Космология

1)КОСМОЛОГИЯ

-раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной

этапы развития

Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

Китай

Археологические находки позволяют утверждать, что прообразом космоса мог считаться панцирь сухопутной черепахи, щитки которого делят плоскость земли на квадраты.

В наиболее ранней из текстологически представленных моделей китайской космологии считалось, что Земля прикрыта небом подобно пологу на колеснице, и этот полог вращается в горизонтальной плоскости, как зонт (т.н. модель гайтянь 蓋天, называемая тж. Чжоуби - по названию математического трактата, описывающего вычисления согласно этой модели). К сер. династии Хань эта модель оспаривалась астрономическими наблюдениями. Ей на смену пришло представление о сферичности космоса, окружавшего Землю (модель хуньтянь 浑天). Ок. 180 г. н.э. Цай Юн упоминает также третью модель, сюанье 宣夜 - однако о ней уже к его времени не сохранилось сведений.

Европейская античность

Большинство древнегреческих  учёных поддерживали геоцентрическую  систему мира, согласно которой в  центре Вселенной находится неподвижная  шарообразная Земля, вокруг которой  обращаются пять планет, Солнце и Луна. Предложенная Аристархом Самосским гелиоцентрическая система мира, по видимому, не получила поддержки большинства древнегреческих астрономов.

Мир считался ограниченным сферой неподвижных звёзд^[1]. Иногда добавлялась ещё одна сфера, отвечающая за прецессию. Предметом споров был вопрос о том, что находится за пределами мира: перипатетики вслед за Аристотелем полагали, что вне мира нет ничего (ни материи, ни пространства), стоики считали, что там находится бесконечное пустое пространство, атомисты (Левкипп, Демокрит, Метродор, Эпикур, Лукреций) полагали, что за пределами нашего мира находятся другие миры. Особняком стоят взгляды Гераклида Понтийского, согласно которому звёзды являются далёкими мирами, включающими в себя землю и воздух. Атомисты и Гераклид полагали Вселенную бесконечной. На закате античности появилось религиозно-мистическое учение герметизм, согласно которому вне мира может находиться область нематериальных существ — духов^[2].

Многие досократики полагали, что движением светил управляет гигантский вихрь, давший начало Вселенной. Oднaко после Аристотеля большинство античных астрономов считали, что планеты переносятся в своём движении материальными сферами, состоящими из особого небесного элемента — эфира, свойства которого не имеют ничего общего с элементами земли, воды, воздуха и огня, составляющих «подлунный мир». Широко было распространено мнение о божественной природе небесных сфер или светил, их одушевлённости.

Средневековье

В Средние века в астрономии и философии как христианских, так и мусульманских стран  доминировала космология Аристотеля, дополненная птолемеевой теорией движения планет, вместе с представлением о материальных небесных сферах. Некоторые философы XIII—XIV вв. считали, что бесконечно всемогущий Бог мог создать, помимо нашего, и другие миры^[3]; тем не менее, эта возможность считалась сугубо гипотетической: хотя Бог и мог создать другие миры, он не сделал этого. Некоторые философы (например, Томас Брадвардин иНиколай Орем) считали, что за пределами нашего мира находится бесконечное пространство, служащее обителью Бога (модификация космологии герметистов, также полагавших внемировое пространство относящимся к духовной сфере^[4]).

Эпоха Возрождения

Новаторский характер носит  космология Николая Кузанского, изложенная в трактате Об учёном незнании. Он предполагал материальное единство Вселенной и считал Землю одной из планет, также совершающей движение; небесные тела населены, как и наша Земля, причём каждый наблюдатель во Вселенной с равным основанием может считать себя неподвижным. По его мнению, Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность может быть свойственна одному только Богу. Вместе с тем, у Кузанца сохраняются многие элементы средневековой космологии, в том числе вера в существование небесных сфер, включая внешнюю из них — сферу неподвижных звёзд. Однако эти «сферы» не являются абсолютно круглыми, их вращение не является равномерным, оси вращения не занимают фиксированного положения в пространстве. Вследствие этого у мира нет абсолютного центра и чёткой границы (вероятно, именно в этом смысле нужно понимать тезис Кузанца о безграничности Вселенной)^[5].

Первая половина XVI века отмечена появлением новой, гелиоцентрической системы мира Николая Коперника. В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в числе которых и Земля, совершавшая к тому же ещё и вращение вокруг оси). Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд; по-видимому, сохранялась у него и вера в существование небесных сфер^[6].

Модификацией системы  Коперника была система Томаса Диггеса, в которой звёзды располагаются не на одной сфере, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности. Некоторые философы (Франческо Патрици, Ян Ессенский) заимствовали только один элемент учения Коперника — вращение Земли вокруг оси, также считая звёзды разбросанными во Вселенной до бесконечности. Воззрения этих мыслителей несут на себе следы влияния герметизма, поскольку область Вселенной за пределами Солнечной системы считалась ими нематериальным миром, местом обитания Бога и ангелов^[7].

Вселенная Джордано Бруно (иллюстрация  из книги Кеплера Краткое изложение коперниковой астрономии, 1618 г.). СимволомM отмечен наш мир.

Решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, сделал итальянский философДжордано Бруно. Согласно Бруно, при наблюдении из всех точек Вселенная должна выглядеть примерно одинаково. Из всех мыслителейНового времени он первым предположил, что звёзды — это далёкие солнца и что физические законы во всем бесконечном и безграничном пространстве одинаковы^[8]. В конце XVI века бесконечность Вселенной отстаивал и Уильям Гильберт. В середине — второй половине XVII века эти взгляды поддержали Рене Декарт, Отто фон Герике и Христиан Гюйгенс.

[править]Возникновение современной космологии

Возникновение современной  космологии связано с развитием  в XX веке общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и физики элементарных частиц. Первое исследование на эту тему, опирающееся на ОТО, Эйнштейн опубликовал в 1917 году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности». В ней он ввёл 3 предположения: Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввёл в уравнения гравитационного поля дополнительный «космологический член». Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объём (замкнута) и положительную кривизну.

В 1922 году А. А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году Э. Хабблом космологическогокрасного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва.

2)СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

1. Многообразие галактик.

Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звезд. Наша Галактика – Млечный Путь – также достаточно велика: ее масса равняется приблизительно двумстам миллиардам масс Солнца. Самые маленькие галактики содержат в миллион раз меньше звезд. Абсолютная звездная величина самых ярких сверхгигантских галактик М = –24, у карликовых галактик М = –15. Предполагают, что современные галактики образуются в результате слияния и объединения своеобразных строительных блоков из звезд, газа и пыли. По одной из гипотез галактики образуются слиянием таких блоков из BCG-галактик, из гигантских звездных скоплений, меньших по количеству звезд и размерам, чем обычные галактики, но больших, чем обычные скопления.

Только  в двадцатых годах XX века американский астроном Эдвин Хаббл, наблюдая за цефеидами в туманности Андромеды, пришел к выводу, что она внегалактический объект, и доказал существование галактик. Многочисленные наблюдения позволили Хабблу разделить галактики на морфологические типы: эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir). Эта классификация отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд: Е-галактики состоят из очень старых звезд, в Ir-галактиках основной вклад в излучение дают звезды, существенно моложе Солнца, а в S-галактиках характер спектра выдает присутствие звезд всех возрастов.

Эллиптические галактики составляют примерно 25 % от общего числа галактик высокой светимости. Типичная Е-галактика выглядит как сфера или эллипсоид, диск в ней практически полностью отсутствует. Эллиптические галактики почти лишены межзвездного газа, а следовательно и молодых звезд. Степень вытянутости эллиптических галактик Эдвин Хаббл предложил определять по формуле: (а-b)/а, где а – большая ось, b – малая ось эллипсоида. Хаббл получил 8 подтипов галактик от Е0 до Е7 (E0 – «шаровые» галактики, E7 – «сплюснутые»).

Звезды  эллиптических галактик обращаются вокруг центра галактики очень медленно (скорость вращения обычно не превышает  нескольких десятков км/с). Таким образом, эллиптические галактики – это системы с низким удельным моментом импульса. Считается, что эллиптические галактики образовывались из медленно вращающихся облаков, сформировавшихся на ранних стадиях эволюции Вселенной. Через несколько миллиардов лет звездообразование в такой галактике практически прекращается.

Следующий морфологический тип - линзовидные галактики – это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Такие галактики обозначаются S0.

Спиральные галактики по внешнему виду напоминают две сложенные вместе тарелки или двояковыпуклую линзу. В них имеется как гало, так и массивный звездный диск. Темная полоса, идущая вдоль диска – непрозрачный слой межзвездной среды, межзвездная пыль. Галактики различают по степени своей спиральной структуры добавлением к символу S букв a, b, c. Sa – спиральная галактика с мало развитой спиральной структурой и с мощным ядром. Sc – галактика с малым ядром и с сильно развитыми спиральными ветвями. Наша Галактика принадлежит к промежуточному типу Sb. У некоторых спиральных систем в центральной части имеется звездная перемычка – бар. В этом случае к их обозначению после буквы S добавляется B. Считается, что спиральные галактики образовывались из быстро вращающихся облаков, которые в результате вращения сжимались в диски. Из отдельных участков облака образовывались звезды, при этом само облако медленно сжималось. Затем начинают проявляться спиральные рукава, а через несколько миллиардов лет звездообразование практически прекращается. Характер движения звезд и газа в галактиках не одинаков: газ вращается быстрее, чем старые звезды. Если характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150–500 км/с, то старые звезды гало всегда вращаются медленнее. Балджи спиральных галактик, состоящие из старых звезд, вращаются в 2–3 раза медленнее, чем диски.

Неправильные галактики. Ближайшими к нам и самыми яркими на небе галактиками являются Магеллановы Облака. Они хорошо видны в Южном полушарии невооруженным глазом как два туманных клочковатых пятна, подобных Млечному Пути. Свет от Большого Магелланового Облака идет к нам 170 тысяч лет, от Малого – 200 тысяч лет. Облака находятся неподалеку от южного полюса небесной сферы и образуют с ним примерно равносторонний треугольник. Такое положение сделало их объектами удобными для ориентирования, если учесть, что на южном полюсе мира нет яркой звезды подобной нашей Полярной. Эти облака как бы были приклеены к небосводу и не меняли своего положения относительно звезд, что было крайне удобно при ориентировании, однако природа их оставалась загадкой вплоть до 20-х годов ХХ столетия. Облака являются самыми крупными видимыми астрономическими объектами на небе.  Большое Магелланово облако имеет протяженность более 5°, т.е. 10 видимых дисков Луны, Малое – 4 диска Луны.

Около половины вещества в неправильных галактиках – межзвездный газ. К этому  классу относятся около 5% всех галактик.

Встречаются среди галактик и карликовые, которые не вписываются в классификацию Хаббла. Они в десятки раз меньше по размерам обычных галактик. Жизненный путь этих звездных систем настолько своеобразен, что накладывает отпечаток и на свойства звезд внутри галактик, и на свойства галактик в целом. Выделено 4 типа подобных образований: карликовые эллиптические (dE), карликовые сфероидальные (dSph), карликовые неправильные (dIr) и карликовые голубые компактные галактики  (dBCG). Галактик со спиральными ветвями среди карликов не встречается. Скорее всего, для образования спиралей нужен массивный звездный диск, а масса карликовых галактик недостаточна для этого. 

2. Галактический каннибализм.

В середине XX столетия крупные телескопы выявили, что 5–10 % от общего числа галактик имеет весьма странный, искаженный вид, так что их трудно классифицировать по Хабблу. Иногда такие галактики окружены светящимся гало либо связаны звездной перемычкой. Иногда от галактик на сотни тысяч световых лет отходят длинные хвосты. В некоторых системах обращает на себя внимание сложный характер внутреннего движения межзвездного газа. Первым, кто стал изучать взаимодействия близких галактик и составил каталог из тысяч взаимодействующих галактик, был Борис Воронцов-Вельяминов.

Если  галактики в своем движении близко походят друг к другу, то они могут  испытывать сильное гравитационное взаимодействие на расстоянии, даже не соприкасаясь. При взаимном проникновении  галактики могут даже слиться  друг с другом за несколько сотен  миллионов лет. Взаимодействие галактик не ограничивается простым изменением их структуры или типа. Влияние  друг на друга даже  сравнительно далеких галактик приводит к вспышке звездообразования в одной из них или в обеих.