: 4.

2. Диаметр Галактики равен примерно

1) 10 кпк

2) 100 000 св. лет

3) 1 000 000 а. е.

4) $2 \cdot 10^6$ св. лет

Для выбора правильного ответа необходимо проанализировать каждый из предложенных вариантов, сравнив их с общепринятыми астрономическими данными о размере нашей Галактики — Млечного Пути.

Данный вариант предлагает диаметр в 10 килопарсек (кпк). Парсек (пк) — это астрономическая единица длины, равная примерно 3,26 светового года. Килопарсек, соответственно, равен 1000 парсек. Для сравнения с другими вариантами переведем 10 кпк в световые годы: $D = 10 \text{ кпк} = 10 \times 1000 \text{ пк} = 10 \space 000 \text{ пк}$ $D = 10 \space 000 \text{ пк} \times 3.26 \frac{\text{св. лет}}{\text{пк}} = 32 \space 600 \text{ св. лет}$ Эта величина (около 33 тысяч световых лет) значительно меньше принятого значения диаметра Галактики. Она скорее соответствует радиусу звёздного диска Млечного Пути, а расстояние от Солнца до центра Галактики составляет около 8 кпк. Следовательно, этот вариант неверен.
Ответ: неверно.

Этот вариант указывает диаметр в 100 000 световых лет (св. лет). Это значение является стандартной и наиболее широко цитируемой оценкой диаметра звёздного диска нашей Галактики. Для проверки и сравнения переведем это расстояние в килопарсеки: $D = \frac{100 \space 000 \text{ св. лет}}{3.26 \text{ св. лет/пк}} \approx 30 \space 675 \text{ пк} \approx 30.7 \text{ кпк}$ Значение около 30 кпк является классической оценкой диаметра Млечного Пути. Таким образом, этот вариант является правильным.
Ответ: верно.

Здесь предложен диаметр в 1 000 000 астрономических единиц (а. е.). Астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца. Один световой год содержит примерно 63 241 а. е. Выразим предложенное значение в световых годах: $D = \frac{1 \space 000 \space 000 \text{ а. е.}}{63 \space 241 \text{ а. е./св. год}} \approx 15.8 \text{ св. лет}$ Это крайне малая величина в галактических масштабах. Расстояние до ближайшей звезды, Проксимы Центавра, составляет около 4,24 светового года. Диаметр в 15,8 световых лет не может описывать размер галактики, состоящей из сотен миллиардов звезд. Этот вариант несомненно неверен.
Ответ: неверно.

Этот вариант указывает диаметр $2 \times 10^6$ световых лет, то есть 2 миллиона световых лет. Такие расстояния характерны для межгалактических масштабов. Например, расстояние до ближайшей крупной галактики, Туманности Андромеды (M31), составляет около 2,5 миллионов световых лет. Диаметр нашей Галактики не может быть сопоставим с расстоянием до её соседей. Хотя гало тёмной материи Млечного Пути имеет значительно больший размер, под "диаметром Галактики" обычно понимают размер её основной видимой части — звёздного диска. Данный вариант является сильным преувеличением.
Ответ: неверно.

Итоговый анализ показывает, что единственным корректным вариантом, который соответствует современным научным данным о размере Млечного Пути, является второй.

Ответ: 2) 100 000 св. лет.

3. Где в Галактике расположено Солнце?

1) в центре Галактики

2) на периферии Галактики

3) на расстоянии $\approx 8$ кпк от центра

4) на расстоянии $\approx 150\ 000$ св. лет от центра

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать каждый из предложенных вариантов, опираясь на современные астрономические данные о строении нашей Галактики (Млечного Пути) и положении Солнечной системы в ней.

Это утверждение неверно. В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра, известная как Стрелец А* ($Sgr A^*$), а также плотное скопление звезд, называемое балджем. Солнце и Солнечная система находятся на значительном удалении от этой области. Нахождение в центре Галактики означало бы совершенно иные условия, несовместимые с существованием жизни на Земле из-за высокого уровня радиации и гравитационных возмущений.

Это утверждение также является неточным. Периферия — это крайняя, удаленная от центра часть. Диаметр диска нашей Галактики оценивается примерно в 100 000 – 120 000 световых лет. Солнце находится на расстоянии примерно 26 000 – 28 000 световых лет от центра, что составляет примерно половину радиуса галактического диска. Таким образом, Солнце расположено не на самой окраине, а в пределах одного из спиральных рукавов (рукав Ориона), между более крупными рукавами Персея и Стрельца.

Это утверждение является наиболее точным. Расстояние от Солнца до центра Галактики по современным оценкам составляет от 7,6 до 8,7 килопарсек (кпк). Значение в 8 кпк является общепринятым и часто используемым средним значением.
Давайте переведем эту величину в световые годы, чтобы соотнести с другими данными.
Один парсек (пк) — это астрономическая единица измерения расстояний, равная примерно 3,26 светового года.
Килопарсек (кпк) — это 1000 парсек.
Следовательно, расстояние $R$ в световых годах будет:$R \approx 8 \text{ кпк} = 8 \times 1000 \text{ пк} \approx 8000 \times 3.26 \text{ св. лет} \approx 26080 \text{ св. лет}$.
Это значение хорошо согласуется с современными измерениями. Поэтому данный вариант является верным.

Это утверждение неверно. Расстояние в 150 000 световых лет значительно превышает радиус звездного диска Млечного Пути (около 50 000 – 60 000 световых лет). На таком расстоянии от центра нашей Галактики находятся уже ее галактики-спутники, например, Большое Магелланово Облако. Солнечная система находится внутри диска Млечного Пути.

Таким образом, проанализировав все варианты, можно заключить, что наиболее точное описание местоположения Солнца в Галактике представлено в третьем пункте.

Ответ: 3

4. Какой массивный объект находится в центре Млечного Пути?

1) плотное скопление звёзд

2) плотное газопылевое облако

3) нет ничего необычного

4) массивная чёрная дыра

В центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная чёрная дыра. Этот объект, известный под названием Стрелец А* (Sagittarius A*, или Sgr A*), является самым массивным одиночным объектом в Галактике. Его существование было подтверждено многолетними наблюдениями за движением звёзд в его окрестностях.

Астрономы, включая лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года Райнхарда Генцеля и Андреа Гез, отслеживали орбиты звёзд, таких как звезда S2. Эти звёзды вращаются вокруг невидимого центра масс с огромными скоростями по хорошо выраженным эллиптическим орбитам. Анализ этих орбит, в соответствии с законами Кеплера и общей теорией относительности, позволил с высокой точностью рассчитать массу центрального объекта. Она составляет примерно 4.3 миллиона масс Солнца ($ M \approx 4.3 \times 10^6 M_{\odot} $), при этом вся эта масса сосредоточена в объёме, не превышающем по размеру орбиту Меркурия. Единственный известный астрофизический объект, который может обладать такой массой в таком компактном пространстве, — это сверхмассивная чёрная дыра.

Проанализируем предложенные варианты:

1) плотное скопление звёзд

В центре Галактики действительно находится ядерное звёздное скопление — одно из самых плотных в Млечном Пути. Однако, звёзды в этом скоплении сами вращаются вокруг центрального объекта, а не являются им. Масса, необходимая для удержания близлежащих звёзд на их наблюдаемых орбитах, не может быть объяснена распределённой массой скопления. Следовательно, этот вариант не является правильным.

2) плотное газопылевое облако

Центральные области Млечного Пути действительно скрыты от нас в видимом диапазоне плотными облаками межзвёздного газа и пыли, что заставляет вести наблюдения в инфракрасном, радио- и рентгеновском диапазонах. Эти облака являются средой, в которой находится центральный объект, но сами по себе они не могут быть этим объектом. Их масса распределена по большому объёму и недостаточна, чтобы объяснить гравитационное влияние, оказываемое на звёзды.

3) нет ничего необычного

Этот вариант в корне неверен. Центр галактики — это экстремальная среда с высочайшей плотностью звёзд, мощными магнитными полями, интенсивным излучением и, что самое главное, наличием сверхмассивной чёрной дыры. Это одно из самых необычных и динамичных мест во Вселенной.

4) массивная чёрная дыра

Это правильный ответ. Все имеющиеся наблюдательные данные — от орбит звёзд до радиоизлучения самого объекта Sgr A* — указывают на то, что в центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра. Окончательным визуальным подтверждением стало получение изображения тени этой чёрной дыры коллаборацией «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) в 2022 году.

Ответ: 4) массивная чёрная дыра.