Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Теоретическая физика >> Гравитация | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Популярные статьиСовременная астрономия: новые направления и новые проблемы

Популярные статьиНебо в рентгеновских и гамма-лучах: [4]

НовостиВсероссийская конференция "Новые технологии в преподавании астрономии"

Популярные статьиМетоды определения расстояний до галактик: Введение.

Учетные карточкиФизический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова: ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Учетные карточкиО.Б. Лупанов. Математика и механика в Московском университете

Научные статьиПсихосоматическая проблема

Популярные статьиПроблемы современной астрофизики: Введение

НовостиПерспективный метод обнаружения планет вокруг других звезд.

ДиссертацииРусская Православная Миссия в Китае

Популярные статьиДистанционное обучение: обратный диалог: тепловое равновесие

Научные статьиЕстествознание - уроки, где ставятся проблемы

Популярные статьиКонцепция естественной теологии в биологических работах Джона Рея : (1)

НовостиКоролевство "живых" зеркал

Популярные заметкиБудущее физики элементарных частиц

Популярные статьиСолнечно-земная физика

НовостиРазгадывая величайшую в мире загадку

Биографии ученых"...И гений - парадоксов друг": 290 лет со дня рождения Михаила Васильевича Ломоносова

Популярные заметкиПотомков "детей лейтенанта Шмидта" нельзя оставлять без присмотра

Научные статьиПолянский С.М., Богословско-философские взгляды митрополита Никифора.

Современная астрономия: новые направления и новые проблемы

Ю.А. Гнедин (Государственный технический университет, Санкт-Петербург)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 8, 1996 г.
Содержание

Структура наблюдаемой области вселенной - метагалактики

Метагалактика - это вся наблюдаемая область Вселенной. Основными элементами ее крупномасштабной структуры являются галактики и скопления галактик. Галактики представляют собой стационарные гравитационно-связанные звездные системы. Звездная система, в которую входит наше Солнце, - Галактика - содержит примерно 1011 звезд; ее масса приблизительно 2*1044 г, то есть 1011 $М_{\bigodot}$ , а полная излучаемая звездами энергия (светимость) - около 3*1043 эрг/с.

Галактики, как и звезды, имеют склонность образовывать группы и скопления различной численности. Это свойство у них выражено намного сильнее, чем у звезд. У звезд лишь сравнительно малая доля входит в состав рассеянных скоплений, шаровых скоплений или звездных ассоциаций, а подавляющая масса является просто звездами общего поля Галактики. У галактик картина противоположная. Большинство из них является членами групп или скоплений галактик и только незначительная часть располагается вне групп и скоплений в общем поле Метагалактики.
Группы галактик содержат десятки членов. Например, наша Галактика входит в состав группы ближайших к нам галактик, состоящей примерно из 20 членов. Эта группа образует так называемую Местную систему. В свою очередь Местная система входит в состав скопления, центр которого находится в той части неба, где проектируется созвездие Девы. Скопления, как правило, насчитывают сотни и даже тысячи членов. Одно из самых больших скоплений в созвездии Комы (Волосы Вероники) содержит около десяти тысяч галактик. Оно имеет почти сферическую форму и его радиус составляет примерно 4 Мпк.
Следует обратить внимание на разницу между скоплениями звезд, образующими галактики, и скоплениями галактик. Расстояние между членами звездного скопления огромны по сравнению с размерами звезд. Расстояния между членами скопления галактик всего лишь в несколько раз больше, чем размеры галактик.
В самое последнее время результаты наблюдений на больших инструментах, в том числе на Большом 6-метровом телескопе в России, показали, что скопления и группы скоплений, в свою очередь, распределены далеко не случайным образом. Так, Местная группа, в которую входят наша Галактика и туманность Андромеды, образует вместе с другими близкими группами галактик систему, названную Местным сверхскоплением. В Метагалактике имеются и другие сверхскопления. Их средний размер составляет 20 - 30 Мпк.
Как выяснено в последние годы, многие богатые скопления галактик содержат значительные количества горячего ионизированного газа, являющегося источником мощного рентгеновского излучения. Открытие протяженных источников рентгеновского излучения, отождествленных со скоплениями галактик, явилось выдающимся достижением рентгеновской астрономии последних лет. Самыми мощными из них являются скопления Комы, Персея и Девы. Характерные размеры протяженных источников составляют 0,1 - 1 Мпк, а их светимость лежит в пределах 1043-1045 эрг/с. Детальное исследование их спектров показало, что источником излучения является горячий газ с температурой 107 - 108 K, захваченный скоплением как гравитационной ямой. Масса такого газа в ряде скоплений сравнима с суммарной массой галактик.
Скопления галактик обнаруживают одну замечательную особенность: для многих из них масса, определенная по скоростям собственного движения галактик в скоплении, оказывается заметно больше массы, определенной по общей светимости галактик. Первый способ нахождения массы основан на предположении, что скопления представляют собой стационарные гравитационно-связанные системы. Полная механическая энергия каждой такой системы должна быть отрицательной, причем кинетическая энергия должна составлять (в среднем по времени) половину модуля гравитационной потенциальной энергии, то есть
$E_{кин} = \frac{1}{2}|E_{грав}$(1)

Это соотношение представляет собой так называемую вириальную теорему классической механики. Она получается как прямое следствие уравнений движения при общей стационарности системы. Например, для частицы массы m, обращающейся по стационарной круговой орбите вокруг центральной массы $M \gg m$, скорость движения V определяется из условия равенства (по модулю) центробежной и гравитационной сил (см. рис. 1):
$F_ц = \frac{mV^2}{r}, F_{грав} = \frac{GMm}{r^2}$(2)

где r - радиус орбиты.
$F_ц = F_{грав} = \frac{V^2}{r} = \frac{GM}{r^2}$(3)

то есть
$E_{кин} = \frac{mV^2}{2} = \frac{GmM}{2r}$
Легко провести доказательство и для любой системы произвольного числа частиц.
Рис. 1.
Если размер скопления R и дисперсия скоростей галактик V известны, то из (2) следует оценка массы скопления:
$M_{VT} \approx \frac{V^2 R}{G}$(4)

Определенную таким способом массу называют вириальной.

Другой способ определения массы состоит в том, что полную наблюдаемую светимость скопления умножают на принимаемое за стандартное отношение масса/светимость, найденное независимо для отдельных галактик. Это последнее отношение различно для галактик различных типов, но если известно, что в данном скоплении преобладают галактики какого-то определенного типа, то суммарную массу этих галактик ML можно таким способом действительно оценить. И вот оказывается, что суммарная масса галактик почти всегда меньше вириальной массы скопления:
MVT > ML(5)

Это обстоятельство (его называют вириальным парадоксом) было установлено Цвикки еще в 30-е годы. Результаты новых детальных исследований, выполненных в последние годы, подтверждают этот парадокс.
Вириальный парадокс исчезает, если скопления не являются стационарными системами, так что к ним не применима вириальная теорема. Однако если они все же стационарны, то из него следует наличие в скоплениях значительных масс темного, не светящегося вещества помимо вещества самих галактик, причем эта, как говорят, скрытая, масса должна быть в 3 - 10 раз больше общей массы галактик в скоплениях. Имеется ряд серьезных аргументов в пользу второй возможности.
Иерархия космических структур обрывается на скоплениях и сверхскоплениях. В различных областях Метагалактики, имеющих размер 100 - 300 Мпк и более, содержащих много галактик и скоплений, средняя плотность видимого вещества галактик оказывается одинаковой, где бы эти области не находились. Эта плотность составляет
$\rho \approx$ 3*10-31 г/см3(6)

С учетом скрытых масс эта величина возрастает примерно втрое.
Одинаковость средней плотности в различных областях пространства означает, что Метагалактика является однородной, если рассматривать ее в большом масштабе, превосходящем размер ячейки неоднородности 100 - 300 Мпк. Это одно из фундаментальных свойств окружающей нас Вселенной.
Другим ее фундаментальным свойством является нестационарность. Наблюдения показывают, что галактики и скопления галактик, разделенные расстояниями, превосходящими размер ячейки неоднородности, удаляются друг от друга. Этот факт был установлен благодаря измерению лучевых скоростей галактик.
Первое успешное определение лучевой скорости галактики по наблюдению доплеровского смещения ее спектральных линий было выполнено в 1912 году Слайфером в обсерватории Ловелла. Он нашел, что одна из галактик в созвездии Андромеды приближается к Земле со скоростью порядка 200 км/с. Это удивительный результат, если вспомнить, что большинство звезд движется со скоростями не более 50 км/с. Изучая спектры других галактик, Слайфер нашел, что для большинства из них характерно красное смещение линий, то есть в отличие от галактики в Андромеде эти галактики удаляются, а не приближаются. Смещение спектральных линий снова давало большие скорости. К 1914 году Слайфер измерил спектры 13 галактик; все они, за исключением двух, удалялись со скоростями около 300 км/с.
Такие скорости намного превосходили самые большие скорости, когда-либо измеренные в астрономии. Однако самое удивительное было впереди. К 1917 году были зарегистрированы скорости в 600 км/с, но даже этот результат был вскоре превзойден.

Значение результатов Слайфера прояснилось в дальнейшем благодаря важному открытию Хаббла, который показал, что скорости удаления галактик отнюдь не случайны. Исходя из измеренных им расстояний до спиральных галактик, Хаббл в 1929 году установил, что вплоть до расстояний в 6 млн. световых лет скорости галактик пропорциональны расстояниям до них:

$V = HR$(7)

Коэффициент пропорциональности, названный фактором Хаббла, измерен, как и все величины, с не очень большой точностью:
$H = 50 - 100 (км/с)/Мпк$(8)

В настоящее время наиболее вероятным считается значение
Н = 75 (км/с)/Мпк.
Величина, обратная постоянной Хаббла, может рассматриваться как возраст нашей Метагалактики:
T = 1/H = 2*1010 лет(9)

Величина Н не зависит от направления, а это означает, что Метагалактика не только однородна, но и изотропна.
Данные о распределении и движении галактик были до недавнего времени единственным источником сведений о Метагалактике. В 1965 году было открыто существование электромагнитного излучения, однородно заполняющего Метагалактику и приходящего равномерно со всех сторон. Измерения его интенсивности в диапазоне длин волн от 20 до 0,3 см показали, что это излучение равновесно, то есть имеет планковский спектр с температурой T = 2,7 K. В этой области длин волн изотропия этого излучения установлена с точностью до десятой доли процента, что значительно превышает точность, с которой установлена изотропия постоянной Хаббла ($\sim$ 20%).
Разлет галактик свидетельствует, что наша Метагалактика расширяется. Возникает вопрос, будет ли наша Метагалактика расширяться неограниченно или ее расширение сменится сжатием? Очевидно, что ответ на этот вопрос зависит от того, каково значение плотности вещества в Метагалактике в настоящее время. При малой плотности Метагалактика будет неограниченно расширяться, а при большой плотности расширение сменится сжатием из-за действия сил гравитации. Существует критическое значение плотности вещества $\rho_{крит}$ , отделяющее один случай от другого. Несложно определить это критическое значение плотности. Действительно, известно, что вторая космическая скорость для шара массы М записывается следующим образом:
$V = \sqrt{2GM/R}$(10)

Подставляя в (10) выражение для массы
$M = \frac{4\pi}{3} \rho R^3$
а вместо скорости V = HR, находим
$HR = \sqrt{\frac{8\pi G}{3} \rho R^2}$
или, выражая отсюда плотность $\rho_{крит}$ ,
$\rho_{крит} = \frac{3H^2}{8\pi G}$(11)

Итак, критическое значение средней плотности в Метагалактике зависит от постоянной Хаббла Н. При значении постоянной Н = 75 (км/с)/Мпк получаем:
$\rho_{крит} \approx 10^{-29} г/см^3$(12)

Мы уже видели, что для вещества, входящего в галактики, усредненная плотность составляет около 3*10-31 г/см3, то есть много меньше критической. Однако учет скрытой массы увеличивает эту оценку.

Назад | Вперед


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования