Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
From the lesson
Основы теоретической космологии
Этот раздел состоит из пяти лекций. В лекциях делается попытка представить слушателю курса общее представление о современной космологии. Что такое Галактика, одна ли наша галактика во Вселенной, откуда взялась Вселенная, что такое Большой взрыв, и немного об эволюции Вселенной, как происходило зарождение первых галактик, химическая эволюция вещества и др. Также вы узнаете, какие бывают формы материи, что такое темная материя и темная энергия, за что они отвечают и как они были открыты.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] В 1948 году,
пытаясь понять происхождение химических элементов,
Георгий Гамов предложил модель горячей Вселенной.
Суть этой модели заключается в том, что наша Вселенная рождается первоначально в
очень‐очень горячей стадии, разогретой до миллиардов градусов Кельвина.
При этом вещество, которое её составляет,
представляет из себя плазму — это протоны и нейтроны и огромное
количество фотонов: на один протон приходится около миллиарда фотонов.
По мере остывания, эта плазма, остывание этой плазмы приводит к тому,
что в процессе остывания начинают протекать ядерные реакции,
которые приводят к появлению первых химических элементов.
Но до этого процесса никаких молекул,
атомов существовать не могло, потому что энергия реликтового излучения,
которая также является сопутствующим явлением в этой теории, энергия фотонов
реликтового излучения просто‐напросто разбивает все молекулы, ионизует атомы,
разбивает даже ядра этих атомов до простейших элементарных его составляющих.
Но вот по мере охлаждения и расширения Вселенной,
всё‐таки протоны начинают соединяться с нейтронами,
и постепенно начинают образовываться лёгкие элементы нашей Вселенной.
На этом слайде представлены основные ядерные реакции,
которые протекали по мере охлаждения Вселенной.
Если первоначально Вселенная состоит в основном из протонов и нейтронов,
с точки зрения ядерных элементов, то по мере охлаждения нейтроны начинают
присоединяться к протонам, образуется тяжёлый водород, или ядра дейтерия.
Дейтерий при соединении с протонами образует тритий и гелий-3.
Гелий-3 впоследствии образует в реакциях гелий-4 и более тяжёлые элементы,
такие как литий, бериллий и бор.
Больше на этом ядерные реакции, цепочки ядерных реакций, прекращаются,
то есть дальнейшие элементы образуются в очень и очень маленьком количестве.
При этом весь процесс протекания первичного нуклеосинтеза
чувствителен к двум характерным и ключевым параметрам.
Он чувствителен к скорости расширения Вселенной в этот момент,
то есть к динамике расширения Вселенной к эволюции масштабного фактора,
и ещё к количеству барионов: чем их больше,
тем быстрее перегорят нейтроны и протоны в гелий,
чем их меньше, тем меньшее количество будет образовано гелия.
И очень чувствителен к скорости протекания этих реакций,
чувствителен такой элемент, как дейтерий.
Например, если бы количество барионов во Вселенной составляло всю материю,
то есть составляло бы 100 %, то дейтерия мы бы сейчас вообще не видели.
Он как наработался, так бы и сгорел весь, и мы бы его практически не видели,
а видели довольно большое количество гелия.
Вот эти два ключевых параметра определяют нам выход химических элементов.
Наоборот, наблюдая эти химические элементы,
мы можем восстановить эти параметры, к которым они чувствительны.
То есть как раз‐таки на практике мы имеем следующее.
Мы наблюдаем химические элементы во Вселенной,
мы наблюдаем их относительное содержание, и вот по ним мы можем определить,
каково количество барионов было у нас во Вселенной.
В этом и вся ценность как раз первичного нуклеосинтеза,
основная ценность первичного нуклеосинтеза.
При этом результатом первичного нуклеосинтеза являются исключительно
лёгкие элементы, не тяжелее лития.
Можно задаться себе вопросом: как же образовалась наша жизнь,
основу которой составляют углерод и химические элементы,
более тяжёлые: кислород, магний, силициум, сера, железо?
Ну вот, оказывается, что эти элементы были наработаны в ядрах звёзд при перегорании
водорода, и часть из них была наработана и образована в результате взрывов
этих звёзд, которые обогатили межзвёздную среду более тяжёлыми элементами, и
из них уже образовались наше Солнце и наша планетная система и, в конечном итоге, мы.
Как же наблюдают первичные элементы?
Одним из ключевых и следующим после водорода элементом по
распространённости является гелий.
Гелий нарабатывается в недрах горящих звёзд,
в том числе и в недрах нашего Солнца.
Поэтому когда сейчас мы наблюдаем межзвёздный газ, мы видим,
что в нём присутствует гелий, который сохранился от первичного нуклеосинтеза,
плюс некоторая часть, которая наработалась в результате горения звёзд.
И нужно отделить один гелий от другого гелия.
Для этого изучают облака межзвёздного водорода,
которые были не подвержены или слабо подвержены процессам звездообразования.
Наблюдая в этих облаках эмиссионные линии водорода и эмиссионные линии гелия,
по их относительной интенсивности можно определить,
какое количество водорода и гелия в этих облаках содержится.
А наблюдая количество тяжёлых элементов, мы можем сказать,
в какой степени газ в этих облаках прошёл через звёзды.
И чем меньше тяжёлых элементов, тем ближе состав этого вещества к первичному,
первичному значению, тем точнее мы сможем определить
соотношение между гелием и водородом и его первичное значение.
Ещё одним элементом, который позволяет определить первичный состав вещества,
является дейтерий.
Его наблюдают во внегалактических объектах, его наблюдают при помощи
квазаров, когда квазар, просвечивая нам всю Вселенную, просвечивает области
межгалактического водорода, в котором присутствует и первичный дейтерий.
И эти области, как раз‐таки из‐за того, что они не находятся непосредственно в
самих галактиках, а представляют из себя области, из которых частично
потом формируются галактики, эти области довольно близки по первичному составу.
Наблюдая абсорбционные линии водорода и дейтерия
относительное содержания позволяет определить первичный состав дейтерия.
Какими средствами и способами наблюдается первичный гелий и первичный дейтерий?
В России одним из таких телескопов,
которые способны наблюдать такие объекты, как квазары,
является шестиметровый телескоп специальной астрофизической обсерватории.
Американские десятиметровые «Кеки» позволяют наблюдать
такие объекты и получать первичный состав химического вещества.
Самые современные технологии применены на восьмиметровых европейских телескопах.
Конечно же, помимо наземных обсерваторий, используются и космические обсерватории,
одна из таких — знаменитая обсерватория телескоп Hubble.
Что же в результате было получено?
В результате всех этих наблюдений, в результате наблюдения первичного гелия,
первичного дейтерия, первичного лития мы знаем,
что современный состав вещества, вещества обычного, барионного вещества,
из которого состоим мы, составляет всего 4 % вещества во Вселенной.
96 % вещества состоят из тёмной
материи и тёмной энергии.
Explore our Catalog
Join for free and get personalized recommendations, updates and offers.
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
