Большой Взрыв

Эпоха Сверхобъединения
Гравитационное
Электромагнитное
Слабое (эл. частицы)
Сильное (ядерное)
4 типа взаимодействий:
Классическая физика
Теория относительности
Квантовая механика

Планковское время
Время: 10–43 секунды
Температура: 1032 K
Плотность: 1093 г/см3
Радиус: 10–33 см
Рождение классического пространства-времени
Гравитация отделяется от других взаимодействий
(начало действия квантовой теории)

Эпоха инфляции
Время: 10–43 – 10–36 секунды.
Температура: от 1032 до 1029 К.
Вселенная расширяется с ускорением
за счет космологической «темной энергии»
По окончании эпохи инфляции:
Рождение вещества (при распаде «темной энергии»)
Отделение сильного взаимодействия от электрослабого

Эпоха горячего бариосинтеза
Время: 10-36 – 10-34 секунды.
Температура: 1029 – 1028 K.
Барионы (протоны, нейтроны) объединяются из кварков
Рождение избытка вещества над антивеществом (10–9)

Эпоха холодного бариогенеза
Время: 10-13 – 10-10 секунды.
Температура: 1017 – 1016 K.
Разделение слабого и электромагнитного взаимодействий

Эпоха нуклеосинтеза
Время: 1 – 200 секунд.
Температура: 1010 – 109 K.
Образование ядер 2H, 3He, 4He, 7Li, 9Be, 11B
Be и B быстро разрушаются,
2H, 3He и Li остается очень мало.
Барионный состав первичной Вселенной
представлен, в основном, только 1H и 4He.
200 секунд: нуклеосинтез останавливается.

От нуклеосинтеза до рекомбинации
Время: 200 секунд – 150 000 лет.
Температура: 109 – 4000 K.
Вселенная состоит в основном из излучения,
но ионизованное вещество непрозрачно.
Излучение многократно поглощается и заново
высвечивается. Содержащаяся в нем информация
не доходит до современного наблюдателя.

Эпоха рекомбинации
Время: 150 000 – 400 000 лет.
Температура: 4000 – 2500 K.
Температура излучения становится
слишком малой, чтобы поддерживать
ионизацию атомов.
Вещество рекомбинирует, становится
нейтральным и прозрачным для излучения.

Реликтовое излучение
Изотропный радиофон
с температурой 2.7 K,
открытый в 1965 году.
Является охлажденным в
процессе расширения Вселенной
космологическим фоном излучения
Реликтовое излучение – наблюдательная основа для
построения всех космологических теорий, отголосок
состояния Вселенной миллиарды лет назад.

Измерение пространственной
структуры реликтового излучения
Эксперимент WMAP (Вилкинсоновские исследования анизотропии
реликтового излучения, с 2003 года).

Анизотропия реликтового излучения
1984 – работа советского космического аппарата «Реликт».
(длина волны 8 мм, угловое разрешение 5.5°)
1992 – обнаружение анизотропии с вероятностью 90%
(И.А. Струков, А.А. Брюханов, Д.П. Скулачев, М.В. Сажин,
ИКИ РАН, ГАИШ МГУ).

Анизотропия реликтового излучения
2006 – присуждение Нобелевской премии по физике за
открытие теплового спектра и анизотропии микроволного
фонового излучения.
Джон С. Мейзер
Джордж Ф. Смут
Программа COBE
2003 – начало работы проекта WMAP (Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe, длина волны 3.2 – 13 мм, угловое
разрешение 13´).

Темные века
Время: 400 тысяч – 500 миллионов лет
Температура: 2500 – 25 K.
Звезд и галактик нет, вещество нейтрально
Виден только постепенно остывающий реликтовый фон, уходящий из видимой в инфракрасную и субмиллиметровую
область спектра

Неоднородность вещества
Амплитуда анизотропии реликтового излучения – 0.001%
Его распределение отражает распределение вещества
в эпоху рекомбинации

Гравитационная неустойчивость
120 млн. лет
Появление скоплений и сверхскоплений галактик
Области повышенной плотности далее сжимаются под действием собственной тяжести

Крупномасштабная структура Вселенной
Слоановский цифровой обзор неба (SDSS), с 1990 г.
2.5-м широкоугольный оптический телескоп.
«Великая стена» –
сверхскопление
галактик

Вселенная – мир галактик

«Глубокое поле» Космического
телескопа имени Хаббла
Галактики – гигантские системы из миллиардов звезд,
заполняющие Вселенную.
Расстояние – до миллиарда световых лет

Эллиптические галактики
Самые старые из наблюдаемых галактик:
Нет газа, нет пыли, нет молодых звезд.
Галактика M87 в созвездии Девы, расстояние 55 млн св. лет

Спиральные галактики
Галактика M81 в созвездии Большой Медведицы,
расстояние 5 млн св. лет.
В диске наблюдается спиральная структура, в которой
много газа, из которого образуются молодые звезды

Пыль в дисках галактик
Галактика M64 в созвездии Волос Вероники, расст. 13 млн св. лет
Пыль свидетельствует о богатом
содержании тяжелых элементов
и является основой образования
планетных систем
Но откуда взялись
тяжелые элементы?
Мельчайшие твердые частицы,
поглощающие излучение

Неправильные галактики
Большое Магелланово Облако, расстояние 150 тыс. св. лет.
В некоторых – интенсивное звездообразование.
Механизм – гравитационная неустойчивость, рост
флуктуаций плотности.

Ближайшие спиральные галактики
M31 – Туманность Андромеды,
расстояние 2.5 млн св. лет.
M33 – Туманность Треугольника,
расстояние 2.5 млн св. лет

Взаимодействие галактик
Спиральные галактики теряют свою форму,
гравитационная неустойчивость усиливает звездообразование

Газовые облака – место рождения звезд
Механизм звездообразования – гравитационная неустойчивость

Звездообразование – модель
Сгустки газа
сжимаются под
собственной
тяжестью,
образуя звезды.

Плеяды – скопление молодых звезд
Возраст – около 10 миллионов лет.
По звездным меркам это очень мало!
Что позволяет звездам светить миллиарды лет?
Солнце тоже когда-то входило рассеянное скопление, «детский сад» звезд, но давно покинуло его. Поэтому
рядом мало ярких звезд.

Гипотезы о механизмах
энерговыделения звезд
1. Энергия падения вещества к центру звезды –
Солнцу хватило бы на 20 минут.
2. Высвечивание тепловой энергии горячего газа –
Солнцу хватило бы на 10 миллионов лет.
3. Термоядерные реакции в недрах звезды –
Солнцу хватит на 12 миллиардов лет!

Термоядерное горение водорода

Динамическое равновесие звезды
По окончании термоядерного синтеза силы, способные противостоять сжатию ядра, исчезают. Дальнейшая судьба звезды зависит от массы ядра.

Когда водород заканчивается
Красный гигант, по радиусу в 100 раз больше Солнца
Планетарная
туманность
в звездах типа Солнца

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела
Температура
Светимость

В недрах массивных звезд
И далее – 16O, 20Ne, 24Mg, …, 56Fe.
Звезды – единственные источники
тяжелых элементов во Вселенной!

Коллапс массивных ядер
При массе более 1.4 массы Солнца ядро не может
стать белым карликом и сжимается далее.
Электроны «вдавливаются» в атомные ядра,
образуя нейтроны.

Наблюдения нейтронных звезд
Нейтронные звезды быстро вращаются и обладают
сильным магнитным полем. Вдоль магнитной оси
светит «радиопрожектор». Если он попадает на луч
зрения, мы наблюдаем пульсар.
Пульсары – самые
точные часы во
Вселенной!

Коллапс массивных ядер
При массе более 3 масс Солнца ядро не может стать даже нейтронной звездой и сжимается неограниченно.
Гравитация столь сильна, что с этого тела не может уйти даже свет…
Эффекты Общей
Теории Относительности
делают область сжавшегося
ядра принципиально
ненаблюдаемой извне.
Образуется Черная Дыра

Как проявляют себя черные дыры?
1. Гравитацией – притяжением других тел.

Черные дыры во Вселенной
1. Остатки массивных звезд.
2. Сверхмассивные (106 масс Солнца) черные дыры
в ядрах галактик, в том числе – в нашей Галактике.
3. Космологические черные дыры, образовавшиеся в
ранней Вселенной (возможная природа «темной материи».

Коллапс звездного ядра
При сжатии ядра выделяется колоссальная энергия.
Происходит взрыв Сверхновой звезды.
При взрыве образуются
элементы тяжелее
железа, вплоть до урана.

Остатки вспышек сверхновых
В межзвездное пространство выбрасывается большое
количество газа, содержащего тяжелые элементы
Крабовидная Туманность – остаток вспышки Сверхновой,
наблюдавшейся в 1054 году.
В нашей Галактике Сверхновые вспыхивают в среднем
1 раз в 20 лет, но из-за пыли большинство мы не видим.

Вторичное звездообразование
Выброшенный газ вновь участвует в процессе звездообразования
Звезды второго поколения богаты тяжелыми элементами,
в том числе углеродом и кислородом.

Протозвездное облако
Одновременно со звездой из протозвездного облака
образуются более мелкие тела.
Механизм тот же –
гравитационная
неустойчивость.

Молодое Солнце
Звезда типа T Тельца
(на рисунке закрыта маской)
Остатки протозвездного облака
частично сгущаются, образуя
планетную систему
Первичное вещество остается
в виде астероидов, комет и
межпланетной пыли

Малые тела Солнечной системы
Юпитер
Земля
Марс
Астероиды:
Количество – 100 000,
Масса – 0.001 массы Земли
Не являются осколками планеты.
Напротив, не смогли образовать
планету из-за приливного влияния
Юпитера.
Солнце

Зодиакальный свет
Эклиптика
Образуется при рассеянии света
Солнца на частицах пыли, до сих
пор остающихся в Солнечной системе
в слое, видимом с Земли «с ребра»
Хорошо виден в тропических широтах
вечером и под утро
Солнце

Солнечная система
На разных расстояниях от Солнца планеты отличаются
по свойствам и химическому составу

Уран и Нептун – «планеты-близнецы»
Радиус – 4.0 радиуса Земли
Масса – 14.5 масс Земли
Радиус орбиты – 19.2 а.е.
Радиус – 3.9 радиуса Земли
Масса – 17.1 масс Земли
Радиус орбиты – 30.1 а.е.

Сатурн
Радиус – 9.4 радиуса Земли
Масса – 95.2 масс Земли
Радиус орбиты – 9.5 а.е.
Плотность – 0.7 г/см3

Спутники Сатурна

Титан
Радиус – 2600 км (больше Меркурия)
Единственный спутник планеты,
имеющий плотную азотную атмосферу

Юпитер
Радиус – 11.2 радиуса Земли
Масса – 318 масс Земли
Радиус орбиты – 5.2 а.е.

Крупнейшие спутники Юпитера
Ио
Европа
Ганимед
Каллисто

Марс
Радиус – 0.53 радиуса Земли
Масса – 0.11 массы Земли
Радиус орбиты – 1.5 а.е.

Меркурий
Радиус – 0.38 радиуса Земли
Масса – 0.05 массы Земли
Радиус орбиты – 0.39 а.е.

Венера
Самое яркое светило на земном небе после Солнца и Луны

Венера
Самая плотная атмосфера
в Солнечной системе
Прохождение Венеры
по диску Солнца
8 июня 2004 года

Венера
Радиус – 0.95 радиуса Земли
Масса – 0.81 массы Земли
Радиус орбиты – 0.72 а.е.
Вид снаружи

Земля
Во многом отличается
от всех других планет

Земля – двойная планета
Луна меньше Земли по размеру
в 3.67 раза, по массе в 81 раз.
Эти цифры – наименьшие для
8 больших планет!

Магнитный щит Земли

Ультрафиолетовый щит Земли

Состав атмосферы Земли
N2
O2
Ar
Венера и Марс: CO2 >95%, O2 – нет.

Сценарии эволюции Вселенной
Был ли Большой Взрыв единственным в истории Вселенной?
Если средняя плотность Вселенной больше 10–29 г/см3, то нет – Вселенная закрыта (замкнута).
Если равна или больше, то да – Вселенная будет расширяться вечно.
1980-е годы:
Вселенная плоская?
1998:
Открытие темной
энергии.

Темная энергия
«Всемирное отталкивание», заставляющее Вселенную
расширяться с ускорением.

Темная материя и темная энергия
Темная материя:
Природа неизвестна
Обладает инертной массой
Обладает гравитационным
притяжением
Плотность убывает со временем
Темная энергия («космический вакуум»):
Природа неизвестна
Не обладает инертной массой
Обладает гравитационным
отталкиванием
Плотность не изменяется со временем

Начало «новой эры»
Время: 7 миллиардов лет (сейчас – 14 миллиардов лет).
Температура: 5 K (сейчас – 2.7K).
Плотность всех форм материи убывает и
становится меньше постоянной плотности темной энергии

Открытие расширения Вселенной
1929 – Э.П. Хаббл: далекие галактики удаляются от нас тем
быстрее, чем больше расстояние до них.
V = H*R, H – постоянная Хаббла, равная 500 км/c*Мпк.
Современное значение – около 65 км/с*Мпк.
Настоящее время
1929

Вселенная в настоящее время
Наличие темной
энергии приводит
к ускоренному
расширению Вселенной

Две эпохи инфляции
Большой Взрыв
Инфляция
Рекомбинация
Современное
ускоренное
расширение