Содержание
Введение
1. Метагалактика
2. Галактики
2.1 Основные составляющиегалактики
2.2 Галактика Млечный Путь
2.3 Звезды 10
2.4 Солнечная система
Заключение
Список использованнойлитературы
Введение
Вселеннаякак целое является предметом особой астрономической науки — космологии, имеющейдревнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое времянаходилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи нестолько предметом познания, сколько делом веры.
Вселенная — это самый глобальный объект мегамира, безграничный во времени и пространстве.Согласно современных представлений она представляет собой громадную необъятнуюсферу. Существуют научные гипотезы об «открытой», то есть «непрерывнорасширяющейся», равно как и о «закрытой», то есть «пульсирующей», Вселенной.Обе гипотезы существуют в нескольких вариантах. Однако требуются оченьосновательные исследования, пока та или иная из них не превратится в более илименее обоснованную научную теорию.
Как считаютученые, все зависит от величины средней плотности материи во Вселенной, авеличину эту пока еще не удалось определить с достаточной точностью. Зато точнорассчитана некая критическая величина, выше и ниже которой Вселенная должнавести себя по-разному.
Еслисредняя плотность материи равна этой величине или ниже ее, то Вселенная будетрасширяться бесконечно, причем эта средняя плотность материи во Вселенной будетбесконечно стремиться к нулю — примерно так же, как если бы облачко дыма стало«расплываться» в воздухе. Если же плотность материи окажется выше указаннойвеличины, то в будущем расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием.
Неисключено, что периоды расширения и сжатия чередуются бесконечно. В этом случаемы имеем «пульсирующую» Вселенную. Не исключено также, что циклы «расширение — сжатие» отличаются друг от друга, изменяясь согласно какой-то закономерности. Вэтом случае мы имеем «осциллирующую» Вселенную.
1. Метагалактика
Метагалактика- это часть Вселенной, доступная изучению астрономическими средствами. Онасостоит из сотни миллиардов галактик, каждая из которых вращается вокруг своейоси и одновременно разбегаются друг от друга со скоростями от 200 до 150 000км/с.
Одно изважнейших свойств Метагалактики — ее постоянное расширение, о чемсвидетельствует «разлет» скоплений галактик. Доказательством того, чтоскопления галактик удаляются друг от друга, являются «красное смещение» вспектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое внегалактическоеизлучение, соответствующее температуре около 2,7 К).
Из явления расширенияМетагалактики вытекает важное следствие: в прошлом расстояния между галактикамибыли меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными иразреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границыэтих облаков смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовоеоблако, испытывавшее постоянное расширение.
Другоеважное свойство Метагалактики — равномерное распределение в ней вещества(основная масса которого сосредоточена в звездах). В современном состоянииМетагалактика — однородна в масштабе порядка 200 Мпк. Маловероятно, что онабыла такой в прошлом. В самом начале расширения Метагалактики неоднородностьматерии вполне могла существовать. Поиски следов неоднородности прошлыхсостояний Метагалактики — одна из важнейших проблем внегалактическойастрономии.
ОднородностьМетагалактики (и Вселенной) надо понимать и в том смысле, что структурныеэлементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются,и физические константы, по-видимому, с большой степенью точности одинаковыповсюду, т.е. те же, что и в нашей области Метагалактики, включая Землю.Типичная галактика, находящаяся в сотне миллионов световых лет от нас, выглядитв основном так же, как наша. Спектры атомов, следовательно, законы химии иатомной физики там идентичны известным на Земле. Это обстоятельство позволяетуверенно распространять открытые в земной лаборатории законы физики на болееширокие области Вселенной.
Представлениеоб однородности Метагалактики еще раз доказывает, что Земля не занимает воВселенной сколько-нибудь привилегированного положения. Конечно, Земля, Солнце иГалактика кажутся нам, людям, важными и исключительными, но для Вселенной вцелом они такими не являются.
Исчерпываетли Метагалактика собой всю возможную материю? Многие ученые так и считают,утверждая единственность нашей расширяющейся Метагалактики — Вселенной. Нотакие утверждения напоминают космологию Аристотеля, многократно повторявшиесязаявления о единственности Земли со светилами вокруг нее, единственностиСолнечной системы, а также более поздние теории единственности нашей Галактикии т.д. И потому все чаще высказывается мысль о множественности «метагалактик»,множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальныхфизических свойств материи, пространства и времени, свой тип нестационарности,организации и др. Эти гипотезы не противоречат современным математическим ифизико-теоретическим представлениям. Более того, многие модели релятивистскойкосмологии закономерно подводят к выводам такого рода.[1]
2. Галактики
2.1Основные составляющие галактики
Галактика — это скопление звезд в объеме, имеющем форму линзы. Большая часть звездконцентрируется в плоскости симметрии этого объема (галактической плоскости),меньшая часть, концентрируется в сферическом объеме (ядре галактики).
Кроме звездв состав галактик входят межзвездное вещество (газы, пыль, астероиды, кометы),электромагнитные, гравитационные поля, космические излучения. Солнечная системарасположена вблизи галактической плоскости нашей галактики. Для земногонаблюдателя звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, сливаются ввидимую картину Млечного пути.
Систематическоеисследование галактик было начато в начале прошлого века, когда былиустановлены на телескопах приборы для спектрального анализа световых излученийзвезд.
Американскийастроном Э. Хаббл разработал метод классификации известных ему тогда галактик сучетом их наблюдаемой формы. В его классификации выделены несколько типов(классов) галактик, в каждом из которых существуют подтипы или подклассы. Он жеопределил примерное процентное распределение наблюдаемых галактик:эллиптические по форме (приблизительно 25%), спиральные (приблизительно 50%),линзообразные (приблизительно 20%) и пекулярные (неправильной формы) галактики(приблизительно 5%).
Сегодняизвестно, что галактики объединяются в устойчивые структуры (скопления исверхскопления галактик). Астрономам известно облако галактик с плотностью 220032 галактик на один квадратный градус. Наша Галактика входит в скопление галактик,которое называют Местной системой.
В Местнуюсистему входят наша Галактика, галактика Туманность Андромеды, спиралеобразнаягалактика из созвездия Треугольник и еще 31 звездная система. Поперечник этойсистемы — 7 млн световых лет. В это объединение галактик входит галактикаТуманность Андромеды, которая существенно больше нашей Галактики: ее диаметрболее 300 тыс. св. лет. Она находится на расстоянии 2,3 млн св. лет от нашейГалактики и состоит из нескольких биллионов звезд. Наряду с такой огромной галактикой,как Туманность Андромеды, астрономам известны галактики-карлики.
Всозвездиях Льва и Скульптора обнаружены почти шарообразные галактики размером3000 св. лет в поперечнике. Имеются данные о линейных размерах следующихкрупномасштабных структур во Вселенной: звездные системы — 108 км, галактики,содержащие около 1013 звезд, — 3 · 104 св. лет, скопление галактик (из 50 яркихгалактик) — 107св. лет, сверхскопления галактик— 109 св. лет. Расстояние междускоплениями галактик равно приблизительно 20 · 107св. лет.
Обозначениегалактик принято давать относительно соответствующего каталога: обозначениекаталога плюс номер галактики (NGC2658, где NGC — новый общий каталог Дрейера,2658 — номер галактики в этом каталоге). В первых звездных каталогах галактикиошибочно фиксировались как туманности определенной светимости. Во второйполовине ХХ в. было установлено, что классификация галактик Хаббла не являетсяточной: существует большое множество разновидностей пекулярных по формегалактик. Местная система (скопление галактик) входит в гигантскоесверхскопление галактик, поперечник которой составляет 100 млн лет, нашаМестная система находится от центра этого сверхскопления на расстоянии более 30млн св. лет. Современная астрономия использует широкий спектр методовисследования объектов, находящихся на огромных расстояниях от наблюдателя.Большое место в астрономических исследованиях занимает метод радиологическихизмерений, разработанный в начале прошлого века.[2]
2.2 Галактика Млечный Путь
Нашагалактическая система — рядовая звездная система. На небе в ясную безлуннуюночь хорошо видна яркая белесоватая полоса — Млечный Путь. Он простирается (привечерних наблюдениях) через созвездия Скорпиона, Стрельца, Орла и дальше вверхк созвездиям Лебедя, Цефея и Кассиопеи. При утренних наблюдениях можнопроследить его другую ветвь: по созвездиям Персея, Возничего, Тельца,Близнецов, Ориона и Большого Пса. В южном полушарии он проходит через созвездияПаруса, Киля, Южного Креста и Центавра. Таким образом, Млечный Путь образует нанебе полный круг. Греки назвали Млечный Путь галактическим (молочным) кругом.Его светлое сияние происходит в основном из-за свечения бесчисленногоколичества слабых звезд.
Представлениео том, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд, восходит еще кДемокриту. Его догадку подтвердил Галилей с помощью своего телескопа. У.Гершель обратил внимание на то, что в направлении созвездия Геркулеса звездыкак бы раздвигаются, а на противоположной стороне — сближаются. Такоевпечатление получается при движении по дороге, по обеим сторонам которойвысажены деревья, поэтому Солнце движется по отношению к ближайшим звездам ирасстояния до них неодинаковы.[3]
НашаГалактика, Млечный Путь, имеет спиралеобразную форму: при рассмотрении ее сбокуона имеет вид диска с утолщением в центре, сверху — вид спирали, образованнойдвумя рукавами, расходящимися из ядра Галактики. Масса нашей Галактики более 2· 1011 масс Солнца. Масса Солнца более 2 · 1030кг. Поперечник Галактики МлечныйПуть составляет 100 000 св. лет. Наша Солнечная система находится от центраГалактики на расстоянии 34 000 св. лет. Ядро нашей Галактики находится внутриМлечного Пути в направлении созвездия Стрельца. Ядро Галактики — этоцентральное сгущение активных процессов, происходящих в Галактике.Предполагается, что масса ядра галактик составляет всего лишь несколькопроцентов от массы всей Галактики. Для определения масс крупномасштабныхобъектов Вселенной (звезды и т. д.) используется ряд зависимостей, например:спектр-светимость, масса-светимость, сила гравитационного взаимодействия идругие.
В 1944 г.немецкий астроном В. Бадде (1893—1966) — работал в основном в США — построилмодели звездной природы ядра галактик. Все звезды, входящие в нашу Галактику,он назвал «звездным населением» и разделил на два типа: 1) звезды ядраГалактики (гало) и 2) звезды периферийной части Галактики (диско). Согласноэтой модели все звезды в нашей Галактике сосредоточены в рассеянных и шаровыхскоплениях звезд. Первые принадлежат диско нашей Галактики, вторые входят вгало, центральную часть Галактики. Рассеянные скопления состоят из ста дотысячи звезд, шаровые — из нескольких сотен тысяч и миллионов звезд. Делениезвезд на «население диско» и «население гало» отличается от деления ГМО[4]на «население диско» и «население рукавов». К первым относятся холодные ГМО, ковторым — теплые. Суть этого отличия состоит в том, что гравитационное полеГалактики не позволяет переходить звездам, например из «населения гало» в«население диско». У звезд, составляющих «население гало», отношение содержаниялегких химических элементов к тяжелым существенно меньше, чем у звезд«населения диско». Для того чтобы происходил взаимный переход звезд из одногонаселения в другое, звездам нужно менять свою металличность. Что же касаетсяоблаков ГМО, то их движение в Галактике является более интенсивным, т. е. онипри движении могут переходить из холодного в теплое состояние и из теплого вхолодное, меняя свое место, положение в Галактике. В настоящее времяутверждается, что в нашей Галактике осуществляется процесс образования новыхзвезд из структур МЗС[5], названных ГМО (гигантские молекулярные облака вМЗС). На это звездообразование, как считают специалисты, тратитсяприблизительно 4 массы Солнца в год. При этом говорится, что звезды рождаются вспиральных рукавах (70%), в межзвездном пространстве (10%), в области центраГалактики, с диаметром 1 кпс (10%), над галактической плоскостью, в гало (около10%). Таким образом, получается, что спиральные рукава, занимающие всего лишь1% всего объема Галактики, являются основной областью звездообразования внастоящее время. Теория звездообразования изложена в интересной работе В. Г.Сурдина «Рождение звезд»1. Проблемы, с которыми сталкивается эта теория,следующие:
1. Еслинаша Галактика тратит 4 массы Солнца своей МЗС на звездообразование в год, тоза 2 млрд лет она должна была МЗС уже полностью израсходовать, но Галактикаимеет возраст около 10—13 млрд лет, и МЗС в ней сохраняется.
2.Происходит ли процесс звездообразования отдает часть своей энергии-массы в МЗСи вспыхивает как звезда) одинаковым для всех форм галактик или только онхарактерен для спиралеобразных?
3. Каковисточник образования энергии-массы МЗС Галактики (только внутренний илиобщегалактический)?
Одним изответов на эти вопросы является гипотеза об образовании Галактики изэнергии-массы более крупных структур, таких как сверхскопления галактик ископлений галактик. Первыми во времени, как полагают, образовалисьсверхскопления галактик, затем — скопления галактик и лишь позднее появилисьгалактики с индивидуальной формой. Иначе говоря, считается, что энергия-масса,достаточная для образования сверхскоплений галактик, переходит за счетфрагментации в энергию-массу отдельных скоплений галактик и т. д.
Металличностьзвезды — это величина, характеризующая отношение тяжелых элементов в звезде (ихусловно называют металлами) к количеству содержащегося в ней водорода: Fe/H,где Fe — количество (масса) тяжелых элементов в звезде, Η — массаводорода. За основу шкалы измерения металличности звезды берется металличностьСолнца, в котором содержится 2—3% тяжелых металлов (Fe/H). Существует точказрения, согласно которой на догалактической стадии, 13 млрд лет тому назад, приформировании нашей Галактики в составе ее энергии-массы не было тяжелыхэлементов. Она состояла из водорода (3/4) и гелия (1/4)· Силы тяготения сжималидогалактическую структуру, которую трудно назвать облаком, как часто этоделается. В этой догалактической структуре произошло уплотнение и фрагментация,т. е. появились неоднородности с высокой плотностью. Эти фрагментарныеплотности могут рассматриваться как очаги образования скоплений звездспектрального класса О и В. Эти звезды называют звездами первого поколения илипредсверхновыми, поскольку их масса достигала, как полагают, несколько тысячмасс Солнца.
Звездыспектральных классов О и В наблюдаются сегодня. Они имеют температуруповерхности от 15 000 до 25 000 К и существенно выше. Однако они не являютсячисто водородно-гелиевыми звездами первого поколения. В линиях их спектровнаблюдаются линии водорода, гелия, кремния, кислорода и углерода. Чистоводородно-гелиевых звезд не удалось обнаружить до сих пор: есть звезды ссодержанием тяжелых элементов в 100—400 раз меньше, чем у Солнца, но еще сменьшим содержанием не наблюдаются. В связи с этим фактом высказываетсяпредположение о наличии замедленной или прерывистой физико-химической эволюцииГалактики: в течение первой половины жизни Галактики происходил линейный росттяжелых элементов в межзвездной среде за счет звезд первого поколения, затемэтот рост приостановился. Как полагают, звезды первого поколения обладалиогромной энергией-массой, которая позволяла возникнуть термоядерному синтезутяжелых химических элементов из легких. Они просуществовали приблизительно 1млрд лет, выбросив огромную энергию-массу в окружающую среду, обогатив еетяжелыми химическими элементами. Образовавшаяся в Галактике межзвездная среда,как полагают, привела к образованию звезд второго поколения. Энергия-масса этихзвезд не позволяет образовывать тяжелые химические элементы. Например, нашеСолнце, возрастом в 5 млрд лет, не может образовывать тяжелые химическиеэлементы, их оно «заимствовало» из МЗС Галактики. Звезды, содержащие многотяжелых химических элементов, называют молодыми в смысле места, которое онизанимают в эволюции Вселенной. Современные исследования обнаружили мощныйисточник излучения в диапазоне радиоволн из ядра нашей Галактики. Ядро нашейГалактики, по современным оценкам, имеет линейные размеры порядка 4000 св. лет.
Высказываетсямнение, что внутри ядра находится массивная «черная дыра», окруженная газовымоблаком диаметром в 1 млрд км, являющаяся источником выброса энергии-массы(вещества) со скоростью около 600 км/с в количестве одной массы Солнца в год.Эта гипотеза требует соответствующей проверки. Для проверки этой гипотезыроссийские и западноевропейские ученые планируют запустить в 2006 г.сверхмощный телескоп, который, как полагают ученые, поможет рассмотреть эту«черную дыру».[6]
2.3 Звезды
Звезда —плазменный шар. В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимоговещества в известной нам части Вселенной. Звезды — мощные источники энергии. Вчастности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излученияСолнца.
Звезда —динамическая, направленным образом изменяющаяся плазменная система. В ходежизни звезды ее химический состав и распределение химических элементовзначительно изменяются. На поздних стадиях развития звездное вещество переходитв состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частицдруг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах —давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары —нейтронные звезды, барстеры — источники рентгеновского излучения и др.).[7]
Звездырождаются из космического вещества в результате его конденсации под действиемгравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготенияиз газового облака образуется плотный шар — протозвезда, эволюция которойпроходит три этапа.
Первый этапэволюции связан с обособлением и уплотнением космического вещества. Второйпредставляет собой стремительное сжатие протозвезды. В какой-то момент давлениегаза внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс ее сжатия, однакотемпература во внутренних областях пока остается недостаточной для началатермоядерной реакции. На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься, а еетемпература — повышаться, что приводит к началу термоядерной реакции. Давлениегаза, вытекающего из звезды, уравновешивается силой притяжения, и газовый шарперестает сжиматься. Образуется равновесный объект — звезда. Такая звездаявляется саморегулирующейся системой. Если температура внутри не повышается, тозвезда раздувается. В свою очередь, остывание звезды приводит к ее последующемусжатию и разогреванию, ядерные реакции в ней ускоряются. Таким образом,температурный баланс оказывается восстановлен. Процесс преобразованияпротозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного покосмическим масштабам.
Рождениезвезд в галактиках происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует такженепрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому галактики состоят из старых имолодых звезд. Самые старые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, ихвозраст сравним с возрастом галактики. Эти звезды формировались, когдапро-тогалактическое облако распадалось на все более мелкие сгустки. Молодыезвезды (возраст около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационногосжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры 10—15млн. К и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий.Именно термоядерная реакция является источником собственного свечения звезд.
С моментаначала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашегоСолнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии скоторой будут изменяться с течением времени характеристики звезды: еесветимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгоранияводорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородныетермоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизиповерхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды.Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка — расширяться. Оболочкаразбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, извезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента звезда выходит назавершающий этап своей жизни. Наше Солнце это ждет примерно через 8 млрд. лет.При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбитыЗемли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутсяоплавленные камни).
Длякрасного гиганта характерна низкая внешняя, но очень высокая внутренняятемпература. При этом в термоядерные процессы включаются все более тяжелыеядра, что приводит к синтезу химических элементов и непрерывной потере краснымгигантом вещества, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Так,только за один год Солнце, находясь в стадии красного гиганта, может потерятьодну миллионную часть своего веса. Всего за десять — сто тысяч лет от красногогиганта остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда становится белымкарликом. Таким образом, белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта,а затем сбрасывает остатки оболочки, поверхностных слоев, которые образуютпланетарную туманность, окружающую звезду.
Белыекарлики невелики по своим размерам — их диаметр даже меньше диаметра Земли,хотя их масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды в миллиарды разбольше плотности воды. Кубический сантиметр его вещества весит больше тонны.Тем не менее, это вещество является газом, хотя и чудовищной плотности.Вещество, из которого состоит белый карлик, — очень плотный ионизированный газ,состоящий из ядер атомов и отдельных электронов.
В белыхкарликах термоядерные реакции практически не идут, они возможны лишь ватмосфере этих звезд, куда попадает водород из межзвездной среды. В основномэти звезды светят за счет огромных запасов тепловой энергии. Время ихохлаждения — сотни миллионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет егоменяется от белого к желтому, а затем — к красному. Наконец, он превращается вчерный карлик — мертвую холодную маленькую звезду размером с земной шар,который невозможно увидеть из другой планетной системы.
Несколькоиначе развиваются более массивные звезды. Они живут всего несколько десятковмиллионов лет. В них очень быстро выгорает водород, и они превращаются вкрасные гиганты всего за 2,5 млн. лет. При этом в их гелиевом ядре температураповышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая температура даетвозможность для протекания реакций углеродного цикла (слияние ядер гелия,приводящее к образованию углерода). Ядро углерода, в свою очередь, можетприсоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д.вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в немподнимается до 3—10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединенияпродолжаются вплоть до образования ядер железа — самого устойчивого во всейпоследовательности химического элемента. Более тяжелые химические элементы — отжелеза до висмута также образуются в недрах красных гигантов, в процессемедленного захвата нейтронов. При этом энергия не выделяется, как притермоядерных реакциях, а, наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды всеубыстряется.
Образованиеже наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительнопроисходит в оболочках взрывающихся звезд, при их превращении в новые илисверхновые звезды, которыми становятся некоторые красные гиганты. Взашлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ более не способенпротивостоять давлению ядерного газа. Наступает коллапс — катастрофическоесжатие звезды, она «взрывается внутрь». Но если отталкивание частиц иликакие-либо другие причины все же останавливают этот коллапс, происходит мощныйвзрыв — вспышка сверхновой звезды. Одновременно при этом в окружающеепространство сбрасывается не только оболочка звезды, но и до 90% ее массы, чтоприводит к образованию газовых туманностей. При этом светимость звездыувеличивается в миллиарды раз. Так, был зафиксирован взрыв сверхновой звезды в1054 г. В китайских летописях было записано, что она видна днем, как Венера, втечение 23 дней. В наше время астрономы выяснили, что эта сверхновая звездаоставила после себя Крабовидную туманность, являющуюся мощным источникомрадиоизлучения.
Взрывсверхновой звезды сопровождается выделением чудовищного количества энергии. Приэтом рождаются космические лучи, намного повышающие естественный радиационныйфон и нормальные дозы космического излучения. Так, астрофизики подсчитали, чтопримерно раз в 10 млн. лет сверхновые звезды вспыхивают в непосредственнойблизости от Солнца, повышая естественный фон в 7 тысяч раз. Это чреватосерьезнейшими мутациями живых организмов на Земле. Кроме того, при взрывесверхновых идет сброс всей внешней оболочки звезды вместе с накопившимися в ней«шлаками» — химическими элементами, результатами деятельности нуклеосинтеза.Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные насегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений,в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составеокружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.[8]
2.4 Солнечная система
Солнечнаясистема представляет собой систему «звезда — планеты». В нашей Галактикеприблизительно 200 млрд звезд, среди которых, как полагают специалисты,некоторые звезды имеют планеты. В Солнечную систему входит центральное тело,Солнце, и девять планет с их спутниками (известно более 60 спутников). ДиаметрСолнечной системы — более 11,7 млрд км.
В началеXXI в. в Солнечной системе обнаружен объект, который астрономы назвали Седной(имя эскимосской богини океана). Седна имеет диаметр в 2000 км. Один ее оборотвокруг Солнца составляет 10 500 земных лет.
Некоторыеастрономы называют этот объект планетой Солнечной системы. Другие астрономыназывают планетами только космические объекты, имеющие центральное ядро сотносительно высокой температурой. Например, температура в центре Юпитера, порасчетам, достигает 20 000 К. Поскольку в настоящее время Седна находится нарасстоянии около 13 млрд км от центра Солнечной системы, то информация об этомобъекте достаточно скудна. В самой дальней точке орбиты расстояние от Седны доСолнца достигает огромной величины — 130 млрд км.
В нашузвездную систему входят два пояса малых планет (астероидов). Первый находитсямежду Марсом и Юпитером (содержит более 1 млн астероидов), второй — за орбитойпланеты Нептун. Некоторые астероиды имеют диаметр более 1000 км. Внешниеграницы Солнечной системы окружены так называемым облаком Оорта, названо поимени нидерландского астронома, высказавшего в прошлом веке гипотезу осуществовании этого облака. Как полагают астрономы, самый близкий к Солнечнойсистеме край этого облака состоит из льдинок воды и метана (ядер комет),которые, подобно мельчайшим планетам, обращаются вокруг Солнца под действиемего силы тяготения на расстоянии свыше 12 млрд км. Количество подобныхминиатюрных планет исчисляется миллиардами.
Влитературе часто встречается гипотеза о звезде-спутнике Солнца Немезиде.(Немезида в греч. мифологии является богиней, карающей за нарушение морали изаконов). Некоторые астрономы утверждают, что Немезида находится на расстоянии25 трлн км от Солнца в самой отдаленной точке своей орбиты вокруг Солнца и 5трлн км — в самой близкой точке ее орбиты к Солнцу. Как полагают эти астрономы,прохождение Немезиды через облако Оорта вызывает катастрофы в Солнечнойсистеме, поскольку небесные тела из этого облака попадают в Солнечную систему.Астрономы с древних времен интересуются остатками тел внеземного происхождения,метеоритами. Ежедневно, как утверждают исследователи, падает на Землю около 500внеземных тел. Более 50% падающих метеоритов — каменные метеориты, 4% —железные и 5% — железокаменные. Среди каменных выделяют хондриты (отсоответствующего греч. слова — шарик, зерно) и ахондриты. Интерес к метеоритамсвязан с изучением вопроса о происхождении Солнечной системы и происхождениижизни на Земле.
НашаСолнечная система делает со скоростью 240 км/с полный оборот вокруг центраГалактики за 230 млн лет. Это называется галактическим годом. Кроме этого,Солнечная система движется вместе со всеми объектами нашей Галактики соскоростью приблизительно 600 км/с вокруг некоторого общего гравитационногоцентра скопления галактик. Это означает, что скорость движения Землиотносительно центра нашей галактики в несколько раз больше ее скоростиотносительно Солнца. Кроме этого, Солнце вращается вокруг своей оси соскоростью 2 км/с. По своему химическому составу Солнце состоит из водорода(90%), гелия (7%) и тяжелых химических элементов (2—3%). Здесь указываютсяприблизительные цифры. По массе атом гелия почти в 4 раза больше массы атомаводорода.
Солнце —звезда спектрального класса G, располагающаяся на главной последовательностизвезд диаграммы Герцшпрунга — Ресселла. Масса Солнца (2· 1030 кг) составляетпрактически 98,97 % всей массы Солнечной системы, на все остальные образованияв этой системе (планеты и т. д.) приходится всего лишь 2% общей массы Солнечнойсистемы. В суммарной массе всех планет основную долю составляет масса двухпланет-гигантов, Юпитера и Сатурна, около 412,45 земных масс, на остальныеприходится всего лишь 34 земных массы. Масса Земли— 6 · 1024кг, 98% моментаколичества движения в Солнечной системе принадлежит планетам, а не Солнцу.Солнце — это созданный природой естественный термоядерный плазменный реактор,имеющий форму шара со средней плотностью 1,41 кг/м3. Это означает, что средняяплотность на Солнце чуть больше плотности обычной на нашей Земле воды.Светимость Солнца (L) равна примерно 3,86 • 1033эрг/с. Радиус Солнца составляетокругленно 700 тыс. км. Таким образом, два радиуса Солнца (диаметр) в 109 разбольше земного. Ускорение свободного падения на Солнце — 274 м/с2, на Земле —9,8 м/с2. Это означает, что вторая космическая скорость для преодоления силытяготения Солнца равна 700 км/с, для Земли — 11,2 км/с.
Плазма —это физическое состояние, когда ядра атомов отдельно сосуществуют сэлектронами. В слоенном газоплазменном образовании под действием силыгравитации происходят существенные отклонения от средних значений температуры,давления и т. д. в каждом слое Солнца.
Термоядерныереакции идут внутри Солнца в шаровой области с радиусом 230 тыс. км. В центреэтой области температура около 20 млн К. Она понижается к границам этой зоны до10 млн К. Следующая шаровая область с протяженностью 280 тыс. км имееттемпературу 5 млн К. В этой области термоядерные реакции не идут, посколькупороговая для них температура в 10 млн К. Эту область называют областьюпереноса лучистой энергии, идущей изнутри предшествующей области. За этойобластью следует область конвекции (лат. convectio — привоз, перенесение). Вобласти конвекции температура достигает 2 млн К.
Конвекция —это физический процесс переноса энергии в форме тепла определенной средой.Физические и химические свойства конвективной среды могут быть различными:жидкость, газ и т. д. Свойства этой среды определяют скорость процесса переносаэнергии в форме тепла в следующую область Солнца. Конвективная область или зонаимеет на Солнце протяженность приблизительно 150—200 тыс. км.
Скоростьдвижения в конвективной среде сравнима со скоростью звука (300 м/с). Величинаэтой скорости играет большую роль в отводе тепла из недр Солнца в егопоследующие области (зоны) и в космос.
Солнце невзрывается в силу того, что скорость горения ядерного горючего внутри Солнцазаметно меньше скорости отвода тепла в конвективной зоне, даже при очень резкихвыделениях энергии-массы. Конвективная зона в силу физических свойств опережаетвозможность взрыва: конвективная зона расширяется на несколько минут раньшевозможного взрыва и тем самым переносит избыток энергии-массы в следующий слой,область Солнца. В ядре до конвективных зон Солнца плотность массы достигаетсябольшим количеством легких элементов (водорода и гелия). В конвективной зонепроисходит процесс рекомбинации (образования) атомов, тем самым увеличиваетсямолекулярная масса газа в конвективной зоне. Рекомбинация (лат. recombinare —соединять) происходит из остывающего вещества плазмы, обеспечивающейтермоядерные реакции внутри Солнца. Давление в центре Солнца равно 100 г/см3.
Наповерхности Солнца температура достигает приблизительно 6000 К. Таким образом,температура от конвективной зоны падает до 1 млн К и достигает 6000 К на уровнеполного радиуса Солнца.
Свет — этоэлектромагнитные волны разной длины. Область Солнца, где возникает свет,называется фотосферой (греч. фотос — свет). Область над фотосферой называетсяхромосферой (от греч. — цвет). Фотосфера занимает 200—300 км (0,001 радиусаСолнца). Плотность фотосферы 10-9— 10-6 г/см3, температура фотосферы убывает отее нижнего слоя вверх до 4,5 тыс. К. В фотосфере возникают солнечные пятна ифакелы. Понижение температуры в фотосфере, т. е. в нижнем слое атмосферыСолнца, достаточно типичное явление. Следующий слой — это хромосфера, егопротяженность равна 7—8 тыс.км. В этом слое температура начинает расти до 300тыс, К. Следующий атмосферный слой — солнечная корона — в ней температура ужедостигает 1,5—2 млн К. Солнечная корона распространяется на несколько десятковрадиусов Солнца и затем рассеивается в межпланетном пространстве. Эффектувеличения температуры в солнечной короне Солнца связывают с таким явлением,как «солнечный ветер». Это — газ, образующий солнечную корону, состоит восновном из протонов и электронов, скорость которых увеличивается согласноодной из точек зрения, так называемыми волнами световой активности из зоныконвекции, разогревающими корону. Каждую секунду Солнце теряет 1/100 частьсвоей массы, т. е. приблизительно 4 млн τ за секунду. «Расставание» Солнцасо своей энергией-массой проявляется в форме тепла, электромагнитногоизлучения, солнечного ветра. Чем дальше от Солнца, тем меньше вторая космическаяскорость, необходимая для выхода частиц, образующих «солнечный ветер», из полятяготения Солнца. На расстоянии Земной орбиты (150 млн км) скорость частицсолнечного ветра достигает 400 м/с. Среди множества проблем исследования Солнцаважное место занимает проблема солнечной активности, с которой связан ряд такихявлений, как солнечные пятна, активность магнитного поля Солнца и солнечнаярадиация. Солнечные пятна образуются в фотосфере. Среднее годовое числосолнечных пятен измеряется 11 -летним периодом. По своей протяженности онимогут достигать в поперечнике до 200 тыс. км. Температура солнечных пятен ниже,чем температура фотосферы, в которой они образуются, на 1—2 тыс. К, т. е. 4500К и ниже. Поэтому они выглядят темными. Появление солнечных пятен связывают сизменением магнитного поля Солнца. В солнечных пятнах напряженность магнитногополя значительно выше, чем в других областях фотосферы.
Две точкизрения в объяснении магнитного поля Солнца:
1.Магнитное поле Солнца возникло в процессе образования Солнца. Посколькумагнитное поле упорядочивает процесс выброса энергии-массы Солнца в окружающуюсреду, то согласно этой позиции 11-летний цикл появления пятен не являетсязакономерностью. В 1890 г. директор Гринвичской обсерватории (основана в 1675г. в предместье Лондона) Э. Маудер заметил, что с 1645 по 1715 г. нетупоминаний об 11-летних циклах. Гринвичский меридиан — это нулевой меридиан, откоторого ведется отсчет долгот на Земле.
2. Втораяточка зрения представляет Солнце как некую динамо-машину, в которойэлектрически заряженные частицы, входящие в плазму, создают мощное магнитноеполе, резко возрастающее через 11-летние циклы. Существует гипотеза об особыхкосмических условиях, в которых находится Солнце и Солнечная система. Речь идето так называемом коротационном круге (англ. corotation — совместное вращение).В коротационном круге на определенном его радиусе, согласно некоторымисследованиям, происходит синхронное вращение спиральных рукавов и самойГалактики, что создает особые физические условия для движения структур,входящих в этот круг, где находится и Солнечная система.
Всовременной науке развивается точка зрения о тесной связи процессов,происходящих на Солнце, с жизнью человека на Земле. Наш соотечественник А. Л.Чижевский (1897—1964) является одним из основоположников гелиобиологии,изучающей влияние энергии Солнца на развитие живых организмов и человека.Например, исследователи обратили внимание на временные совпадения крупныхсобытий в социальной жизни человека с периодами вспышек солнечной активности. Впрошлом столетии максимум активности Солнца приходился на 1905—1907, 1917,1928, 1938, 1947, 1968, 1979 и 1990-1991 гг.
ПроисхождениеСолнечной системы. Происхождение Солнечной системы из газопылевого облакамежзвездной среды (МЗС) является наиболее признанной концепцией. Высказываетсямнение, что масса исходного для образования Солнечной системы облака была равна10 массам Солнца. В этом облаке решающим был химический его состав (около 70%составлял водород, около 30% — гелий и 1—2% — тяжелые химические элементы).Приблизительно 5 млрд лет назад из этого облака образовалось плотное сгущение,названное протосолнечным диском. Как полагают, взрыв сверхновой звезды в нашейГалактике придал этому облаку динамический импульс вращения и фрагментации:образовались протозвезда и протопланетный диск. Согласно этой концепции процессобразования протосолнца и протопланетного диска происходил быстро, за 1 млнлет, что привело к сосредоточению всей энергии-массы будущей звездной системы вее центральном теле, а момент количества движения — в протопланетном диске, вбудущих планетах. Считается, что эволюция протопланетного диска происходила за1 млн лет. Шло слипание частичек в центральной плоскости этого диска, которое вдальнейшем привело к образованию сгущений частиц, вначале небольших, затем —более крупных тел, которые геологи называют планетеземалеями. Из них, какполагают, образовались будущие планеты. Эта концепция основывается нарезультатах компьютерных моделей. Есть и другие концепции. Например, в одной изних говорится, что на рождение Солнца-звезды потребовалось 100 млн лет, когда впрото Солнце возникла реакция термоядерного синтеза. Согласно этой концепциипланеты Солнечной системы, в частности земной группы, возникли за те же 100 млнлет, из массы, оставшейся после образования Солнца. Часть этой массы былаудержана Солнцем, другая — растворилась в межзвездном пространстве.
В январе2004 г. было сообщение в зарубежных изданиях об открытии в созвездии Скорпионазвезды, по размерам, светимости и массе подобной Солнцу. Астрономов интересуетв настоящее время вопрос: есть ли у этой звезды планеты?
Существуетнесколько загадок в изучении Солнечной системы.
1. Гармонияв движении планет. Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца поэллиптическим орбитам. Движение всех планет Солнечной системы происходит водной и той же плоскости, центр которой расположен в центральной частиэкваториальной плоскости Солнца. Плоскость, образованная орбитами планет,называется плоскостью эклиптики.
2. Все планетыи Солнце вращаются вокруг собственной оси. Оси вращения Солнца и планет, заисключением планеты Уран, направлены, грубо говоря, перпендикулярно плоскостиэклиптики. Ось Урана направлена к плоскости эклиптики почти параллельно, т. е.он вращается лежа на боку. Еще его одна особенность — он вращается вокруг своейоси в другом направлении, как и Венера, в отличие от Солнца и остальных планет.Все остальные планеты и Солнце вращаются против направления движения стрелкичасов. Уран имеет 15 спутников.
3. Междуорбитами Марса и Юпитера существует пояс малых планет. Это так называемыйастероидный пояс. Малые планеты имеют в диаметре от 1 до 1000 км. Их общаямасса меньше 1/700 массы Земли.
4. Всепланеты делятся на две группы (земную и неземную). Первые — это планеты свысокой плотностью, в их химическом составе главное место занимают тяжелыехимические элементы. Они невелики по размерам и медленно вращаются вокруг своейоси. К этой группе относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. В настоящее времявысказываются предположения о том, что Венера — это прошлое Земли, а Марс — еебудущее.
Ко второйгруппе относятся: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Они состоят из легкиххимических элементов, быстро вращаются вокруг своей оси, медленно обращаютсявокруг Солнца и получают меньше лучистой энергии от Солнца. Ниже (в таблице)приводятся данные о средней температуре поверхности планет по шкале Цельсия,продолжительности дня и ночи, длительности года, диаметре планет Солнечнойсистемы и массы планеты по отношению к массе Земли (принятой за 1).
Расстояниемежду орбитами планет приблизительно удваивается при переходе от каждой из нихк последующей. Это было отмечено еще в 1772 г. астрономами И. Тициусом и И.Боде, отсюда появилось название «Правило Тициуса — Боде», соблюдаемое врасположении планет. Если принять расстояние Земли до Солнца (150 млн км) заодну астрономическую единицу, то получается следующее расположение планет отСолнца по этому правилу: Меркурий — 0,4 а. е. Венера — 0,7 а. е. Земля — 1 а. е. Марс — 1,6 а. е. Астероиды — 2,8 а. е. Юпитер — 5,2 а. е. Сатурн — 10,0 а. е. Уран — 19,6 а. е. Нептун — 38,8 а. е. Плутон — 77,2 а. е.
Таблица.Данные о планетах Солнечной системыТаблица. Данные о планетах Солнечной системы Планета Средняя температура на поверхности по шкале Цельсия Продолжительность дня и ночи Длительность года Диаметр, км Масса (по отношению к земной принятой за 1)
Плотность,
г/см3 Состав атмосферы Меркурий 90 58,65 дн. 87,96 дн. 4878 0,04 5,42 Н, Не Венера 462 243,01 дн. 224,70 дн. 12101 0,81 5,11 СO2, N Земля 14 23,93 ч 365,25 дн. 12756 1,00 5,52 N, О, СО2, Ar Марс -60 24,63 ч 686,68 дн. 6787 0,11 3,95 N, CO2, Ar Юпитер -150 9,90 ч 11,86 г 142984 316,94 1,33 Η, ΝΗ3, СН4 Сатурн -180 10,67 ч 23,46 г. 120536 94,9 0,69 NH3, CH4 Уран -210 17,90 ч 84,02 г. 51118 14,66 1,56 СН4 Нептун -220 19,2 ч 164,77 г. 49528 17,16 2,27 Η, Не, СН4 Плутон -230 6,39 дн. 247,69 г. 2300 0,7 4,00 CH4, N
Прирассмотрении истинных расстояний планет до Солнца оказывается, что Плутон внекоторые периоды находится ближе к Солнцу, чем Нептун, и, следовательно, онменяет свой порядковый номер по правилу Тициуса — Боде.
Загадкапланеты Венера. В древних астрономических источниках возрастом в 3,5 тыс. лет(китайские, вавилонские, индийские) нет упоминаний о Венере. Американскийученый И. Великовский в книге «Сталкивающиеся миры», появившейся в 50-х гг. ХХв., высказал гипотезу о том, что планета Венера заняла свое место всего лишьнедавно, в период формирования древних цивилизаций. Приблизительно раз в 52года Венера подходит близко к Земле, на расстояние 39 млн км. В период великогопротивостояния, каждые 175 лет, когда все планеты выстраиваются друг за другомв одном направлении, на расстояние 55 млн км Марс приближается к Земле.
Астрономыпользуются сидерическим временем для наблюдения положения звезд и другихобъектов неба, поскольку они появляются в ночном небе в одно и то жесидерическое время. Солнечное время — время, измеряемое относительно Солнца.Когда Земля де. лает полный оборот вокруг своей оси относительно Солнца,проходят одни сутки. Если же оборот Земли рассматривать относительно звезд, тоза этот оборот Земля сдвинется по своей орбите на 1/365 часть пути вокругСолнца, т. е. на 3 мин 56 с. Это время называется сидерическим (лат. siederis —звезда).[9]
Заключение
ПослеБольшого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны ипредставляли собой газопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя I млрд.лет после начала образования Вселенной стали появляться галактики и звезды. Кэтому времени вещество уже успело охладиться, и в нем стали возникатьстабильные флуктуации плотности, равномерно заполнявшие космос. Всформировавшейся материальной среде появлялись и получали развитие случайныеуплотнения вещества. Силы тяготения внутри таких уплотнений проявляют себязаметнее, чем за их границами. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной,вещество в уплотнениях притормаживается, а его плотность начинает постепенновозрастать. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение,уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современныегалактики. Появление подобных уплотнений и стало началом рождениякрупномасштабных космических структур — галактик, а затем и отдельных звезд.
Развитиесовременной астрономии постоянно расширяет знание о строении и объектахдоступной для исследования Вселенной. Этим объясняется различие данных околичестве звезд, галактик и других объектах, которые приводятся в литературе.
Открытонесколько десятков планет, находящихся в нашей Галактике и вне ее.
ОткрытиеСедны в качестве 10-й планеты Солнечной системы существенно изменяет нашипредставления о размерах Солнечной системы и ее взаимодействии с другимиобъектами нашей Галактики.
В целомследует сказать, что астрономия лишь со второй половины прошлого века сталаизучать самые далекие объекты Вселенной на основе более современных средствнаблюдения и исследования.
Современнуюастрономию интересует объяснение наблюдаемого эффекта движения (дрейфа)значительных масс вещества с большой скоростью относительно реликтовогоизлучения. Речь идет о так называемой Великой стене. Это гигантское скоплениегалактик, находящееся на расстоянии 500 млн световых лет от нашей Галактики. Ксожалению, в изучении космоса снова проявляются военные интересы ряда стран.Например, космическая программа США.
Список использованной литературы
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб.пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп.— М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
2. Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания: учеб. — ТКВелби, Изд-во Проспект, 2006. — 264 с.
3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд.2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. — 622 с.
4. Садохин, Александр Петрович. Концепции современногоестествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарнымспециальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. — 2-еизд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. — 447 с.