Космология

Оқулықтық тірек

• Закирова Н.А., Аширов Р.Р. «Физика» (ЖМБ), 11-сынып, Арман-ПВ, 2020, 274–279, 285–287, 295–304, 309-б.

Материалдарда жоқ: Галактикамыздың (Құс жолы) құрылымы мен өлшемдері, квазарлар, Әлем эволюциясының кезеңдері бойынша толық хронология.

Негізгі ұғымдар

• Жылдық параллакс $p$ — жұлдыздан Жер орбитасының радиусы (1 а.б.) көрінетін бұрыш; $D=\dfrac{1}{p''}$ пк.
• Парсек: 1 пк = 3,26 жарық жылы = 206 265 а.б. ≈ $3\cdot10^{13}$ км. Жарық жылы — жарықтың бір жылда жүретін жолы.
• Көрінерлік жұлдыздық шама $m$ — бақыланатын жарықтылық; абсолют жұлдыздық шама $M$ — жұлдыз 10 пк қашықтықта тұрғандағы шама.
• Жарқырау $L$ — жұлдыздың сәулелену қуаты (Күн үшін $3{,}86\cdot10^{26}$ Вт).
• Хаббл заңы: галактикалардың алыстау жылдамдығы қашықтыққа тура пропорционал, $u=H_0D$.

Теория

Жұлдыздық шамалар. 1-шамалы жұлдыз 6-шамалыдан 100 есе жарық; бір шамаға айырма — 2,512 есе. Шама неғұрлым кіші болса, жұлдыз соғұрлым жарық. Байланыс: $M=m+5-5\lg D\quad(D\ \text{парсекпен}).$ Параллакс әдісі 100 пк-ке (≈300 жарық жылы) дейін дәл.

Спектрлік кластар (температура бойынша).

Класс	Температура	Түсі	Мысал
Ең ыстық (көгілдір)	≈30 000 К	көгілдір	спектрінде гелий сызықтары
A	≈10 000 К	ақ	Сириус, Вега, Денеб
G	≈6000 К	сары	Күн, Капелла
M	≈3000 К	қызыл	Антарес, Бетельгейзе

Герцшпрунг — Рассел диаграммасы (Герцшпрунг, 1905 ж.; Рассел). «Спектр (температура) — абсолют шама (жарқырау)» диаграммасында жұлдыздардың көбі бас тізбекте: сол жақ жоғарыда ыстық, жарық, массивті; оң жақ төменде салқын, күңгірт, жеңіл жұлдыздар. Жұлдыздар ергежейлілер мен алыптарға бөлінеді; бір температурада жарқырау айырмасын радиус түсіндіреді: $L=4\pi r^2\sigma T^4$. Күн — бас тізбектегі сары ергежейлі. Эволюцияның соңғы сатысы — ақ ергежейлі.

Жұлдыздардың соңғы сатылары.

• Асқынжаңа жұлдыздар: I түрі — серігінен затты жұтып, Чандрасекар шегіне жеткен ақ ергежейлінің жарылысы; Ia типі «стандартты шам» ретінде қашықтық өлшеуге қолданылады. II түрі — отыны таусылған массивті жұлдыздың жарылысы.
• Нейтронды жұлдыздар — асқын тығыз жұлдыз қалдықтары; олардың көрінісі — пульсарлар (қатаң периодты импульстер). 1992 ж. PSR 1257+12 пульсарының маңынан Күн жүйесінен тыс алғашқы планеталар табылды.
• Қара құрдымдар — тартылысы сәуле шығаруға мүмкіндік бермейтін нысандар.

Қашықтықты анықтау. Параллакс (жақын жұлдыздар); цефеидтер — пульсация периоды мен жарқырау байланысы (Г. Ливитт: $M=-2{,}78\lg P-1{,}35$), кейін $M=m+5-5\lg D$; Ia асқынжаңалары; алыс галактикалар үшін қызыл ығысу.

Хаббл заңы (1929 ж.). Қызыл ығысу $z=\dfrac{\nu_0-\nu}{\nu_0}$; $cz=H_0D$, кіші $z$ үшін $u=H_0D$. $H_0\approx63$–74 км/(с·Мпк), $H_0\approx2{,}3\cdot10^{-18}$ с⁻¹. Әлемнің жасы шамамен $t\approx\dfrac1{H_0}$.

Үлкен жарылыс теориясы. Расталуы: 1) Әлемнің кеңеюі (Хаббл); 2) реліктілік сәулелену — 1964 ж. А. Пензиас пен Р. Уилсон ашқан, температурасы ≈3 К (2,725 К) микротолқынды фон; 3) жеңіл элементтердің көптігі. «Планк» телескопы (2009–2013 жж.) фонның картасын жасап, кеңістіктің іс жүзінде евклидтік екенін көрсетті.

Үдемелі кеңею. 1998 ж. Ia асқынжаңаларын бақылау арқылы ашылды (С. Перлмуттер, Б. Шмидт, А. Рисс — 2011 ж. Нобель сыйлығы). Себебі — қараңғы энергия (Эйнштейннің космологиялық тұрақтысына сәйкес). Галактикалар қозғалысын түсіндіру үшін қараңғы материя енгізілген — гравитациялық әрекеттесуге қатысатын, бірақ затпен әлсіз әрекеттесетін болжамды бөлшектер.

Мысалдар

1. Жұлдыздың параллаксы $0{,}1''$. Қашықтығы? $D=\dfrac1{0{,}1}=10$ пк ≈ 32,6 жарық жылы.
2. Жұлдыз 10 пк қашықтықта, $m=4$. Абсолют шама? $M=4+5-5\lg10=4$ — $D=10$ пк болғанда $M=m$.
3. Галактика 70 Мпк қашықтықта, $H_0=70$ км/(с·Мпк). $u=70\cdot70=4900$ км/с.
4. Әлемнің жасы, $H_0=2{,}3\cdot10^{-18}$ с⁻¹. $t=\dfrac1{H_0}\approx4{,}3\cdot10^{17}$ с ≈ 14 млрд жыл.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Жұлдыздық шама үлкен болса, жұлдыз жарық деу: керісінше.
• Параллакс үлкен болса, жұлдыз алыс деу: $D=1/p$ — жақын.
• Абсолют шаманы Жерден 1 пк қашықтыққа келтіру: стандарт — 10 пк.
• Реліктілік сәулеленуді көрінетін жарық деу: ол микротолқынды, ≈3 К.
• Күнді алып жұлдыз деу: ол бас тізбектегі G класты сары ергежейлі.

Өзіңді тексер

1. 1 парсек неше жарық жылы? — 3,26.
2. Хаббл заңы? — $u=H_0D$.
3. Реліктілік сәулеленуді кім, қашан ашты? — Пензиас пен Уилсон, 1964 ж.
4. Күн қай спектрлік класқа жатады? — G класы.
5. Әлемнің үдемелі кеңеюін түсіндіретін гипотезалық энергия? — Қараңғы энергия.