Строение Галактики. Эволюция и типы звезд.

1. В телескоп видно, что Млечный Путь состоит из громадного скопления слабых звезд (Демокрит, Галилей). Вся наша звездная система вытянута в плоскости Млечного Пути. Ярких звезд, более близких к нам, оказывается тем больше, чем ближе к полосе Млечного Пути. Вся совокупность звезд, входящих в созвездия, и все звезды Млечного Пути образуют единую гигантскую звездную систему, называемую Галактикой.

Наша Галактика состоит почти из 200 миллиардов звезд, образующих в пространстве двойную скрученную спираль. Возраст звезд в Галактике - от 15 млрд лет (что соответствует возрасту Вселенной) до сотен тысяч. Кроме звезд в Галактике присутствует межзвездный газ. Звезды Галактики принято называть звездным населением. Старые звезды, расположенные в центре диска, составляют гало́, а молодые звезды — рукава галактики.

Солнце расположено между рукавами. Размер Галактики - около 100 000 световых лет.

Диск окружают более 100 шаровых скоплений, каждое из которых состоит из сотен тысяч звезд. Галактика образовалась из медленно вращающегося газового облака (из водорода и гелия), которое сжималось под действием гравитации. Высвобождавшаяся при коллапсе (сжатии) энергия гравитации переходила в энергию движения газа. Образовалось гало́. Центробежные силы прекратили сжатие поперек, в а сжатие вдоль оси вращения продолжалось. Сформировался диск. После формирования гало́ процесс образования звезд остановился на 5—10 млрд лет. Есть звезды в нашей Галактике, которые образуются на наших глазах.

Звезды в Галактике находятся в состоянии движения: молодые звезды движутся по круговым траекториям вокруг почти неподвижных старых. Солнце делает вместе со всей Галактикой один оборот за 230 млн лет, двигаясь с линейной скоростью 240 км/с.

2. Звезды весьма различны по их видимому блику, который стал с древних времен основой разделения звезд на величины. Самые яркие звезды - звезды первой величины. Самые слабые, видимые невооруженным глазом только в безлунную ночь — это звезды шестой величины.

Спектр излучения звезды зависят от ее температуры. Спектральные классы выстроены в порядке убывания температуры.

Первая фундаментальная физическая закономерность, определяющая связь между спектром излучения звезды и ее температурой, - диаграмма Ресселла—Герцшпрунга.

Основываясь на знании физических характеристик звезд (энергия излучения, температура, размеры, масса), и циклами реакций синтеза, Эддингтон построил модели внутреннего строения звезд: это шары из газа, находящегося в состоянии плазмы.

Схема эволюции звезд: газопылевая среда под действием сил гравитации сжимается и нагревается. Неоднородность среды проводит к ее разрыву на сжимающиеся фрагменты. Первоначальное сжатие происходит ускоренно, затем замедляется под воздействием увеличения внутренней температуры и давления. Объект в таком состоянии называют протозвездой. Продолжающийся разогрев внутренних областей протозвезды приводит к возникновению термоядерных реакций - протозвезда становится звездой.

Малые звезды — красные карлики экономно расходуют свою энергию и остаются на главной последовательности более 50 млрд лет, затем угасают и превращаются в черные карлики.

Устойчивое состояние звезд с массой около массы Солнца продолжается около 9—10 млрд лет. По мере выгорания водорода в центре звезды образуется ядро из гелия, в которое переносятся термоядерные реакции с большим энергетическим выходом. Звезда преобразуется в красного гиганта, давление нарастает, холодная оболочка превращается в газовую туманность, рассеивающуюся в пространстве, а звезда становится белым карликом. В недрах белого карлика возникают ядерные реакции с образованием ядер углерода, начинают образовываться наиболее устойчивые ядра железа, выделение энергии прекращается, и звезда гаснет.

Для звезд типа Солнца возможен и другой путь эволюции — переход на несколько миллионов лет в стадию пульсаций — стадию цефеиды. Этот особый тип звезд получил свое название по звезде d-Цефея. Джон Гудрайк обнаружил, что звезда d-Цефея меняет свою яркость с периодом около 5 часов: когда звезда имеет возрастающую яркость, она как бы приближается к нам, а при убывающей яркости — удаляется. Оказалось, что цефеиды периодически сжимаются и расширяются. Причина колебаний яркости таких звезд состоит в том, что они являются двойными, то есть состоят из двух звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Часто одна из звезд бывает одного цвета, другая— другого.

Эволюционный путь звезд с массами, меньшими двух солнечных, может окончиться взрывом. Это так называемые «новые» звезды. Термин «новая» ввел Тихо Браге.

Наиболее мощные вспышки стали называть «сверхновыми». Механизм этих вспышек несколько иной, чем у новых, и происходят эти вспышки значительно реже — один раз в 150—300 лет, тогда как вспышки новых наблюдаются ежегодно. Взрыв сверхновой может привести к образованию так называемой нейтронной звезды — космического объекта огромной плоскости, состоящего только из нейтронов. Размеры нейтронной звезды составляют всего десятки километров в диаметре.

Вариант эволюции звезды, при котором образуется «черная дыра», наиболее вероятен для звезд, масса которых более чем вдвое превышает массу Солнца. Массивные звезды — бело-голубые гиганты и сверхгиганты — эволюционируют очень динамично. Их пребывание на главной последовательности может составлять от сотен тысяч до одного миллиона лет.

Солнечная система и Земля.

По современным данным наше Солнце стало протозвездой около 5 млрд лет назад. Центробежные силы оторвали от нее часть экваториальной области вещества - образовался газопылевой диск, который рос, и в нем выделялись сжимающиеся фрагменты, ставшие планетами.

В недрах сжимающейся протозвезды увеличивалась температура, и при достижении 10 млн К начались термоядерные реакции, наше Солнце «загорелось». «Топливом» Солнца является водород, из которого синтезируются ядра гелия с выделением огромной энергии, соответствующей дефекту масс.

Современную модель строения Солнца построил Эддингтон, предполагая уравнивание гравитационных сил сдавливания силой, возникающей из-за расширения газа при высокой температуре. С учетом массы Солнца (1,99·1027т) и его размеров (диаметр 1393000 км) Эддингтон получил значение температуры в центре Солнца - 15 млн град.

Центральную область, в которой происходят ядерные превращения, называют активной областью (диаметр 450 тыс.км).

Активная зона окружена зоной лучистого переноса (280 тыс.км). Здесь идет переход энергии из g-области в более длинноволновую часть спектра.

В зоне конвекции - движение солнечной плазмы со скоростями 100—500 м/c. Эта энергия обеспечивает нагревание внешних слоев Солнца.

Внешнюю оболочку, которую мы только и видим на Солнце, называют фотосферой. Она окружена тонким слоем красного цвета, так называемой хромосферой. Между фотосферой и хромосферой расположен очень тонкий обращающий слой. Обращающий слой и хромосфера наблюдаются во время полных солнечных затмений, когда фотосфера закрыта тенью Луны. Над поверхностью хромосферы вздымаются пламеобразные языки, напоминающие фонтаны, - протуберанцы.

Солнце вращается вокруг оси с периодом обращения 25 суток. Для земного наблюдателя вращение Солнца кажется происходящим с периодом 27 суток, поскольку Земля вращается в том же направлении.

Планеты солнечной системы, вероятно, образовались из протопланетного облака, отделившегося от диска протозвезды кольца. Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) - примерно за 100 млн лет. Планеты-гиганты образовывались дольше. Однако это не точно. Мы больше знаем о происхождении звезд, чем собственной планетной системы.

Планеты солнечной системы расположены от Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между орбитами Марса и Юпитера располагаются орбиты так называемых малых планет. Их зарегистрировано более 5500.

Астрономической единицей называют расстояние, равное радиусу орбиты Земли. Картина, отражающая внутреннее строение нашей планеты не завершена. По последним примерно так:

- твердая внешняя оболочка Земли, называемая земной корой, имеет толщину до 70 км в горных районах, около 30 км под равнинами, 5-10 км под океанами; входит в литосферу (до верхних слоев мантии Земли);

- мантия - оболочка Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли; 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе;

- самая плотная часть Земли в ее центре, называется ядром; делится на внешнее и внутреннее.

Литосфера состоит из отдельных плит, скользят по вязкому слою полурасплавленных горных пород, составляющему астеносферу. Границы плит являются зонами высокой тектонической, сейсмической и вулканической активности.

Нагреваясь у ядра, потоки идут вверх, а остывая — вниз. Мантия доходит до глубины почти 3 тыс.км и состоит из каменной породы. Температура мантии - до 4000 К, но она не расплавлена из-за огромного давления, достигающего 150 гигапаскалей (150 109 Па), которое препятствует плавлению.

Внешнее ядро более динамично, чем внутреннее, и состоит из жидкого металла. Температура на границе раздела сред мантии и ядра увеличивается при переходе к ядру скачком на тысячи градусов. Циркулирующее во внешнем ядре жидкое железо рождает магнитное поле Земли. Магнитное поле выходит за пределы земного шара и даже способно отклонять в космическом пространстве заряженные частицы солнечного ветра. Внутреннее ядро представляет собой твердый железный шар (гигантский кристалл железа).

На границе жидкого ядра на глубине 2900 килом сейсмологи открыли слой толщиной от 200 до 400 км, который назвали «Д-слоем». Материал Д-слоя захватывается конвекционными потоками при движении вверх, приближается к литосфере, прожигает ее и на поверхности планеты образует острова с действующими вулканами.