Космологические парадоксы Вселенной

Космологические парадоксы — затруднения (противоречия), возникающие при распространении законов физики на Вселенную в целом или достаточно большие её области. Классическая картина мира XIX века оказалась достаточно уязвимой в области космологии Вселенной, благодаря необходимости объяснения 3 парадоксов: фотометрического, термодинамического и гравитационного. Вам предлагается объяснить эти парадоксы с точки зрения современной науки.

Фотометрический парадокс (Ж. Шезо, 1744г; Г. Ольберс, 1823г) сводился к объяснению вопроса "Почему ночью темно?".
Если Вселенная бесконечна, то звезд в ней бесчисленно много. При сравнительно равномерном распределении звезд в пространстве число звезд, находящихся на данном расстоянии, возрастает пропорционально квадрату расстояния до них. Поскольку блеск звезды ослабевает пропорционально квадрату расстояния до нее, то ослабление общего света звезд из-за их удаленности должно в точности компенсироваться возрастанием числа звезд, и вся небесная сфера должна равномерно и ярко светится. Это противоречие с тем, что наблюдается в действительности, и называется фотометрическим парадоксом.
Впервые этот парадокс сформулировал во всей его полноте швейцарский астроном Жан-Филипп Луи де Шезо (1718—1751) в 1744г, хотя аналогичные мысли высказывали ранее и другие ученые, в частности, Иоганн Кеплер, Отто фон Герике и Эдмунд Галлей. Иногда фотометрический парадокс называется парадоксом Ольберса, в честь астронома, который привлек к нему внимание в XIX веке.
Правильное объяснение фотометрического парадокса предложил знаменитый американский писатель Эдгар По в космологической поэме «Эврика» (1848г); подробное математическое рассмотрение этого решения было дано Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1901г. Оно основано на конечности возраста Вселенной. Поскольку (по современным данным) более 13 млрд. лет назад во Вселенной не было галактик и квазаров, самые далекие звезды, которые мы можем наблюдать, расположены на расстояниях в 13 млрд. св. лет. Это устраняет основную предпосылку фотометрического парадокса — то, что звезды расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас. Вселенная, наблюдаемая на больших расстояниях, настолько молода, что звезды еще не успели в ней образоваться. Заметим, что это нисколько не противоречит космологическому принципу, из которого следует безграничность Вселенной: ограничена не Вселенная, а только та часть ее, где успели за время прихода к нам света родиться первые звезды.
Некоторый (существенно меньший) вклад в уменьшение яркости ночного неба вносит и красное смещение галактик. Действительно, далекие галактики имеют в (1+ z) большую длину волны излучения, чем галактики на близких расстояниях. Но длина волны связана с энергией света по формуле ε= hc /λ. Поэтому энергия фотонов, принимаемых нами от дальних галактик, в (1+ z) раз меньше. Далее, если из галактики с красным смещением z вылетают два фотона с интервалом времени δ t, то интервал между принятием этих двух фотонов на Земле будет в еще в (1+ z) раз больше, стало быть, интенсивность принятого света во столько же раз меньше. В итоге мы получаем, что суммарная энергия, поступающая к нам от далеких галактик, в (1+ z)² раз меньше, чем если бы эта галактика не удалялась от нас вследствие космологического расширения.

Термодинамический парадокс (Клаузиус, 1850 г.), связан с противоречием второго начала термодинамики и концепции вечности Вселенной. Согласно необратимости тепловых процессов, все тела во Вселенной стремятся к тепловому равновесию. Если Вселенная существует бесконечно долго, то почему же тепловое равновесие в природе до сих пор не наступило, а тепловые процессы продолжаются до сих пор?

Гравитационный парадокс

Мысленно выберем сферу радиуса R ₀ так, чтобы ячейки неоднородности в распределении вещества внутри сферы были несущественны и средняя плотность была равна средней плотности Вселенной r. Пусть на поверхности сферы находится тело массой m, например, Галактика. Согласно теореме Гаусса о центрально-симметричном поле, сила тяготения со стороны вещества массой М, заключенного внутри сферы, будет действовать на тело так, как если бы все вещество было сосредоточено в одной точке, расположенной в центре сферы. При этом остальное вещество Вселенной никакого вклада в эту силу не вносит.

Выразим массу через среднюю плотность r: . Пусть Тогда - ускорение свободного падения тела к центру сферы зависит только от радиуса сферы R ₀. Поскольку радиус сферы и положение центра сферы выбраны произвольно, возникает неопределенность в действии силы на пробную массу m и направление ее движения.

(парадокс Неймана — Зелигера, название по имени немецких учёных К. Неймана и Х. Зелигера, 1895г) основан на положениях бесконечности, однородности и изотропности Вселенной, имеет менее очевидный характер и состоит в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не даёт какого-либо разумного ответа на вопрос о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс (если только не делать очень специальных предположений о характере пространственного распределения этих масс). Для космологических масштабов ответ даёт теория А. Эйнштейна, в которой закон всемирного тяготения уточняется для случая очень сильных гравитационных полей.

Местная группа галактик
в Википедии Игорь Дроздовский Местная Группа Галактик

Пять веков назад, в августе 1519 года, португальский адмирал Фернандо Магеллан отправился в путешествие вокруг света. За время плавания были определены точные размеры Земли, открыта линия перемены дат, а также два небольших туманных облака на небе южных широт, которые сопровождали мореплавателей ясными звездными ночами. И хотя великий флотоводец не догадывался об истинном происхождении этих призрачных сгущений, названных впоследствии Большим и Малым Магеллановыми облаками, именно тогда были открыты первые спутники (галактики) Млечного Пути.
Совокупность нескольких десятков ближайших галактик, окружающих нашу звездную систему – галактику Млечный Путь. Члены Местной группы движутся друг относительно друга, но при этом связаны взаимным тяготением и поэтому длительное время занимают ограниченное пространство размером около 6 млн. световых лет и существуют отдельно от других подобных групп галактик. Считается, что все членыМестной группы имеют общее происхождение и эволюционируют совместно уже около 13 млрд. лет.
Галактики Местной группы представляют особый интерес для астрономии, поскольку многие из них, во-первых, могут быть детально изучены, а во-вторых, заметно влияют на нашу Галактику и сами испытывают ее влияние. Местная группа, как и другие соседние с ней группы галактик и более населенные скопления галактик, входит в грандиозное объединение – Местное сверхскопление галактик. Это уплощенная система диаметром около 100 млн. и толщиной около 35 млн.св.лет. Ее центром служит крупное скопление галактик в Деве, удаленное от нас на 50 млн. св. лет.
Американский астроном Эдвин Хаббл первый обратил внимание, что наша Галактика вместе с несколькими соседними звездными системами образует довольно обособленную группу, которую он назвал Местной группой галактик. В своей книге Мир туманностей (1936г) Хаббл писал, что это «типичная небольшая группа туманностей, изолированная в общем поле от остальных звездных систем». Это подтвердили современные исследования: в Местную группу входит более 60 галактик различного морфологического типа. Доминируют в ней две спиральные системы – Туманность Андромеды (M31 = NGC 224) и Млечный Путь.
Среди прочих членов Местной группы своей массой и светимостью выделяются два – небольшая спираль в Треугольнике (М 33) и неправильная галактика Большое Магелланово Облако (БМО). За ними в порядке уменьшения светимости следуют неправильные галактики Малое Магелланово Облако (ММО), IC 10, NGC 6822, IC 1613 и WLM, а также два сфероидальных спутника Туманности Андромеды – М 32 и NGC 205. Остальные галактики заметно мельче. Половина массы Местной группы заключена в сфере радиусом около 1 млн. св. лет, а граница группы удалена от ее центра примерно на 3 млн. св. лет. Вблизи этой границы расположены три маленьких системы – Aquarius, Tucana и Sag DIG, принадлежность которых к Местной группе пока остается под вопросом. Отметим, что не только эти, но и многие другие галактики Местной группы носят имена тех созвездий, в которых они наблюдаются, например, Fornax, Draco, Sculptor, Leo I, Leo II и т. д. Большинство из них имеет и другие обозначения по различным каталогам галактик, но обычно астрономы называют их именно так – галактика в Печи (Fornax), система в Драконе (Draco), и т.д.
В пределах Местного скопления маленькие галактики распределены не вполне хаотично: многие из них тяготеют к большим галактикам – к Млечному Пути и к Туманности Андромеды. Эти две часто называют «родительскими», хотя генетическая связь между большими и маленькими галактиками еще не до конца ясна. Не исключено, что именно маленькие звездные системы служат предками для более крупных. Но в данном случае крупную звездную систему называют «родительской галактикой», исходя из бытовой ассоциации: она как детьми окружена более мелкими галактиками-спутниками. По всей видимости это временное явление и не всегда оно было таким. Согласно работе Gene Byrd'а, Mauri Valtonen'а, Marshall'а McCall'а, и Kimmo Innanen'а (см. Astronomy Vol. 21 No. 11 (Nov 1993):28), Магеллановы Облака и Лев I когда-то принадлежали одной группе с M31, которая сформировалась недалеко от Млечного Пути, но впоследствии удалилась на современное расстояние 725 Мпк. Авторы считают, что галактики из группы IC342/Maffei, особенно IC 342 и Maffei 1 являлись в то время членами группы, до тех пор пока M31 не поглотила одну из карликовых галактик, входящих в эту группу (которая могла дать известное второе ядро в центре M31) от 5 до 10 млрд. лет назад. В результате такого слияния галактики IC 342 и Maffei 1 были выброшены из подгруппы, а упомянутые выше 3 карликовые галактики сошли с орбит вокруг M31.
Население Местной группы не очень разнообразно: в нем представлены спиральные, неправильные и карликовые галактики, что типично для таких небольших и не очень плотных коллективов. В Местной группе отсутствуют крупные эллиптические галактики, которые можно найти в более богатых скоплениях. Единственная настоящая эллиптическая галактика – М 32, близкий спутник Туманности Андромеды. Остальные сфероидальные (тип Sph) и карликовые сфероидальные (dSph) галактики не являются настоящими эллиптическими системами, поскольку они не очень плотны, слабо концентрированы к центру, содержат межзвездный газ и молодые звезды.

· Число членов: более 50;

· Радиус половины массы: R_h =350 кпк;

· Радиус поверхность нулевой скорости, которая определяет "границу" МГ: R_o =1.18±0.15 Мпк;

· Полная масса МГ: M_LG =(2.3±0.6)x10 ¹² M _sun;

· Полная светимость МГ: M_V =-22.0:

· Масса/светимость: M/L_V =44±12 M_sun / L_sun

· Скорость Солнца по отношению к МГ: 306±18 км/с,

· по направлению к апексу: l=99 ^o ±5 ^o и b=-4 ^o ±4 ^o;

· Дисперсия скоростей ее членов: 61±8 км/с

· Функция светимостей в МГ имеет наклон: -1.1±0.1

Система

№

Галактика

NGC, IC

Тип

l

b

Диаметр

Расстояние, кпк

Видимая звездная величина m

Абсолютная звездная величина M

Скорость вращения, км/с

Масса, M ¤

угловой

линейный, кпк

Млечный Путь

Галактика

SAB(s)bc I-II

–18,8

2,5•10^11

Большое Магелланово Облако

SBm

–33

0,1

–18,7

1,0•10^10

Малое Магелланово Облако

SBm

–45

2,4

–16,7

1,99•10^9

Система Малой Медведицы (карлик) UMi dw

DDO 199

dE4

30.2x19.1

–9,0

1,0•10^5

Система в Печи (карлик)

E

–66

7,0

–13,0

1,99•10^7

Система в Драконе (карлик) Dra dw

DDO 208

dE0 pec

35.5x24.4

–8,5

1,0•10^5

Лев I (карлик)

dE3

9.8x7.4

–11,0

3,98•10^6

Лев II (карлик)

dE0 pec

12.0x11.0

–9,5

1,0•10^6

Система в Скульптуре (карлик)

E

–83

7,0

–12,0

3,16•10^6

Дракон (карлик)

Орион (пигмей)

Козерог (пигмей)

Волосы Вероники

0,06

Геркулес

0,3

Гончие Псы II

Лев III

Лев IV

Стрелец

карлик

dSph

Стрелец DEG

dE7

SMC

SB(s)m pec

320x185

Scl dSph

E351-G30

dE3 pec

39.8x30.9

Sex dw

dE3

For dw

E356-G04

dE4

17.0x12.6

LMC

E056-G115

SB(s)m

645x550

Car dw

E206-G220

dE3

23.4x15.5

2 карликовые

Туманность Андромеды

M31

SA(s)b

–22

190x60

3,5

–21,1

3,16•10^11

M32

E 2

–22

8.7x6.5

8,2

–16,3

3,16•10^9

М 110

E5 pec

–21

21.9x11.0

8,2

–16,3

7,94•10^9

Андромеда I

карлик

dE3 pec

2.5x2.5

Андромеда II

карлик

E

3.6x2.52

Андромеда III

карлик

dSph

4.5x3.0

Андромеда IV

Андромеда V

dSph

Кассиопея

1,5•10^8

dE3 pec + Sy

–14

11.7x10.0

9,4

–15,2

1,0•10^9

Кассиопея

Ep

–14

13.2x7.8

9,6

–14,8

1,0•10^9

Ir

IC1613

Ir V

16.2x14.5

9,1

LGS3

карлик

dSph-dIrr

2x2

WLM

IB(s)m IV-V

11.5x4.0

IC 10

IBm?

6.3x5.1

Cetus

dSph

Scl dw Irr

E349-G31

dIBm

1.1x0.9

Phe dw

E245-G07

IAm

4.9x4.1

Leo A

DDO 69

IBm V

5.1x3.1

Aqr dw

DDO 210

Im V

2.2x1.1

IC5152

IAB(s)m IV

5.2x3.2

Tuc dw

dE5

2.9x1.2

Pegasus DIG

DDO 216

Im V

5.0x2.7

Pegasus DEG

AndVI

dSph

4.0x2.0

Кассиопея Dw

And VII

dSph

2.5x2.0

Треугольник

M33

SA(s)cd II-III

–31

70.8x41.7

5,7

–18,8

1,25•10^10

Одиночки

Кит

IC 1613

Ir I

–61

9,6

–14,8

2,5•10^8

Стрелец (Barnard's)

6 822

IB(s)m IV-V

–18

15.5x13.5

8,6

–15,6

3,16•10^8

ИК галактика Маффей

IC 1805

SO

–1

0,5

1 000

–20,0

1,99•10^11

М31	М33	БМО	ММО
В ходе последнего десятилетия с помощью нового поколения цифровых камер было обнаружено множество новых звёздных потоков и ответвлений, одни из которых вполне могут оказаться компаньонами Млечного пути, а другие - принадлежать либо к карликовой галактике Стрельца, либо к другим малым галактикам. Открытия, сделанные ранее в рамках проекта SDSS, показывают, что звёздное кольцо, окружающее нашу галактику может быть частью другой исчезнувшей галактики. Так например участники проекта Sloan Digital Sky Survey (SDSS) обнаружили в январе 2006 года огромную, но в тоже время очень непрочную структуру, включающую в себя 100 тысяч звёзд. Она находится в пределах Млечного Пути на расстоянии 76000 световых лет от Земли и в 42000 световых лет от центра Галактики. Однако в Млечный Путь эта структура не вписывается по ряду параметров - у неё нет ни приплюснутого диска, ни скопления молодых звёзд в центре, ни звёздного "ореола". Она взмывается над плоскостью Млечного пути. Его источником, как предполагается, является звездное скопление NGS 5466, насчитывающее приблизительно 50 тысяч звезд. Астрономы полагают, что эту структуру стоит считать новой карликовой галактикой, которая граничит с нашей и она является сегодня самым близким соседом нашей Галактики.
Группа исследователей из Sloan Digital Sky Survey (SDSS-II) сообщила в январе 2007 года об открытии восьми (фото справа) новых карликовых галактик, семь из которых обращаются возле Млечного Пути. Объекты имеют сходство с системами, которые поглотил Млечный Путь миллиарды лет назад. Обнаруженные карликовые галактики попали под гравитационное поле Млечного Пути, в конечном итоге они сольются с нашей Галактикой. Карликовые галактики содержат несколько миллионов звезд. Эти объекты меньше по размеру и более тусклые, чем известные ранее. Некоторые из них близки к распаду из-за гравитационной силы Млечного Пути. Согласно расчетам ученых, в группе галактик Local Group, в которую входит и Млечный Путь, находятся десятки сотен карликовых галактик, которые еще предстоит найти.

Ближайшие соседи Местной же небольшие скопления галактик. Одно из них, наблюдаемое в направлении созвездий Насос и Секстант, удалено от центра Местной группы на 5,5 млн. св. лет. Группа небольших галактик в Скульпторе удалена на 8 млн. св. лет, а другая известная группа, включающая крупную спираль М 81 и взаимодействующую с ней галактику с интенсивным звездообразованием М 82, удалена на 11 млн. св. лет. Членов группы Насоса-Секстанта по причине их близости к нам одно время причисляли к Местной группе галактик. Но изучив движение ее главных членов – небольших галактик NGC 3109, Насос, Секстант А и Секстант В, специалисты заключили, что это самостоятельная группа, медленно удаляющаяся от Местной группы.

Пегас I			–48			1 100	3 700	0,013
Рыбы			–29				5 000	0,017
Рак			+29				4 800	0,016
Персей			–14				5 400	0,018
Волосы Вероники			+88				6 700	0,022
Большая Медведица III			+64	0,7
Геркулес			+44	0,1			10 300	0,034
Пегас II			–47				12 800	0,043
Скопление A			–78	0,9			15 800	0,053
Центавр			+31
Большая Медведица I			+58	0,7			15 400	0,051
Лев			+53	0,6			19 500	0,065
Близнецы			+19	0,5			23 300	0,078
Северная корона			+56	0,5			21 600	0,072
Скопление B			–55	0,6
Волопас			+67	0,3			39 400	0,131
Большая Медведица II			+54	0,2			41 000	0,137
Гидра			+30		1 000		60 600	0,201

Список групп и скоплений в сверхскоплении Девы (местное сверхскопление)

В порядке убывания числа галактик большого видимого размера:

Скопление Девы

Скопление Печь

Местная группа

Скопление Эридана (некоторые считают частью скопления Печь)

Скопление Большой Медведицы

Скопление Девы II (скопление NGC 4697)

Скопление Пса II

Скопление Золотой Рыбы

Группа M83 (Центавр А или группа NGC 5128)

Скопление Льва I (группа M96, включающая в себя группу M66)

Скопление NGC 7582

Группа M81

Скопление Пса I

Скопление NGC 5033

Скопление NGC 2997

Группа Скульптора

Группа M101 (в том числе группа M51)

Скопление NGC 6744

Скопление Маффеи

Скопление Дракона

Скопление Девы III (группа NGC 5364)

Скопление Льва II (очень большое, но отдалённое)

Дата добавления: 2015-10-24