XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ГАЛАКТИКИ - ЗВЁЗДНЫЕ ОСТРОВА ВСЕЛЕННОЙ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сизова А.И. 1

---

1ОГАОУ Гимназия №2 г. Ульяновска

Рибенек В.А. 1

---

1Ульяновский государственный университет

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Галактики - звёздные системы. Наша галактика - Млечный путь. Вокруг других звезд нашей галактики за пределами Солнечной системы (СС) обнаружены планеты (экзопланеты), имеющие огромное разнообразие по физическим свойствам и по параметрам (масса, размеры, периоды вращения и т.д.)  —  от землеподобных миров до ледяных гигантов и жарких планет. На сегодняшний день мы имеем сведения примерно о 4000 подтвержденных экзопланетах. Сведения об их параметрах можно взять с сайта  allplanets.ru. Галактики входят в состав Метагалактики.

За последние 100 лет представления о Вселенной претерпели революционные изменения. Современная научная картина мира формировалась трудами выдающихся учёных, которые вели непримиримую борьбу за свои идеи и открытия, порой ценой своей жизни и свободы.

Актуальность выбранной темыпроекта обусловлена существованием проблемы, которая заключается в востребованности у части учащихся начальной школы в:

- получении астрономических знаний и представлений о современной научной картине Мира и отсутствии таких сведений в школьных учебниках этих классов;

- получении начальных умений и навыков использования программы Excel и отсутствия реализации этой возможности на уровне младшей школы.

Цель проекта в расширении познаний космоса и в формировании элементов современной научной астрономической картины Мира, в получении знаний о разнообразии и истории открытия галактик, внесолнечных планетных системах

Задачи проекта

1. Найти информацию и изучить:

- виды галактик, как они движутся относительно друг друга, динамику их развития со временем;

- историю развития представлений о СС и строении Вселенной.

2. С помощью сайта http://www.allplanets.ru/ найти внесолнечные многопланетные системы нашей галактики, похожие на Солнечную систему (СС), провести их сравнение с СС - найти их сходство и различие по физическим характеристикам.

3. Изучить метод ранжирования - распределение объектов в порядке убывания изучаемого параметра и применить этот метод для изучения космических объектов - галактик и экзопланет.

3. Научиться использовать программу Excel для простейших графических построений и с помощтю этой программы построить графические ранговые распределения (РР) галактик по массам и экзопланет в их системах по массам или размерам.

4.. Провести сравнение полученных результатов и сделать выводы.

Методы исследования:

• Сравнение, анализ, синтез, аналогия – в изучении разнообразия известных классов галактик и экзопланет по физическим характеристикам.

• Метод ранжирования космических тел по массам, размерам и построение графиков их РР с использованием компьютерных технологий.

• Анализ полученных результатов.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Виды галактик

Галактики - это звёздные системы. Вокруг звёзд вращаются планеты со спутниками. Кроме звёздных систем в галактике имеются другие объекты: туманности (тёмные пылевые и газовые, светлые), звёздные скопления (шаровые и рассеянные), кометы, пульсары, чёрные дыры и др.

Одинаковы или разнообразны галактики:

а) по форме, б) по возрасту, в) по массе или по размерам?

По форме галактики делятся на спиральные, спиральные с перемычкой, эллиптические, неправильные (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Виды галактик (а);

спиральная галактика Млечный путь со спутниками (б)

По возрасту галактики делятся на:

• молодые, которые состоят из голубых и синихзвёзд;

• старые, состоящие из красных звёзд;

• галактики –«тинейджеры» переходного возраста - от синего» состояния к «красному» - от детства к старости.

Большинство молодых галактик – это спиральные и неправильные.

По массе они тоже неодинаковы. График рис.2, построенный с помощью программы Excel в виде гистограммы иллюстрирует ранговое распределение 15-и ближайших галактик по массам.

Рис.2. График рангового распределения 15 ближайших галактик по массам М,

N - номер галактики в порядке ранжирования.

Распределение построено в порядке убывания массы галактик, имеет упорядоченный убывающий нелинейный гиперболический характер. 

Наблюдения и исследования учёных показали: Галактики неизбежно сливаются друг с другом, и, старея, превращаются в крупные эллиптические галактики из красных звёзд.

2. Наша галактика - Млечный путь.

В северном полушарии Млечный путь имеет вид (рис. 3, а).

В южном полушарии слева от Млечного пути можно видеть спутники нашей галактики – карликовые галактики – Магеллановы облака (рис. 3, б).

а) б)

Рис. 3. Млечный путь: а) в северном полушарии;

б) в южном полушарии со спутниками (слева).

Наша галактика относительно молодая, спиральная с перемычкой. В центре находится ядро, от которого отходят рукава (рис. 4). Каждый рукав имеет название. Её параметры: диаметр Галактики –100 000 св. лет.

Масса –165 миллиардов масс Солнца. Содержит 300 миллиардов звёзд.

Её возраст -12 млрд лет. Возраст Солнца - 4,5 млрд лет. Световой год- расстояние, которое проходит свет за 1 год со скоростью 300 000 км/с

Наша галактика, Магеллановы облака, ближайшая к нам галактика Андромеда с четырьмя спутниками взаимодействуют друг с другом и через миллиарды лет они сольются в одну гигантскую галактику (рис.5).

Рис.4. Рукава галактики Млечный путь и положение Солнца в ней.

а) б)

Рис.5. Вид звёздного неба через 4 миллиарда лет (а);

слияние галактик через 5-6 млрд лет (б).

3. Млекомеда или Андромедный путь

Андромеда (в каталогах - М31) вместе с 4 спутниками летит к нам со скоростью 120 км/с. Через 4 млрд лет Андромеда войдёт в космическое пространство Млечного пути.  Звёздное вещество нашей галактики будет затягиваться ядром Андромеды. После слияния двух спиральных галактик образуется одна массивная и очень яркая эллиптическая галактика по имени Млекомеда или Андромедный Путь (рис. 6). В Андромеде 1 триллион звёзд (10¹²), примерно в 3,3 раза больше, чем в нашей галактике. Человек невооружённым глазом ночью видит около 6 000 звёзд нашей галактики. Будущие потомки в Млекомеде будут видеть, соответственно примерно 26 000 звёзд, небо будет залито светом, так как будет усыпано звёздами, при сжатии газов будут вспыхивать новые звёзды. За это время большая часть звёзд состарится. Млекомеда будет состоять, в основном, из красных старых звёзд.

Как будет выглядеть новая галактика Млекомеда после столкновения Млечного Пути с галактикой Андромеды?

Рис. 6. Образование Млекомеды

Сегодня уже началось поглощение Млечным путем Большого и Малого Магеллановых облаков. При столкновении с Андромедой наша галактика никуда не исчезнет, планеты Млечного Пути не уничтожатся.

4. История открытия галактик

Как люди представляли Вселенную до открытия галактик?

В первом веке нашей эры 2000 лет назад и, вплоть до 16 века н.э. господствовала геоцентрическая система мира Птолемея. В центре мира – неподвижная Земля, планеты и Солнце вращаются вокруг нее. На первом круге – луна, солнце – на 4-м круге, на последнем круге - неподвижные звёзды (рис. 7).

Рис. 7. Геоцентрическая модель Мира Птолемея.

16 век. В начале века Коперник создалсвою гелиоцентрическую модель Мира. В центре Мира – Солнце (рис. 8). Планеты вращаются вокруг него по сферам. Последняя сфера – сфера неподвижных звёзд (как у Птолемея).

Рис. 8. Гелиоцентрическая система Коперника

(1473 - 1543)

Главное и почти единственное сочинение Коперника, плод его более чем 40-летней работы, — «О вращении небесных сфер»было издано Нюрнберге в 1543 году.Но Коперник не увидел изданной книги, он умер в этом же году.

Джордано Бруно (1548 - 1600 гг), итальянский учёный-монах в 16–м веке развил идеи Коперника. Он утверждал, что звезды - это далекие солнца, окруженные своими планетами, и что на этих планетах возможна жизнь. Солнце не являются центром Мира. Вселенная бесконечна и не имеет "центра". Такая картина Мира не устраивала церковь. За эти взгляды он был обвинён церковью, заточён в тюрьму на 7 лет, приговорен к смерти в возрасте 52 лет и был сожжен на костре в 1600 г. за то, что не отрёкся от своих идей (рис. 9).

Рис. 9.

Джордано Бруно не отрёкся от своих идей

Когда люди узнали о существовании галактик?

Открытие галактик стало возможными лишь благодаря тому, что

учеными были сконструированы телескопы. Когда же это произошло?

В 1610 году Галилей (рис.10) изготовил первый в мире небольшой телескоп. Длина трубы была 1 метр 25 см, а диаметр 5 см. 3 мм. Наведя его на Млечный Путь, он убедился, что это множество звезд, а наше Солнце – одна из этих звёзд.

Рис. 10. Галилео Галилей и его первый телескоп

В XVIII веке Гершель - конструктор самых больших телескопов, изготовил более 60 телескопов, самый крупный имел длину трубы 12 метров, диаметр более 1 м. Работая с этими телескопами, он открыл планету Уран, более 800 двойных звёзд, более 2500 туманностей и звёздных скоплений.

Гершель пришёл к выводу, что наша галактика - это лишь один из звёздных «островов» во Вселенной,

В начале 18 века гениальным английским физиком Ньютоном была создана модель бесконечной, вечной Вселенной с бесконечным числом миров (рис. 11). В этой модели Солнце – одна из миллиардов звёзд. Эта модель просуществовала до начала 20 века.

Рис. 11. Исаак Ньютон - английский учёный - физик, математик, астроном.

(1643 - 1727)

20 век. К 20 веку сформировалось научное понятие о галактике (от греч. «молоко») как о звёздной системе. Все объекты галактики движутся относительно общего центра. В начале 20 века американским астрономом Хабблом было открыто около 100 галактик. Наблюдая известные туманности, в том числе туманность Андромеды, он обнаружил, что спиральные и эллиптические туманности - не что иное, как другие звёздные системы, находящиеся вне нашей галактики на огромных расстояниях.

Однако, как движутся галактики во Вселенной?

Вероятнее всего предположить, что они движутся:

- хаотически, как молекулы в воздухе, или

- вокруг общего центра Вселенной, как планеты вокруг звёзд, и как звёзды вокруг центра галактики. Ответ на этот вопрос оказался неожиданным.

В 1920 году Хаббл - американский астроном наблюдал около 100 галактик на самом большом телескопе того времени (рис. 12). Он определял их скорости и расстояния до них специальным методом и обнаружил, что все галактики (кроме Андромеды), удаляются от нас. При этом, чем дальше галактика, тем больше скорость удаления. Это открытие произвело революцию в астрономии. Оно означает, что Вселенная расширяется, она не стационарна.

Рис. 12.

Эдвин Хаббл

(1699-1953)

То есть в далёком прошлом, всё вещество во Вселенной существовало в одной точке. В результате Взрыва – действия некой СУПЕРСИЛЫ, вещество во Вселенной начало разлетаться. Хаббл нашёл, что это произошло 14 миллиардов лет назад, Вселенная не вечна, не бесконечна, не стационарна (рис. 13).

Рис. 13. Расширяющаяся

(раздувающаяся) Вселенная

6. Внесолнечные планетные системы в составе Млечного пути

Существуют ли планетные системы у других звёзд?

Насколько они разнообразны по сравнению с Солнечной системой?

Есть ли среди них подобные Земле?

Идеи Бруно, Коперника, Галилея подтвердились. На сегодняшний день известно около 5 тысяч экзопланет, из них лишь около 500 подобны Земле (около 10%), остальные – не пригодные для жизни газовые гиганты, подобные Юпитеру, Сатурну или Урану. При этом, большинство планетных систем - однопланетные и двухпланетные. Лишь одна планетная система в созвездии Гидра имеет 9 планет и похожа на нашу Солнечную систему.

В процессе работы над проектом проведены графические построения ранговых распределений планет этих двух систем по массам и размерам с использованием программы Exele и данных сайта www.allplanets.ru. (рис.14).

а) б)

Рис.14. Графики рангового распределения: а) диаметров планет Солнечной системы; диаметры выражены в километрах;

б) масс 9-ти эзкзопланет системы Гидры. Массы выражены в массах Юпитера

Сравнение этих графиков показывает их очевидное сходство. Более того, эти графики имеют такой же убывающий гиперболический характер, как и ранговое распределение галактик по массам, что свидетельствует об определённом порядке во Вселенной.

Заключение

1. Научная картина Мира начала формироваться в 16 веке с открытием телескопа. Звезды группируются в звёздные системы – галактики. Наша галактика называется МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ. В процессе эволюции молодые спиральные галактики сливаются друг с другом, превращаясь в крупные линзообразные звёздные системы.

2. Галактики разбегаются: чем дальше галактика, тем больше скорость удаления. Вселенная расширяется. Её возраст около 14 млрд лет.

3. . В нашей галактике обнаружена пока 1 уникальная планетная система в созвездии Гидры из 9 планет, подобная Солнечной Системе.

4. Ранговые распределения планет по массам и размерам, галактик по массам однообразны. Их гистограммы иллюстрируют убывающие нелинейные зависимости гиперболического характера.

5. Последний результат пока нельзя объяснить, но он отражает определённый порядок во Вселенной.

Список использованных источников и литературы

1. Электронный ресурс: Планетные системы. Сайт http://www.allplanets.ru

2. Воронцов-Вельяминов Б.А., Страут Е.К. Астрономия 10-11 классы (базовый уровень ). Учебник 8-е изд. Стереотипное Изд-во Просвещение. Дрофа. – 2022. – 238 с.

3. Вайткене Л.Д. Астрономия. М.: Изд. АСТ. – 2017. – 127 с.

4. Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной. - М. «Наука». Гл. ред. физ.-мат. лит. 1989 г. – 208 с.

5. Ходж П. Галактики. М. «Наука». – 1992 г.

6. Электронный ресурс: сайт Астронет http://astronet.ru.

7. Ранговый анализ. Электронный ресурс: Сайт.: http://www gurinarv.ulsu.ru.

8. Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии/под ред. В.Г. Сурдина. Изд. 5-е, перераб. И полн. Обновл. – М.: Эдиториал УРРСС, –.2002. – http://astronet.ru

9. Журнал "Все о Космосе"aboutspacejornal.net