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Die Struktur des Universums im größten Maßstab. Maßstab der Skala des Universums. Foto der Milchstraße

Wir denken, wir studieren die Sterne
aber es stellte sich heraus, dass wir das Atom untersuchten.
R. Feynman

Was versteht man unter dem Universum? Was ist die Mikrowelt, Makrowelt und Megawelt und was sind ihre Maßstäbe? Wie sind unsere Fähigkeiten begrenzt, wenn wir den großen Maßstab der Megawelt und den kleinsten Maßstab der Mikrowelt untersuchen?

Unterrichtsvorlesung

Das Bild des Universums. Unter dem Universum versteht man die Gesamtheit aller Objekte, die auf die eine oder andere Weise vom Menschen beobachtet werden. Davon sind nur wenige der sinnlichen Beobachtung zugänglich. Dieser Teil der Welt heißt Makrokosmos. Die kleinsten Objekte (Atome, Elementarteilchen) bestehen Mikrokosmos. Es werden Objekte genannt, die gigantisch groß und sehr weit von uns entfernt sind Megawelt.

Salvador Dalí. Atomkreuz

Erraten Sie, warum S. Dali sein Gemälde „Atomkreuz“ nannte.

Das Ausmaß der Welten. Die Grenzen zwischen diesen Welten sind ziemlich willkürlich. Um die Objekte der Makrowelt, Mikrowelt und Megawelt zu visualisieren, vergrößern oder verkleinern wir gedanklich eine bestimmte Sphäre um ein Vielfaches.

Beginnen wir mit einer Kugel mit einem Radius von 10 cm, das ist die typische Größe eines Objekts im Makrokosmos. Um schnell die Grenzen der bekannten Welt zu erreichen, müssen wir die Sphäre um ein Vielfaches vergrößern und verkleinern. Nehmen wir die Milliarde als eine so große Zahl.

1. Durch milliardenfache Vergrößerung einer Kugel mit einem Radius von 10 cm erhalten wir eine Kugel mit einem Radius von 100.000 km. Welche Größen gibt es? Dies entspricht etwa einem Viertel der Entfernung von der Erde zum Mond. Solche Entfernungen sind für menschliche Bewegungen durchaus zugänglich; Astronauten haben also bereits den Mond besucht. Alles, was Dimensionen dieser Ordnung hat, ist dem Makrokosmos zuzuordnen (Abb. 8).

Reis. 8 Das Ausmaß des Makrokosmos

2. Bei einer weiteren milliardenfachen Vergrößerung erhalten wir eine Kugel mit einem Radius von 10 14 km. Das. Natürlich, astronomische Dimensionen. In der Astronomie werden zur Vereinfachung der Entfernungsmessung Lichteinheiten verwendet, die der Zeit entsprechen, die das Licht benötigt, um eine bestimmte Entfernung zurückzulegen.

Was ist eine Kugel mit einem Radius von 10 Lichtpunkten? Jahre? Die Entfernung zum nächsten Stern beträgt etwa 4 Lichtjahre. des Jahres. (Die Sonne ist natürlich auch einer der Sterne, aber in diesem Fall betrachten wir sie nicht.) Eine Kugel mit einem Radius von 10 Lichtpunkten. Jahre, deren Zentrum auf der Sonne liegt, enthält etwa ein Dutzend Sterne. Eine Entfernung von mehreren Lichtjahren ist für menschliche Reisen nicht mehr zugänglich. Bei für den Menschen erreichbaren Geschwindigkeiten (ca. 30 km/s) ist es möglich, den nächsten Stern in etwa 40.000 Jahren zu erreichen. Andere leistungsstarke Motoren, beispielsweise solche, die auf der Basis von Kernreaktionen arbeiten, gibt es derzeit selbst im Projekt nicht. Daher ist die Menschheit auf absehbare Zeit gezwungen, die Tatsache zu akzeptieren, dass eine Reise zu den Sternen unmöglich ist.

Die Entfernung beträgt natürlich 10 St. Jahren gehört bereits zur Megawelt. Dennoch ist dies der Raum, der uns am nächsten liegt. Wir wissen ziemlich viel über die Sterne, die uns am nächsten sind: Die Entfernungen zu ihnen, die Temperatur ihrer Oberfläche wurden ziemlich genau gemessen, ihre Zusammensetzung, Größe und Masse wurden bestimmt. Einige Sterne haben Satelliten – Planeten. Diese Informationen wurden durch die Untersuchung der Emissionsspektren dieser Sterne gewonnen. Wir können sagen, dass eine Kugel einen Radius von 10 Licht hat. Der Weltraum ist seit Jahren recht gut erforscht.

3. Bei einer weiteren Vergrößerung um eine Milliarde erhalten wir eine Kugel mit einem Radius von 10 Milliarden Licht. Jahre. In dieser Entfernung von uns befinden sich die am weitesten entfernten Objekte, die wir beobachten können. Damit haben wir eine Kugel erhalten, in der alle von uns beobachteten Objekte des Universums liegen. Beachten Sie, dass Objekte, die sich so weit von uns entfernt befinden, sehr helle Leuchten sind; Ein mit der Sonne vergleichbarer Stern wäre selbst in den leistungsstärksten Teleskopen nicht sichtbar.

Es ist schwer zu sagen, was außerhalb dieser Sphäre liegt. Die allgemein akzeptierte Hypothese besagt, dass wir Objekte, die mehr als 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind, überhaupt nicht beobachten können. Jahre. Diese Tatsache ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass unser Universum vor 13 Milliarden Jahren entstand und das Licht von weiter entfernten Objekten uns also einfach noch nicht erreicht hat. Wir haben also die Grenzen der Megawelt erreicht (Abb. 9).

Reis. 9. Das Ausmaß der Megawelt

Die von uns beobachtete Grenze des Universums liegt in einer Entfernung von etwa 10 Milliarden Lichtjahren. Jahre.

Lassen Sie uns nun tiefer in die Mikrowelt vordringen. Indem wir eine Kugel mit einem Radius von 10 cm milliardenfach verkleinern, erhalten wir eine Kugel mit einem Radius von 10 -8 cm = 10 -10 m = 0,1 nm. Es stellt sich heraus, dass dies eine charakteristische Skala für den Mikrokosmos ist. Atome und einfachste Moleküle haben Abmessungen dieser Größenordnung. Ein Mikrokosmos dieser Größenordnung wurde recht gut untersucht. Wir kennen die Gesetze, die die Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen beschreiben.

Objekte dieser Größe sind für die Beobachtung mit bloßem Auge unzugänglich und aufgrund der Wellenlänge nicht einmal in den leistungsstärksten Mikroskopen sichtbar sichtbares Licht liegt im Bereich von 300-700 nm, also tausendmal größer als die Größe von Objekten. Die Struktur von Atomen und Molekülen wird anhand indirekter Daten beurteilt, insbesondere anhand der Spektren von Atomen und Molekülen. Alle Bilder, die Atome und Moleküle darstellen, sind das Ergebnis von Modellbildern. Dennoch können wir davon ausgehen, dass die Welt der Atome und Moleküle – eine Welt von etwa 0,1 nm Größe – bereits recht gut erforscht ist und in dieser Welt keine grundlegend neuen Gesetze auftauchen werden.

Natürlich ist diese Welt noch nicht die Grenze des Wissens; zum Beispiel Abmessungen Atomkerne etwa 10.000 Mal weniger. Indem wir eine Kugel mit einem Radius von 0,1 nm eine Milliarde Mal verkleinern, erhalten wir eine Kugel mit einem Radius von 10 -17 cm oder 10 -19 m. Wir sind tatsächlich an der Grenze des Wissens angelangt. Tatsache ist, dass die Größen der kleinsten Materieteilchen – Elektronen und Quarks (sie werden in § 29 besprochen) – in der Größenordnung von 10 -16 cm liegen, also etwas größer als unsere Kugel. Was sich im Inneren von Elektronen und Quarks befindet, oder mit anderen Worten, ob Elektronen und Quarks zusammengesetzte Teilchen sind, ist derzeit unbekannt. Es ist möglich, dass die Größe von 10 -17 cm keiner realen Struktureinheit der Materie mehr entspricht.

Die Gesetze, die die Bewegung und Struktur der Materie auf Skalen von 10 -15 - 10 -16 cm bestimmen, sind noch nicht vollständig erforscht. Moderne experimentelle Möglichkeiten erlauben es uns nicht, noch tiefer in die Mikrowelt einzudringen.

Aus welchen Gründen ist unser Zugang zu kleineren Maßstäben begrenzt? Tatsache ist, dass die Hauptmethode zur Untersuchung der Struktur von Mikropartikeln darin besteht, Kollisionen zwischen verschiedenen Partikeln zu beobachten. Die Naturgesetze besagen, dass sich Teilchen auf kurze Distanz gegenseitig abstoßen. Daher gilt: Je kleiner die Maßstäbe, die Wissenschaftler untersuchen, desto mehr mehr Energie muss den kollidierenden Teilchen mitgeteilt werden. Diese Energie wird bei der Beschleunigung von Teilchen in Beschleunigern übertragen, und je größer die Energie, die übertragen werden muss, desto größer müssen die Beschleuniger sein. Moderne Beschleuniger sind mehrere Kilometer groß. Um noch weiter in die Tiefen der Mikrowelt vorzudringen, braucht es Beschleuniger in der Größe eines Erdballs.

Nun sollten Sie sich vorstellen, welcher Skala der Mikrokosmos entspricht (Abb. 10).

Mikrowelt 10. Maßstab der Mikrowelt

In der Mikrowelt, in der Makrowelt und in der Megawelt manifestieren sich die Naturgesetze auf unterschiedliche Weise. Objekte der Mikrowelt haben sowohl die Eigenschaften von Teilchen als auch die Eigenschaften von Wellen; in der Makrowelt und Megawelt gibt es solche Objekte praktisch nicht.

Warum können wir nicht „über den Horizont“ des Universums blicken – Objekte sehen, die mehr als 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind? Jahre?
Was ist üblich in experimentelle Methoden Studieren Sie die Megawelt und Mikrowelt?
Einige Mikropartikel leben 10 bis 18 Sekunden und zerfallen dann. Was ist das entsprechende Lichteinheit Länge (Strecke, die das Licht in dieser Zeit zurücklegt)?

Wenn sich professionelle Astronomen ständig und greifbar die ungeheure Größe der kosmischen Entfernungen und Zeitintervalle der Entwicklung von Himmelskörpern vorstellen würden, wäre es unwahrscheinlich, dass sie die Wissenschaft, der sie ihr Leben gewidmet haben, erfolgreich entwickeln könnten. Die uns seit unserer Kindheit vertrauten Raum-Zeit-Skalen sind im Vergleich zu kosmischen so unbedeutend, dass es einem beim Bewusstsein buchstäblich den Atem raubt. Wenn sich ein Astronom mit irgendeinem Problem im Weltraum befasst, löst er entweder ein bestimmtes mathematisches Problem (dies wird am häufigsten von Spezialisten für Himmelsmechanik und theoretischen Astrophysikern durchgeführt) oder verbessert Instrumente und Beobachtungsmethoden oder baut in seiner Vorstellung bewusst oder unbewusst welche auf kleines Modell recherchiert Raumsystem. In diesem Fall kommt es vor allem auf ein korrektes Verständnis der relativen Größen des untersuchten Systems an (z. B. das Verhältnis der Größen von Teilen eines bestimmten Weltraumsystems, das Verhältnis der Größen dieses Systems und anderer ähnlicher oder unähnlicher Systeme). dazu usw.) und Zeitintervalle (z. B. das Verhältnis der Durchflussmenge). dieser Prozess zur Durchflussrate aller anderen).

Einer der Autoren dieses Artikels hat einiges gemacht, z.B. Sonnenkorona und die Galaxie. Und sie kamen ihm immer vor unregelmäßige Form ungefähr kugelförmige Körper gleiche Größen- Etwas um die 10 cm... Warum 10 cm? Dieses Bild entstand unbewusst, einfach weil der Autor allzu oft, während er über das eine oder andere Thema der Sonnen- oder galaktischen Physik nachdachte, die Umrisse der Objekte seiner Gedanken in ein gewöhnliches Notizbuch (in eine Schachtel) zeichnete. Ich zeichnete und versuchte, das Ausmaß der Phänomene einzuhalten. Bei einer sehr interessanten Frage konnte beispielsweise eine interessante Analogie zwischen der Sonnenkorona und der Galaxie (oder besser gesagt der sogenannten „galaktischen Korona“) gezogen werden. Natürlich wusste der Autor sozusagen „intellektuell“ sehr gut, dass die Dimensionen der galaktischen Korona hunderte Milliarden Mal größer sind als die Dimensionen der Sonnenkorona. Aber er vergaß es ruhig. Und wenn in einigen Fällen die großen Dimensionen der galaktischen Korona eine grundlegende Bedeutung erlangten (dies geschah auch), wurde dies formal und mathematisch berücksichtigt. Und dennoch wirkten beide „Kronen“ optisch gleich klein ...

Wenn sich der Autor im Verlauf dieser Arbeit philosophischen Überlegungen über die enorme Größe der Galaxie hingab, über die unvorstellbare Verdünnung des Gases, aus dem die galaktische Krone besteht, über die Bedeutungslosigkeit unseres kleinen Planeten und unserer eigenen Existenz , und über andere nicht weniger richtige Themen würde die Arbeit an den Problemen der solaren und galaktischen Korona automatisch eingestellt werden ...

Möge mir der Leser diesen „lyrischen Exkurs“ verzeihen. Ich habe keinen Zweifel daran, dass andere Astronomen bei der Bearbeitung ihrer Probleme ähnliche Gedanken hatten. Mir scheint, dass es manchmal nützlich ist, sich mit der „Küche“ des wissenschaftlichen Arbeitens vertrauter zu machen ...

Bis vor relativ kurzer Zeit erschien den Menschen der Globus riesig. Die tapferen Gefährten Magellans brauchten mehr als drei Jahre, um vor fast einem halben Jahrtausend unter unglaublichen Strapazen ihre erste Weltumrundung zu unternehmen. Seitdem sind etwas mehr als 100 Jahre vergangen einfallsreicher Held Fantasy-Roman Jules Verne unternahm mithilfe der neuesten technologischen Fortschritte seiner Zeit eine Reise um die Welt in 80 Tagen. Und es sind nur etwas weniger als 50 Jahre seit jenen denkwürdigen Tagen für die ganze Menschheit vergangen, als der erste Sowjetischer Kosmonaut Gagarin flog auf dem legendären herum Raumschiff„Wostok“-Globus in 89 Minuten. Und die Gedanken der Menschen wandten sich unwillkürlich den riesigen Weiten des Weltraums zu, in denen der kleine Planet Erde verloren ging ...

1 Parsec (pc) entspricht 3,26 Lichtjahren. Ein Parsec ist definiert als die Entfernung, aus der der Radius der Erdumlaufbahn in einem Winkel von 1 Sekunde sichtbar ist. Bögen. Das ist ein sehr kleiner Winkel. Es genügt zu sagen, dass aus diesem Blickwinkel eine Ein-Kopeken-Münze aus einer Entfernung von 3 km sichtbar ist.

Keiner der Sterne ist der nächste Nachbar Sonnensystem- ist uns nicht näher als 1 Stk. Beispielsweise befindet sich der erwähnte Proxima Centauri in einer Entfernung von etwa 1,3 Prozent von uns. Auf dem Maßstab, in dem wir das Sonnensystem dargestellt haben, entspricht dies 2.000 km. All dies veranschaulicht gut die große Isolation unseres Sonnensystems von umgebenden Sternsystemen; einige dieser Systeme könnten viele Ähnlichkeiten mit ihm haben.

Doch die die Sonne umgebenden Sterne und die Sonne selbst bilden nur einen unbedeutenden Teil der gigantischen Gruppe von Sternen und Nebeln, die „Galaxie“ genannt wird. Wir sehen diesen Sternhaufen in klaren, mondlosen Nächten als einen Streifen der Milchstraße, der den Himmel kreuzt. Die Galaxie hat eine ziemlich komplexe Struktur. In der ersten, gröbsten Näherung können wir davon ausgehen, dass die Sterne und Nebel, aus denen es besteht, ein Volumen füllen, das die Form eines stark komprimierten Rotationsellipsoids hat. In der populären Literatur wird die Form der Galaxie oft mit einer bikonvexen Linse verglichen. In Wirklichkeit ist alles viel komplizierter und das gezeichnete Bild ist zu grob. Tatsächlich stellt sich heraus, dass sich verschiedene Arten von Sternen auf völlig unterschiedliche Weise in Richtung des Zentrums der Galaxie und in Richtung ihrer „Äquatorialebene“ konzentrieren. Beispielsweise konzentrieren sich gasförmige Nebel sowie sehr heiße, massereiche Sterne stark auf die Äquatorialebene der Galaxie (am Himmel entspricht diese Ebene einem großen Kreis, der durch die zentralen Teile der Milchstraße verläuft). Allerdings zeigen sie keine nennenswerte Konzentration in Richtung des galaktischen Zentrums. Andererseits gibt es einige Arten von Sternen und Sternhaufen(die sogenannten „Kugelsternhaufen“) zeigen fast keine Konzentration in Richtung der Äquatorialebene der Galaxie, zeichnen sich jedoch durch eine enorme Konzentration in Richtung ihres Zentrums aus. Zwischen diesen beiden extremen Arten der räumlichen Verteilung (die Astronomen „flach“ und „sphärisch“ nennen) liegen alle Zwischenfälle. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich der Großteil der Sterne der Galaxie in einer riesigen Scheibe befindet, deren Durchmesser etwa 100.000 Lichtjahre und deren Dicke etwa 1500 Lichtjahre beträgt. Diese Scheibe enthält etwas mehr als 150 Milliarden Sterne unterschiedlicher Art. Unsere Sonne ist einer dieser Sterne und befindet sich am Rande der Galaxie nahe ihrer Äquatorialebene (genauer gesagt „nur“ in einer Entfernung von etwa 30 Lichtjahren – ein im Vergleich zur Dicke der Sternscheibe recht kleiner Wert).

Die Entfernung von der Sonne zum Kern der Galaxie (oder ihrem Zentrum) beträgt etwa 30.000 Lichtjahre. Die Sterndichte in der Galaxie ist sehr ungleichmäßig. Am höchsten ist sie in der Region des galaktischen Kerns, wo sie nach neuesten Daten 2.000 Sterne pro Kubikparsec erreicht, was fast 20.000 Mal mehr ist als die durchschnittliche Sterndichte in der Nähe der Sonne. Darüber hinaus neigen Sterne dazu, unterschiedliche Gruppen oder Cluster zu bilden. Ein gutes Beispiel für einen solchen Cluster sind die Plejaden, die an unserem Winterhimmel sichtbar sind.

Die Galaxie enthält auch Strukturdetails in viel größerem Maßstab. Untersuchungen haben gezeigt, dass Nebel sowie heiße, massereiche Sterne entlang der Spiraläste verteilt sind. Besonders deutlich ist die Spiralstruktur in anderen Sternensystemen – Galaxien – sichtbar (mit einem kleinen Buchstaben, im Gegensatz zu unserem Sternensystem – Galaxien). Es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, die Spiralstruktur der Galaxie zu bestimmen, in der wir uns befinden.

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonne und ihrer Nachbarsterne auf ihren nahezu kreisförmigen galaktischen Umlaufbahnen erreicht 250 km/s. Dieser regelmäßigen Bewegung um den galaktischen Kern überlagert sind die chaotischen, ungeordneten Bewegungen der Sterne. Die Geschwindigkeiten solcher Bewegungen sind viel geringer – etwa 10–50 km/s – und sie sind für Objekte verschiedener Art unterschiedlich. Die langsamsten Geschwindigkeiten gelten für heiße, massereiche Sterne (6-8 km/s), für Sterne Solartyp sie liegen bei etwa 20 km/s. Je niedriger diese Geschwindigkeiten sind, desto „flacher“ ist die Verteilung dieser Art Sterne

Auf dem Maßstab, den wir zur visuellen Darstellung des Sonnensystems verwendet haben, wird die Größe der Galaxie 60 Millionen km betragen – ein Wert, der bereits ziemlich nahe an der Entfernung von der Erde zur Sonne liegt. Von hier aus ist klar, dass dieser Maßstab nicht mehr geeignet ist, je weiter wir in immer weiter entfernte Regionen des Universums vordringen, da er an Klarheit verliert. Deshalb werden wir einen anderen Maßstab nehmen. Reduzieren wir gedanklich die Erdumlaufbahn auf die Größe der innersten Umlaufbahn des Wasserstoffatoms im klassischen Bohr-Modell. Erinnern wir uns daran, dass der Radius dieser Umlaufbahn 0,53 x 10 -8 cm beträgt. Dann befindet sich der nächste Stern in einer Entfernung von ungefähr 0,014 mm, das Zentrum der Galaxie in einer Entfernung von ungefähr 10 cm und die Abmessungen unserer Das Sternsystem wird etwa 35 cm groß sein. Der Durchmesser der Sonne wird mikroskopische Abmessungen haben: 0,0046 A (Angström-Längeneinheit gleich 10 -8 cm).

Wir haben bereits betont, dass die Sterne enorm weit voneinander entfernt liegen und somit praktisch isoliert sind. Dies bedeutet insbesondere, dass Sterne fast nie miteinander kollidieren, obwohl die Bewegung jedes einzelnen von ihnen durch das Gravitationsfeld bestimmt wird, das von allen Sternen in der Galaxie erzeugt wird. Wenn wir die Galaxie als eine bestimmte Region betrachten, die mit Gas gefüllt ist, und die Rolle Gasmoleküle und Atome werden von Sternen gespielt, dann müssen wir dieses Gas als extrem verdünnt betrachten. In der Nähe der Sonne ist der durchschnittliche Abstand zwischen Sternen etwa zehn Millionen Mal größer als der durchschnittliche Durchmesser der Sterne. Unter normalen Bedingungen in normaler Luft beträgt der durchschnittliche Abstand zwischen Molekülen nur das Zehnfache weitere Größen Letzteres. Um den gleichen Grad an relativer Verdünnung zu erreichen, müsste die Luftdichte um mindestens das 1018-fache reduziert werden! Beachten Sie jedoch, dass in Zentralregion In Galaxien, in denen die Sterndichte relativ hoch ist, kommt es von Zeit zu Zeit zu Kollisionen zwischen Sternen. Hier müssen wir etwa alle eine Million Jahre mit einer Kollision rechnen, während es in den „normalen“ Regionen der Galaxie in der gesamten Entwicklungsgeschichte unseres mindestens 10 Milliarden Jahre alten Sternsystems praktisch keine Kollisionen zwischen Sternen gegeben hat.

Wir können eine Metagalaxie als eine Ansammlung von Sternensystemen definieren – Galaxien, die sich hineinbewegen weite Räume Teil des Universums, den wir beobachten können. Die unserem Sternensystem am nächsten gelegenen Galaxien sind die berühmten Magellanschen Wolken, die am Himmel der südlichen Hemisphäre deutlich als zwei große Flecken mit ungefähr der gleichen Oberflächenhelligkeit wie die Milchstraße sichtbar sind. Die Entfernung zu den Magellanschen Wolken beträgt „nur“ etwa 200.000 Lichtjahre, was durchaus vergleichbar ist Gesamtlänge unserer Galaxie. Eine weitere Galaxie „in unserer Nähe“ ist der Nebel im Sternbild Andromeda. Es ist mit bloßem Auge als schwacher Lichtfleck sichtbar. 5 Größe.

Tatsächlich handelt es sich um eine riesige Sternenwelt, gemessen an der Anzahl der Sterne und der Gesamtmasse, die dreimal so groß ist wie unsere Galaxie, die wiederum ein Riese unter den Galaxien ist. Die Entfernung zum Andromeda-Nebel, oder wie Astronomen ihn nennen, M 31 (das bedeutet, dass er im bekannten Katalog der Messier-Nebel als Nr. 31 aufgeführt ist), beträgt etwa 1800.000 Lichtjahre, was etwa dem 20-fachen entspricht die Größe der Galaxie. Der Nebel M 31 hat eine klar definierte Spiralstruktur und ist in vielen seiner Eigenschaften unserer Galaxie sehr ähnlich. Daneben sind seine kleinen ellipsoiden Satelliten. Neben Spiralsystemen werden solche Galaxien je nach Art ihrer Entwicklung mit den Symbolen Sa, Sb und Sc bezeichnet spiralförmige Struktur; Wenn eine „Brücke“ durch den Kern verläuft, wird der Buchstabe B nach dem Buchstaben S eingefügt. Es gibt kugelförmige und ellipsoide Galaxien ohne Spuren einer Spiralstruktur sowie „unregelmäßige“ Galaxien, ein gutes Beispiel dafür Das sind die Magellanschen Wolken.

IN große Teleskope Es wird eine große Anzahl von Galaxien beobachtet. Wenn es etwa 250 Galaxien gibt, die heller als die sichtbare 12. Größe sind, dann gibt es bereits etwa 50.000 hellere als die 16. Die schwächsten Objekte, die an der Grenze mit einem Spiegelteleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 5 m fotografiert werden können, haben eine Magnitude von 24,5, denn das Hubble-Orbitalteleskop begrenzt diese Grenze auf Objekte der Magnitude 30. Es stellt sich heraus, dass unter den Milliarden solcher schwachen Objekte die meisten Galaxien sind. Viele von ihnen sind so weit von uns entfernt, dass das Licht Milliarden von Jahren zurücklegt. Das bedeutet, dass das Licht, das zur Schwärzung der Platte führte, lange vor der Archaikumzeit von einer so weit entfernten Galaxie emittiert wurde geologische Geschichte Erde!

Die Spektren der meisten Galaxien ähneln denen der Sonne; in beiden Fällen sind einzelne dunkle Absorptionslinien vor einem recht hellen Hintergrund zu beobachten. Dies ist nicht unerwartet, da die Strahlung von Galaxien die Strahlung der Milliarden von Sternen ist, aus denen sie bestehen, und die der Sonne mehr oder weniger ähnlich ist. Die sorgfältige Untersuchung der Spektren von Galaxien führte vor vielen Jahren zu einer Entdeckung von grundlegender Bedeutung. Tatsache ist, dass man durch die Art der Wellenlängenverschiebung einer beliebigen Spektrallinie im Verhältnis zum Laborstandard die Bewegungsgeschwindigkeit der emittierenden Quelle entlang der Sichtlinie bestimmen kann. Mit anderen Worten: Es lässt sich feststellen, mit welcher Geschwindigkeit sich die Quelle nähert oder entfernt.

Das bedeutet, dass sich alle Galaxien von uns entfernen und die Geschwindigkeit der „Expansion“ zunimmt, wenn sich die Galaxien entfernen. Es erreicht enorme Werte. Beispielsweise liegt die anhand der Rotverschiebung ermittelte Rückzugsgeschwindigkeit der Radiogalaxie Cygnus A bei nahezu 17.000 km/s. Der Rekord gehörte lange Zeit zur sehr schwachen (in optischen Strahlen der 20. Größe) Radiogalaxie 3S 295. 1960 wurde ihr Spektrum erhalten. Es stellte sich heraus, dass das bekannte Ultraviolett Spektrallinie, zu ionisiertem Sauerstoff gehörend, wird in den orangefarbenen Bereich des Spektrums verschoben! Von hier aus lässt sich leicht feststellen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich dieses erstaunliche Sternensystem bewegt, 138.000 km/s beträgt, also fast die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit! Die Radiogalaxie 3S 295 ist in einer Entfernung von uns entfernt, die das Licht in 5 Milliarden Jahren zurücklegt. So untersuchten Astronomen das Licht, das bei der Entstehung der Sonne und der Planeten emittiert wurde, und vielleicht sogar „etwas“ früher … Seitdem wurden viel weiter entfernte Objekte entdeckt.

Der Gesamtausdehnung des Galaxiensystems überlagert sind die unregelmäßigen Geschwindigkeiten einzelner Galaxien, typischerweise mehrere hundert Kilometer pro Sekunde. Aus diesem Grund weisen die uns nächstgelegenen Galaxien keine systematische Rotverschiebung auf. Schließlich sind die Geschwindigkeiten zufälliger (sogenannter „eigentümlicher“) Bewegungen dieser Galaxien größer als die normale Rotverschiebungsgeschwindigkeit. Letztere erhöht sich mit der Entfernung der Galaxien um etwa 50 km/s pro Million Parsec. Daher übersteigen die zufälligen Geschwindigkeiten bei Galaxien, deren Entfernung mehrere Millionen Parsec nicht überschreitet, die Rückzugsgeschwindigkeit aufgrund der Rotverschiebung. Unter den nahen Galaxien gibt es auch solche, die sich uns nähern (zum Beispiel der Andromeda-Nebel M 31).

Galaxien sind im metagalaktischen Raum nicht gleichmäßig verteilt, d.h. mit konstanter Dichte. Sie zeigen eine ausgeprägte Tendenz zur Bildung separater Gruppen oder Cluster. Insbesondere eine Gruppe von etwa 20 Galaxien in unserer Nähe (einschließlich unserer Galaxie) bildet das sogenannte „lokale System“. Wiederum lokales System enthalten großer Cluster Galaxien, deren Zentrum in dem Teil des Himmels liegt, auf den das Sternbild Jungfrau projiziert wird. Dieser Cluster hat mehrere tausend Mitglieder und gehört zu den größten. Im Raum zwischen Galaxienhaufen ist die Dichte der Galaxien um ein Vielfaches geringer als innerhalb der Galaxienhaufen.

Bemerkenswert ist der Unterschied zwischen Sternhaufen, die Galaxien bilden, und Galaxienhaufen. Im ersten Fall sind die Abstände zwischen den Clustermitgliedern im Vergleich zur Größe der Sterne enorm, während die durchschnittlichen Abstände zwischen Galaxien in Galaxienhaufen nur um ein Vielfaches größer sind als die Größe der Galaxien. Andererseits kann die Anzahl der Galaxien in Clustern nicht mit der Anzahl der Sterne in Galaxien verglichen werden. Wenn wir eine Ansammlung von Galaxien als eine Art Gas betrachten, bei dem die Rolle der Moleküle von einzelnen Galaxien übernommen wird, dann müssen wir dieses Medium als äußerst viskos betrachten.

Wir haben das Wesentliche in allgemeinster Form kennengelernt Strukturmerkmale und mit der Größe des Universums. Es ist wie ein eingefrorener Rahmen ihrer Entwicklung. Sie war nicht immer so, wie wir sie jetzt sehen. Alles im Universum verändert sich: Sterne und Nebel erscheinen, entwickeln sich und „sterben“, die Galaxie entwickelt sich auf natürliche Weise, die Struktur und das Ausmaß der Metagalaxie ändern sich.

Treppe zur Unendlichkeit

Wie bestimmt man die Entfernung zu den Sternen? Woher wissen wir, dass Alpha Centauri etwa 4 Lichtjahre entfernt ist? Schließlich kann man anhand der Helligkeit eines Sterns als solchen nicht viel sagen – die Helligkeit eines schwachen nahen Sterns und eines hellen entfernten Sterns kann gleich sein. Und doch gibt es viele ziemlich zuverlässige Methoden, um die Entfernungen von der Erde bis in die entlegensten Winkel des Universums zu bestimmen. Im Laufe von vier Betriebsjahren bestimmte der astrometrische Satellit Hipparchus die Entfernungen von bis zu 118.000 Sternen SPL

Egal, was Physiker über die Dreidimensionalität, Sechsdimensionalität oder sogar Elfdimensionalität des Raums sagen, für einen Astronomen ist das beobachtbare Universum immer zweidimensional. Was im Weltraum geschieht, erscheint uns in einer Projektion auf die Himmelssphäre, so wie in einem Film die gesamte Komplexität des Lebens auf eine Flachbildschirm projiziert wird. Auf dem Bildschirm können wir aufgrund unserer Vertrautheit mit dem dreidimensionalen Original leicht unterscheiden, was fern und nah ist, aber in der zweidimensionalen Streuung von Sternen gibt es keinen visuellen Hinweis, der es uns ermöglicht, daraus ein dreidimensionales Original zu machen. dimensionale Karte, die zur Darstellung des Kurses eines interstellaren Schiffes geeignet ist. Mittlerweile sind Entfernungen der Schlüssel für fast die Hälfte aller Astrophysiker. Wie man einen nahestehenden Menschen ohne sie unterscheidet schwacher Stern von weit her, aber heller Quasar? Nur wenn man die Entfernung zu einem Objekt kennt, kann man seine Energie beurteilen, und von hier aus gibt es einen direkten Weg zum Verständnis seiner physikalischen Natur.

Ein aktuelles Beispiel für die Unsicherheit kosmischer Entfernungen ist das Problem der Quellen von Gammastrahlenausbrüchen, kurzen Impulsen harter Strahlung, die etwa einmal täglich aus verschiedenen Richtungen auf der Erde eintreffen. Erste Schätzungen ihrer Entfernung reichten von Hunderten astronomischen Einheiten (zig Lichtstunden) bis zu Hunderten Millionen Lichtjahren. Dementsprechend beeindruckend war auch die Streuung in den Modellen – von der Vernichtung von Antimaterie-Kometen am Rande des Sonnensystems über die Explosionen von Neutronensternen, die das gesamte Universum erschütterten, bis hin zur Geburt von Weißen Löchern. Bis Mitte der 1990er Jahre wurden mehr als hundert verschiedene Erklärungen für die Natur von Gammastrahlenausbrüchen vorgeschlagen. Nachdem wir nun die Entfernungen zu ihren Quellen abschätzen konnten, sind nur noch zwei Modelle übrig.

Aber wie kann man Entfernungen messen, wenn man das Objekt weder mit einem Lineal noch mit einem Suchstrahl erreichen kann? Abhilfe schafft die in der konventionellen Erdgeodäsie weit verbreitete Triangulationsmethode. Auswahl eines Segments bekannte Länge- die Basis, wir messen von ihren Enden aus die Winkel, in denen ein aus dem einen oder anderen Grund unzugänglicher Punkt sichtbar ist, und dann geben einfache trigonometrische Formeln den erforderlichen Abstand an. Wenn wir uns von einem Ende der Basis zum anderen bewegen, ändert sich die scheinbare Richtung des Punktes, er verschiebt sich vor dem Hintergrund entfernter Objekte. Dies wird als Parallaxenverschiebung oder Parallaxe bezeichnet. Sein Wert ist umso kleiner, je weiter das Objekt entfernt ist, und umso größer, je länger die Basis ist.

Um Entfernungen zu Sternen zu messen, muss man die maximale Basis nutzen, die den Astronomen zur Verfügung steht. gleich dem Durchmesser Erdumlaufbahn. Die entsprechende parallaktische Verschiebung der Sterne am Himmel (genau genommen die Hälfte davon) wurde als jährliche Parallaxe bezeichnet. Tycho Brahe versuchte es zu messen, dem Kopernikus‘ Vorstellung von der Rotation der Erde um die Sonne nicht gefiel, und beschloss, sie zu überprüfen – schließlich beweisen Parallaxen auch die Umlaufbewegung der Erde. Die durchgeführten Messungen hatten eine für das 16. Jahrhundert beeindruckende Genauigkeit von etwa einer Bogenminute, reichten jedoch zur Messung von Parallaxen völlig nicht aus, was Brahe selbst nicht erkannte und zu dem Schluss kam, dass das kopernikanische System falsch sei.

Die Entfernung zu Sternhaufen wird durch die Hauptreihenanpassungsmethode bestimmt

Der nächste Angriff auf die Parallaxe erfolgte 1726 durch den Engländer James Bradley, den späteren Direktor des Greenwich Observatory. Zunächst schien es, als hätte ihm das Glück zugestimmt: Der zur Beobachtung ausgewählte Stern Gamma Draco pendelte im Laufe eines Jahres tatsächlich mit einer Schwingung von 20 Bogensekunden um seine durchschnittliche Position. Die Richtung dieser Verschiebung unterschied sich jedoch von der für Parallaxen erwarteten, und Bradley stellte bald fest richtige Erklärung: Die Geschwindigkeit der Erdumlaufbahn addiert sich zur Lichtgeschwindigkeit des Sterns und ändert seine scheinbare Richtung. Ebenso hinterlassen Regentropfen schräge Spuren auf Busfenstern. Dieses als jährliche Aberration bezeichnete Phänomen war der erste direkte Beweis für die Bewegung der Erde um die Sonne, hatte jedoch nichts mit Parallaxen zu tun.

Nur ein Jahrhundert später erreichte die Genauigkeit der Goniometerinstrumente das erforderliche Niveau. In den späten 30er Jahren des 19. Jahrhunderts wurde, wie John Herschel es ausdrückte, „die Mauer, die das Eindringen in das Sternenuniversum verhinderte, fast gleichzeitig an drei Stellen durchbrochen“. Im Jahr 1837 veröffentlichte Wassili Jakowlewitsch Struwe (damals Direktor des Dorpat-Observatoriums und später des Pulkowo-Observatoriums) die von ihm gemessene Wega-Parallaxe – 0,12 Bogensekunden. An nächstes Jahr Friedrich Wilhelm Bessel berichtete, dass die Parallaxe des Sterns 61. Cygni 0,3 beträgt. Und ein Jahr später berichtete der schottische Astronom Thomas Henderson, der auf der Südhalbkugel am Kap arbeitete Gute Hoffnung, maß die Parallaxe im Alpha-Centauri-System - 1,16". Später stellte sich jedoch heraus, dass dieser Wert um das 1,5-fache überschätzt wurde und es am gesamten Himmel keinen einzigen Stern mit einer Parallaxe von mehr als 1 Bogensekunde gibt.

Für mit der parallaktischen Methode gemessene Entfernungen wurde eine spezielle Längeneinheit eingeführt – das Parsec (von parallaktische Sekunde, pc). Ein Parsec enthält 206.265 astronomische Einheiten oder 3,26 Lichtjahre. Aus dieser Entfernung ist der Radius der Erdumlaufbahn (1 astronomische Einheit = 149,5 Millionen Kilometer) in einem Winkel von 1 Sekunde sichtbar. Um die Entfernung zu einem Stern in Parsec zu bestimmen, müssen Sie ihn durch seine Parallaxe in Sekunden dividieren. Zum Beispiel für das uns am nächsten gelegene Sternensystem Alpha Centauri 1/0,76 = 1,3 Parsec oder 270.000 astronomische Einheiten. Tausend Parsecs werden Kiloparsecs (kpc) genannt, eine Million Parsecs werden Megaparsecs (Mpc) genannt und eine Milliarde werden Gigaparsecs (Gpc) genannt.

Die Messung extrem kleiner Winkel erforderte technische Raffinesse und enorme Sorgfalt (Bessel verarbeitete beispielsweise mehr als 400 Einzelbeobachtungen des 61. Cygnus), doch nach dem ersten Durchbruch ging es einfacher. Bis 1890 wurden die Parallaxen von bereits drei Dutzend Sternen gemessen, und als die Fotografie in der Astronomie weit verbreitet war, wurde die präzise Messung von Parallaxen in Betrieb genommen. Die Parallaxenmessung ist die einzige Methode direkte Definition Entfernungen zu einzelnen Sternen. Bei bodengestützten Beobachtungen erlauben atmosphärische Störungen jedoch nicht, dass mit der parallaktischen Methode Entfernungen größer als 100 pc gemessen werden können. Für das Universum ist dies kein sehr großer Wert. („Hier ist es nicht weit, hundert Parsec“, wie Gromozeka sagte.) Wo geometrische Methoden versagen, kommen photometrische Methoden zur Rettung.

Geometrische Aufzeichnungen

In den letzten Jahren wurden zunehmend Ergebnisse von Entfernungsmessungen zu sehr kompakten Radioemissionsquellen – Masern – veröffentlicht. Ihre Strahlung erfolgt im Radiobereich, was es ermöglicht, sie auf Radiointerferometern zu beobachten, die die Koordinaten von Objekten mit einer Genauigkeit im Mikrosekundenbereich messen können, die in China unerreichbar ist optische Reichweite, in dem Sterne beobachtet werden. Dank Masern können trigonometrische Methoden nicht nur auf entfernte Objekte in unserer Galaxie, sondern auch auf andere Galaxien angewendet werden. Beispielsweise bestimmten Andreas Brunthaler (Deutschland) und seine Kollegen im Jahr 2005 die Entfernung zur M33-Galaxie (730 kpc), indem sie die Winkelverschiebung der Maser mit der Rotationsgeschwindigkeit dieses Sternsystems verglichen. Ein Jahr später nutzten Ye Xu (China) und seine Kollegen klassische Methode Parallaxen zu „lokalen“ Maserquellen, um die Entfernung (2 kpc) zu einem der Spiralarme unserer Galaxie zu messen. Vielleicht gelang es J. Hernsteen (USA) und seinen Kollegen 1999, am weitesten voranzukommen. Verfolgung der Bewegung von Masern in einer Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch im Kern aktive Galaxie Astronomen haben festgestellt, dass dieses System für NGC 4258 7,2 Mpc von uns entfernt ist. Dies ist heute ein absoluter Rekord für geometrische Methoden.

Standard-Astronomenkerzen

Je weiter die Strahlungsquelle von uns entfernt ist, desto dunkler ist sie. Wenn Sie die wahre Leuchtkraft eines Objekts ermitteln, können Sie durch Vergleich mit der scheinbaren Helligkeit die Entfernung ermitteln. Es war wahrscheinlich Huygens, der diese Idee als erster auf die Messung von Entfernungen zu Sternen anwendete. Nachts beobachtete er Sirius und tagsüber verglich er seinen Glanz mit einem winzigen Loch im Schirm, der die Sonne verdeckte. Die Lochgröße so wählen, dass beide Helligkeiten übereinstimmen, und vergleichen Winkelwerte Loch und der Sonnenscheibe kam Huygens zu dem Schluss, dass Sirius 27.664 Mal weiter von uns entfernt ist als die Sonne. Dies ist 20-mal weniger als die tatsächliche Entfernung. Ein Teil des Fehlers war auf die Tatsache zurückzuführen, dass Sirius tatsächlich viel mehr ist heller als die Sonne, und teilweise aufgrund der Schwierigkeit, Brillanz aus dem Gedächtnis zu vergleichen.

Ein Durchbruch auf dem Gebiet der photometrischen Methoden gelang mit dem Aufkommen der Fotografie in der Astronomie. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte das Harvard College Observatory groß angelegte Arbeiten durch, um die Helligkeit von Sternen mithilfe von Fotoplatten zu bestimmen. Besondere Aufmerksamkeit wurde gegeben veränderliche Sterne, dessen Helligkeit schwankt. Als Henrietta Leavitt veränderliche Sterne einer besonderen Klasse – Cepheiden – in der Kleinen Magellanschen Wolke untersuchte, bemerkte sie, dass die Sterne umso heller sind, je heller sie sind längerer Zeitraum Schwankungen in ihrer Helligkeit: Sterne mit einer Periode von mehreren zehn Tagen erwiesen sich als etwa 40-mal heller als Sterne mit einer Periode von etwa einem Tag.

Da sich alle Levitt-Cepheiden im selben Sternensystem – der Kleinen Magellanschen Wolke – befanden, konnte man davon ausgehen, dass sie sich in der gleichen (wenn auch unbekannten) Entfernung von uns befanden. Dies bedeutet, dass der Unterschied in ihrer scheinbaren Helligkeit mit realen Unterschieden in der Leuchtkraft verbunden ist. Es bleibt abzuwarten geometrische Methode Entfernung zu einem Cepheiden, um die gesamte Abhängigkeit zu kalibrieren und durch Messung der Periode die wahre Leuchtkraft eines Cepheiden und daraus die Entfernung zum Stern und dem Sternsystem, das ihn enthält, bestimmen zu können.

Aber leider gibt es in der Nähe der Erde keine Cepheiden. Der nächstgelegene von ihnen – der Nordstern – ist, wie wir jetzt wissen, um 130 Prozent von der Sonne entfernt, das heißt, er liegt außerhalb der Reichweite bodengestützter Parallaxenmessungen. Dadurch war es nicht möglich, eine Brücke direkt von den Parallaxen zu den Cepheiden zu bauen, und die Astronomen mussten eine Struktur bauen, die heute im übertragenen Sinne Distanzleiter genannt wird.

Offene Sternhaufen mit mehreren Dutzend bis Hunderten von Sternen, die durch eine gemeinsame Geburtszeit und einen gemeinsamen Geburtsort verbunden sind, wurden zu einem Zwischenschritt auf diesem Weg. Wenn Sie die Temperatur und Leuchtkraft aller Sterne im Sternhaufen grafisch darstellen, Großer Teil Punkte fallen auf eine geneigte Linie (genauer gesagt einen Streifen), die als Hauptfolge bezeichnet wird. Die Temperatur wird mit hoher Genauigkeit aus dem Spektrum des Sterns bestimmt, und die Leuchtkraft wird aus seiner scheinbaren Helligkeit und Entfernung bestimmt. Wenn die Entfernung unbekannt ist, hilft die Tatsache, dass alle Sterne im Sternhaufen fast gleich weit von uns entfernt sind, sodass innerhalb des Sternhaufens die scheinbare Helligkeit immer noch als Maß für die Leuchtkraft verwendet werden kann.

Da die Sterne überall gleich sind, müssen die Hauptreihen aller Sternhaufen übereinstimmen. Die Unterschiede sind lediglich auf die unterschiedlichen Entfernungen zurückzuführen. Wenn wir den Abstand zu einem der Cluster mit einer geometrischen Methode bestimmen, finden wir heraus, wie die „echte“ Hauptreihe aussieht, und bestimmen dann durch den Vergleich von Daten zu anderen Clustern damit die Abstände zu ihnen. Diese Methode wird als „Hauptsequenzanpassung“ bezeichnet. Der Maßstab für ihn lange Zeit dienten als Plejaden und Hyaden, deren Abstände nach der Methode der Gruppenparallaxen bestimmt wurden.

Zum Glück für die Astrophysik wurden Cepheiden in etwa zwei Dutzend offenen Sternhaufen entdeckt. Daher ist es durch die Messung der Abstände zu diesen Clustern durch Anpassung der Hauptsequenz möglich, die Leiter zu den Cepheiden zu „dehnen“, die sich auf der dritten Stufe befinden.

Cepheiden sind als Indikator für Entfernungen sehr praktisch: Es gibt relativ viele von ihnen – sie können in jeder Galaxie und sogar in jedem Kugelsternhaufen gefunden werden, und da sie Riesensterne sind, sind sie hell genug, um intergalaktische Entfernungen von ihnen zu messen. Dadurch haben sie sich viele laute Beinamen verdient, etwa „Leuchttürme des Universums“ oder „Meilensteine der Astrophysik“. Die „Linie“ der Cepheiden erstreckt sich bis zu 20 Mpc, was etwa dem Hundertfachen der Größe unserer Galaxie entspricht. Danach sind sie selbst mit den leistungsstärksten modernen Instrumenten nicht mehr zu unterscheiden, und um auf die vierte Sprosse der Distanzleiter aufzusteigen, braucht es etwas Helleres.

METHODEN ZUR MESSUNG VON RAUMABSTÄNDEN

An den Rand des Universums

Eine der aussagekräftigsten extragalaktischen Entfernungsmessungen basiert auf einem Muster, das als Tully-Fisher-Relation bekannt ist: Je heller eine Spiralgalaxie, desto schneller rotiert sie. Wenn eine Galaxie von der Kante oder in einer erheblichen Neigung gesehen wird, rückt die Hälfte ihrer Materie aufgrund der Rotation näher an uns heran und die andere Hälfte entfernt sich, was aufgrund des Doppler-Effekts zu einer Verbreiterung der Spektrallinien führt. Aus dieser Ausdehnung wird die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt, daraus die Leuchtkraft und anschließend aus einem Vergleich mit der sichtbaren Helligkeit die Entfernung zur Galaxie. Und natürlich benötigen wir zur Kalibrierung dieser Methode Galaxien, deren Entfernungen bereits mit Cepheiden gemessen wurden. Die Tully-Fisher-Methode ist sehr weitreichend und deckt Galaxien ab, die mehrere Hundert Megaparsec von uns entfernt sind. Sie hat aber auch ihre Grenzen, da es nicht möglich ist, für Galaxien, die zu weit entfernt und lichtschwach sind, ausreichend hochwertige Spektren zu erhalten.

Über einen etwas größeren Entfernungsbereich hinweg ein weiteres „ Standardkerze„Supernovae vom Typ Ia. Ausbrüche solcher Supernovae sind „gleichartige“ thermonukleare Explosionen von Weißen Zwergen mit einer Masse knapp über der kritischen Masse (1,4 Sonnenmassen). Daher gibt es keinen Grund dafür, dass ihre Leistung stark schwankt. Beobachtungen solcher Supernovae in nahegelegenen Galaxien, deren Entfernungen anhand von Cepheiden bestimmt werden können, scheinen diese Konstanz zu bestätigen, weshalb kosmische thermonukleare Explosionen heute häufig zur Entfernungsbestimmung eingesetzt werden. Sie sind sogar Milliarden Parsec von uns entfernt sichtbar, aber man weiß nie, bis zu welcher Entfernung die Galaxie gemessen wird, da nicht im Voraus genau bekannt ist, wo die nächste Supernova ausbrechen wird.

Bisher erlaubt uns nur eine Methode, noch weiter zu gehen – Rotverschiebungen. Seine Geschichte beginnt, ebenso wie die Geschichte der Cepheiden, gleichzeitig mit dem 20. Jahrhundert. Im Jahr 1915 bemerkte der Amerikaner Vesto Slipher bei der Untersuchung der Spektren von Galaxien, dass die Linien in den meisten von ihnen gegenüber der „Laborposition“ rotverschoben waren. 1924 bemerkte der Deutsche Karl Wirtz, dass diese Verschiebung umso stärker ist, je kleiner die Winkelabmessungen der Galaxie sind. Allerdings gelang es erst Edwin Hubble im Jahr 1929, diese Daten in ein einziges Bild zu bringen. Nach dem Doppler-Effekt bedeutet die Rotverschiebung der Linien im Spektrum, dass sich das Objekt von uns wegbewegt. Durch den Vergleich der Spektren von Galaxien mit den von Cepheiden ermittelten Entfernungen zu ihnen formulierte Hubble ein Gesetz: Die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie entfernt, ist proportional zu ihrer Entfernung. Der Proportionalitätskoeffizient in dieser Beziehung wird Hubble-Konstante genannt.

Damit wurde die Expansion des Universums entdeckt und damit die Möglichkeit, Entfernungen zu Galaxien aus ihren Spektren zu bestimmen, vorausgesetzt natürlich, dass die Hubble-Konstante an einige andere „Herrscher“ gebunden ist. Hubble selbst führte diese Ausrichtung mit einem Fehler von fast einer Größenordnung durch, der erst Mitte der 1940er Jahre korrigiert wurde, als klar wurde, dass Cepheiden in mehrere Typen mit unterschiedlichen Perioden-Leuchtkraft-Beziehungen unterteilt sind. Die Kalibrierung wurde erneut auf der Grundlage „klassischer“ Cepheiden durchgeführt, und erst dann näherte sich der Wert der Hubble-Konstante an moderne Schätzungen: 50-100 km/s für jedes Megaparsec Entfernung zur Galaxie.

Jetzt werden Rotverschiebungen verwendet, um Entfernungen zu Galaxien zu bestimmen, die Tausende von Megaparsec von uns entfernt sind. Allerdings werden diese Entfernungen nur in populären Artikeln in Megaparsec angegeben. Tatsache ist, dass sie von dem in den Berechnungen verwendeten Modell der Entwicklung des Universums abhängen, und außerdem ist im expandierenden Raum nicht ganz klar, welche Entfernung gemeint ist: diejenige, in der sich die Galaxie zum Zeitpunkt der Strahlungsemission befand , oder derjenige, an dem es sich zum Zeitpunkt seines Empfangs auf der Erde befindet, oder die Entfernung, die das Licht auf seinem Weg vom Startpunkt zum Endpunkt zurücklegt. Daher geben Astronomen lieber nur den direkt beobachteten Rotverschiebungswert für entfernte Objekte an, ohne ihn in Megaparsec umzurechnen.

Rotverschiebungen sind heute die einzige Methode zur Schätzung „kosmologischer“ Entfernungen, die mit der „Größe des Universums“ vergleichbar sind, und gleichzeitig vielleicht die beste Massentechnologie. Im Juli 2007 wurde ein Katalog der Rotverschiebungen von 77.418.767 Galaxien veröffentlicht. Allerdings wurde bei der Erstellung eine etwas vereinfachte automatische Methode zur Spektrenanalyse verwendet, sodass sich bei einigen Werten Fehler einschleichen konnten.

Teamspiel

Geometrische Methoden zur Entfernungsmessung enden nicht mit der jährlichen Parallaxe, bei der die scheinbaren Winkelverschiebungen von Sternen mit den Bewegungen der Erde auf ihrer Umlaufbahn verglichen werden. Ein anderer Ansatz beruht auf der Bewegung der Sonne und der Sterne relativ zueinander. Stellen wir uns einen Sternhaufen vor, der an der Sonne vorbeifliegt. Nach den Gesetzen der Perspektive laufen die sichtbaren Bahnen seiner Sterne wie Schienen am Horizont in einem Punkt zusammen – dem Strahlungspunkt. Seine Position gibt an, in welchem Winkel der Sternhaufen zur Sichtlinie fliegt. Wenn wir diesen Winkel kennen, können wir die Bewegung von Sternhaufen in zwei Komponenten zerlegen – entlang der Sichtlinie und senkrecht dazu Himmelssphäre- und bestimmen Sie das Verhältnis zwischen ihnen. Mithilfe des Doppler-Effekts wird die Radialgeschwindigkeit von Sternen in Kilometern pro Sekunde gemessen und unter Berücksichtigung des gefundenen Anteils die Projektion der Geschwindigkeit auf den Himmel berechnet – ebenfalls in Kilometern pro Sekunde. Es bleibt, diese zu vergleichen lineare Geschwindigkeiten Sterne mit Winkelwinkeln, die aus den Ergebnissen von Langzeitbeobachtungen ermittelt wurden – und die Entfernung wird bekannt sein! Diese Methode funktioniert bis zu mehreren hundert Parsec, ist jedoch nur auf Sternhaufen anwendbar und wird daher als Gruppenparallaxenmethode bezeichnet. So wurden erstmals die Entfernungen zu den Hyaden und Plejaden gemessen.

Die Treppe hinunter, die nach oben führt

Während wir unsere Treppe zu den Außenbezirken des Universums bauten, schwiegen wir über das Fundament, auf dem sie ruht. Mittlerweile gibt die Parallaxenmethode die Entfernung nicht in Standardmetern, sondern in astronomischen Einheiten an, also in den Radien der Erdumlaufbahn, deren Wert ebenfalls nicht sofort bestimmt wurde. Schauen wir also zurück und steigen wir die Leiter der kosmischen Entfernungen zur Erde hinunter.

Der erste Versuch, die Entfernung der Sonne zu bestimmen, war wahrscheinlich Aristarchos von Samos, der einen Vorschlag machte heliozentrisches System Welt eineinhalbtausend Jahre vor Kopernikus. Er fand heraus, dass die Sonne 20-mal weiter von uns entfernt ist als der Mond. Diese Schätzung wurde, wie wir heute wissen, um den Faktor 20 unterschätzt und hielt bis zur Kepler-Ära an. Obwohl er selbst die astronomische Einheit nicht maß, stellte er bereits fest, dass die Sonne viel weiter entfernt sein müsste, als Aristarchos (und nach ihm alle anderen Astronomen) dachten.

Die erste mehr oder weniger akzeptable Schätzung der Entfernung der Erde zur Sonne stammt von Jean Dominique Cassini und Jean Richet. Im Jahr 1672, während der Opposition des Mars, maßen sie seine Position im Vergleich zu den Hintergrundsternen von Paris (Cassini) und Cayenne (Richet). Die Entfernung von Frankreich nach Französisch-Guayana diente als Grundlage eines parallaktischen Dreiecks, aus dem sie die Entfernung zum Mars bestimmten und dann mithilfe der Gleichungen der Himmelsmechanik die astronomische Einheit berechneten und einen Wert von 140 Millionen Kilometern erhielten.

In den nächsten zwei Jahrhunderten wurde der Venustransit durch die Sonnenscheibe zum wichtigsten Instrument zur Bestimmung der Größe des Sonnensystems. Beobachten Sie sie gleichzeitig von verschiedene Punkte Globus können Sie die Entfernung von der Erde zur Venus und von hier aus alle anderen Entfernungen im Sonnensystem berechnen. Im 18.-19. Jahrhundert wurde dieses Phänomen viermal beobachtet: 1761, 1769, 1874 und 1882. Diese Beobachtungen wurden zu einem der ersten internationalen wissenschaftlichen Projekte. Groß angelegte Expeditionen wurden ausgerüstet (die englische Expedition von 1769 wurde vom berühmten James Cook geleitet), spezielle Beobachtungsstationen wurden geschaffen... Und wenn ja spätes XVIII Jahrhundert bot Russland französischen Wissenschaftlern lediglich die Möglichkeit, die Durchfahrt von seinem Territorium aus (von Tobolsk aus) zu beobachten, dann beteiligten sich russische Wissenschaftler bereits 1874 und 1882 aktiv an der Forschung. Leider hat die außergewöhnliche Komplexität der Beobachtungen zu erheblichen Abweichungen bei den Schätzungen der astronomischen Einheit geführt – von etwa 147 bis 153 Millionen Kilometern. Ein zuverlässigerer Wert – 149,5 Millionen Kilometer – wurde erst an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert durch Beobachtungen von Asteroiden ermittelt. Und schließlich muss berücksichtigt werden, dass die Ergebnisse all dieser Messungen auf der Kenntnis der Länge der Basis beruhten, die bei der Messung der astronomischen Einheit dem Radius der Erde entsprach. Letztendlich wurde also der Grundstein für die kosmische Distanzleiter von Vermessern gelegt.

Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts standen den Wissenschaftlern grundlegend neue Methoden zur Bestimmung kosmischer Entfernungen zur Verfügung – Laser und Radar. Sie ermöglichten es, die Genauigkeit der Messungen im Sonnensystem um das Hunderttausendfache zu steigern. Der Radarfehler für Mars und Venus beträgt mehrere Meter, und die Entfernung zu den auf dem Mond installierten Eckreflektoren wird zentimetergenau gemessen. Der derzeit akzeptierte Wert der astronomischen Einheit beträgt 149.597.870.691 Meter.

Das schwierige Schicksal von „Hipparchus“

Solch ein radikaler Fortschritt bei der Messung der astronomischen Einheit warf die Frage nach den Entfernungen zu Sternen auf neue Weise auf. Die Genauigkeit der Parallaxenbestimmung wird durch die Erdatmosphäre begrenzt. Daher entstand bereits in den 1960er Jahren die Idee, ein Goniometer-Instrument ins All zu schicken. Dies wurde 1989 mit dem Start des europäischen Astrometriesatelliten Hipparchus verwirklicht. Bei diesem Namen handelt es sich um eine etablierte, wenn auch formal nicht ganz korrekte Übersetzung englischer Name HIPPARCOS, eine Abkürzung für High Precision Parallax Collecting Satellite („Satellit zum Sammeln hochpräziser Parallaxen“) und stimmt nicht mit der englischen Schreibweise des Namens des berühmten antiken griechischen Astronomen Hipparchos überein, dem Autor des ersten Sternenkatalogs .

Die Schöpfer des Satelliten haben sich eine sehr ehrgeizige Aufgabe gestellt: die Parallaxen von mehr als 100.000 Sternen mit einer Genauigkeit von Millisekunden zu messen, also Sterne zu „erreichen“, die Hunderte von Parsec von der Erde entfernt sind. Es war notwendig, die Entfernungen zu mehreren offenen Sternhaufen, insbesondere den Hyaden und Plejaden, zu klären. Vor allem aber wurde es möglich, „über die Stufe zu springen“, indem die Entfernungen zu den Cepheiden selbst direkt gemessen wurden.

Die Expedition begann mit Schwierigkeiten. Aufgrund eines Fehlers in der Oberstufe erreichte der Hipparchus sein Konstruktionsziel nicht. geostationäre Umlaufbahn und blieb auf einer mittleren, stark verlängerten Flugbahn. Den Spezialisten der Europäischen Weltraumorganisation gelang es dennoch, die Situation zu bewältigen, und das orbitale Astrometrieteleskop war vier Jahre lang erfolgreich in Betrieb. Die Verarbeitung der Ergebnisse dauerte genauso lange, und 1997 wurde ein Sternenkatalog mit Parallaxen und Eigenbewegungen von 118.218 Sternen, darunter etwa zweihundert Cepheiden, veröffentlicht.

Leider ist es in einigen Punkten nicht zu der gewünschten Klarheit gekommen. Das unverständlichste Ergebnis betraf die Plejaden – man ging davon aus, dass Hipparchos die Entfernung klären würde, die zuvor auf 130-135 Parsec geschätzt wurde, aber in der Praxis stellte sich heraus, dass Hipparchos sie korrigierte und einen Wert von nur 118 Parsec erhielt. Die Annahme eines neuen Wertes würde Anpassungen sowohl der Theorie der Sternentwicklung als auch der intergalaktischen Entfernungsskala erfordern. Dies würde zu einem ernsthaften Problem für die Astrophysik werden, und man begann, die Entfernung zu den Plejaden sorgfältig zu prüfen. Bis 2004 erhielten mehrere Gruppen mithilfe unabhängiger Methoden Schätzungen der Entfernung zum Cluster im Bereich von 132 bis 139 Prozent. Es wurden beleidigende Stimmen laut, die darauf hinwiesen, dass die Folgen einer falschen Umlaufbahn des Satelliten noch nicht vollständig beseitigt seien. Somit wurden alle von ihm gemessenen Parallaxen in Frage gestellt.

Das Hipparchus-Team musste zugeben, dass die Messergebnisse im Allgemeinen korrekt waren, aber möglicherweise erneut verarbeitet werden müssen. Tatsache ist, dass in der Weltraumastrometrie Parallaxen nicht direkt gemessen werden. Stattdessen maß Hipparchos über einen Zeitraum von vier Jahren die Winkel zwischen zahlreichen Sternpaaren. Diese Winkel ändern sich sowohl aufgrund der parallaktischen Verschiebung als auch aufgrund der Eigenbewegungen der Sterne im Raum. Um genau die Parallaxenwerte aus Beobachtungen „herauszuziehen“, ist eine ziemlich komplexe mathematische Verarbeitung erforderlich. Das musste ich wiederholen. Die neuen Ergebnisse wurden Ende September 2007 veröffentlicht, es ist jedoch noch nicht klar, inwieweit sich die Situation verbessert hat.

Aber die Probleme von „Hipparchus“ enden damit nicht. Die von ihm ermittelten Cepheid-Parallaxen erwiesen sich als nicht ausreichend genau für eine zuverlässige Kalibrierung der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung. Somit konnte der Satellit die zweite Aufgabe, vor der er stand, nicht lösen. Daher werden derzeit weltweit mehrere neue Weltraumastrometrieprojekte in Betracht gezogen. Der Umsetzung am nächsten kommt das europäische Projekt Gaia, dessen Start für 2012 geplant ist. Sein Funktionsprinzip ist das gleiche wie das von „Hipparchus“ – wiederholte Winkelmessungen zwischen Sternpaaren. Dank der leistungsstarken Optik wird es jedoch in der Lage sein, viel dunklere Objekte zu beobachten, und der Einsatz von Interferometrie wird die Genauigkeit der Winkelmessung auf mehrere zehn Mikrobogensekunden erhöhen. Es wird davon ausgegangen, dass Gaia in der Lage sein wird, Kiloparsec-Entfernungen mit einem Fehler von nicht mehr als 20 % zu messen und im Laufe mehrerer Betriebsjahre die Positionen von etwa einer Milliarde Objekten zu bestimmen. Dadurch wird eine dreidimensionale Karte eines bedeutenden Teils der Galaxie erstellt.

Das Universum des Aristoteles endete in neun Entfernungen von der Erde zur Sonne. Kopernikus glaubte, dass die Sterne tausendmal weiter entfernt seien als die Sonne. Parallaxen verdrängten sogar die nächsten Sterne um Lichtjahre. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte der amerikanische Astronom Harlow Shapley mithilfe von Cepheiden fest, dass der Durchmesser der Galaxie (die er mit dem Universum identifizierte) in Zehntausenden von Lichtjahren gemessen wurde, und dank Hubble wurden die Grenzen von Das Universum dehnte sich auf mehrere Gigaparsec aus. Wie endgültig sind sie?

Natürlich gibt es auf jeder Stufe der Distanzleiter größere oder kleinere Fehler, aber im Allgemeinen sind die Maßstäbe des Universums recht gut definiert, werden mit verschiedenen voneinander unabhängigen Methoden getestet und ergeben ein einziges konsistentes Bild. Also moderne Grenzen Das Universum scheint unerschütterlich. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir eines Tages nicht die Entfernung von ihm zu einem benachbarten Universum messen wollen!

Shklovsky I.S., Dmitry Vibe. Erde (Sol III).

Basierend auf Materialien von: www.vokrugsveta.ru, galspace.spb.ru,Shklovsky I.S. „Universum, Leben, Geist“ / Ed. N. S. Kardashev und V. I. Moroz. – 6. Aufl.

Die Größe des Universums und seine Struktur

Der Autor dieses Buches hat sich zum Beispiel viel mit der Sonnenkorona und der Galaxie beschäftigt. Und es kamen ihm immer wie unregelmäßig geformte kugelförmige Körper vor, die ungefähr gleich groß waren – etwa 10 cm … Warum 10 cm? Dieses Bild entstand unbewusst, einfach weil der Autor allzu oft, während er über das eine oder andere Thema der Sonnen- oder galaktischen Physik nachdachte, die Umrisse der Objekte seiner Gedanken in ein gewöhnliches Notizbuch (in eine Schachtel) zeichnete. Ich zeichnete und versuchte, das Ausmaß der Phänomene einzuhalten. Bei einer sehr interessanten Frage konnte beispielsweise eine interessante Analogie zwischen der Sonnenkorona und der Galaxie (oder besser gesagt der sogenannten galaktischen Korona) gezogen werden. Natürlich wusste der Autor dieses Buches sozusagen intellektuell sehr gut, dass die Dimensionen der galaktischen Korona hunderte Milliarden Mal größer sind als die Dimensionen der Sonnenkorona. Aber er vergaß es ruhig. Und wenn in einigen Fällen die großen Dimensionen der galaktischen Korona eine grundlegende Bedeutung erlangten (dies geschah auch), wurde dies formal und mathematisch berücksichtigt. Und trotzdem wirkten beide Kronen optisch gleich klein...

Der Leser verzeiht mir diesen lyrischen Exkurs. Ich habe keinen Zweifel daran, dass andere Astronomen bei der Bearbeitung ihrer Probleme ähnliche Gedanken hatten. Mir scheint, dass es manchmal nützlich ist, sich mit der Küche des wissenschaftlichen Arbeitens vertrauter zu machen ...

Wenn wir auf den Seiten dieses Buches diskutieren wollen spannende FragenÜber die Möglichkeit intelligenten Lebens im Universum wird es zunächst notwendig sein, sich eine korrekte Vorstellung von seiner räumlich-zeitlichen Skala zu machen. Bis vor relativ kurzer Zeit erschien den Menschen der Globus riesig. Für ihre erste Weltumrundung vor 465 Jahren brauchten Magellans mutige Gefährten mehr als drei Jahre, allerdings unter unglaublichen Strapazen. Etwas mehr als 100 Jahre sind vergangen, seit der findige Held aus Jules Vernes Science-Fiction-Roman mithilfe der neuesten technischen Errungenschaften seiner Zeit in 80 Tagen um die Welt reiste. Und nur 26 Jahre sind seit jenen denkwürdigen Tagen für die ganze Menschheit vergangen, als der erste sowjetische Kosmonaut Gagarin mit der legendären Raumsonde Wostok in 89 Minuten den Globus umrundete. Und die Gedanken der Menschen wandten sich unwillkürlich den riesigen Weiten des Weltraums zu, in denen der kleine Planet Erde verloren ging ...

Unsere Erde ist einer der Planeten im Sonnensystem. Im Vergleich zu anderen Planeten liegt er recht nah an der Sonne, obwohl er nicht der sonnennächste ist. Die durchschnittliche Entfernung von der Sonne zu Pluto, dem am weitesten entfernten Planeten im Sonnensystem, ist 40-mal größer als die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne. Derzeit ist nicht bekannt, ob es im Sonnensystem Planeten gibt, die noch weiter von der Sonne entfernt sind als Pluto. Man kann nur sagen, dass solche Planeten, wenn sie existieren, relativ klein sind. Konventionell kann man davon ausgehen, dass die Größe des Sonnensystems 50–100 Astronomische Einheiten* oder etwa 10 Milliarden Kilometer beträgt.

Auf unserer irdischen Skala ist dies ein sehr großer Wert, etwa 1 Million größer als der Durchmesser der Erde.

Wir können uns die relative Größe des Sonnensystems wie folgt klarer vorstellen. Die Sonne sei durch eine Billardkugel mit einem Durchmesser von 7 cm dargestellt. Dann ist der sonnennächste Planet Merkur auf dieser Skala 280 cm von ihr entfernt. Die Erde hat einen Abstand von 760 cm Der Riesenplanet Jupiter liegt in einer Entfernung von etwa 40 m, und der in vielerlei Hinsicht am weitesten entfernte Planet ist Pluto immer noch rätselhaft – in einer Entfernung von etwa 300 m. Die Abmessungen des Globus betragen in diesem Maßstab etwas mehr als 0,5 mm, der Monddurchmesser beträgt etwas mehr als 0,1 mm und die Mondbahn hat einen Durchmesser von etwa 3 cm. Sogar der uns am nächsten gelegene Stern, Proxima Centauri, ist so groß so weit von uns entfernt, dass im Vergleich dazu die interplanetaren Entfernungen innerhalb des Sonnensystems wie Kleinigkeiten erscheinen. Die Leser wissen natürlich, dass eine Längeneinheit wie ein Kilometer niemals zur Messung interstellarer Entfernungen verwendet wird**).

Diese Maßeinheit (wie auch Zentimeter, Zoll etc.) entstand aus den Bedürfnissen praktische Tätigkeiten Menschheit auf der Erde. Für die Schätzung kosmischer Entfernungen, die im Vergleich zu einem Kilometer zu groß sind, ist es völlig ungeeignet.

In der Populärliteratur und manchmal auch in der wissenschaftlichen Literatur wird das Lichtjahr als Maßeinheit zur Schätzung interstellarer und intergalaktischer Entfernungen verwendet. Dies ist die Entfernung, die Licht mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s in einem Jahr zurücklegt. Es ist leicht zu erkennen, dass ein Lichtjahr 9,46 × 1012 km oder etwa 10.000 Milliarden km entspricht.

In der wissenschaftlichen Literatur wird zur Messung interstellarer und intergalaktischer Entfernungen üblicherweise eine spezielle Einheit namens Parsec verwendet;

Aber die Sterne, die die Sonne umgeben, und die Sonne selbst bilden nur einen unbedeutenden Teil der riesigen Gruppe von Sternen und Nebeln, die Galaxie genannt wird. Wir sehen diesen Sternhaufen in klaren, mondlosen Nächten als einen Streifen der Milchstraße, der den Himmel kreuzt. Die Galaxie hat eine ziemlich komplexe Struktur. In der ersten, gröbsten Näherung können wir davon ausgehen, dass die Sterne und Nebel, aus denen es besteht, ein Volumen füllen, das die Form eines stark komprimierten Rotationsellipsoids hat. In der populären Literatur wird die Form der Galaxie oft mit einer bikonvexen Linse verglichen. In Wirklichkeit ist alles viel komplizierter und das gezeichnete Bild ist zu grob. Tatsächlich stellt sich heraus, dass sich verschiedene Arten von Sternen auf völlig unterschiedliche Weise in Richtung des Zentrums der Galaxie und in Richtung ihrer Äquatorialebene konzentrieren. Beispielsweise konzentrieren sich gasförmige Nebel sowie sehr heiße, massereiche Sterne stark auf die Äquatorialebene der Galaxie (am Himmel entspricht diese Ebene einem großen Kreis, der durch die zentralen Teile der Milchstraße verläuft). Allerdings zeigen sie keine nennenswerte Konzentration in Richtung des galaktischen Zentrums. Andererseits gibt es einige Arten von Sternen und Sternhaufen (sog Kugelsternhaufen, Reis. 2) In Richtung der Äquatorialebene der Galaxie wird fast keine Konzentration festgestellt, sie zeichnen sich jedoch durch eine enorme Konzentration in Richtung ihres Zentrums aus. Zwischen diesen beiden extremen Arten der räumlichen Verteilung (die Astronomen als flach und sphärisch bezeichnen) liegen alle Zwischenfälle. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich der Großteil der Sterne der Galaxie in einer riesigen Scheibe befindet, deren Durchmesser etwa 100.000 Lichtjahre und deren Dicke etwa 1500 Lichtjahre beträgt. Diese Scheibe enthält etwas mehr als 150 Milliarden Sterne unterschiedlicher Art. Unsere Sonne ist einer dieser Sterne und befindet sich am Rande der Galaxie nahe ihrer Äquatorialebene (genauer gesagt nur in einer Entfernung von etwa 30 Lichtjahren – ein im Vergleich zur Dicke der Sternscheibe recht kleiner Wert).

Die Entfernung von der Sonne zum Kern der Galaxie (oder ihrem Zentrum) beträgt etwa 30.000 Lichtjahre. Die Sterndichte in der Galaxie ist sehr ungleichmäßig. Am höchsten ist sie in der Region des galaktischen Kerns, wo sie nach neuesten Daten 2.000 Sterne pro Kubikparsec erreicht, was fast 20.000 Mal mehr ist als die durchschnittliche Sterndichte in der Nähe der Sonne***. Darüber hinaus neigen Sterne dazu, unterschiedliche Gruppen oder Cluster zu bilden. Ein gutes Beispiel für einen solchen Cluster sind die Plejaden, die an unserem Winterhimmel sichtbar sind (Abbildung 3).

Die Galaxie enthält auch Strukturdetails in viel größerem Maßstab. Forschungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass Nebel sowie heiße, massereiche Sterne entlang der Spiraläste verteilt sind. Besonders deutlich ist die Spiralstruktur in anderen Sternensystemen – Galaxien – sichtbar (mit einem kleinen Buchstaben, im Gegensatz zu unserem Sternensystem – Galaxien). Eine dieser Galaxien ist in Abb. dargestellt. 4. Es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, die Spiralstruktur der Galaxie zu bestimmen, in der wir uns befinden.

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonne und ihrer Nachbarsterne auf ihren nahezu kreisförmigen galaktischen Umlaufbahnen erreicht 250 km/s****. Dieser regelmäßigen Bewegung um den galaktischen Kern überlagert sind die chaotischen, ungeordneten Bewegungen der Sterne. Die Geschwindigkeiten solcher Bewegungen sind viel geringer – etwa 10–50 km/s – und sie sind für Objekte verschiedener Art unterschiedlich. Die Geschwindigkeiten sind bei heißen massereichen Sternen am niedrigsten (6-8 km/s); bei sonnenähnlichen Sternen liegen sie bei etwa 20 km/s. Je niedriger diese Geschwindigkeiten sind, desto flacher ist die Verteilung eines bestimmten Sterntyps.

Auf dem Maßstab, den wir zur visuellen Darstellung des Sonnensystems verwendet haben, wird die Größe der Galaxie 60 Millionen km betragen – ein Wert, der bereits ziemlich nahe an der Entfernung von der Erde zur Sonne liegt. Von hier aus ist klar, dass dieser Maßstab nicht mehr geeignet ist, je weiter wir in immer weiter entfernte Regionen des Universums vordringen, da er an Klarheit verliert. Deshalb werden wir einen anderen Maßstab nehmen. Verkleinern wir gedanklich die Erdumlaufbahn auf die Größe der innersten Umlaufbahn eines Wasserstoffatoms klassisches Modell Bora. Erinnern wir uns daran, dass der Radius dieser Umlaufbahn 0,53 × 10-8 cm beträgt. Dann befindet sich der nächste Stern in einer Entfernung von ungefähr 0,014 mm, das Zentrum der Galaxie in einer Entfernung von ungefähr 10 cm und die Abmessungen von Unser Sternensystem wird etwa 35 cm groß sein. Der Durchmesser der Sonne wird mikroskopische Abmessungen haben: 0,0046 A (Angström-Längeneinheit gleich 10-8 cm).

Wir haben bereits betont, dass die Sterne enorm weit voneinander entfernt liegen und somit praktisch isoliert sind. Dies bedeutet insbesondere, dass Sterne fast nie miteinander kollidieren, obwohl die Bewegung jedes einzelnen von ihnen durch das Gravitationsfeld bestimmt wird, das von allen Sternen in der Galaxie erzeugt wird. Wenn wir die Galaxie als eine bestimmte Region betrachten, die mit Gas gefüllt ist und die Rolle von Gasmolekülen und Atomen von Sternen übernommen wird, dann müssen wir dieses Gas als extrem verdünnt betrachten. In der Nähe der Sonne ist der durchschnittliche Abstand zwischen Sternen etwa zehn Millionen Mal größer als der durchschnittliche Durchmesser der Sterne. Unter normalen Bedingungen in normaler Luft ist der durchschnittliche Abstand zwischen Molekülen nur um ein Vielfaches größer als deren Größe. Um den gleichen Grad an relativer Verdünnung zu erreichen, müsste die Luftdichte um mindestens das 1018-fache reduziert werden! Beachten Sie jedoch, dass es in der zentralen Region der Galaxie, wo die Sterndichte relativ hoch ist, von Zeit zu Zeit zu Kollisionen zwischen Sternen kommt. Hier müssen wir etwa alle eine Million Jahre mit einer Kollision rechnen, während es in normalen Regionen der Galaxie in der gesamten Entwicklungsgeschichte unseres mindestens 10 Milliarden Jahre alten Sternsystems praktisch keine Kollisionen zwischen Sternen gegeben hat (siehe Kapitel 9). ).

Wir haben kurz das Ausmaß und die allgemeinste Struktur des Sternensystems skizziert, zu dem unsere Sonne gehört. Gleichzeitig wurden die Methoden, mit deren Hilfe mehrere Generationen von Astronomen über viele Jahre hinweg Schritt für Schritt ein majestätisches Bild der Struktur der Galaxie nachgebildet haben, überhaupt nicht berücksichtigt. Das wichtiger Punkt Weitere Bücher sind gewidmet, auf die wir interessierte Leser verweisen (zum Beispiel B.A. Vorontsov-Velyamov Essays on the Universe, Yu.N. Efremov In the Depths of the Universe). Unsere Aufgabe ist es, nur ein möglichst allgemeines Bild der Struktur und Entwicklung einzelner Objekte im Universum zu vermitteln. Dieses Bild ist für das Verständnis dieses Buches unbedingt notwendig.

Wir können eine Metagalaxie als eine Ansammlung von Sternensystemen definieren – Galaxien, die sich in den riesigen Räumen des von uns beobachteten Teils des Universums bewegen. Die unserem Sternensystem am nächsten gelegenen Galaxien sind die berühmten Magellanschen Wolken, die am Himmel der südlichen Hemisphäre deutlich als zwei große Flecken mit ungefähr der gleichen Oberflächenhelligkeit wie die Milchstraße sichtbar sind. Die Entfernung zu den Magellanschen Wolken beträgt nur etwa 200.000 Lichtjahre, was durchaus mit der Gesamtausdehnung unserer Galaxie vergleichbar ist. Eine weitere Galaxie in unserer Nähe ist der Nebel im Sternbild Andromeda. Mit bloßem Auge ist es als schwacher Lichtfleck der 5. Größe***** sichtbar.

Tatsächlich handelt es sich um eine riesige Sternenwelt, gemessen an der Anzahl der Sterne und der Gesamtmasse, die dreimal so groß ist wie unsere Galaxie, die wiederum ein Riese unter den Galaxien ist. Die Entfernung zum Andromeda-Nebel, oder wie Astronomen ihn nennen, M 31 (das bedeutet, dass er im bekannten Katalog der Messier-Nebel als Nr. 31 aufgeführt ist), beträgt etwa 1800.000 Lichtjahre, was etwa dem 20-fachen entspricht die Größe der Galaxie. Der Nebel M 31 hat eine klar definierte Spiralstruktur und ist in vielen seiner Eigenschaften unserer Galaxie sehr ähnlich. Daneben befinden sich seine kleinen ellipsoiden Satelliten (Abb. 5). In Abb. Abbildung 6 zeigt Fotos mehrerer Galaxien relativ nahe bei uns. Zieht Aufmerksamkeit auf sich große Vielfalt ihre Formen. Zusammen mit Spiralsystemen (solche Galaxien werden je nach Art der Entwicklung der Spiralstruktur mit den Symbolen Sа, Sb und Sс bezeichnet; wenn eine Brücke durch den Kern verläuft (Abb. 6a), wird der Buchstabe B nachgestellt der Buchstabe S), es gibt kugelförmige und ellipsoide Galaxien, die keine Spuren einer Spiralstruktur aufweisen, sowie unregelmäßige Galaxien, für die die Magellanschen Wolken ein gutes Beispiel sind.

In großen Teleskopen wird eine Vielzahl von Galaxien beobachtet. Wenn es etwa 250 Galaxien gibt, die heller als die sichtbare 12. Größe sind, dann gibt es bereits etwa 50.000 hellere als die 16. Größe. Die schwächsten Objekte, die an der Grenze mit einem Spiegelteleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 5 m fotografiert werden können, haben die 24,5. Größe . Es stellt sich heraus, dass unter den Milliarden solcher schwachen Objekte die meisten Galaxien sind. Viele von ihnen sind so weit von uns entfernt, dass das Licht Milliarden von Jahren zurücklegt. Das bedeutet, dass das Licht, das die Schwärzung der Platte verursachte, lange vor der archaischen Periode der Erdgeschichte von einer so weit entfernten Galaxie emittiert wurde!

Manchmal stößt man zwischen Galaxien auf erstaunliche Objekte, wie zum Beispiel Radiogalaxien. Dabei handelt es sich um Sternensysteme, die im Radiobereich riesige Energiemengen aussenden. Bei einigen Radiogalaxien ist der Fluss der Radioemission um ein Vielfaches höher als der Fluss der optischen Strahlung, obwohl ihre Leuchtkraft im optischen Bereich sehr hoch ist – um ein Vielfaches größer als die Gesamtleuchtkraft unserer Galaxie. Erinnern wir uns daran, dass letztere aus der Strahlung von Hunderten Milliarden Sternen besteht, von denen viele wiederum erhebliche Mengen emittieren stärker als die Sonne. Klassisches Beispiel Eine solche Radiogalaxie ist das berühmte Objekt Cygnus A. Im optischen Bereich handelt es sich um zwei unbedeutende Lichtflecken der 17. Größe (Abb. 7). Tatsächlich ist ihre Leuchtkraft sehr hoch, etwa zehnmal größer als die unserer Galaxie. Dieses System scheint schwach zu sein, da es sich in großer Entfernung von uns befindet – 600 Millionen Lichtjahre. Allerdings ist der Fluss der Radioemission von Cygnus A bei Meterwellen so groß, dass er sogar den Fluss der Radioemission von der Sonne übersteigt (in Zeiten, in denen es keine Sonnenflecken auf der Sonne gibt). Aber die Sonne ist sehr nah – die Entfernung zu ihr beträgt nur 8 Lichtminuten; 600 Millionen Jahre – und 8 Minuten! Aber Strahlungsflüsse sind bekanntlich umgekehrt proportional zu den Quadraten der Entfernungen!

Nähert sich die Lichtquelle, verschieben sich die Spektrallinien zu kürzeren Wellenlängen, entfernt sie sich zu längeren. Dieses Phänomen wird Doppler-Effekt genannt. Es stellte sich heraus, dass Galaxien (mit Ausnahme einiger weniger, die uns am nächsten sind) Spektrallinien aufweisen, die immer in den langwelligen Teil des Spektrums verschoben sind (Rotverschiebung der Linien), und das Ausmaß dieser Verschiebung ist größer weiter entfernt ist die Galaxie von uns.

Das bedeutet, dass sich alle Galaxien von uns entfernen und die Expansionsgeschwindigkeit zunimmt, wenn sich die Galaxien entfernen. Es erreicht enorme Werte. Beispielsweise liegt die anhand der Rotverschiebung ermittelte Rückzugsgeschwindigkeit der Radiogalaxie Cygnus A bei nahezu 17.000 km/s. Vor 25 Jahren gehörte der Rekord zur sehr schwachen (in optischen Strahlen der 20. Größenordnung) Radiogalaxie 3S 295. 1960 wurde ihr Spektrum ermittelt. Es stellte sich heraus, dass die bekannte ultraviolette Spektrallinie des ionisierten Sauerstoffs in den orangefarbenen Bereich des Spektrums verschoben ist! Von hier aus lässt sich leicht feststellen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich dieses erstaunliche Sternensystem bewegt, 138.000 km/s beträgt, also fast die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit! Die Radiogalaxie 3S 295 ist in einer Entfernung von uns entfernt, die das Licht in 5 Milliarden Jahren zurücklegt. So untersuchten Astronomen das Licht, das bei der Entstehung der Sonne und der Planeten emittiert wurde, und vielleicht sogar schon etwas früher ... Seitdem wurden noch weiter entfernte Objekte entdeckt (Kapitel 6).

Gründe für die Erweiterung des Systems bestehend aus riesige Menge Galaxien werden wir hier nicht berühren. Das schwere Frage ist Gegenstand der modernen Kosmologie. Die Tatsache der Expansion des Universums hat jedoch zugenommen sehr wichtig die Entwicklung des Lebens darin zu analysieren (Kapitel 7).

Der Gesamtausdehnung des Galaxiensystems überlagert sind die unregelmäßigen Geschwindigkeiten einzelner Galaxien, typischerweise mehrere hundert Kilometer pro Sekunde. Aus diesem Grund weisen die uns nächstgelegenen Galaxien keine systematische Rotverschiebung auf. Schließlich sind die Geschwindigkeiten zufälliger (so genannter eigenartiger) Bewegungen dieser Galaxien größer als die normale Rotverschiebungsgeschwindigkeit. Letztere erhöht sich mit der Entfernung der Galaxien um etwa 50 km/s pro Million Parsec. Daher übersteigen bei Galaxien, deren Entfernungen mehrere Millionen Parsec nicht überschreiten, die zufälligen Geschwindigkeiten aufgrund der Rotverschiebung die Rückzugsgeschwindigkeit. Unter den nahen Galaxien gibt es auch solche, die sich uns nähern (zum Beispiel der Andromeda-Nebel M 31).

Galaxien sind im metagalaktischen Raum nicht gleichmäßig verteilt, d.h. mit konstanter Dichte. Sie zeigen eine ausgeprägte Tendenz zur Bildung separater Gruppen oder Cluster. Insbesondere eine Gruppe von etwa 20 Galaxien in unserer Nähe (einschließlich unserer Galaxie) bildet das sogenannte lokale System. Das lokale System wiederum ist Teil eines großen Galaxienhaufens, dessen Zentrum in dem Teil des Himmels liegt, auf den das Sternbild Jungfrau projiziert wird. Dieser Cluster hat mehrere tausend Mitglieder und gehört zu den größten. In Abb. 8 zeigt ein Foto bekannter Cluster Galaxien im Sternbild Corona Borealis, das Hunderte von Galaxien enthält. Im Raum zwischen Galaxienhaufen ist die Dichte der Galaxien um ein Vielfaches geringer als innerhalb der Galaxienhaufen.

Maßstab des Universums

Sternensysteme

Sie wissen, dass unsere Erde mit ihren Planeten, anderen Planeten und ihren Satelliten, Kometen und Kleinplaneten um die Sonne kreist, dass alle diese Körper das Sonnensystem bilden. Die Sonne und alle anderen am Himmel sichtbaren Sterne sind wiederum Teil eines riesigen Sternensystems – unserer Galaxie. Der dem Sonnensystem am nächsten gelegene Stern ist so weit entfernt, dass Licht, das sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s ausbreitet, mehr als braucht vier Jahre. Sterne sind die häufigste Art von Himmelskörpern; allein in unserer Galaxie gibt es mehr als einen mehrere Hundert Milliarden. Das von diesem Sternensystem eingenommene Volumen ist so groß, dass Licht es nur durchqueren kann 100.000 Jahre.

Die Hauptstruktureinheiten des Universums sind „Sterninseln“ – ähnlich wie bei uns. Einer von ihnen befindet sich im Sternbild Andromeda. Dies ist eine riesige Galaxie, die in ihrer Struktur unserer ähnelt und aus Hunderten Milliarden Sternen besteht. Licht von ihr zu Die Erde kommt mehr 2 Millionen Jahre. Die Andromedagalaxie bildet zusammen mit unserer Galaxie und mehreren anderen Galaxien geringerer Masse die sogenannte Lokale Gruppe . Einige der Sternensysteme dieser Gruppe, darunter die Große und Kleine Magellansche Wolke, Galaxien in den Sternbildern Bildhauer, Ursa Minor, Draco und Orion, sind Satelliten unserer Galaxie. Damit kreisen sie um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt. Es sind der Standort und die Bewegung der Galaxien, die die Struktur und Struktur des Universums als Ganzes bestimmen.

Die Galaxien sind so weit voneinander entfernt, dass mit bloßem Auge nur die drei nächsten Galaxien zu sehen sind: zwei auf der Südhalbkugel – Große Magellansche Wolke, Kleine Magellansche Wolke, und von Norden gibt es nur einen - Andromeda-Nebel.

Zwerggalaxie im Sternbild Schütze- am nächsten dran. Diese kleine Galaxie ist so nah, dass die Milchstraße sie zu absorbieren scheint. Die Schütze-Galaxie liegt 80.000 Lichtjahre von der Sonne und 52.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Die uns am nächsten gelegene Galaxie ist die Große Magellansche Wolke, die 170.000 Lichtjahre entfernt liegt. Bis 1994, als es eröffnet wurde Zwerggalaxie Im Sternbild Schütze galt die Große Magellansche Wolke als nächstgelegene Galaxie.

Die Sagittarius-Zwerggalaxie war ursprünglich eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 1.000 Lichtjahren. Aber jetzt ist ihre Form durch die Schwerkraft der Milchstraße verzerrt und die Galaxie hat eine Länge von 10.000 Lichtjahren. Mehrere Millionen Sterne, die zum Zwerg im Schützen gehören, sind mittlerweile über das Sternbild Schütze verstreut. Wenn man also nur in den Himmel schaut, sind die Sterne dieser Galaxie nicht von den Sternen unserer eigenen Galaxie zu unterscheiden.

Kosmische Entfernungen

Von den am weitesten entfernten Galaxien erreicht Licht die Erde 10 Milliarden Jahre. Ein erheblicher Teil der Materie von Sternen und Galaxien befindet sich unter Bedingungen, die in irdischen Labors nicht geschaffen werden können. Alle Raum gefüllt elektromagnetische Strahlung, Gravitations- und Magnetfelder, zwischen Sternen in Galaxien und zwischen Galaxien gibt es sehr verdünnte Materie in Form von Gas, Staub, einzelnen Molekülen, Atomen und Ionen, Atomkernen und Elementarteilchen. Wie Sie wissen, beträgt die Entfernung zum erdnächsten Himmelskörper, dem Mond, etwa 400.000 km. Die am weitesten entfernten Objekte befinden sich in einer Entfernung von uns, die mehr als zehnmal größer ist als die Entfernung zum Mond. Versuchen wir uns die Größe der Himmelskörper und die Abstände zwischen ihnen im Universum vorzustellen, indem wir ein bekanntes Modell verwenden – den Schulglobus der Erde, der 50 Millionen Mal kleiner als unser Planet ist. In diesem Fall müssen wir den Mond als Kugel mit einem Durchmesser von etwa 7 cm darstellen, die sich in einer Entfernung von etwa 7,5 m vom Globus befindet. Das Modell der Sonne wird einen Durchmesser von 28 m haben und sich in einer Entfernung von befinden 3 km, und das Modell von Pluto – dem am weitesten entfernten Planeten im Sonnensystem – wird 120 km von uns entfernt sein. Der uns am nächsten gelegene Stern wird sich in diesem Maßstab des Modells in einer Entfernung von etwa 800.000 km befinden, also 2-mal weiter als der Mond. Die Größe unserer Galaxie wird auf ungefähr die Größe des Sonnensystems schrumpfen, aber die am weitesten entfernten Sterne werden sich immer noch außerhalb davon befinden.

Da sich alle Galaxien von uns entfernen, kann man sich des Eindrucks nicht erwehren, dass sich unsere Galaxie im Zentrum der Expansion befindet, am stationären Mittelpunkt des expandierenden Universums. In Wirklichkeit haben wir es mit einer der astronomischen Illusionen zu tun. Die Expansion des Universums erfolgt so, dass es keinen „vorherrschenden“ Fixpunkt darin gibt. Welche zwei Galaxien wir auch wählen, der Abstand zwischen ihnen wird mit der Zeit größer. Das heißt, egal in welcher Galaxie sich der Beobachter befindet, er wird auch ein Bild der Streuung von Sterninseln sehen, ähnlich dem, was wir sehen.

Lokale Gruppe Mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert Kilometern pro Sekunde bewegt es sich auf einen weiteren Galaxienhaufen im Sternbild Jungfrau zu. Der Jungfrau-Cluster ist das Zentrum von noch mehr Riesensystem Sterneninseln - Superhaufen von Galaxien, zu der neben unserer Galaxy auch die lokale Gruppe gehört. Beobachtungsdaten zufolge umfassen Superhaufen über 90 % aller existierenden Galaxien und nehmen etwa 10 % des gesamten Weltraumvolumens in unserem Universum ein. Superhaufen haben Massen in der Größenordnung von 10 15 Sonnenmassen. Moderne Mittel Für die astronomische Forschung steht ein riesiger Raumbereich mit einem Radius von etwa 10-12 Milliarden Lichtjahren zur Verfügung. In diesem Bereich gibt es nach modernen Schätzungen 10 10 Galaxien. Ihre Gesamtheit wurde genannt Metagalaxien.

Wir leben also in einem instationären, expandierenden Universum, das sich im Laufe der Zeit verändert und dessen Vergangenheit nicht mit seinem gegenwärtigen Zustand identisch ist und dessen Moderne nicht mit seiner Zukunft identisch ist.

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20. Funkkommunikation zwischen Zivilisationen, die sich auf verschiedenen Planetensystemen befinden

21. Möglichkeit der interstellaren Kommunikation mit optischen Methoden

22. Kommunikation mit außerirdischen Zivilisationen mithilfe automatischer Sonden

23. Wahrscheinlichkeitstheoretische Analyse interstellarer Funkkommunikation. Charakter von Signalen

24. Zur Möglichkeit direkter Kontakte zwischen außerirdischen Zivilisationen

25. Bemerkungen zum Tempo und zur Art der technologischen Entwicklung der Menschheit

II. Ist eine Kommunikation mit intelligenten Wesen auf anderen Planeten möglich?

Teil eins ASTRONOMISCHER ASPEKT DES PROBLEMS

1. Die Größe des Universums und seine Struktur Wenn sich professionelle Astronomen ständig und greifbar die ungeheure Größe der kosmischen Entfernungen und Zeitintervalle der Entwicklung von Himmelskörpern vorstellen würden, wäre es unwahrscheinlich, dass sie die Wissenschaft, der sie ihr Leben gewidmet haben, erfolgreich entwickeln könnten. Die uns seit unserer Kindheit vertrauten Raum-Zeit-Skalen sind im Vergleich zu kosmischen so unbedeutend, dass es einem beim Bewusstsein buchstäblich den Atem raubt. Wenn sich ein Astronom mit irgendeinem Problem im Weltraum befasst, löst er entweder ein bestimmtes mathematisches Problem (dies wird am häufigsten von Spezialisten für Himmelsmechanik und theoretischen Astrophysikern durchgeführt) oder verbessert Instrumente und Beobachtungsmethoden oder baut in seiner Vorstellung bewusst oder unbewusst welche auf kleines Modell des untersuchten Raumfahrtsystems. In diesem Fall ist es vor allem wichtig, die relativen Größen des untersuchten Systems richtig zu verstehen (z. B. das Verhältnis der Größen von Teilen eines bestimmten Weltraumsystems, das Verhältnis der Größen dieses Systems und anderer ähnlicher oder unähnlicher Systeme). dazu usw.) und Zeitintervalle (z. B. das Verhältnis der Flussrate eines bestimmten Prozesses zur Auftrittsrate eines anderen). Der Autor dieses Buches hat sich zum Beispiel viel mit der Sonnenkorona und der Galaxie beschäftigt. Und es kamen ihm immer wie unregelmäßig geformte kugelförmige Körper vor, die ungefähr gleich groß waren – etwa 10 cm … Warum 10 cm? Dieses Bild entstand unbewusst, einfach weil der Autor allzu oft, während er über das eine oder andere Thema der Sonnen- oder galaktischen Physik nachdachte, die Umrisse der Objekte seiner Gedanken in ein gewöhnliches Notizbuch (in eine Schachtel) zeichnete. Ich zeichnete und versuchte, das Ausmaß der Phänomene einzuhalten. Bei einer sehr interessanten Frage konnte beispielsweise eine interessante Analogie zwischen der Sonnenkorona und der Galaxie (oder besser gesagt der sogenannten „galaktischen Korona“) gezogen werden. Natürlich wusste der Autor dieses Buches sozusagen „intellektuell“ sehr gut, dass die Dimensionen der galaktischen Korona hunderte Milliarden Mal größer sind als die Dimensionen der Sonnenkorona. Aber er vergaß es ruhig. Und wenn in einigen Fällen die großen Dimensionen der galaktischen Korona eine grundlegende Bedeutung erlangten (dies geschah auch), wurde dies formal und mathematisch berücksichtigt. Und doch schienen beide „Kronen“ optisch gleich klein zu sein ... Hätte sich der Autor im Verlauf dieser Arbeit philosophischen Überlegungen über die enorme Größe der Galaxie hingegeben, über die unvorstellbare Verdünnung des Gases, das sie erzeugt Wenn wir uns mit der galaktischen Krone befassen, über die Bedeutungslosigkeit unseres kleinen Planeten und unserer eigenen Existenz und über andere ebenso wichtige Themen sprechen, wird die Arbeit an den Problemen der Sonnen- und galaktischen Koronen automatisch eingestellt. .. Möge mir der Leser diesen „lyrischen Exkurs“ verzeihen. Ich habe keinen Zweifel daran, dass andere Astronomen bei der Bearbeitung ihrer Probleme ähnliche Gedanken hatten. Mir scheint, dass es manchmal sinnvoll ist, einen genaueren Blick in die „Küche“ der wissenschaftlichen Arbeit zu werfen... Wenn wir auf den Seiten dieses Buches spannende Fragen zur Möglichkeit intelligenten Lebens im Universum diskutieren wollen, dann Zunächst müssen wir uns eine korrekte Vorstellung von seiner räumlich-zeitlichen Skala machen. Bis vor relativ kurzer Zeit erschien den Menschen der Globus riesig. Für ihre erste Weltumrundung vor 465 Jahren brauchten Magellans mutige Gefährten mehr als drei Jahre, allerdings unter unglaublichen Strapazen. Etwas mehr als 100 Jahre sind vergangen, seit der findige Held aus Jules Vernes Science-Fiction-Roman mithilfe der neuesten technischen Errungenschaften seiner Zeit in 80 Tagen um die Welt reiste. Und nur 26 Jahre sind seit jenen denkwürdigen Tagen für die ganze Menschheit vergangen, als der erste sowjetische Kosmonaut Gagarin mit der legendären Raumsonde Wostok in 89 Minuten den Globus umrundete. Und die Gedanken der Menschen wanderten unwillkürlich zu den riesigen Weiten des Weltraums, in denen der kleine Planet Erde verloren ging ... Unsere Erde ist einer der Planeten des Sonnensystems. Im Vergleich zu anderen Planeten liegt er recht nah an der Sonne, obwohl er nicht der sonnennächste ist. Die durchschnittliche Entfernung von der Sonne zu Pluto, dem am weitesten entfernten Planeten im Sonnensystem, ist 40-mal größer als die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne. Derzeit ist nicht bekannt, ob es im Sonnensystem Planeten gibt, die noch weiter von der Sonne entfernt sind als Pluto. Man kann nur sagen, dass solche Planeten, wenn sie existieren, relativ klein sind. Herkömmlicherweise kann man davon ausgehen, dass die Größe des Sonnensystems 50-100 Astronomische Einheiten* oder etwa 10 Milliarden km beträgt. Auf unserer irdischen Skala ist dies ein sehr großer Wert, etwa 1 Million größer als der Durchmesser der Erde.

Reis. 1. Planeten des Sonnensystems

Wir können uns die relative Größe des Sonnensystems wie folgt klarer vorstellen. Stellen wir uns die Sonne durch eine Billardkugel mit einem Durchmesser von 7 cm dar. Dann befindet sich der sonnennächste Planet – Merkur – auf dieser Skala in einer Entfernung von 280 cm. Die Erde befindet sich in einer Entfernung von 760 cm, der Riese Der Planet Jupiter liegt in einer Entfernung von etwa 40 m und der am weitesten entfernte Planet – in vielerlei Hinsicht ist Pluto immer noch ein Rätsel – in einer Entfernung von etwa 300 m. Die Abmessungen des Globus betragen in diesem Maßstab etwas mehr als 0,5 mm, der Monddurchmesser beträgt etwas mehr als 0,1 mm und die Mondbahn hat einen Durchmesser von etwa 3 cm. Selbst der uns am nächsten gelegene Stern, Proxima Centauri, ist noch weit entfernt von uns entfernt, dass im Vergleich dazu die interplanetaren Entfernungen innerhalb des Sonnensystems wie Kleinigkeiten erscheinen. Die Leser wissen natürlich, dass eine Längeneinheit wie ein Kilometer niemals zur Messung interstellarer Entfernungen verwendet wird**). Diese Maßeinheit (sowie Zentimeter, Zoll usw.) entstand aus den Bedürfnissen der praktischen Aktivitäten der Menschheit auf der Erde. Für die Schätzung kosmischer Entfernungen, die im Vergleich zu einem Kilometer zu groß sind, ist es völlig ungeeignet. In der Populärliteratur und manchmal auch in der wissenschaftlichen Literatur wird das „Lichtjahr“ als Maßeinheit zur Schätzung interstellarer und intergalaktischer Entfernungen verwendet. Dies ist die Entfernung, die Licht mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km/s in einem Jahr zurücklegt. Es ist leicht zu erkennen, dass ein Lichtjahr 9,46 x 10 12 km oder etwa 10.000 Milliarden km entspricht. In der wissenschaftlichen Literatur wird zur Messung interstellarer und intergalaktischer Entfernungen üblicherweise eine spezielle Einheit namens „Parsec“ verwendet;

Reis. 2. Kugelsternhaufen 47 Tucanae

Keiner der Sterne – die nächsten Nachbarn des Sonnensystems – ist uns näher als 1 pc. Beispielsweise befindet sich der erwähnte Proxima Centauri in einer Entfernung von etwa 1,3 Prozent von uns. Auf dem Maßstab, in dem wir das Sonnensystem dargestellt haben, entspricht dies 2.000 km. All dies veranschaulicht gut die große Isolation unseres Sonnensystems von umgebenden Sternsystemen; einige dieser Systeme könnten viele Ähnlichkeiten mit ihm haben. Doch die die Sonne umgebenden Sterne und die Sonne selbst bilden nur einen unbedeutenden Teil der gigantischen Gruppe von Sternen und Nebeln, die „Galaxie“ genannt wird. Wir sehen diesen Sternhaufen in klaren, mondlosen Nächten als einen Streifen der Milchstraße, der den Himmel kreuzt. Die Galaxie hat eine ziemlich komplexe Struktur. In der ersten, gröbsten Näherung können wir davon ausgehen, dass die Sterne und Nebel, aus denen es besteht, ein Volumen füllen, das die Form eines stark komprimierten Rotationsellipsoids hat. In der populären Literatur wird die Form der Galaxie oft mit einer bikonvexen Linse verglichen. In Wirklichkeit ist alles viel komplizierter und das gezeichnete Bild ist zu grob. Tatsächlich stellt sich heraus, dass sich verschiedene Arten von Sternen auf völlig unterschiedliche Weise in Richtung des Zentrums der Galaxie und in Richtung ihrer „Äquatorialebene“ konzentrieren. Beispielsweise konzentrieren sich gasförmige Nebel sowie sehr heiße, massereiche Sterne stark auf die Äquatorialebene der Galaxie (am Himmel entspricht diese Ebene einem großen Kreis, der durch die zentralen Teile der Milchstraße verläuft). Allerdings zeigen sie keine nennenswerte Konzentration in Richtung des galaktischen Zentrums. Andererseits zeigen einige Arten von Sternen und Sternhaufen (die sogenannten „Kugelsternhaufen“, Abb. 2) nahezu keine Konzentration in Richtung der Äquatorialebene der Galaxie, zeichnen sich jedoch durch eine enorme Konzentration in Richtung ihres Zentrums aus. Zwischen diesen beiden extremen Arten der räumlichen Verteilung (die Astronomen „flach“ und „sphärisch“ nennen) liegen alle Zwischenfälle. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich der Großteil der Sterne der Galaxie in einer riesigen Scheibe befindet, deren Durchmesser etwa 100.000 Lichtjahre und deren Dicke etwa 1500 Lichtjahre beträgt. Diese Scheibe enthält etwas mehr als 150 Milliarden Sterne unterschiedlicher Art. Unsere Sonne ist einer dieser Sterne und befindet sich am Rande der Galaxie nahe ihrer Äquatorialebene (genauer gesagt „nur“ in einer Entfernung von etwa 30 Lichtjahren – ein im Vergleich zur Dicke der Sternscheibe recht kleiner Wert). Die Entfernung von der Sonne zum Kern der Galaxie (oder ihrem Zentrum) beträgt etwa 30.000 km. Lichtjahre. Die Sterndichte in der Galaxie ist sehr ungleichmäßig. Am höchsten ist sie in der Region des galaktischen Kerns, wo sie nach neuesten Daten 2.000 Sterne pro Kubikparsec erreicht, was fast 20.000 Mal mehr ist als die durchschnittliche Sterndichte in der Nähe der Sonne***. Darüber hinaus neigen Sterne dazu, unterschiedliche Gruppen oder Cluster zu bilden. Ein gutes Beispiel für einen solchen Cluster sind die Plejaden, die an unserem Winterhimmel sichtbar sind (Abbildung 3). Die Galaxie enthält auch Strukturdetails in viel größerem Maßstab. Forschungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass Nebel sowie heiße, massereiche Sterne entlang der Spiraläste verteilt sind. Besonders deutlich ist die Spiralstruktur in anderen Sternensystemen – Galaxien – sichtbar (mit einem kleinen Buchstaben, im Gegensatz zu unserem Sternensystem – Galaxien). Eine dieser Galaxien ist in Abb. dargestellt. 4. Es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, die Spiralstruktur der Galaxie zu bestimmen, in der wir uns befinden.

Reis. 3. Foto des Sternhaufens der Plejaden

Reis. 4. Spiralgalaxie NGC 5364

Sterne und Nebel innerhalb der Galaxie bewegen sich auf recht komplexe Weise. Erstens nehmen sie an der Rotation der Galaxie um eine Achse teil, die senkrecht zu ihrer Äquatorialebene steht. Diese Rotation ist nicht mit der eines Festkörpers identisch: Verschiedene Teile der Galaxie haben unterschiedliche Rotationsperioden. So vollenden die Sonne und die sie umgebenden Sterne in einem riesigen Gebiet von mehreren hundert Lichtjahren Größe in etwa 200 Millionen Jahren eine vollständige Umdrehung. Da die Sonne zusammen mit ihrer Planetenfamilie offenbar seit etwa 5 Milliarden Jahren existiert, hat sie im Laufe ihrer Entwicklung (von der Geburt aus einem Gasnebel bis zu ihrem heutigen Zustand) etwa 25 Umdrehungen um die Rotationsachse der Galaxie gemacht. Wir können sagen, dass das Alter der Sonne nur 25 „galaktische Jahre“ beträgt; seien wir ehrlich, es ist ein blühendes Zeitalter... Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonne und ihrer Nachbarsterne auf ihren fast kreisförmigen galaktischen Umlaufbahnen erreicht 250 km/s ****. Dieser regelmäßigen Bewegung um den galaktischen Kern überlagert sind die chaotischen, ungeordneten Bewegungen der Sterne. Die Geschwindigkeiten solcher Bewegungen sind viel geringer – etwa 10–50 km/s – und sie sind für Objekte verschiedener Art unterschiedlich. Die Geschwindigkeiten sind bei heißen massereichen Sternen am niedrigsten (6-8 km/s); bei sonnenähnlichen Sternen liegen sie bei etwa 20 km/s. Je niedriger diese Geschwindigkeiten sind, desto „flacher“ ist die Verteilung eines bestimmten Sterntyps. Auf dem Maßstab, den wir zur visuellen Darstellung des Sonnensystems verwendet haben, wird die Größe der Galaxie 60 Millionen km betragen – ein Wert, der bereits ziemlich nahe an der Entfernung von der Erde zur Sonne liegt. Von hier aus ist klar, dass dieser Maßstab nicht mehr geeignet ist, je weiter wir in immer weiter entfernte Regionen des Universums vordringen, da er an Klarheit verliert. Deshalb werden wir einen anderen Maßstab nehmen. Reduzieren wir gedanklich die Erdumlaufbahn auf die Größe der innersten Umlaufbahn des Wasserstoffatoms im klassischen Bohr-Modell. Erinnern wir uns daran, dass der Radius dieser Umlaufbahn 0,53 x 10 -8 cm beträgt. Dann befindet sich der nächste Stern in einer Entfernung von ungefähr 0,014 mm, das Zentrum der Galaxie in einer Entfernung von ungefähr 10 cm und die Abmessungen unserer Das Sternsystem wird etwa 35 cm groß sein. Der Durchmesser der Sonne wird mikroskopische Abmessungen haben: 0,0046 A (Angström-Längeneinheit gleich 10 -8 cm).

Wir haben bereits betont, dass die Sterne enorm weit voneinander entfernt liegen und somit praktisch isoliert sind. Dies bedeutet insbesondere, dass Sterne fast nie miteinander kollidieren, obwohl die Bewegung jedes einzelnen von ihnen durch das Gravitationsfeld bestimmt wird, das von allen Sternen in der Galaxie erzeugt wird. Wenn wir die Galaxie als eine bestimmte Region betrachten, die mit Gas gefüllt ist und die Rolle von Gasmolekülen und Atomen von Sternen übernommen wird, dann müssen wir dieses Gas als extrem verdünnt betrachten. In der Nähe der Sonne ist der durchschnittliche Abstand zwischen Sternen etwa zehn Millionen Mal größer als der durchschnittliche Durchmesser der Sterne. Unter normalen Bedingungen in normaler Luft ist der durchschnittliche Abstand zwischen Molekülen nur um ein Vielfaches größer als deren Größe. Um den gleichen Grad an relativer Verdünnung zu erreichen, müsste die Luftdichte um mindestens das 1018-fache reduziert werden! Beachten Sie jedoch, dass es in der zentralen Region der Galaxie, wo die Sterndichte relativ hoch ist, von Zeit zu Zeit zu Kollisionen zwischen Sternen kommt. Hier müssen wir etwa alle eine Million Jahre mit einer Kollision rechnen, während es in den „normalen“ Regionen der Galaxie in der gesamten Entwicklungsgeschichte unseres mindestens 10 Milliarden Jahre alten Sternsystems praktisch keine Kollisionen zwischen Sternen gegeben hat ( siehe Kapitel 9). ).

Wir haben kurz das Ausmaß und die allgemeinste Struktur des Sternensystems skizziert, zu dem unsere Sonne gehört. Gleichzeitig wurden die Methoden, mit deren Hilfe mehrere Generationen von Astronomen über viele Jahre hinweg Schritt für Schritt ein majestätisches Bild der Struktur der Galaxie nachgebildet haben, überhaupt nicht berücksichtigt. Andere Bücher widmen sich diesem wichtigen Problem, auf das wir interessierte Leser verweisen (zum Beispiel B.A. Vorontsov-Velyaminov „Essays on the Universe“, Yu.N. Efremov „Into the Depths of the Universe“). Unsere Aufgabe ist es, nur ein möglichst allgemeines Bild der Struktur und Entwicklung einzelner Objekte im Universum zu vermitteln. Dieses Bild ist für das Verständnis dieses Buches unbedingt notwendig.

Reis. 5. Andromedanebel mit Satelliten

Seit mehreren Jahrzehnten beschäftigen sich Astronomen kontinuierlich mit der Erforschung anderer Sternsysteme, die unserem mehr oder weniger ähnlich sind. Dieses Forschungsgebiet wird „extragalaktische Astronomie“ genannt. Sie spielt mittlerweile fast die Hauptrolle in der Astronomie. In den letzten drei Jahrzehnten hat die extragalaktische Astronomie erstaunliche Fortschritte gemacht. Nach und nach zeichneten sich die grandiosen Konturen der Metagalaxie ab, in der unser Sternsystem als kleines Teilchen enthalten ist. Wir wissen immer noch nicht alles über die Metagalaxie. Die enorme Entfernung von Objekten schafft ganz spezifische Schwierigkeiten, die durch den Einsatz der leistungsstärksten Beobachtungsmethoden in Kombination mit eingehender theoretischer Forschung gelöst werden können. Doch die allgemeine Struktur der Metagalaxie ist in den letzten Jahren weitgehend klar geworden. Wir können eine Metagalaxie als eine Ansammlung von Sternensystemen definieren – Galaxien, die sich in den riesigen Räumen des von uns beobachteten Teils des Universums bewegen. Die unserem Sternensystem am nächsten gelegenen Galaxien sind die berühmten Magellanschen Wolken, die am Himmel der südlichen Hemisphäre deutlich als zwei große Flecken mit ungefähr der gleichen Oberflächenhelligkeit wie die Milchstraße sichtbar sind. Die Entfernung zu den Magellanschen Wolken beträgt „nur“ etwa 200.000 Lichtjahre, was durchaus mit der Gesamtausdehnung unserer Galaxie vergleichbar ist. Eine weitere Galaxie „in unserer Nähe“ ist der Nebel im Sternbild Andromeda. Es ist mit bloßem Auge als schwacher Lichtfleck der 5. Größe ***** sichtbar. Tatsächlich handelt es sich um eine riesige Sternenwelt, gemessen an der Anzahl der Sterne und der Gesamtmasse, die dreimal so groß ist wie unsere Galaxie, die wiederum ein Riese unter den Galaxien ist. Die Entfernung zum Andromeda-Nebel, oder wie Astronomen ihn nennen, M 31 (das bedeutet, dass er im bekannten Katalog der Messier-Nebel als Nr. 31 aufgeführt ist), beträgt etwa 1800.000 Lichtjahre, was etwa dem 20-fachen entspricht die Größe der Galaxie. Der Nebel M 31 hat eine klar definierte Spiralstruktur und ist in vielen seiner Eigenschaften unserer Galaxie sehr ähnlich. Daneben befinden sich seine kleinen ellipsoiden Satelliten (Abb. 5). In Abb. Abbildung 6 zeigt Fotos mehrerer Galaxien relativ nahe bei uns. Bemerkenswert ist die Vielfalt ihrer Formen. Zusammen mit Spiralsystemen (solche Galaxien werden je nach Art der Entwicklung der Spiralstruktur mit den Symbolen Sа, Sb und Sс bezeichnet; wenn eine „Brücke“ durch den Kern verläuft (Abb. 6a), ist der Buchstabe B nach dem Buchstaben S platziert), gibt es kugelförmige und ellipsoide Galaxien ohne Spuren einer Spiralstruktur sowie „unregelmäßige“ Galaxien, ein gutes Beispiel dafür sind die Magellanschen Wolken. In großen Teleskopen wird eine Vielzahl von Galaxien beobachtet. Wenn es etwa 250 Galaxien gibt, die heller als die sichtbare 12. Größe sind, dann gibt es bereits etwa 50.000 hellere als die 16. Größe. Die schwächsten Objekte, die an der Grenze mit einem Spiegelteleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 5 m fotografiert werden können, haben die 24,5. Größe . Es stellt sich heraus, dass unter den Milliarden solcher schwachen Objekte die meisten Galaxien sind. Viele von ihnen sind so weit von uns entfernt, dass das Licht Milliarden von Jahren zurücklegt. Das bedeutet, dass das Licht, das die Schwärzung der Platte verursachte, lange vor der archaischen Periode der Erdgeschichte von einer so weit entfernten Galaxie emittiert wurde!

Reis. 6a. Kreuzspiralgalaxie

Reis. 6b. Galaxie NGC 4594

Reis. 6s. Galaxien Magellansche Wolken

Manchmal stößt man zwischen Galaxien auf erstaunliche Objekte, zum Beispiel „Radiogalaxien“. Dabei handelt es sich um Sternensysteme, die im Radiobereich riesige Energiemengen aussenden. Bei einigen Radiogalaxien ist der Fluss der Radioemission um ein Vielfaches höher als der Fluss der optischen Strahlung, obwohl ihre Leuchtkraft im optischen Bereich sehr hoch ist – um ein Vielfaches größer als die Gesamtleuchtkraft unserer Galaxie. Erinnern wir uns daran, dass Letztere aus der Strahlung von Hunderten Milliarden Sternen besteht, von denen viele wiederum viel stärker strahlen als die Sonne. Ein klassisches Beispiel für eine solche Radiogalaxie ist das berühmte Objekt Cygnus A. Im optischen Bereich handelt es sich um zwei unbedeutende Lichtflecken der 17. Größe (Abb. 7). Tatsächlich ist ihre Leuchtkraft sehr hoch, etwa zehnmal größer als die unserer Galaxie. Dieses System scheint schwach zu sein, da es sich in großer Entfernung von uns befindet – 600 Millionen Lichtjahre. Allerdings ist der Fluss der Radioemission von Cygnus A bei Meterwellen so groß, dass er sogar den Fluss der Radioemission von der Sonne übersteigt (in Zeiten, in denen es keine Sonnenflecken auf der Sonne gibt). Aber die Sonne ist sehr nah – die Entfernung zu ihr beträgt „nur“ 8 Lichtminuten; 600 Millionen Jahre – und 8 Minuten! Aber Strahlungsflüsse sind bekanntlich umgekehrt proportional zu den Quadraten der Entfernungen! Die Spektren der meisten Galaxien ähneln denen der Sonne; in beiden Fällen sind einzelne dunkle Absorptionslinien vor einem recht hellen Hintergrund zu beobachten. Dies ist nicht unerwartet, da die Strahlung von Galaxien die Strahlung der Milliarden von Sternen ist, aus denen sie bestehen, und die der Sonne mehr oder weniger ähnlich ist. Die sorgfältige Untersuchung der Spektren von Galaxien führte vor vielen Jahren zu einer Entdeckung von grundlegender Bedeutung. Tatsache ist, dass man durch die Art der Wellenlängenverschiebung einer beliebigen Spektrallinie im Verhältnis zum Laborstandard die Bewegungsgeschwindigkeit der emittierenden Quelle entlang der Sichtlinie bestimmen kann. Mit anderen Worten: Es lässt sich feststellen, mit welcher Geschwindigkeit sich die Quelle nähert oder entfernt.

Reis. 7. Radiogalaxie Cygnus A

Nähert sich die Lichtquelle, verschieben sich die Spektrallinien zu kürzeren Wellenlängen, entfernt sie sich zu längeren. Dieses Phänomen wird „Doppler-Effekt“ genannt. Es stellte sich heraus, dass Galaxien (mit Ausnahme einiger weniger uns am nächsten gelegener Galaxien) Spektrallinien haben, die immer in den langwelligeren Teil des Spektrums verschoben sind („Rotverschiebung“ der Linien), und zwar umso größer, je weiter die Galaxie entfernt ist von uns, desto größer ist das Ausmaß dieser Verschiebung. Das bedeutet, dass sich alle Galaxien von uns entfernen und die Geschwindigkeit der „Expansion“ zunimmt, wenn sich die Galaxien entfernen. Es erreicht enorme Werte. Beispielsweise liegt die anhand der Rotverschiebung ermittelte Rückzugsgeschwindigkeit der Radiogalaxie Cygnus A bei nahezu 17.000 km/s. Vor 25 Jahren gehörte der Rekord zur sehr schwachen (in optischen Strahlen der 20. Größenordnung) Radiogalaxie 3S 295. 1960 wurde ihr Spektrum ermittelt. Es stellte sich heraus, dass die bekannte ultraviolette Spektrallinie des ionisierten Sauerstoffs in den orangefarbenen Bereich des Spektrums verschoben ist! Von hier aus lässt sich leicht feststellen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich dieses erstaunliche Sternensystem bewegt, 138.000 km/s beträgt, also fast die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit! Die Radiogalaxie 3S 295 ist in einer Entfernung von uns entfernt, die das Licht in 5 Milliarden Jahren zurücklegt. So untersuchten Astronomen das Licht, das bei der Entstehung der Sonne und der Planeten emittiert wurde, und vielleicht sogar „etwas“ früher … Seitdem wurden noch weiter entfernte Objekte entdeckt (Kapitel 6). Auf die Gründe für die Ausdehnung eines Systems, das aus einer Vielzahl von Galaxien besteht, gehen wir hier nicht näher ein. Diese komplexe Frage ist Gegenstand der modernen Kosmologie. Allerdings ist gerade die Tatsache der Expansion des Universums von großer Bedeutung für die Analyse der Entwicklung des Lebens darin (Kapitel 7). Der Gesamtausdehnung des Galaxiensystems überlagert sind die unregelmäßigen Geschwindigkeiten einzelner Galaxien, typischerweise mehrere hundert Kilometer pro Sekunde. Aus diesem Grund weisen die uns nächstgelegenen Galaxien keine systematische Rotverschiebung auf. Schließlich sind die Geschwindigkeiten zufälliger (sogenannter „eigentümlicher“) Bewegungen dieser Galaxien größer als die normale Rotverschiebungsgeschwindigkeit. Letztere erhöht sich mit der Entfernung der Galaxien um etwa 50 km/s pro Million Parsec. Daher übersteigen bei Galaxien, deren Entfernungen mehrere Millionen Parsec nicht überschreiten, die zufälligen Geschwindigkeiten aufgrund der Rotverschiebung die Rückzugsgeschwindigkeit. Unter den nahen Galaxien gibt es auch solche, die sich uns nähern (zum Beispiel der Andromeda-Nebel M 31). Galaxien sind im metagalaktischen Raum nicht gleichmäßig verteilt, d.h. mit konstanter Dichte. Sie zeigen eine ausgeprägte Tendenz zur Bildung separater Gruppen oder Cluster. Insbesondere eine Gruppe von etwa 20 Galaxien in unserer Nähe (einschließlich unserer Galaxie) bildet das sogenannte „lokale System“. Das lokale System wiederum ist Teil eines großen Galaxienhaufens, dessen Zentrum in dem Teil des Himmels liegt, auf den das Sternbild Jungfrau projiziert wird. Dieser Cluster hat mehrere tausend Mitglieder und gehört zu den größten. In Abb. Abbildung 8 zeigt ein Foto des berühmten Galaxienhaufens im Sternbild Corona Borealis, der Hunderte von Galaxien umfasst. Im Raum zwischen Galaxienhaufen ist die Dichte der Galaxien um ein Vielfaches geringer als innerhalb der Galaxienhaufen.

Reis. 8. Galaxienhaufen im Sternbild Corona Borealis

Tabelle 1

Urknall
Entstehung von Galaxien (z~10)
Entstehung des Sonnensystems
Erdbildung
Die Entstehung des Lebens auf der Erde
Entstehung der ältesten Gesteine der Erde
Das Auftreten von Bakterien und Blaualgen
Die Entstehung der Photosynthese
Die ersten Zellen mit einem Kern

Sonntag	Montag	Dienstag	Mittwoch	Donnerstag	Freitag	Samstag
	Die Entstehung einer Sauerstoffatmosphäre auf der Erde				Heftige vulkanische Aktivität auf dem Mars

		Die ersten Würmer		Ozeanplankton-Trilobiten	Ordovizium Der erste Fisch	Silur Pflanzen besiedeln Land
Devon Die ersten Insekten und Tiere besiedeln das Land	Die ersten Amphibien und geflügelten Insekten	Kohlenstoff Die ersten Bäume. Die ersten Reptilien	Perm Die ersten Dinosaurier	Beginn des Mesozoikums	Trias Erste Säugetiere	Yura Die ersten Vögel
Kreide Erste Blumen	Tertiärzeit Erste Primaten	Erste Hominiden	Quartärperiode Erste Leute (~22:30)

Wie sieht die Metagalaxie in unserem Modell aus, in der die Erdumlaufbahn auf die Größe der ersten Umlaufbahn eines Bohr-Atoms reduziert wird? Auf dieser Skala beträgt die Entfernung zum Andromeda-Nebel etwas mehr als 6 m, die Entfernung zum zentralen Teil des Virgo-Galaxienhaufens, zu dem unser lokales Galaxiensystem gehört, etwa 120 m und die Größe des Haufens selbst wird in der gleichen Reihenfolge sein. Die Radiogalaxie Cygnus A wird nun in einer Entfernung von 2,5 km entfernt und die Entfernung zur Radiogalaxie 3S 295 wird 25 km erreichen... Wir haben die wichtigsten Strukturmerkmale und den Maßstab von in allgemeinster Form kennengelernt das Universum. Es ist wie ein eingefrorener Rahmen ihrer Entwicklung. Sie war nicht immer so, wie wir sie jetzt sehen. Alles im Universum verändert sich: Sterne und Nebel erscheinen, entwickeln sich und „sterben“, die Galaxie entwickelt sich auf natürliche Weise, die Struktur und das Ausmaß der Metagalaxie ändern sich (schon allein aufgrund der Rotverschiebung). Daher muss das gezeichnete statische Bild des Universums durch ein dynamisches Bild der Entwicklung des Einzelnen ergänzt werden Weltraumobjekte, aus dem es gebildet wird, und das gesamte Universum als Ganzes. Die Entwicklung einzelner Sterne und Nebel, die Galaxien bilden, wird im Kapitel besprochen. 4 . An dieser Stelle wollen wir nur sagen, dass Sterne aus dem interstellaren Gas- und Staubmedium entstehen, einige Zeit lang still emittieren (abhängig von der Masse) und danach auf mehr oder weniger dramatische Weise „sterben“. Die Entdeckung der „Relikt“-Strahlung im Jahr 1965 (siehe Kapitel 7) hat dies allenfalls deutlich gezeigt frühe Stufen In der Evolution unterschied sich das Universum qualitativ von seinem aktuellen Zustand. Hauptsache, es gab damals keine Sterne, keine Galaxien, keine schweren Elemente. Und natürlich gab es kein Leben. Wir beobachten einen grandiosen Prozess der Entwicklung des Universums vom Einfachen zum Komplexen. Das gleiche Richtung Die Evolution hat auch die Entwicklung des Lebens auf der Erde zur Folge. Im Universum war die Evolutionsrate am Anfang viel höher als in moderne Ära. Es scheint jedoch, dass bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde ein gegenteiliges Muster zu beobachten ist. Dies geht deutlich aus dem in Tabelle 1 dargestellten Modell der „kosmischen Chronologie“ hervor, das vom amerikanischen Planetenforscher Sagan vorgeschlagen wurde. Oben haben wir es im Detail ausgeführt räumliches Modell Universum, basierend auf der Wahl der einen oder anderen linearen Skala. Im Wesentlichen wird in der Tabelle die gleiche Methode verwendet. 1. Die gesamte Existenz des Universums (der Bestimmtheit halber wird davon ausgegangen, dass sie 15 Milliarden realen „irdischen“ Jahren entspricht, und hier ist ein Fehler von mehreren zehn Prozent möglich) wird durch ein imaginäres „kosmisches Jahr“ modelliert. Es ist nicht schwer zu überprüfen, dass eine Sekunde eines „kosmischen“ Jahres 500 sehr realen Jahren entspricht. Mit einer solchen Skala wird jede Epoche der Entwicklung des Universums in Übereinstimmung gebracht bestimmtes Datum(und Zeit des „Tages“) des „kosmischen“ Jahres. Es ist leicht zu erkennen, dass diese Tabelle in ihrem Hauptteil rein „anthropozentrisch“ ist: Die Daten und Zeitpunkte des kosmischen Kalenders nach „September“ und insbesondere des gesamten speziell bezeichneten „Dezembers“ spiegeln bestimmte Stadien in der Entwicklung des Lebens wider auf der Erde. Für die Bewohner eines Planeten, der „seinen“ Stern in einer fernen Galaxie umkreist, würde dieser Kalender völlig anders aussehen. Allerdings ist schon der Vergleich des Tempos von kosmischem und irdische Entwicklungäußerst beeindruckend.

* Astronomische Einheit – die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne, gleich 149.600.000 km.
** Möglicherweise werden in der Astronomie nur die Geschwindigkeiten von Sternen und Planeten in der Einheit „Kilometer pro Sekunde“ ausgedrückt.
*** Im Zentrum des galaktischen Kerns, in einer Region mit einem Durchmesser von 1 pc, befinden sich offenbar mehrere Millionen Sterne.
**** Es ist nützlich, sich an eine einfache Regel zu erinnern: Eine Geschwindigkeit von 1 pc in 1 Million Jahren entspricht fast einer Geschwindigkeit von 1 km/s. Wir überlassen es dem Leser, dies zu überprüfen.
***** Der Strahlungsfluss von Sternen wird durch sogenannte „Sternmagnituden“ gemessen. Per Definition ist der Fluss eines Sterns der Größe (i+1) 2,512-mal geringer als der eines Sterns i-te Größe. Sterne, die schwächer als die 6. Größe sind, sind mit bloßem Auge nicht sichtbar. Die hellsten Sterne haben eine negative Helligkeit (Sirius hat beispielsweise eine Helligkeit von -1,5).

Typ