Контрольная работа: Пространственные, временные и массовые масштабы вселенной
В основе методов определения масс космических объектов лежит теория гравитации и ее следствия. Чаще всего используется третий закон Кеплера в той обобщенной форме, которую придал ему Ньютон. В данном случае речь идет о свойствах относительного движения двух тел с массами М и т. Если масса одного тела (М) много больше массы другого тела (т), то можно считать, что большое тело неподвижно, а малое тело движется вокруг него по эллиптической орбите. В качестве примера можно привести Землю и Луну, Солнце и Землю, Юпитер и его спутник (скажем, Ио), Солнце и Юпитер. В названных парах небесных тел масса первого тела много больше массы второго (например, масса Солнца в 1000 раз больше массы Юпитера). Размеры тел, составляющих пары, столь малы по сравнению с расстоянием между ними (даже радиус Солнца в 1000 раз меньше расстояния Солнце--Юпитер), что их можно рассматривать как материальные точки.
В ряде случаев картина движения тел не похожа на схему с двумя материальными точками. Например, космическая станция «Мир» обращается вокруг Земли на высоте 330 км, что составляет лишь 1/20 часть радиуса Земли. Однако и в этом случае космическая станция «чувствует» на себе притяжение Земли так, как будто вся масса Земли сосредоточена в ее центре на расстоянии 6700 км от станции. В примере с космической станцией получается, что и станция, и космонавт в ней, и карандаш космонавта (всё тела разной массы) движутся совершенно независимо по одной и той же орбите, характеристики которой определяются только массой Земли. Эта независимость приводит к явлению невесомости. Для всех спутников Земли отношение а3 /Т2 - величина постоянная. Период Т обращения космической станции «Мир» вокруг Земли равен 84 мин. Чем дальше спутник от Земли, тем больше период. На высоте 36000 км от поверхности Земли период обращения спутника равен периоду вращения самой Земли. Орбита с такими характеристиками называется геостационарной. Если наблюдать за таким спутником с вращающейся Земли, то впечатление такое, что спутник неподвижно висит над одной и той же точкой Земли. Есть метод определения массы центрального тела: находим размер орбиты спутника, период его обращения вокруг центрального тела и вычисляем искомую массу. С помощью этого метода по движению Юпитера можно найти массу Солнца. Этим же способом были найдены массы планет, имеющих естественные спутники (по движению этих спутников): Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Меркурий и Венера не имеют естественных спутников. Их массы были измерены с высокой точностью только после появления около них рукотворных (искусственных) спутников. Описанным методом можно определять также массы гигантских космических структур - шаровых скоплений и галактик. Подобно станции на околоземной орбите, звезда на краю скопления «чувствует» всю массу скопления так, как будто она (масса) сосредоточена в центре скопления. Если найти размер орбиты этой звезды и период ее обращения вокруг центра скопления, то по формуле (2.10) можно вычислить массу всего скопления. Размер орбиты найти нетрудно, если известно расстояние до скопления.
Масса звезды - самая важная характеристика звезды, от которой зависят ее свечение, строение, время жизни и вообще вся эволюция. Можно определить массы двух звезд, образующих гравитационно связанную пару - двойную звезду. Массы звезд, составляющих пару, не сильно различаются, поэтому нельзя считать (как это мы делали в случае планеты, обращающейся вокруг Солнца), что звезда меньшей массы обращается вокруг звезды большей массы. В действительности обе звезды обращаются по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс (центра тяжести) системы. Теория тяготения позволяет вывести ряд свойств абсолютных орбит. Одно из них: тела движутся по орбитам так, что их центры (А и В) и центр масс (точка С) всегда находятся на прямой линии. Другое свойство - хорошо известное из школьной физики правило рычага: отношение длин АС и ВС (плечи рычага) обратно пропорционально массам звезд М1 и М 2. . В данном случае следует опереться на третий закон Кеплера. Звезды движутся вокруг центра масс системы. При «удачной» ориентации плоскости орбиты первая звезда часть времени движется к нам, а вторая в это же время движется от нас. Тогда в соответствии с принципом Доплера смещение линий в спектре первой звезды происходит в фиолетовую сторону, а второй - в красную. Через полпериода ситуация меняется на обратную. В спектре, на том месте, где должна быть одна линия, Наблюдается пара линий, го сходящихся, то расходящихся. Звезда меньшей массы движется по орбите быстрее, скорость ее больше, а значит и величина доплеровского смещения у нее больше. Для звезды большей массы все наоборот. Отношение величин доплеровских смещений в спектрах двух звезд равно отношению лучевых скоростей и обратно пропорционально отношению масс звезд. Суммарное смещение пропорционально сумме масс. «Удачная» (с точки зрения возможности определения массы) ориентация спектрально-двойной системы - такая, при которой плоскость орбиты совпадает с лучом зрения. Идеальный случай, когда наблюдаются затмения: одна звезда затмевает другую. Это проявляется и регулярном (периодическом) изменении блеска двойной звезды. По характеру изменения блеска в такой затменной системе астрономы умеют определять ряд важных характеристик звезд - компонентов системы: массы, размеры, среднюю плотность. Теория затмений, позволяющая это делать, проста и тщательно разработана.
Совокупность данных о массах компонентов более ста двойных звезд {в том числе спектрально-двойных и затменных) позволила обнаружить важную статистическую зависимость между их массами и светимостями. Таким образом, определение масс звезд разбивается на три этапа. На первом этапе определяют массы звезд, входящих состав двойных звездных систем. На втором - по известным массам и светимостям этих звезд строят диаграмму «масса светимость». И, наконец, на третьем этапе с помощью этой диаграммы определяют массу любой звезды, для которой известна светимость. Можно сказать, что наибольшее количество звезд имеют массу от 0,ЗМ° до 3М° . Средняя масса звезд в окрестностях Солнца составляет примерно 0,5 М° . Так что масса нашего светила - Солнца - очень типична в Галактике. А вообще массы звезд находятся в пределах от 0,03 М° до 60 М° (ни меньше, ни больше).
Также ученые, измеряя плотность вещества, определяют массы галактик. Понятно, что, измеряя массы различных космических объектов, можно приблизительно вычислить массовые масштабы Вселенной.
Заключение
Вселенная - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика - охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта. Главные составляющие Вселенной - галактики - громадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет галактики содержат разреженный газ и космическую пыль. Основное «население» галактик - звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. У всех космических объектов есть пространственные, временные и массовые характеристики. Протяженность, время образования и жизни, а также масса вещества существуют как у больших (галактики), так и у малых объектов (звезды). Для того чтобы измерить пространственно-временные и массовые масштабы Вселенной, необходимо вычислить данные параметры космических объектов, составляющих саму Вселенную.
Список литературы
1. Гуляев С.А., Жуковский В.М., Комов С.В. Основы естествознания. Учебное пособие для гуманитарных направлений бакалавриата. – Екатеринбург: Изд-во «УралЭкоЦентр», 2001. – 560 с.
2. Данилова В.С, Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебн. пособие для вузов. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. Пособие для студ. вузов.- М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 608 с.
4. Игнатова В.А. Основы современного естествознания: Учебное пособие. – Тюмень: Изд-во Тюменского государственного университета, 1997. – 244 с.
5. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учебник. - М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2007. – 264 с.
6. Рау В.Г. Общее естествознание и его концепции: Учебное пособие. – М.: Высш.шк., 2003. – 192 с.
7. Соломатин В.А. История науки. Учебное пособие. – М.: ПЕР СЕ, 2003. – 352 с.