Астрофизика: часть 1, начало⁠⁠

Сегодня пост о космосе и физике космоса для начинающих. Мы разберём:

Звезды

Галактики

Масштабы вселенной

Темную материю

БЛОК 1: МАСШТАБЫ

У вас было чувство, когда смотрите на звезды, небо, что мы ничтожно малы? Мы - песчинка. И этот довод правильный, смотрите хронологию:

Человек - ~2 метра(0.002 км)

Экваториальный диаметр земли: 12 742 км

Диаметр юпитера 142 984 км

Диаметр солнца: 1 392 700 км.

1 астрономическая единица 149 597 870,7 км

Диаметр солнечной системы ~300 000 000 000 км

1 световой день 25 902 068 371,2 км

1 световой год 9 460 730 472 580,8 км

Парсек 3,08567758149×10^13 км. (30трлн)

Млечный путь 100 000 световых лет

Наблюдаемая вселенная 93 000 000 000 световых ЛЕТ.

Настолько огромна вселенная.

Мы пылинка, на пылинке в пылинке. Но многое мы изучили и знаем, несмотря на наш размер.

БЛОК 2: Звезды.

Звезды - огромные шары зачастую гелия и водорода, горящие за счёт термоядерного синтеза внутри(температура миллионы градусов). Термоядерный синтез это когда более легкия ядра сливаются в тяжелые. Так и горит солнце, водород сливается в гелий выделяя колосальное количество энергии. Из за чего? Ядро гелия чуть легче двух атомов водорода, и при слиянии эта лишняя масса высвобождается ввиде энергии по формуле E=mc^2(формула Энштейна)

Рождение звёзд происходит за счёт сжатия газопылевого облака, в центре которого за счёт сжатия накаляются атомы водорода и начинают сливаться и превращается в гелий. Звезда зажигается. Элементы становятся все тяжелее, по мере термоядерного синтеза. Гелий в кислород, и так далее. Жизнь зависит от спектрального класса звезды: O, B, A, F, G, K, M.

Класс O это звезды светящиеся голубым светом. Температура на поверхности от 30000 К до 60000 К (примерно также и в градусах). Самые коротко живущие звезды - от 1 до 10 млн лет. Из особенность, что большую часть света они изучают в невидимой для нас спектр - ультрафиолет.

Класс B это звезды которые светятся бело-голкбоватым светом. Температура от 10000 до 30000 К. Тоже долго не живут. От 10 до 100 млн

Класс А это звезды светящиеся белым светом. Отлично видны ночью. Температура от 7500 до 10000 К. Светят очень ярко. От 100 млн до 1 млрд лет живучесть.

Класс F светятся желто-белым светом. Температура от 5000 до 7500 К. Живут от 1 до 4 млрд лет

Класс G светятся жёлтым светом. Солнце именно этого класса. Температура от 5000 до 6000 К. Живут уже значительно дольше, около 10 млрд лет

Класс K от 3500 до 5000 К. Оранжевый свет истинный. Живут до 40 млрд лет

Класс M от 2000 до 3500 К. красные. Их особенность что они живут триллионы лет(до 12 трлн)

Существуют также дополнительные классы:

W - звезды Вольфа-Райе. Температура около 70000 К. Очень тяжелые и яркие звезды. Очень интенсивные эмиссионные линии в спектре(эмиссионные линии - это яркие линии в линейчатом спектре излучения, которые испускает нагретый разреженный газ) живут не долго, около 5млн лет

L, T, Y это коричневые карлики. Переходные от планеты к звезде. Температура до 2000К. L класс от 1300 до 2000К, присутствуют щелочные металлы(натрий). T класс от 600 до 1300К. Наличие метана. Y класс до 600К, наличие поглощения воды. Им не хватает массивности чтобы начать термоядерный синтез, поэтому их прозвали "несостоявшиеся звезды". Живут тоже триллионы лет.

С это углеродные звезды с повышенным содержанием углерода. Гиганты. Тоже живут до 10 млн лет

S это циркониевые звезды. Повышенное содержание оксида циркония. С той же температурой и что и классы К и М, но краснее. Несколько миллионов лет

D это белые карлики. Мёртвые звезды, которые остывают миллиарды лет.

P это планетарный туманности. Внешняя оболочка звезды, отделяетсч на поздних этапах жизни перед смертью. Яркий пример - туманность М27 гантель. Десятки тысяч лет.

Q это новые звезды. На поверхности белого карлика происходит термоядерный взрыв, из за того что он перетянул с соседней звезды достаточно вещества. Светимость резко повышается а затем постепенно падает. Вспышка на белом карлике до 2 месяцев.

SN это сверхновые. Взрыв звезды с высвобождением огромного количества энергии. В отличии от класса Q, сама звезда уже уничтожается. Дни-недели. Остаток живёт вечность

У каждого спектрального класса есть подгруппы(10- от 0 до 9)отвечающие к какой группе ближе звездаи её температура. Чем меньше номер, тем ближе звезда в высшем классу. И соответственно чем больше тем она ближе к низшему классу и холоднее

Ещё существуют классы светимости:

I Сверхгигант

II Яркий гигант

III Гигант

IV Субгигант

V Карлик главной последовательности

VI Субкарлик

VII Белый карлик (мёртвая звезда)

Наше солнце G2V. Попробуйте сами расшифровать это, а в конце блока будет ответ.

Смерть звезды происходит по многим сценариям:

1 это белый карлик. Звезда по типу солнца превращается в красного гиганта, ядро расширяется и оболочка тоже. Например меркурий и венера будут поглощены солнцем а земля пустыней. Затем сбрасывает планетарную туманность(класс P) и ядро начинает белеть, остывая миллиарды лет. Плотность такого вещества 5 тонн на чайную ложку.

2 сверхновые. Если звезда тяжелее солнца в ~10 раз она взорвётся сверхновой. Огромное выделение энергии. После ядро сжимается или в нейтроную звезду, или может сколлапсировать в черную дыру.

Экзотические варианты:

Нейтронная звезда. Ядро сверхновой сжимается до размера города(20км) и протоны и электроны сжимаются в нейтроны. Чайная ложка весит миллиарды тонн. Она может крутится а может нет. Самая быстрая нейтронная звезда - PSR J0537-6910. 710 оборотов в СЕКУНДУ. Почему такая скорость? Потому что огромное сохранение момента импульса. Как фигуристка прижимает руки и крутится быстрее. Живут миллиарды, но могут ожить при перетягивании вещества и прожить дольше. Если пульсар - то замедляется за 100 млн лет. Nasa записали звук пульсара (да я знаю что в космосе звука нет, это радиоволны которые перевели в слышимый диапазон). К сожалению пикабу не предоставило возможность выставлять аудио. Поэтому если так интересно можете перейти и посмотреть: https://zvukogram.com/category/zvuki-pulsarov/?ysclid=mslt0u...

И первый же звук будет самый известным - пульсара PSR B1919+21

Магнетары. Ужас в нейтронной звезде. Магнитное поле в миллиарды раз больше земного. Если бы он был вместо луны он бы вытянул металл из крови всех людей. Гамма всплески Магнетара одни из самых сильных во вселенной. Живёт до 100 тыс лет, потом становится нейтронной звездой.

Черные дыры. Если звезда массивные солнца в ~20 раз, есть шанс что она сколлапсирует в черную дыру. Гравитация становится сильнее всего. Свет не может вырваться из неё, и летает вокруг раскаляясь до безумных температур. Это аккреационный диск черной дыры. Из за него её иногда видно лучше галактики. Горизонт событий это то место где если будет какой то объект он будет там навсегда для нас. Время там замедляется на огромные величины(ОТО И СТО). Живут до 10^100 лет. Вечность.

Двойные системы это примерно половина всех звёзд. Например одна звезда это белый карлик, которая перетягивает вещество с другой звезды. Вызывает термоядерные вспышки.

Также звезды служат и создателями элементов. Все появилось в них в том числе и кислород.

Ответ на характеристику солнца:

G2V — это жёлтая звезда с температурой ~5800 К (G2), которая находится на главной последовательности (V), то есть стабильно сжигает водород.

БЛОК 3: ГАЛАКТИКИ

Галактика это гравитационное системное объединение звёзд, планет, космической пыли, облаков газа и тёмной материи. В центре большинства галактик находится сверхмассивная черная дыра.

Черные дыры не всасывают, а удерживают галактики. Как гравтационный якорь в море.

Млечный путь - спиральная галактика, диаметром примерно 100 000 световых лет. В ней находится примерно от 200 до 400 млрд звезд. В центре сверхмассивная черная дыра - Стрелец А, массой 4 млн солнц. Мы находимся в одном из рукавов(ориона), на расстоянии ~26000 световых лет от центра.

Бывает 4 вида галактик по классификации Хаббла:

S - спиральные. Форма:плоские, с рукавами. Особенность в том, что в ней много газа и образуются много новых звёзд. Пример: наша галактика млечный путь и соседка андромеда.

Е - эллиптические. Форма: шарообразные, вытянутые. Старые звезды, мало газа. Умирающая галактика. Пример: М87.

Irr - неправильные. У них нет формы. Результат столкновения галактик. Пример: известные Магеллановы Облака, видимые только в южном полушарии

S0 - линзовидные. Форма что то между эллиптическими и спиральными. Диск есть, но рукавов нет. Газа там практически нет, только старые звезды. Скорее всего это были спиральные галактики, которые потеряли ядро. Ngc 3115 "галактика веретено" служит примером.

Проблема: по законам Ньютона галактики должны были разлетется из за быстрого вращения. Но они на месте. Значит, что то невидимое помогает им. Это и есть темная материя. А проблема в том, что мы не можем её обнаружить.

Интересный факт: Большое и Малое Магеллановы Облака постепенно разрушаютсч нашей галактикой

БЛОК 4: Темная материя

Темная материя - это вид материи, который из 4 фундаментальных сил ( слабое и сильное взаимодействие, электромагнитное, Гравитация) взаимодействует только с гравитацией. Она не подвержены ни электромагнитное полю, свету.

История предположения

В 1930 астроном Фриц Цвикки увидел, что в созвездие волосы Вероники галактики двигаются слишком быстро, что противоречит законам Ньютона. Они должны были уже разлетется, но они держались. Он предположил, что им что то помогает. Назвал это "скрытая масса"

В 70-х это подтвердили. Вера Рубин измерила скорость вращения галактики и звёзд. По Ньютону звезды на окраине должны вращается медленнее. Но они вращались с такой же скоростью. И вывод был таков, что галактике что то помогает вращатся. Темная материя составляет примерно 27% вселенной.

Гипотезы - из чего может быть темная материя.

Самый популярный кандидат - WIMPs. Тяжелые частицы, практически не взаимодействующие с материей. Эксперименты пока ничего не дали.

Аксионы - сверхлегкие частицы, предсказаные квантовой теорией, пока результатов нет

MACHOs - чёрные дыры, нейтронные звезды, планеты изгои. Нг их очень мало чтобы объяснить тёмную материю.

Стерильные нейтрино - не участвуют в слабом взаимодействии. Активно ищут.

Селектрон. Он может скапливатся в одном месте (конденсат Бозе - Энштейна), поэтому он тоже подходит. Но это частица из теории струн, суперпартнер электрона, поэтому не каждый верит в него.

Гипотетические методы обнаружения тёмной материи:

Гравитационные линзы: Темная материя искривляет свет от далеких объектов

Наблюдение за звездами: движение галактик помогает определить её точное местоположение и насколько сильно она помогает

Космический микроволновой фон: реликтовое излучение показывает распределение массы по ранней вселенной

Эксперименты на земле: БАК работает над этим, и подземные детекторы ищут WIMPs

Темная материя не изучена вообще никак. Это то, что неосязаемо. Недостигаемо. Но мы не сдаемся и совершенствуемся с каждым днем. Даже то, что мы песчинка не остановит нас изучить песочницу.

Надеюсь, данный пост вам понравился и вы захотите посмотреть другие мои работы. Я был бы рад лайку, таким образом вы говорите, что данный формат вам нравится и я буду делать больше подобного.

Текст никак не взаимодействовал с нейросетью, все написано от руки. Вся информация бралась из открытых источников и переформулирована.