Современная астрономическая картина мира

Группа планет вместе с Солнцем составляют Солнечную систему. Кроме планет, в Солнечную систему входят спутники планет (в том числе и Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (1 спутник-Луна), Марс (2 спутника - Деймос и Фобос), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (1 спутник). Земля к Солнцу в 40 раз ближе, чем Плутон и в 2, 5 раза дальше, чем Меркурий. В последнее время астрономы внесли коррективы в строение Солнечной системы.

Считается, что планеты должны быть и около многих других звезд, однако прямые наблюдательные данные о них отсутствуют, а есть только косвенные указания. Поиски планет среди множества звезд слабее 15-й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного на них времени.

По физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на 2 группы: планеты земного типа (Меркурий – Марс); планеты – гиганты (Юпитер- Нептун). О Плутоне известно мало; предположительно: земной тип.

Строение планет - слоистое. В их строении выделяют несколько сферических оболочек – твердую, жидкую и газообразную, которые на разных планетах представлены по-разному. Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку из воды – гидросферу, а также биосферу. Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера - лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок солнечной системы – дефицит воды (отсутствие гидросферы) на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся, главным образом, на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют: кору - самую внешнюю тонкую (10-100 км) твердую оболочку; мантию - твердую и толстую (1000-3000 км) оболочку; ядро - наиболее плотная часть планетных недр.

Наиболее распространены в твердом «теле» Земли: Fe (34.6%), О₂ (29.5%), Si (15.2%), и Mg (12.7%).

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом, Юпитер и Сатурн содержат Н₂ и He в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержаться в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает состав межзвёздной среды, какой она была 5 млрд. лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нём могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью - тяжёлые фрагменты тонут, лёгкие всплывают. На Земле подобное перераспределение не завершилось. Такие процессы вызывают перемещение отдельных участков земной коры, горообразование, сейсмические и вулканические процессы. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс.

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4, 6 млрд. лет назад из газопылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0, 15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездоподобный спутник Солнца. Протопланетное облако было неустойчивым, в нем образовался ряд колец, которые превращались в газовые сгустки - протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров, и в относительно короткий срок 10⁵-10⁸ лет сформировались 9 больших планет. В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы. Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды, сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены за пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических теорий обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите из нескольких крупных тел, которые, в конечном счете, объединились в одно тело – Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание, хотя продолжают обсуждаться гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

ЗВЕЗДЫ

Звезды – далекие солнца.

В ночном небе невооруженным взглядом можно видеть » 6 тыс. звезд.

С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрологические каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около 1 млн. А всего нашему наблюдению доступно » 2 млрд. звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10²².

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и другие свойства. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят Солнце в десятки и сотни раз. Звезды – карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60-ти солнечным массам.

Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины a- Центавра, не видимую с территории России и Беларуси. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идет без остановок со ύ = 100 км/час, добрался бы до нее за 40 млн. лет.

В звездах сосредоточена основная масса (98-99 %) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды – мощные источники энергии. Вещество звезд представляет собой плазму. Плазма – это состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.

Звёзды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звёздные системы: кратные звёзды (двойные, тройные и т.д.); звёздные скопления (от нескольких десятков звёзд до миллионов); галактики - грандиозные звёздные системы (наша Галактика, например, содержит около 150- 200 млрд.).

Большинство звёзд находится в стационарном состоянии, т.е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звёзды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. Переменность и нестационарность - проявления неустойчивости состояния равновесия звезды.

Эволюция звезд — это изменение со временем физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд. Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд в удовлетворительном согласии с данными наблюдений.

«Рождение» звезды — это образование гидростатически равновесного объекта, излучение которого поддерживается за счет собственных источников энергии. «Смерть» звезды — это необратимое нарушение равновесия, ведущее к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию. Процесс звездообразования продолжается непрерывно, он происходит и в настоящее время.

Звезды образуются в результате гравитационной конденсации вещества межзвездной среды. Гравитационное сжатие — первый этап эволюции звезд. Он приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры «включения» термоядерной реакции (примерно 10—15 млн К.

Вторым этапом эволюции звезд является «включение» водородных термоядерных реакций в центральной зоне. Водород — главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. При этом, до тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало. Т.о., на втором этапе своей эволюции звезды находятся в равновесном (стационарном) состоянии и являются саморегулирующимися системами. Стационарная звезда представляет собой плазменный шар, находящийся в состоянии гидростатического равновесия.

Третий этап эволюции звезды начинается после выгорания водорода в центральной зоне. У звезды при этом образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка — расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Полагают, что звезда типа нашего Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Правда, наше Солнце станет красным гигантом примерно через 8 млрд лет. Так что особых оснований для беспокойства у жителей Земли нет. Ведь сама Земля образовалась всего лишь 5 млрд лет назад.

Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. В результате роста давления, пульсаций и других процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Когда внутренние термоядерные источники энергии полностью истощаются, дальнейшая судьба звезды (этапы ее эволюции) зависит от ее массы.

При массе менее 1, 4 массы Солнца звезда переходит в стационарное состояние с очень большой плотностью (сотни тонн на 1 см³). Такие звезды называются белыми карликами. Здесь электроны образуют вырожденный газ, давление которого уравновешивает силы тяготения. Тепловые запасы звезды постепенно истощаются и звезда медленно охлаждается, что сопровождается выбросами оболочки звезды. Когда энергия звезды иссякнет, звезда изменяет свой цвет от белого к желтому, затем к красному; наконец, она перестанет излучать и превращается в черного карлика — мертвую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Так заканчивают свое существование большинство звезд.

При массе более 1, 4 массы Солнца стационарное состояние звезды становится невозможным, так как давление не может уравновесить сил тяготения. Происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство и образованием газовых туманностей. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия (порядка 10⁵² эрг). Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для распространения химических элементов во Вселенной, а также для рождения первичных космических лучей.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела — нейтронной звезды (пульсара) или черной дыры.

Плотность нейтронной звезды очень высока, выше плотности атомных ядер — 10 ¹⁵ г/см³. Температура такой звезды около 1 млрд градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами. Уже открыты сотни нейтронных звезд. Экстремальные условия в нейтронных звездах делают их уникальными естественными лабораториями, представляющими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.

Черная дыра — область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь - ни излучение, ни частицы. Свойства черной дыры необычны. Особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. В черной дыре пространство и время взаимосвязаны необычным образом. Для наблюдателя внутри черной дыры направление возрастания времени является направлением уменьшения радиуса. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он «попадает в область бесконечной плотности, где время кончается».

Изучение свойств черных дыр (Я.Б. Зельдович, С. Хокинг и др.) показывает, что в некоторых случаях они могут «испаряться». Этот «механизм» связан с тем, что в сильном поле тяготения черной дыры вакуум (физические поля в самом низком энергетическом состоянии) неустойчив и может рождать частицы (фотоны, нейтрино и др.), которые, улетая, уносят энергию черной дыры. Вследствие этого черная дыра теряет энергию, уменьшаются ее масса и размеры.

Вероятно, одна черная дыра уже обнаружена в рентгеновском источнике Лебедь Х-1. В целом же, по-видимому, на долю черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике приходится около 100 млн звезд.

ГАЛАКТИКИ

Галактики — это гигантские звездные системы (примерно до 10¹³ звезд). Такого же порядка (n= 13) и массы галактик по отношению к массе Солнца.

Некоторые галактики можно разглядеть в хороший бинокль. Галактику Андромеды, большую по размерам и находящуюся достаточно близко к Солнцу (всего в 1, 5 млн световых лет), в состоянии увидеть человек схорошим зрением: это размытое пятно в созвездии Андромеды. С помощью больших телескопов можно наблюдать еще намного более далекие галактики, и мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Расстояние до самых дальних из наблюдаемых в настоящее время галактик - свыше 10млрд. световых лет.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них, велико и количество галактик, которые наблюдаются астрономами. В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях 1500 Мпк, находится сейчас несколько миллиардов галактик.

Одна из центральных проблем современной внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и размеров самих галактик. Расстояния до ближайших галактик, которые можно разложить на звезды, определяются по их светимости. Сложнее оценить расстояние до далеких галактик.

Определение расстояния до галактик производится по закону Хаббла: красные смещения в спектрах галактик растут пропорционально расстояниям до них.

,

где г - расстояние до галактики; с — скорость света, Н - постоянная Хаббла.

По современной оценке, постоянная Хаббла (отношение скорости удаления (V) внегалактических источников к расстоянию (R) до них составляет от 50 до 100 км/(с Мпк). В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров.

Определение расстояний до галактик и их положения на небе позволило сделать еще один вывод. Оказалось, что большинство галактик входит в группировки, которые насчитывают от нескольких галактик (группа галактик) до сотен и тысяч галактик (скопление галактик) и даже облака скоплений (сверхскопления). Наблюдаются и одиночные галактики, но они относительно редки (не более 10%). Другими словами, если галактики — это «острова Вселенной», то они, как правило, объединены в архипелаги.

Чрезвычайно многообразны формы галактик. Типология форм галактик, разработанная еще Э. Хабблом, в основном сохранилась до настоящего времени. Хаббл выделял три основных типа галактик:

эллиптические, имеющие круглую или эллиптическую форму (обозначаются Е); это наиболее простые галактики, не содержащие горячих звезд, сверхгигантов, пыли и газовых туманностей; в центре их нет ядра;

спиральные, которые Хаббл разбил на два семейства — обычные (S) и пересеченные (SВ). У первых ветви выходят непосредственно из ядра; у вторых ядро пересечено широкой, яркой полосой, называемой перемычкой или баром; спиральные ветви отходят от концов бара;

неправильные галактики (Ir) имеют клочковатое строение и неправильную форму; яркость и светимость их невелики; они изобилуют горячими сверхгигантами, газовыми туманностями и пылью (например, Большое и Малое Магеллановы Облака); к неправильным галактикам относятся также взаимодействующие галактики; большинство неправильных галактик — карлики.

Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая приблизительно из 200 млрд. звезд, среди них и наше Солнце. Кроме звезд Галактика содержит много пыли, газа; она пронизана магнитными полями, заполнена космическими лучами. По форме она представляет собой достаточно правильный диск с шарообразным утолщением (6алдж) в центре (это напоминает линзу или чечевицу). Диаметр Галактики около 100 000 световых лет (примерно 30 кпк), толщина ее в 10—15 раз меньше, а масса Галактики 2 * 10¹¹ масс Солнца. Около 1% этой массы составляет межзвездный водород, преимущественно нейтральный. Возраст Галактики около 15 млрд. лет.

Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Этот период может быть назван галактическим годом.

Особый интерес для астрономов представляет ядро Галактики. Здесь нет горячих сверхгигантов и возбуждаемых ими к свечению диффузных газовых туманностей. Нет и пыли, но есть нейтральный водород, который по не вполне понятной причине растекается оттуда в плоскости Галактики со скоростью 50 км/с. Основное излучение ядра создается оранжевыми звездами-гигантами (но не сверхгигантами). Ядро Галактики должно было бы казаться очень ярким, если бы не поглощение света в массах космической пыли. В центре ядра находится небольшое сгущение звезд с малым, но чрезвычайно компактным и сильным радиоисточником (Стрелец А). Высказано предположение, что он является черной дырой (массой равной примерно миллиону солнечных масс).

МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА

Межзвездная среда - это вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри галактик.

Межзвездное пространство заполнено газом и пылью. Основной компонент межзвездного газа — водород. На втором месте — гелий, Значительно меньше в ней углерода, азота, кислорода и других химических элементов. Тяжелые элементы попадают в Космос как остатки взрывов сверхновых звезд. В межзвездном пространстве присутствуют излучения и быстрые частицы различных типов. Сюда входят электромагнитное и гравитационное излучения, потоки нейтрино и космические лучи (состоящие из множества разнообразных субатомных частиц).

В межзвездной среде астрофизики наблюдают и различные органические соединения: углеводород, спирты, альдегид, эфиры, аминокислоты и другие соединения, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода, а самые тяжелые имеют массу до 123 единиц масс водорода. В настоящее время в межзвездной среде открыто около 40 органических молекул. Чаще всего они встречаются в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества.

МЕТАГАЛАКТИКА

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику — доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактики — ее постоянное расширение, «разлет» скоплений галактик. Об этом свойстве Метагалактики свидетельствуют «красное смещение» в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое, независимое от направления внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре около 3 К).

Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаков смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение.

Важное свойство Метагалактики — равномерное распределение в ней вещества (основная масса вещества сосредоточена в звездах). В современном состоянии Метагалактика — однородна и изотропна, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики (однородность) и по всем направлениям (изотропия). Маловероятно, что она была такой в прошлом. В самом начале расширения Метагалактики анизотропия и неоднородность материи и пространства вполне могли существовать. Поиски следов анизотропии и неоднородности прошлых состояний Метагалактики — одна из важнейших проблем современной внегалактической астрономии.

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство? Все чаще высказывается мысль о множественности «метагалактик», множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных свойств материи, пространства и времени, свои тип нестационарности, организации и др. Эти гипотезы не противоречат современным математическим и физико-теоретическим представлениям. Более того, многие модели релятивистской космологии закономерно подводят к выводам такого рода.