10. Принципы целостности и системности в естествознании. Элементы космологии
10.1 Общие сведения
Из астрономических наблюдений за удаленными галактиками следует, что наша Вселенная расширяется. По закону Хаббла скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию между ними, т.е. v = H ∙ r , где H - постоянная Хаббла ( H = 75 км / ( с ∙ Мпк ) );
1 Мпк = 106 пк; 1 парсек ( пк) = 3.3 световых года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год и равное примерно 1016 м.
Постоянная Хаббла H = 1 / τ , где τ - время жизни нашей Вселенной, составляющее по современным оценкам около 15 млрд. лет.
Определение скорости удаления галактики в астрономических наблюдениях основано на эффекте Доплера и измерении красного смещения всех линий в спектре излучения галактики.
Скорость распространения света не зависит от того, в покое или движении находится источник света или наблюдатель. Однако длины волн, которые принимает наблюдатель в случае покоящегося ( λ0 ) или движущегося ( λ ) источника, различны, и их разность дает так называемое доплеровское смещение длины волны: ∆ λ = λ - λ0
При скоростях объектов, значительно меньших скорости света, справедливо выражение: (λ - λ0 ) / λ0 = ς = v / c, где ς - относительное смещение спектральных линий; v – скорость объекта, излучающего свет.
Сдвиг линий в красную область спектра ( красные смещения ) дает ς > 0 и соответствует удалению объекта.
Для больших скоростей объекта, сравнимых со скоростью света:
10.2. Примеры решения задач
Задача 10.2.1. Относительное красное смещение для одной из галактик составляет 0.001. Приближается или удаляется галактика по отношению к земному наблюдателю? Определите смещение для голубой линии водорода λ0 = 486.1 нм. Какова скорость движения галактики по лучу зрения в направление наблюдателя?
Решение: По условию ς = 0.001, т.е. ς > 0 . Следовательно наблюдаемая галактика удаляется. Смещение длины волны ∆ λ определим по формуле: ∆ λ / λ0 = ς. ∆ λ = λ0 ∙ ς = 0.001 ∙ 486.1 нм = 0.4861 нм. Скорость движения галактики : v = с ∙ ς = 3 ∙ 108 ∙ 0.001 = 300 км /с.
Задача 10.2.2. Какова неопределенность импульса нейтрона, заключенного в ядре? Размер ядра 10-15м.
Решение: Согласно соотношению неопределенности Гейзенберга:
∆Х . ∆Р > h/4π .
Такое же соотношение справедливо для энергии ∆Е и времени ∆t:
∆E . ∆t > h/4π,
где ∆Х _ неопределенность измерения координаты,
∆Р _ неопределенность измерения импульса.
Для нейтрона, находящегося в ядре, неопределенность измерения координаты ∆Х _ порядка размеров ядра. Тогда ∆Р > h / (4π ∆X) =
= 1,05.10-34/10-1515 = 10-19 кг м/с.
Задача 10.2.3. Белый карлик радиусом 9000 км при гравитационном коллапсе превращается в нейтронную звезду радиусом 6 км. Вычислить период излучения получившегося пульсара, если белый карлик совершал один оборот за 30 суток. При коллапсе было сброшено 35% массы.
Дано: η = 0,35
m2 /m1 = 1 – η = 0,65
R1 = 9000 км = 9.106 м
R2 = 6 км = 6.103 м
Т1 = 30 суток = 30.24.60.60 с
Определить: Т2
Решение: Белый карлик при гравитационном коллапсе превращается в нейтронную звезду. Так как коллапс происходит за доли секунды (т.е. почти мгновенно), то справедлив закон сохранения момента количества движения:
J1 ω1 = J2 ω2,
где J1 = 0,4 m1 R12 _ момент инерции звезды (белого карлика) в виде шара;
J2 = 0,4 m2 R22 _ момент инерции нейтронной звезды;
ω1 = 2p η1 = 2π / T1 _ угловая скорость вращения белого карлика;
ω2 = 2 p η2 = 2η / T2 _ угловая скорость вращения нейтронной звезды;
Т1, Т2 _ периоды обращения белого карлика и нейтронной звезды соответственно.
Подставляя значения моментов инерции и угловых скоростей в вышеприведенную формулу, получим соотношение для определения периода звезды:
0,4 m1 R12 . 2π / T1 = 0,4 m2 R22 . 2π /T2
Откуда
T2 = (m2 /m1) (R2 /R1)2 T1 = 0,65 . (6.103/9.106)2 . 30 . 24 . 60 . 60 =
= 0,65 . (4/9).10-6 . 3 . 6 . 6 . 2,4.104 = 8,32.10-2c.
Согласно современным представлениям период излучения пульсара совпадает с периодом обращения нейтронной звезды.
Ответ: Период излучения пульсара равен Т = 0,0832 с.
Задача 10.2.4. Определить расстояние в световых годах до галактики по ее красному смещению ∆λ = 10 нм линии λ = 486 нм.
Дано: Н = 75 км .с-1/Мпс
∆λ = 10 нм
λ = 486 нм
Определить: R
Решение: При удалении галактики со скоростью V согласно эффекту Доплера для смещения ∆λ в красную сторону (в сторону удлинения длины волны) линии излучения λ справедливо соотношение (при небольшом удалении): ∆λ / λ = V / c,
где с _ скорость света.
Отсюда скорость удаления галактики равна:
V = c . ∆λ / λ.
Вычислим скорость удаления:
V = 3.108 . 10/486 = 0,062.108 м/с = 62.105 м/с = 6200 км/с.
По закону Хаббла скорость удаления пропорциональна расстоянию до галактики: V = H R.
Примем постоянную Хаббла Н = 75 км .с-1/Мпс.
Расстояние до галактики будет:
R = V/H = 6200/75 = 82,7 Мпс.
Учтем, что 1 парсек = 3,26 световых года, а 1 Мпс = 106 пс. Тогда
R = 260.106 св.лет.
Ответ: галактика удалена на 269 млн. световых лет.