Ответьте на вопросы, страница 211 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Как устроена Вселенная?

2. Меняются ли расстояния между космическими объектами?

3. Что такое «темная материя» в вашем понимании?

4. За какое время доходит свет от сверхновых звезд до Земли? Что необходимо знать, чтобы ответить на этот вопрос?

1. Как устроена Вселенная?

Современные космологические модели описывают Вселенную как иерархическую структуру. На самых крупных масштабах она представляет собой «космическую паутину» — гигантскую сеть, состоящую из плотных нитей (филаментов) и практически пустых областей (войдов). Эти нити образованы сверхскоплениями галактик.

Спускаясь по иерархии, мы видим, что сверхскопления состоят из скоплений и групп галактик, связанных гравитацией. Галактики, в свою очередь, являются основными «строительными блоками» Вселенной. Это огромные системы, состоящие из миллиардов звезд, межзвездного газа, пыли и темной материи. Наша Галактика Млечный Путь — одна из них.

С точки зрения состава, Вселенная состоит примерно из:

• Обычной (барионной) материи (~5%) — это все, что мы видим и из чего состоим: звезды, планеты, газ, пыль.
• Темной материи (~27%) — гипотетической субстанции, которая не излучает и не отражает свет, но участвует в гравитационном взаимодействии. Она удерживает галактики и их скопления от разлетания.
• Темной энергии (~68%) — еще более загадочной формы энергии, которая, как считается, отвечает за ускоренное расширение Вселенной.

На больших масштабах Вселенная считается однородной и изотропной (одинаковой во всех направлениях), что является основой космологического принципа. Она возникла в результате Большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад и с тех пор непрерывно расширяется.

Ответ: Вселенная имеет крупномасштабную ячеистую структуру («космическая паутина»), состоящую из филаментов и войдов. Филаменты образованы сверхскоплениями, скоплениями и группами галактик. Сами галактики состоят из звезд, планет, газа, пыли и темной материи. Основную часть массы-энергии Вселенной составляют темная энергия и темная материя, и лишь малую долю — привычное нам вещество.

2. Меняются ли расстояния между космическими объектами?

Да, расстояния между космическими объектами постоянно меняются, и происходит это по двум основным причинам:

1. Расширение Вселенной. На больших, межгалактических масштабах, само пространство-время расширяется. Это приводит к тому, что далекие галактики удаляются друг от друга. Чем дальше галактика от нас, тем с большей скоростью она удаляется. Это явление описывается законом Хаббла-Леметра. Это не движение галактик в пространстве, а расширение самого пространства между ними.

2. Гравитационное взаимодействие. На меньших масштабах (внутри галактик и скоплений галактик) сила гравитации преобладает над расширением Вселенной. Под действием гравитации объекты могут двигаться по орбитам (например, планеты вокруг звезд, звезды вокруг центра галактики) или сближаться. Яркий пример — галактика Андромеды, которая движется в сторону нашей Галактики Млечный Путь, и через примерно 4,5 миллиарда лет они столкнутся и сольются.

Таким образом, расстояния между близкими объектами (например, в нашей Солнечной системе или внутри Млечного Пути) определяются в основном гравитацией, в то время как расстояния между далекими галактиками преимущественно увеличиваются из-за расширения Вселенной.

Ответ: Да, меняются. В малых масштабах (например, внутри галактик) расстояния меняются из-за гравитационного притяжения и орбитального движения. В больших, межгалактических масштабах, расстояния между галактиками в основном увеличиваются из-за расширения Вселенной.

3. Что такое «темная материя» в вашем понимании?

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение (включая свет), что делает ее невидимой для прямого наблюдения с помощью телескопов. Ее существование предполагается на основе косвенных данных — ее гравитационного влияния на видимое вещество.

Основные свидетельства существования темной материи:

• Скорость вращения галактик. Звезды на окраинах спиральных галактик вращаются вокруг центра намного быстрее, чем предсказывает теория гравитации, основанная на массе видимого вещества (звезд, газа и пыли). Чтобы удержать эти звезды на орбитах, должна существовать дополнительная, невидимая масса, создающая необходимое гравитационное поле.
• Гравитационное линзирование. Массивные объекты, такие как скопления галактик, искривляют своим гравитационным полем свет от более далеких объектов, находящихся за ними. Наблюдаемая степень искривления указывает на то, что масса скоплений значительно больше, чем масса их видимых компонентов.
• Крупномасштабная структура Вселенной. Компьютерное моделирование показывает, что наблюдаемая сегодня «космическая паутина» из галактик могла сформироваться только в том случае, если в ранней Вселенной существовали «сгустки» темной материи, которые послужили гравитационными «семенами» для образования галактик.

Считается, что темная материя состоит не из обычных частиц (протонов и нейтронов), а из каких-то экзотических, еще не открытых элементарных частиц (например, WIMP'ов или аксионов).

Ответ: Темная материя — это невидимая субстанция, составляющая около 27% массы-энергии Вселенной. Мы не можем ее видеть, но знаем о ее существовании по гравитационному воздействию на звезды и галактики, которое проявляется в аномально высокой скорости вращения галактик и эффекте гравитационного линзирования.

4. За какое время доходит свет от сверхновых звезд до Земли? Что необходимо знать, чтобы ответить на этот вопрос?

Чтобы ответить на этот вопрос, в первую очередь необходимо знать расстояние ($\text{S}$) до сверхновой звезды. Скорость света в вакууме ($\text{c}$) является фундаментальной физической константой.

Время ($\text{t}$), за которое свет преодолевает расстояние $\text{S}$, вычисляется по простой формуле:

$t = \frac{S}{c}$

Поскольку сверхновые могут вспыхивать как в нашей Галактике, так и в очень далеких галактиках, это время может составлять от нескольких тысяч до миллиардов лет. В астрономии для измерения больших расстояний часто используется единица «световой год» — расстояние, которое свет проходит за один год. Если расстояние до объекта составляет $\text{X}$ световых лет, это означает, что свету потребовалось $\text{X}$ лет, чтобы дойти от него до нас.

Рассмотрим пример расчета.

Дано:

Для примера возьмем сверхновую SN 1987A, которая вспыхнула в Большом Магеллановом Облаке.

Расстояние до сверхновой $S \approx 168 \, 000$ световых лет.

Скорость света $\text{c}$.

Найти:

Время распространения света $\text{t}$.

Решение:

По определению, световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год. Следовательно, если расстояние до объекта составляет 168 000 световых лет, то свет от него шел до нас ровно 168 000 лет.

Формально:

$S = 168 \, 000 \text{ световых лет} = 168 \, 000 \text{ лет} \times c$

Подставим это в формулу для времени:

$t = \frac{S}{c} = \frac{168 \, 000 \text{ лет} \times c}{c} = 168 \, 000 \text{ лет}$

Таким образом, мы наблюдали взрыв, который на самом деле произошел 168 000 лет назад.

Ответ: Чтобы рассчитать, за какое время доходит свет от сверхновой до Земли, необходимо знать расстояние до этой сверхновой. Время в годах, за которое свет доходит до нас, численно равно расстоянию до объекта, выраженному в световых годах. Это время может варьироваться от тысяч лет для сверхновых в нашей Галактике до миллиардов лет для сверхновых в далеких галактиках.