Теория:
Ещё Галилеем было замечено, что звёзды расположены не хаотично, а образуют некоторые системы — галактики. Структурно Галактику (рис. \(1\)) можно представить как:
- ядро (эллипсоидовидное скопление звёзд с большой плотностью);
- диск (менее многочисленное скопление, концентрация которого растёт по мере приближения к ядру);
- гало (сферообразное, не очень плотное скопление).
Помимо этого в Галактике присутствуют рассеянные (до нескольких тысяч звёзд главной последовательности) и шаровые (сотни тысяч звёзд, в том числе субгигантов и красных гигантов) звёздные скопления.
Рис. \(1\). Схема строения Галактики
Галактика, в которой находится Солнце, называется Млечным Путём. Он состоит из \(100~000~000~000\) звёзд и представляет собой почти плоскую систему со спиральной структурой (рис. \(2\)). Диаметр диска Млечного Пути — более \(100~000\) световых лет.
Световой год — это такое расстояние, на преодоление которого в вакууме свету потребуется ровно один год.
Солнце находится от центра Галактики на расстоянии примерно \(28~000\) световых лет. При этом вся Галактика обращается вокруг центра.
Период обращения Солнца (приблизительно \(200 ~000~000\) лет) называется галактическим годом.
Рис. \(2\). Млечный Путь
В крупные телескопы наблюдались десятки миллиардов галактик. Их можно разделить на несколько типов:
- спиральные (состоят из ядра и нескольких рукавов, отходящих от ядра);
- эллиптические (имеют вид эллипсов и не вращаются);
- неправильные (без явных вращательных симметрий).
В опытах по изучению излучения было показано, что чем дальше галактика, тем ниже частота излучения. Это можно объяснить эффектом Доплера, если предположить, что галактики «разбегаются» друг от друга. Скорость удаления галактик \(v\) пропорциональна расстоянию до неё \(r\).
Закон Хаббла: .
Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла: \(H = 72 \ \frac{км}{с⋅МПк}\).
В \(20\)-х годах \(XX\) века российский математик Фридман на основе общей теории относительности Эйнштейна получил уравнения, из которых следовало, что Вселенная не может находиться в равновесии, а должна сжиматься или расширяться.
Если предположить, что Вселенная расширяется после взрыва и все галактики разлетаются от его эпицентра, и применить закон Хаббла, то время, прошедшее от этого взрыва, можно оценить:
\(t_{взрыва}=\frac{r}{v}=\frac{r}{rH}=\frac{1}{H}≈1,3⋅10^{10}\) лет. (\(1\))
\(t_{взрыва}=\frac{r}{v}=\frac{r}{rH}=\frac{1}{H}≈1,3⋅10^{10}\) лет. (\(1\))
Поскольку скорость света в вакууме максимальна, то мы можем видеть только небесные тела, которые находятся в пределах радиуса Вселенной:
\(R_{Вселенной}=\frac{c}{H} \approx 1,24⋅10^{26} \) м. (\(2\))
\(R_{Вселенной}=\frac{c}{H} \approx 1,24⋅10^{26} \) м. (\(2\))
Эта гипотеза о расширении Вселенной называется теорией Большого взрыва, а время \(t_{взрыва}\) — возрастом Вселенной.
Ещё в \(1931\) году швейцарский физик Цвикки пересчитал все галактики в одном скоплении и по их светимости оценил общую массу, а по красному смещению спектральных линий — разброс скоростей галактик. Он обнаружил, что скорости слишком велики и найденного по светимости количества материи явно недостаточно. Тогда он предположил существование тёмной материи.
Рассуждение, подтверждающее наличие тёмной энергии, заключается в следующем. Гравитация должна замедлять расширение Вселенной, а оно только ускоряется. Тёмная энергия не взаимодействует с фотонами, но проявляет гравитационные взаимодействия. Она имеет небарионную природу. Одно из её свойств — это так называемая антигравитация, которая и объясняет ускорение расширения Вселенной.
Источники:
Рис. 1. Схема строения Галактики. © ЯКласс.
Рис. 2. Млечный Путь. © ЯКласс.