Вселенная и её история
Вселенная состоит из миллиардов галактик; каждая галактика содержит миллиарды звёзд; Солнце — одна из звёзд Млечного Пути. Гравитация формирует все орбиты, звёзды рождаются и умирают согласно закономерностям, определяемым их массой, а красное смещение далёких галактик свидетельствует о расширении всей Вселенной — доказательство начала: Большого взрыва.
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Раздел 8 (утверждения 8.1–8.18P). Утверждения с суффиксом P являются расширением только по физике (Билет 2P).
Движение во Вселенной
Вселенная → миллиарды галактик → каждая содержит миллиарды звёзд → наша Солнечная система расположена в Млечном Пути. Сила гравитационного поля g зависит от массы и размера — слабее на Луне, сильнее на Юпитере. Гравитация удерживает все орбиты: спутники обращаются вокруг планет, планеты и кометы — вокруг Солнца, искусственные спутники — вокруг Земли.
Планетарные орбиты почти круглые; орбиты комет сильно эксцентричные — быстрые у Солнца, медленные далеко от него. Орбитальная скорость определяется как длина окружности ÷ период:
Разобранная проверка. Спутник на орбитальном радиусе 7000 км (r отсчитывается от центра Земли) с периодом 5800 с: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ м/с ≈ 7.6 км/с.
Звёздная эволюция
Звёзды классифицируются по цвету, который зависит от температуры поверхности: синие — самые горячие → красные — самые холодные. Звезда, подобная Солнцу, проходит стадии: туманность → главная последовательность (термоядерный синтез уравновешивает гравитацию миллиарды лет) → красный гигант → белый карлик; звезда массивнее Солнца проходит стадии: туманность → главная последовательность → красный сверхгигант → сверхновая → нейтронная звезда или чёрная дыра.
(P) Яркость звезды сравнивается с использованием абсолютной звёздной величины на стандартном расстоянии; диаграмма Герцшпрунга–Рассела отображает абсолютную звёздную величину в зависимости от температуры, где главную последовательность, гиганты и белые карлики образуют основные полосы.
Космология (P)
Движущийся источник волны изменяет наблюдаемую длину волны (красное смещение при удалении). Красное смещение галактик растёт с расстоянием, а зависимость выражается формулой:
Разобранная проверка. Спектральная линия на 500 нм наблюдается на 505 нм в далёкой галактике: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, следовательно, $v = 0.01c = 3000$ км/с.
Увеличение красного смещения с расстоянием означает, что галактики удаляются быстрее по мере удаления — Вселенная расширяется, что указывает на горячее, плотное начало: Большой взрыв. Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) — слабое микроволновое излучение со всех сторон — является остывшим реликтом того раннего излучения, второй столп доказательств.
Проверьте себя
- Расположите в порядке увеличения размера: галактика, солнечная система, Вселенная, звезда.
- Почему значение g различается на Земле и Луне?
- Назовите две формы орбит комет и планет.
- Вычислите орбитальную скорость спутника на r = 42 000 км при T = 24 часах.
- Назовите две стадии после главной последовательности для звезды, подобной Солнцу.
- Что говорит цвет звезды?
- (P) Какие две величины отображаются на диаграмме HR?
- (P) Линия на 400 нм смещается до 404 нм. Вычислите v/c.
- (P) Назовите два доказательства Большого взрыва.
- (P) Почему красное смещение увеличивается с расстоянием?
Ответы: 1 звезда (самая маленькая) → солнечная система → галактика → Вселенная (самая большая); 2 g зависит от массы и радиуса тела — Луна меньше и менее массивна, поэтому её g составляет примерно 1.6 Н/кг; 3 планеты — почти круговые; кометы — сильно вытянутые эллипсы; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ м, $T = 86\,400$ с; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ м/с ≈ 3.1 км/с; 5 красный гигант, затем белый карлик; 6 её температура поверхности — синие самые горячие, красные самые холодные; 7 (P) абсолютная звёздная величина против температуры (или цвета); 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$; 9 (P) увеличение красного смещения галактик с расстоянием и космическое микроволновое фоновое излучение; 10 (P) чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется — само пространство расширяется, поэтому скорость удаления растет с расстоянием, смещая свет дальше в красную область.