Вселенная и гравитация: Гравитация и Вселенная

Содержание

Гравитация и Вселенная | Физика

В ясную безлунную ночь невооруженным глазом можно увидеть над горизонтом около 3000 звезд. Еще столько же звезд такой же яркости будет под горизонтом. Все они (вместе с Солнцем) составляют небольшую часть гигантской звездной системы, называемой Галактикой.

В состав Галактики входит примерно 200 миллиардов звезд. Звезды Галактики образуют в пространстве фигуру, напоминающую плоский диск диаметром около 100 тыс. световых лет с шарообразным утолщением в центре. Гравитационное притяжение не позволяет этим звездам рассеяться по пространству. Под действием сил всемирного тяготения звезды Галактики движутся вокруг ее центра по круговым и эллиптическим орбитам. Скорость галактического вращения на различных расстояниях от центра разная. Для Солнца она составляет примерно 250 км/с.

За пределами нашей Галактики существует множество других галактик. Эти галактики, в свою очередь, объединены в различные скопления. Так, например, наша Галактика вместе с туманностью Андромеды и несколькими другими сравнительно небольшими галактиками образует так называемую Местную группу.

Расстояния между скоплениями галактик обычно выражают в мегапарсеках (Мпк). Расстояние в 1 Мпк столь велико, что даже свету требуется для его прохождения 3,26 млн лет. Между тем ближайшие к Местной группе скопления галактик располагаются в 2-5 Мпк от нее.

Очень большое скопление галактик находится в созвездии Девы, в 20 Мпк от нас. Диаметр этого скопления 5 Мпк, и оно включает в себя несколько сот гигантских звездных систем.

Самое далекое скопление галактик, до которого удалось измерить расстояние, находится в созвездии Волосы Вероники, в 5200 Мпк от нас. Увидеть его можно только в самый крупный телескоп.

Но и эти гигантские расстояния с течением времени увеличиваются. Впервые это было установлено в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом. Открытый им закон гласит:

Вселенная расширяется, причем скорость, с которой галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними.

Теперь этот закон называют законом Хаббла. Математически он записывается в виде следующей формулы:

v = HR, (48. 1)

где v — скорость удаления галактик; R — расстояние между ними; H ≈ 65 км/(с·Мпк) — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. Физический смысл этой постоянной заключается в том, что она показывает, с какой скоростью удаляются друг от друга галактики, находящиеся на расстоянии 1 Мпк.

Из закона Хаббла следует, что, чем больше расстояние между галактиками (и их скоплениями), тем быстрее они удаляются друг от друга.

Как долго будет происходить расширение Вселенной? Будет ли оно происходить вечно, или через некоторое время оно прекратится и галактики начнут сближаться?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим простую аналогию. Что будет с телом, брошенным вертикально вверх? Притяжение к Земле будет замедлять движение тела, и его скорость с течением времени будет уменьшаться. Дальнейшая «судьба» тела будет зависеть от скорости, сообщенной ему в начальный момент времени.

1. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то на некотором удалении от Земли его скорость уменьшится до нуля, после чего оно начнет падать вниз, приближаясь к Земле.

2. Если начальная скорость тела превышает вторую космическую, то оно уже никогда не вернется назад.

Нечто аналогичное будет происходить и с удаляющимися друг от друга галактиками. Выделим во Вселенной достаточно большую сферическую область радиусом R и объемом V = (4/3)πR³, в которой умещается столько галактик, что вещество в ней можно считать практически однородным. Если средняя плотность Вселенной равна ρ, то масса выделенной части Вселенной будет равна M = ρV = (4/3)ρπR³, и, следовательно, вторая космическая скорость для нее будет определяться выражением

Скорость же расширения рассматриваемой области Вселенной определяется выражением (48.1). Найдем отношение этих скоростей:

Полученный результат позволяет сформулировать важный вывод: если средняя плотность Вселенной ρ > 10^-26 кг/м³, то v < v₂ и расширение Вселенной через некоторое время (примерно 50 млрд лет) сменится сжатием; если же ρ < 10^-26 кг/м³, то v > v₂ и Вселенная будет расширяться вечно.

К сожалению, точное значение средней плотности Вселенной в настоящее время неизвестно. Поэтому вопрос о будущем нашего мира пока остается открытым.

??? 1. Сколько звезд в нашей Галактике? 2. С какой скоростью Солнце движется вокруг центра Галактики? 3. За какое время свет проходит расстояние, равное 1 Мпк? 4. Сформулируйте закон Хаббла. 5. Чему равна постоянная Хаббла? В чем заключается ее физический смысл? 6. От чего зависит будущее Вселенной? Будет ли она расширяться вечно?

Гравитация против темной энергии: что обеспечивает существование Вселенной

https://ria.ru/20171121/1509186536.html

Гравитация против темной энергии: что обеспечивает существование Вселенной

Гравитация против темной энергии: что обеспечивает существование Вселенной — РИА Новости, 21.11.2017

Гравитация против темной энергии: что обеспечивает существование Вселенной

Темная энергия — один из феноменов Вселенной, о существовании которого стало известно двадцать лет назад. Однако ученые и по сей день знают о ее природе не так… РИА Новости, 21.11.2017

2017-11-21T08:00

2017-11-21T11:34

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150917/02/1509170268_0:0:600:338_1920x0_80_0_0_bdd5f5615cbed24e80c4c3d26d928c17.gif

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150917/02/1509170268_10:0:465:341_1920x0_80_0_0_85881d0adb7507b0b44a800b258af87e.gif

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

МОСКВА, 21 ноя — РИА Новости, Ольга Коленцова. Темная энергия — один из феноменов Вселенной, о существовании которого стало известно двадцать лет назад. Однако ученые и по сей день знают о ее природе не так много.

17 октября 2017, 13:47

Космологи объяснили, почему Вселенная является трехмерной

Когда Эйнштейн в начале прошлого века выводил уравнение гравитации, то предположил, что должна существовать сила, противодействующая притяжению объектов друг к другу. В то время ученые исходили из того, что Вселенная статична. Но ведь гравитация действует таким образом, что все объекты, обладающие массой, притягиваются друг к другу. Следовательно, чтобы Вселенная не схлопывалась, гравитации должна противодействовать некая сила. И Эйнштейн ввел в уравнение космологическую постоянную, которая должна была сбалансировать гравитацию. Но из полученного равенства следовало, что Вселенная не статична, а расширяется, а это противоречило теории. Ученый называл константу своей великой ошибкой, но она оказалась великим пророчеством.

В конце 1990-х годов исследователи обнаружили, что яркость сверхновых звезд в удаленных галактиках меньше, чем считалось раньше. То есть расстояние до этих галактик оказалось больше вычисленного по старым формулам: D=2R/2sin(α/2), где D — расстояние до звезды, R — радиус земной орбиты, α — угол, под которым был бы виден средний радиус земной орбиты из центра масс звезды.

Ученые сделали вывод, что Вселенная расширяется не просто, а с ускорением. Затем эти наблюдения экспериментально подтвердились измерениями неравномерности реликтового излучения (остаток энергии Большого Взрыва) и наблюдениями за образованием скоплений галактик.

Физики сформулировали гипотезу, из которой следовало, что Вселенной не дает схлопнуться некая энергия, она же решает проблему невидимой массы. Ведь согласно теоретическим выкладкам на основе анализа Большого Взрыва, масса Вселенной не соответствует той, которая должна получиться в результате подсчета вклада всей материи. Может показаться странным, что энергия служит эквивалентом массы, но это утвержденная физическая концепция теории относительности: E=mc².

10 ноября 2016, 12:08

На МКС впервые появится искусственная гравитацияНа разрабатываемом в России новом модуле МКС будет установлена центрифуга для создания искусственной гравитации.

Помимо влияния на расширение Вселенной, о темной энергии известно совсем немного. Она формирует наш мир на 68%, у нее низкая плотность, она однородна и не взаимодействует (по крайней мере, так, чтобы это было заметно) с обычной материей, за исключением гравитации.

Сущность темной энергии определить довольно трудно, так как она слишком сильно отличается от привычных явлений. Дело в том, что в физике при описании процессов важна не величина энергии, а ее изменение. Например, при разнице потенциалов возникает напряжение (электроны двигаются от одной точки к другой), а при изменении температуры мы можем точно определить, на сколько градусов тело нагрелось или охладилось.

20 июля 2016, 18:19

Астрономы окончательно доказали, что темная энергия существуетНаблюдения за миллионами далеких галактик помогли астрономам доказать, что темная энергия, загадочная субстанция, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением, действительно существует, и что удаление галактик друг от друга нельзя объяснить иным способом.

Гравитация здесь исключение из правил — на нее действует постоянная энергия, а не разница в значениях. Феноменальное поле, влияющее на темп расширения Вселенной, называют энергией вакуума, или темной энергией. Поле разлито по всему пространству и имеет везде одинаковую плотность. Погрешности в космологических наблюдениях оставляют возможность предполагать наличие слабой динамики у энергии вакуума.

«Дело в том, что наш опыт исследования Вселенной ничтожно мал по сравнению со временем ее жизни и масштабами. Допустим, мы фотографируем большой старый дуб каждый день в течение нескольких месяцев и не замечаем никаких изменений. На основе эксперимента делаем вывод, что растение со временем совершенно не меняется. Но, вероятно, наш фотоаппарат просто не может засечь незначительные изменения, к тому же время проведения эксперимента слишком мало. Резонно предположить, что постоянство темной энергии лишь кажущееся, а на самом деле мы наблюдаем динамическое поле, только эволюционирует оно очень-очень медленно. Поэтому окончательные выводы о свойствах и сущности темной энергии делать пока рано», — комментирует Дмитрий Горбунов, доцент кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии московского Физико-технического института.

Но если Вселенная расширяется, почему наши органы восприятия этого не чувствуют? Дело в том, что крупные скопления материи (например, галактики) представляют собой гравитационные системы. И в них есть некий баланс между действием темной энергии и гравитации, благодаря чему такие системы остаются стабильными. А разбег Вселенной происходит за счет расширения межзвездного пространства.

Что такое гравитация? | Космическое пространство НАСА — Наука НАСА для детей

фундаментальная физика

Гравитация — это сила, с которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Сила гравитации удерживает все планеты на орбитах вокруг Солнца.

Что еще делает гравитация?

Почему при прыжке вы приземляетесь на землю, а не улетаете в космос? Почему вещи падают, когда вы их бросаете или роняете? Ответ — гравитация: невидимая сила, которая притягивает объекты друг к другу. Земная гравитация — это то, что удерживает вас на земле и заставляет предметы падать.

Анимация гравитации в действии. Альберт Эйнштейн описал гравитацию как кривую в пространстве, огибающую объект, например, звезду или планету. Если поблизости находится другой объект, он втягивается в кривую. Изображение предоставлено: NASA

Все, что имеет массу, также имеет гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Гравитация также ослабевает с расстоянием. Итак, чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное притяжение.

Гравитация Земли создается всей ее массой. Вся его масса создает комбинированное гравитационное притяжение всей массы вашего тела. Это то, что дает вам вес. И если бы вы были на планете с меньшей массой, чем Земля, вы бы весили меньше, чем здесь.

Изображение предоставлено НАСА

Вы оказываете на Землю ту же гравитационную силу, что и на вас. Но поскольку Земля намного массивнее вас, ваша сила на самом деле не оказывает влияния на нашу планету.

Гравитация в нашей вселенной

Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца и Луну на орбитах вокруг Земли. Гравитационное притяжение Луны притягивает к ней моря, вызывая океанские приливы. Гравитация создает звезды и планеты, стягивая воедино материал, из которого они сделаны.

Гравитация притягивает не только массу, но и свет. Альберт Эйнштейн открыл этот принцип. Если вы посветите фонариком вверх, свет станет незаметно краснее, поскольку гравитация притягивает его. Вы не можете увидеть изменения своими глазами, но ученые могут их измерить.

Черные дыры содержат так много массы в таком маленьком объеме, что их гравитация достаточно сильна, чтобы удержать что-либо, даже свет, от побега.

Гравитация на Земле

Гравитация очень важна для нас. Без него мы не могли бы жить на Земле. Гравитация Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него, удерживая нас на удобном расстоянии, чтобы мы могли наслаждаться солнечным светом и теплом. Он удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы должны дышать. Гравитация — это то, что удерживает наш мир вместе.

Однако гравитация не везде на Земле одинакова. Гравитация немного сильнее над местами с большей массой под землей, чем над местами с меньшей массой. НАСА использует два космических корабля для измерения этих изменений гравитации Земли. Эти космические аппараты являются частью миссии Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE).

Миссия GRACE помогает ученым создавать карты изменений силы тяжести на Земле. Области, выделенные синим цветом, имеют немного более слабую гравитацию, а области, отмеченные красным цветом, имеют немного более сильную гравитацию. Изображение предоставлено: НАСА/Центр космических исследований Техасского университета 9.0003

GRACE обнаруживает крошечные изменения гравитации с течением времени. Эти изменения раскрыли важные детали о нашей планете. Например, GRACE отслеживает изменения уровня моря и может обнаруживать изменения в земной коре, вызванные землетрясениями.

Если вам это понравилось, вам может понравиться:

Что такое барицентр?

Что такое черная дыра?

Что такое гравитационная волна?

Гравитация оставалась постоянной на протяжении всей эпохи Вселенной0001

Впечатление художника от римского космического телескопа Нэнси Грейс, названного в честь первого начальника отдела астрономии НАСА. (NASA)

Уже более века астрономы знают, что Вселенная расширяется после Большого Взрыва. В течение первых 8 миллиардов лет скорость расширения была относительно постоянной, поскольку она сдерживалась силой гравитации.

Однако благодаря таким миссиям, как космический телескоп Хаббла, астрономы узнали, что примерно 5 миллиардов лет назад скорость расширения увеличивалась.

Это привело к широко распространенной теории о том, что за расширением стоит таинственная сила (известная как темная энергия), в то время как некоторые настаивают на том, что сила гравитации могла измениться с течением времени.

Это спорная гипотеза, поскольку она означает, что общая теория относительности Эйнштейна (которая была подтверждена девятью способами с воскресенья) неверна.

Но, согласно новому исследованию международной коллаборации Dark Energy Survey (DES), природа гравитации оставалась неизменной на протяжении всей истории Вселенной.

Эти открытия были сделаны незадолго до того, как два космических телескопа нового поколения (Нэнси Грейс Роман и Евклид) были отправлены в космос для проведения еще более точных измерений гравитации и ее роли в космической эволюции.

В DES Collaboration входят исследователи из университетов и институтов США, Великобритании, Канады, Чили, Испании, Бразилии, Германии, Японии, Италии, Австралии, Норвегии и Швейцарии.

Их результаты третьего года работы были представлены на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии (COSMO’22), которая проходила в Рио-де-Жанейро с 22 по 26 августа.

Они также были опубликованы в статье под названием «Результаты третьего года исследования темной энергии: ограничения на расширения лямбда-CDM со слабым линзированием и кластеризацией галактик», опубликованной в журнале Американского физического общества Physical Review D .

Общая теория относительности Эйнштейна, которую он завершил в 1915 году, описывает, как искривление пространства-времени изменяется в присутствии гравитации.

Более века эта теория точно предсказывала почти все в нашей Вселенной, от орбиты Меркурия и гравитационного линзирования до существования черных дыр.

Но между 1960-ми и 1990-ми годами были обнаружены два несоответствия, которые заставили астрономов задаться вопросом, верна ли теория Эйнштейна. Во-первых, астрономы отметили, что гравитационные эффекты массивных структур (таких как галактики и скопления галактик) не согласуются с их наблюдаемой массой.

Это породило теорию о том, что пространство заполнено невидимой массой, которая взаимодействует с «нормальной» (также известной как «светящаяся» или видимая) материей посредством гравитации. Между тем наблюдаемое расширение космоса (и то, как оно подвержено ускорению) породило теорию темной энергии и космологическую модель лямбда-холодной темной материи (лямбда-CDM).

Холодная темная материя — это интерпретация, в которой эта масса состоит из больших медленно движущихся частиц, а лямбда представляет собой темную энергию. Теоретически эти две силы составляют 95 процентов всей массы и энергии Вселенной, однако все попытки найти прямые доказательства их существования потерпели неудачу.

Единственная возможная альтернатива состоит в том, что Relativity необходимо изменить, чтобы учесть эти несоответствия. Чтобы выяснить, так ли это, члены DES использовали 4-метровый телескоп Виктора М. Бланко в Межамериканской обсерватории Серро-Телоло в Чили для наблюдения за галактиками на расстоянии до 5 миллиардов световых лет.

Они надеялись определить, менялась ли гравитация за последние 5 миллиардов лет (с момента начала ускорения) или на космических расстояниях. Они также сверялись с данными других телескопов, в том числе со спутника ESA Planck, который с 2009 года составляет карту космического микроволнового фона (CMB). ). Как показало первое изображение, полученное космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), ученые могут сделать вывод о силе гравитации, анализируя степень, в которой гравитационная линза искажает пространство-время.

К настоящему времени сотрудники DES Collaboration измерили формы более 100 миллионов галактик, и все наблюдения соответствуют предсказаниям общей теории относительности. Хорошая новость заключается в том, что теория Эйнштейна по-прежнему верна, но это также означает, что тайна темной энергии пока сохраняется.

К счастью, астрономам не придется долго ждать появления новых и более подробных данных. Во-первых, это миссия ЕКА «Евклид», которую планируется запустить не позднее 2023 года. Эта миссия нанесет на карту геометрию Вселенной, заглянув в прошлое на 8 миллиардов лет, чтобы измерить влияние темной материи и темной энергии.

К маю 2027 года к нему присоединится космический телескоп NASA Nancy Grace Roman, который будет оглядываться назад более чем на 11 миллиардов лет. Это будут самые подробные космологические исследования из когда-либо проводившихся, и ожидается, что они предоставят наиболее убедительные доказательства в пользу (или против) модели Lambda-CDM.

Как сообщила в недавнем пресс-релизе НАСА соавтор исследования Аньес Ферте, проводившая исследование в качестве докторанта в JPL:

«Все еще есть возможность бросить вызов теории гравитации Эйнштейна, поскольку измерения становятся все более и более точными. Но нам еще так много нужно сделать, прежде чем мы будем готовы к Евклиду и Роману. Поэтому важно, чтобы мы продолжали сотрудничать с учеными по всему миру. миру по этой проблеме, как мы сделали с Исследованием темной энергии».

Кроме того, наблюдения Уэбба за самыми ранними звездами и галактиками во Вселенной позволят астрономам наметить эволюцию космоса с самых ранних периодов. Эти усилия могут дать ответ на некоторые из самых насущных загадок во Вселенной.

Они включают в себя то, как Относительность и наблюдаемая масса и расширение Вселенной совпадают, но также могут дать представление о том, как взаимодействуют гравитация и другие фундаментальные силы Вселенной (описываемые квантовой механикой) — Теория Всего (ToE).

Если и есть что-то, что характеризует нынешнюю эру астрономии, так это то, как долгосрочные исследования и инструменты нового поколения объединяются для проверки того, что до сих пор было теоретическим материалом.

Потенциальные прорывы, к которым они могут привести, наверняка нас порадуют и озадачат.