В предыдущей части мы рассмотрели источники космической энергии, сейчас продолжим и определим её форму существования.
Форма существования космической энергии.
Электромагнитная энергия.
Световая энергия, излучаемая звездами.
Звезды, как энергетические «маяки» во Вселенной, непрерывно генерируют энергию в результате реакций ядерного синтеза в своих основных областях, и большая часть этой энергии будет распространяться по обширной вселенной в виде света (электромагнитного излучения). Свет — это электромагнитная волна, которая охватывает чрезвычайно широкий диапазон длин волн, от радиодиапазона с большой длиной волны до диапазона видимого света, видимого невооруженным глазом, и гамма-диапазона с очень короткой длиной волны.
Энергия, переносимая разными длинами волн света, сильно отличается. Вообще говоря, чем короче длина волны и чем выше частота, тем выше энергия, переносимая одним фотоном. Например, фотоны гамма-излучения содержат чрезвычайно высокую энергию, и их производство часто сопровождается некоторыми чрезвычайно бурными астрофизическими процессами, такими как центральная область вспышек сверхновых. А энергия фотонов в радиодиапазоне относительно низка, и это часто связано с некоторыми относительно мягкими и постоянными небесными явлениями.
Когда световая энергия, испускаемая звездой, распространяется по вселенной, она взаимодействует с различными веществами, такими как планеты и межзвездная пыль. Планеты поглощают часть световой энергии, излучаемой звездами, и поглощенная энергия может быть преобразована в тепловую энергию, так что поверхность планеты поддерживает определенную температуру. Например, после того как земля получает световую энергию солнца, температура на ее поверхности становится подходящей, и тогда появляется жидкая вода и красочные явления жизни.
В то же время планета также будет отражать часть света, и энергия, переносимая отраженным светом, вернется в пространство и будет участвовать в более широком спектре энергетических обменов. Межзвездная пыль играет большую роль в рассеянии света, изменяя направление распространения света, так что свет образует сложный оптический путь во Вселенной. В ходе этого процесса также изменяется распределение световой энергии, что еще больше влияет на физические и химические изменения между материей во Вселенной. Например, световая энергия может заставить некоторые простые молекулы на поверхности межзвездной пыли вступать в химическую реакцию с образованием более сложных органических молекул, добавляя больше возможностей к космическим тайнам, таким как происхождение жизни.
Космическое микроволновое фоновое излучение.
Космическое микроволновое фоновое излучение подобно «эху», оставленному Большим Взрывом. Это слабое электромагнитное излучение, равномерно распределенное по всей Вселенной. Его температура составляет около 2,725 К, а его спектр демонстрирует почти идеальные характеристики излучения черного тела. Эта уникальная спектральная характеристика подобна «отпечатку пальца» раннего энергетического состояния Вселенной, который дает нам чрезвычайно важный ключ к пониманию ситуации в начале рождения вселенной.
С точки зрения космической эволюции, космическое микроволновое фоновое излучение отражает состояние Вселенной примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. В то время температура Вселенной была снижена настолько, что электроны и протоны могли объединяться, образуя атомы водорода, и фотоны начали свободно распространяться во вселенной. Эти первоначальные фотоны постепенно охлаждались и имели красное смещение по мере того, как вселенная продолжала расширяться, в конечном итоге формируя слабое излучение в микроволновом диапазоне, которое мы обнаруживаем сегодня.
Хотя содержащаяся в нем энергия чрезвычайно слаба, она имеет далеко идущее значение на огромной “сцене” Вселенной. Она свидетельствует о ключевой переходной стадии Вселенной от ее начального хаотического состояния с высокой температурой и высокой плотностью к постепенному охлаждению, становлению прозрачной и началу формирования структуры небесных тел. Это наше исследование ранней энергии Вселенной. Распределение и важная основа для последующих путей эволюции играют незаменимую роль в построении космологических моделей и понимании общего энергетического баланса Вселенной.
Кинетическая энергия.
Движение небесных тел.
Небесные тела во Вселенной находятся в постоянном движении, и движение означает, что они обладают кинетической энергией. Судя по солнечной системе, с которой мы лучше всего знакомы, планеты вращаются вокруг звезд, а спутники — вокруг планет. Скорость их движения придает им соответствующую кинетическую энергию. Например, Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду. Согласно формуле расчета кинетической энергии (кинетическая энергия равна половине массы, умноженной на квадрат скорости), такая огромная скорость в сочетании со значительной массой самой Земли заставляет Землю нести значительную кинетическую энергию.
В более широкой вселенной звезды также имеют сложные траектории в галактике. Они не остаются в фиксированном положении в состоянии покоя, а вращаются вокруг центра галактики, и будет происходить относительное движение в направлении вверх и вниз, влево и вправо. Существует также относительное движение между галактиками, и некоторые галактики движутся в том же направлении. Чрезвычайно высокие скорости приближаются друг к другу, в то время как другие удаляются друг от друга. Когда эти небесные тела сталкиваются, сливаются и взаимодействуют, кинетическая энергия претерпевает сильную трансформацию.
Например, когда две галактики сталкиваются и сливаются друг с другом, кинетическая энергия каждого небесного тела будет частично преобразована в тепловую энергию под действием огромной силы удара, в результате чего температура области слияния резко повысится, а также она будет преобразована во внутреннюю энергию вещества, изменяя физическое состояние вещества и вызывая изменения в процессах, таких как звездообразование. Что, в свою очередь, оказывает глубокое влияние на распределение энергии и материальную структуру всей вселенной.
Поток межзвездной материи.
Межзвездное пространство — это не мертвая тишина, оно наполнено межзвездным газом, пылью и другими веществами, которые также текут в пространстве и обладают кинетической энергией, которую нельзя игнорировать. На поток межзвездного вещества всесторонне влияют различные факторы, такие как гравитация и магнитное поле, образуя сложную и изменчивую структуру потока.
В области звездообразования кинетическая энергия межзвездного вещества играет особенно важную роль. Движимые собственной кинетической энергией, межзвездные газ и пыль будут собираться к некоторым центрам притяжения, и скорость и угол их сбора будут варьироваться в зависимости от кинетической энергии. Эти различия, в свою очередь, влияют на скорость звездообразования и распределение массы в конечном итоге сформированных звезд.
Например, когда межзвездное вещество сталкивается и собирается друг с другом с большей скоростью и под большим углом, это может в большей степени способствовать образованию звезд большой массы. Напротив, если поток относительно мягкий и процесс агрегации происходит относительно медленно, как правило, образуются звезды меньшего размера. Таким образом, кинетическая энергия межзвездного вещества участвует в круговороте космической материи и энергии, становясь тонким, но решающим фактором эволюции Вселенной.
Тепловая энергия.
Тепло внутри и на поверхности звезды.
Внутренняя часть звезды представляет собой среду с чрезвычайно высокой температурой и высоким давлением. Здесь продолжаются реакции ядерного синтеза. Каждый раз, когда ядро водорода сливается с ядром гелия, выделяется большое количество энергии. Эта энергия накапливается внутри звезды в виде тепловой энергии. В то же время, поскольку материя находится в состоянии такой высокой температуры и высокого давления, сильные столкновения и движения между частицами также продолжают производить тепловую энергию, превращая внутреннюю часть звезды в подобие огромной «печи», поддерживающей чрезвычайно высокую температуру.
Однако тепловая энергия внутри звезды не является статичной, она будет передаваться на поверхность звезды различными методами, такими как теплопроводность, конвекция и излучение. В области, близкой к ядру звезды, теплопроводность приводит к постепенной передаче тепловой энергии из высокотемпературной части ядра в относительно низкотемпературную область внешнего слоя. Во внешнем слое звезды конвекция становится более значительной, горячий материал поднимается, холодный материал опускается, образуя цикл, который ускоряет передачу тепловой энергии наружу. Наконец, через внешний слой звезды конвекция становится более значительной, горячий материал поднимается, холодный материал опускается, образуя цикл, который ускоряет передачу тепловой энергии наружу.
В виде излучения поверхность звезды выделяет энергия поступает в пространство в виде света и тепла. Именно этот механизм теплопередачи изнутри наружу поддерживает поверхность звезды при высокой температуре, которая стала важной основой для того, чтобы звезда продолжала излучать энергию наружу, непрерывно обеспечивая вселенную светом и теплом, влияя на энергетическое состояние окружающих планет и вселенной в целом.
Тепловая энергия других высокотемпературных небесных тел и окружающей среды.
Помимо звезд, во Вселенной существует множество других высокотемпературных небесных тел и сред, содержащих много тепловой энергии. Например, обломки после извержения сверхновой выделяют чрезвычайно огромную энергию в момент извержения.
Материал обломков нагревается до чрезвычайно высокой температуры, и внутренняя тепловая энергия заставляет эти материалы выбрасываться с чрезвычайно высокой скоростью, и они будут продолжать поддерживать высокую температуру в течение длительного времени.
Эта тепловая энергия будет оказывать сильное влияние на окружающую межзвездную материю. Она может ионизировать атомы межзвездной материи, образовывать плазму и изменять физические свойства межзвездной материи. Она также может стимулировать переход на энергетический уровень некоторых атомов, заставляя их излучать свет определенной длины волны, что, в свою очередь, влияет на электромагнитное излучение Вселенной и участвует в динамическом балансе космической энергии.
Высокотемпературные газы в скоплениях галактик также являются типичным примером. В скоплении галактик содержится большое количество высокотемпературных газов и газов низкой плотности, и их температура может достигать десятков миллионов или даже сотен миллионов Кельвинов.
Такая высокая тепловая энергия позволяет этим газам производить сильное рентгеновское излучение, а под гравитационным воздействием скопления галактик тепловая энергия и гравитационная энергия газа ограничивают и трансформируют друг друга, влияя на структуру и динамические процессы внутри скопления галактик, распределение энергии во всей Вселенной, агрегацию и эволюцию материи и т.д. Все аспекты оказывают влияние, которое нельзя игнорировать.
Гравитационная энергия.
Энергия гравитационной связи небесной системы.
В небесной системе Вселенной, будь то относительно небольшая планетная система, такая как Солнечная система, или огромная галактика, каждое небесное тело полагается на гравитацию, чтобы связывать друг друга, образуя относительно стабильную структуру, и эта структура содержит огромную гравитационную энергию. Величина гравитационной энергии тесно связана с массой небесных тел и расстоянием между ними. Проще говоря, чем больше масса небесных тел и чем ближе они находятся друг к другу, тем больше гравитационная энергия.
Если взять солнечную систему в качестве примера, то Солнце полагается на свою огромную массу, чтобы оказывать гравитационное воздействие на восемь основных планет и другие небесные тела, привязывая их к соответствующим орбитам. Энергия гравитационного взаимодействия всей солнечной системы гарантирует относительную стабильность небесной системы. Однако, когда структура этой системы изменяется, например, в результате столкновения кометы с планетой или тесного взаимодействия между планетами, гравитационная энергия преобразуется в другие формы энергии. Например, когда комета сталкивается с Юпитером, первоначальная потенциальная гравитационная энергия кометы в солнечной системе частично преобразуется в кинетическую энергию в момент удара, а затем преобразуется в тепловую энергию, внутреннюю энергию вещества и другие формы энергии во время столкновения. Это преобразование энергии изменит распределение энергии в локальной области и посредством серии цепных реакций повлияет на энергетическую структуру всей солнечной системы и Вселенной в целом.
Аналогично, в галактике также существует гравитационное ограничение между звездами. Когда происходит крупное событие, такое как слияние галактик, гравитационная энергия звезд в больших количествах преобразуется в тепло и кинетическую энергию во время взаимодействия, что приведет к тому, что внутренняя структура объединенной галактики и состояние движения звезд претерпят значительные изменения, изменяя распределение энергии и материальную форму всей галактики, оказывая глубокое влияние на макроскопическое распределение космической энергии.
Гравитационная потенциальная энергия в больших масштабах во Вселенной.
С точки зрения крупномасштабности Вселенной, распределение материала во всей вселенной неоднородно, но демонстрирует сложное и структурированное состояние с различными областями, такими как скопления галактик, сверхскопления и огромные пустоты. Такое распределение материи определяет общее гравитационное поле Вселенной, и, соответственно, существует огромная потенциальная гравитационная энергия.
В эволюции Вселенной потенциальная гравитационная энергия играет жизненно важную роль. Например, в процессе расширения Вселенной расстояние между материями продолжает увеличиваться, и потенциальная энергия тяготения также изменяется. С одной стороны, изменения потенциальной гравитационной энергии будут трансформироваться с другими формами энергии, влияя на энергетический баланс Вселенной. С другой стороны, это неразрывно связано с темной материей и темной энергией. Хотя темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, она обладает гравитационным эффектом.
Через гравитацию она влияет на агрегацию материала и структурообразование Вселенной, тем самым изменяя распределение потенциальной энергии тяготения. С другой стороны, темная энергия обладает особыми характеристиками отрицательного давления, что способствует ускоренному расширению Вселенной, усложняя изменения потенциальной гравитационной энергии на большой «сцене» Вселенной.
В настоящее время мы все еще мало знаем о конкретном механизме взаимодействия между темной материей, темной энергией и потенциальной энергией тяготения, но несомненно то, что они вместе определяют направление макроскопической эволюции Вселенной, придавая энергетической картине Вселенной таинственные цвета, это стало ключевой областью, которую необходимо углубленно изучить в космологических исследованиях.
Темная энергия (если вы думаете о ней как о форме энергии).
Характеристики темной энергии.
Темная энергия, несомненно, является одним из самых загадочных явлений в области космологии на сегодняшний день. Она пронизывает всю вселенную, но кажется «несовместимой» с обычной материей и энергией, которые мы хорошо знаем. Темная энергия обладает характеристиками отрицательного давления, что является чрезвычайно своеобразной природой, которая полностью отличается от природы любой материи или энергии, с которыми мы соприкасаемся в нашей повседневной жизни.
В настоящее время, хотя мы почти ничего не знаем о природе темной энергии, благодаря наблюдению и исследованию расширения Вселенной было обнаружено, что на нее приходится подавляющее большинство энергетического состава Вселенной, достигая примерно 68%. Такая огромная доля означает, что темная энергия играет решающую роль в судьбе вселенной. Она подобна «невидимой руке», стоящей за вселенной, спокойно контролирующей направление эволюции вселенной, определяющей, будет ли вселенная продолжать расширяться или в будущем произойдут другие неожиданные изменения.
Влияние на энергетический баланс Вселенной.
Взаимодействие между темной энергией и другими формами энергии до сих пор остается огромной загадкой. Мы знаем только, что в процессе непрерывного расширения Вселенной роль темной энергии становится все более заметной, и это постоянно меняет общее распределение и динамическую эволюцию космической энергии. С расширением Вселенной расстояние между обычной материей становится все больше и больше, а гравитационная сила постепенно ослабевает, но характеристики отрицательного давления темной энергии заставляют Вселенную ускорять расширение, в результате чего распределение энергии во Вселенной становится все более и более разреженным.
Это изменение, в свою очередь, влияет на эволюцию других небесных тел, небесных систем и крупномасштабных структур Вселенной. Например, изначально существовала определенная взаимосвязь и тенденция движения между галактиками под действием силы тяжести, но распространение темной энергии увеличило скорость, с которой они удаляются друг от друга, что может привести к ослаблению взаимодействий между галактиками в будущем, и в результате структура Вселенной станет более рыхлой.
В то же время существование темной энергии также чрезвычайно усложнило энергетический баланс Вселенной. Традиционные законы преобразования и сохранения энергии, по-видимому, нуждаются в пересмотре. Это поставило беспрецедентные задачи перед космологическими исследованиями, а также окутало энергетическую структуру Вселенной таинственным и глубоким туманом, ожидающим ученых. Давайте постепенно приоткроем завесу и исследуем скрытые за ней тайны.
В следующей части мы с вами рассмотрим местонахождение космической энергии.
Спасибо, что дочитали до конца!
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀