Урок 50. Образование галактик, звезд, планетных систем
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 50. Образование галактик, звёзд, планетных систем

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Как и когда образовались галактики?
Какой механизм ответствен за образование галактик и звезд?
Может ли стать звездой Юпитер?
Как образуются планетные системы?
Какие процессы происходят в недрах звезд и какова их роль в эволюции Вселенной?

Глоссарий по теме:

Космогония – область астрономической науки, изучающая происхождение и развитие отдельных небесных тел и их систем.

Протозвезда – от греч. protos – первый, условное название тел, из которых формируются звезды.

Нормальная звезда – шарообразные объекты космоса, реализующие своё физическое состояние равновесия посредством осуществления в своей глубине (в недрах) термоядерных реакций синтеза.

Белый карлик – тип звезды, которая по величине сравнима с Землёй, однако, по массе соизмерима с Солнцем. В результате, плотность её чрезвычайно велика и превышает плотность любого земного вещества. Поэтому нормальная атомная структура полностью разрушена, и электроны с ядрами плотно упакованы. Имеют низкую яркость и постепенно остывают, становясь холодными, темными объектами. Они представляют собой заключительную стадию эволюции звёзд с малой массой, после того, как звезды лишаются наружного слоя.

Нейтронная звезда – очень маленькая звезда с большой плотностью, состоящая из нейтронов. Является последней стадией эволюции многих звёзд. Нейтронные звезды образуются, когда массивная звезда вспыхивает в качестве сверхновой звезды, взрывая свои внешние оболочки и сжимая ядро до такой степени, что содержащиеся в нем протоны и электроны превращаются в нейтроны. Эти звезды наблюдают как пульсары.

Чёрная дыра – состояние вещества, при котором свет (излучение) неспособен преодолеть гравитационный барьер, возникший при определённых сверхвысокого сжатия массивных звёзд в период последней стадии их существования (жизни). Термин предложил в 1968 г. Астрофизик из США Дж. Уилер. В составе галактики Млечный путь возможно наличие 109 черных дыр.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 225 – 229.

Электронные ресурсы:

Эволюция звезд. Портал Астронет [Электронный ресурс]// доступ : http://www.astronet.ru/db/msg/1188340

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Вселенная представляет собой огромную самоорганизующуюся систему. В ходе эволюции происходило упорядочивание и усложнение её структуры. В расширяющейся однородной Вселенной возникали флуктуаций, которые привели к образованию различных структур от планет и звёзд до метагалактик. Ведущую роль в самоорганизации Вселенной играет гравитационное взаимодействие. Происхождение и развитие космических объектов и их систем изучает наука космогония.

Формирование галактик. По модели Дж. Джинса галактики образуются из газопылевых облаков в результате возникновения гравитационной неустойчивости. Уплотнение в какой-либо части материи Вселенной приводят к возрастанию взаимного притяжения частиц и в конечном итоге к обособлению вещества и формированию макротел. Гравитация возрастает до тех пор, пока не будет скомпенсирована другими силами (центробежными, давления). В результате образуются предшественники галактик – протогалактики. Протогалактики по своей структуре не однородны. Поэтому внутри их образуются свои уплотнения протозвезды, которые приводят к появлению звёзд.

Эволюция звёзд. Появившись в результате сгущения газово-пылевых туманностей протогалактик, протозвёзды под действием гравитации продолжают сжиматься. Повышение давления приводит к их разогреву. При достижении температуры в несколько миллионов кельвинов в недрах протозвезды начинаются термоядерные реакции. Тогда её можно считать нормальной звездой. Продолжительность этого первого этапа эволюции звёзд зависит от массы и может протекать сотни тысяч и миллионов лет.

Сформировавшись из облаков горячего газа, звёзды в течение долгого времени сохраняют устойчивость благодаря балансу между выделением тепла в термоядерных реакциях и гравитационным притяжением. Стадия нормальной звезды длится пока не будет использовано все топливо (например, водород) в реакциях термоядерного синтеза. В ходе которого формируются атомы всех элементов вплоть до железа.

Если масса звезды сопоставима массе Солнца, то её развитие приведёт к формированию так называемого - белого карлика. Синтезируемые тяжелы ядра атомов концентрируются в центральной области звезды, образуя плотное ядро. Оболочки звезды значительно раздуваются. Наступает стадия красного гиганта, (до размера орбиты Юпитера) и в конечном итоге будут сброшены. Раскалённое ядро (размером с Землю), продолжается светиться ещё примерно 10 12 лет.

Звёзды массой, не превышающей пяти масс Солнца в итоге, превращаются в коричневого карлика. Размеры стадии красного гиганта сопоставимы с несколькими десятками радиусов Солнца. А взорвавшиеся оболочки наблюдаются как планетарные туманности.

Более массивные звезды увеличиваются в размерах на стадии красного гиганта до сотни радиусов Солнца. Их взрыв называют вспышкой сверхновой. Сверхвысокие температуры (миллиарды кельвинов) позволяют синтезироваться элементам тяжелее железа. При взрыве, эти элементы обогащают межзвёздное пространство. Сверхвысокое сжатие образует ядро такой плотности, что протоны и электроны превращаются в нейтроны, тогда на месте взрыва такой звезды остаётся нейтронная звезда. Если масса оставшегося ядра сверхмассивной звезды превысит 2,5 массы Солнца, то гравитация такого тела будет настолько велика, что любое излучение не сможет его покинуть. Такие объекты называют черными дырами.

В недрах звёзд происходит основная эволюция вещества Вселенной. Образование многообразия химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Наличие звёзд подчёркивает необратимость процессов эволюции вещества во Вселенной.

Формирование планетарных систем. Согласно современным представлениям, рождение звёзд и планет представляет собой единый процесс. Так образование Солнечной системы связывают с гравитационной неустойчивостью туманности из газа и пыли, от взрыва сверхновой звезды. Скопление вещества в центре туманности привело к формированию Солнца. На периферии формировались предшественники планет. Они сталкивались, разрушались. Более мелкие обломки притягивались крупными, их размеры увеличивались, что за 100 млн лет в конечном итоге привело к формированию знакомых нам планет, а также малых тел Солнечной системы.

На сегодняшний день обнаружено огромное количество планетарных систем. Место центральной звезды некоторых систем занимают массивные планеты или даже пары звёзд. В некоторых планетарных системах, пока по необъяснимым причинам, большие планеты (сопоставимых с Юпитером) располагаются ближе к центру, а не на периферии, как в Солнечной системе.

Конечно, наши рассуждения всего лишь иллюстрируют модельные представления современной науки. Но однозначно то, что в процессе самоорганизации и эволюции Вселенной – звезды, планетарные системы рождаются, живут и умирают, подчиняясь фундаментальным законам природы. И этот процесс непрерывен и бесконечен.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ.

Реакции синтеза тяжёлых элементов при слиянии лёгких ядер, происходящие в недрах звёзд называются:

Ядерными;
Термоядерными;
Химическими.

Ответ: Термоядерными

Пояснение: поскольку реакции происходят между ядрами при сверхвысоких температурах, такие реакции получили названия термоядерные

Задание 2. Составьте схему из элементов, иллюстрирующую эволюцию звёзд

Маленькая звезда; Планетарная туманность; Нейтронная звезда; Сверхновая звезда; Белый карлик; Красный супергигант; Звёздное облако с протозвёздами; Чёрная дыра; Маленькая звезда; Сверхновая;

Ответ: