Астрономия о Солнечной системе

 

Новые открытия в астрономии позволили уточнить строение Солнечной системы. В 1930 г. была открыта девятая планета Солнечной системы – Плутон. Также было открыто множество спутников планет, астероидов, комет и метеорных потоков, являющихся частями Солнечной системы. Таким образом, в Солнечную систему входят: Солнце, девять планет с их спутниками, пояс астероидов, а также кометы и метеориты. Планеты располагаются в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля со своим спутником Луной, Марс с двумя спутниками – Фобосом и Деймосом, Юпитер с пятнадцатью, Сатурн с шестнадцатью, Уран с пятью, Нептун с двумя спутниками и Плутон со спутником Хароном. Земля расположена в 40 раз ближе к Солнцу, чем Плутон, и в 2,5 раза дальше, чем Меркурий. Возможно, за Плутоном есть и другие планеты (притяжение Солнца может их еще удержать, эта область простирается почти до ближайших звезд, на 230 000 а.е.), но поиски их с помощью телескопов слишком сложны. Поэтому, если эти планеты и будут обнаружены, то только на основе вычислений, как это было с тремя последними планетами Солнечной системы. Поэтому сегодня размеры Солнечной системы оцениваются в 40 а.е. (1 астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца – 149,6 млн км).

В наши дни астрономы особое внимание обращают на пояс астероидов – малых планет, располагающихся между Марсом и Юпитером. Сегодня известно около 40 000 малых планет. Всем им присваиваются женские имена. Самые крупные из них – Церера, Паллада, Веста (их диаметр составляет несколько сот километров). Остальные астероиды намного меньше. Есть также группа астероидов, траектории движения которых сильно вытянуты и заходят вглубь орбит планет земной группы. Им присваиваются мужские имена. Таков, например, астероид Гермес, который подходит к Земле на расстояние всего в 700 000 км. До сих пор остается загадкой, откуда взялись астероиды в Солнечной системе. Одна из гипотез говорит о возможности существования десятой планеты солнечной системы – Фаэтона, которая в силу каких-то причин взорвалась, а ее обломки и составили пояс астероидов.

Большой интерес исследователей вызывают и кометы – самые загадочные объекты Солнечной системы. Тысячелетиями их появление на небе вызывало смятение и ужас людей. Считалось, что они – предвестники войн, нашествий и эпидемий. Сегодня ученые знают о кометах намного больше, чем раньше, но происхождение комет и их устройство все еще остаются загадкой.

Кометы имеют вид туманных объектов со светлым сгустком-ядром в центре и хвостом. Количество комет в Солнечной системе огромно, хотя мы можем видеть лишь незначительную часть комет, заходящих внутрь орбиты Юпитера. Кометы становятся заметны, когда подходят на расстояние 4–5 а.е. к Солнцу, прогреваются его лучами, тогда из ледяного ядра кометы выделяются газ и пыль, которые видны в виде хвоста. Орбиты комет очень вытянуты. В перигелии (ближайшей точке орбиты) они подходят к Земле и другим планетам земной группы, а в афелии (дальней части орбиты) – выходят далеко за пределы Солнечной системы. Поэтому срок обращения комет вокруг Солнца может составлять несколько сотен лет.

Кометы состоят из водяного льда с примесью углекислого газа, метана и циана, а также каменистых веществ. Кометы быстро теряют вещество и самые стойкие из них живут не больше, чем несколько тысяч оборотов вокруг Солнца. После этого они разваливаются и превращаются в метеорные потоки.

Результаты наблюдений за кометами сведены в каталоги. Но всегда есть вероятность появления новых комет или изменения орбит старых, давно известных комет под действием сил притяжения больших планет. В таком случае кометы могут столкнуться с планетами, в том числе и с Землей. Раньше такие столкновения уже случались. На Земле есть целый ряд больших кратеров, имеющих ударное происхождение. Возможные последствия такого столкновения в наши дни показаны в фантастических фильмах «Астероид», «Столкновение с бездной» и др. Именно поэтому сегодня организована служба слежения за космосом, которая должна предупредить подобные события.

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются не только с помощью телескопов, но и космических аппаратов. Вслед за Луной, поверхность которой была сфотографирована и изучена с помощью «Луноходов», спускаемые аппараты были направлены на Марс и Венеру. Также были получены фотографии спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера.

Самое пристальное внимание ученых всегда привлекало к себе Солнце – центральное тело Солнечной системы. Это ближайшая к нам звезда во Вселенной, относящаяся к разряду желтых карликов. Тем не менее, в Солнце сосредоточено 99,8% массы Солнечной системы. Диаметр Солнца составляет 1 400 000 км, что в 109 раз больше диаметра Земли. Средняя плотность Солнца лишь в 1,4 раза больше плотности воды (средняя плотность Земли – в 5,5 раз больше плотности воды), хотя в центре Солнца плотность вещества значительно увеличивается и становится в 150 раз больше плотности воды. Температура на поверхности Солнца – около 6000 К, в глубине – повышается до 10–15 млн К.

По своему строению Солнце состоит из ряда концентрических сфер. В центре Солнца находится ядро, затем идет конвективная зона и, наконец, атмосфера, которая состоит из трех частей – фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера – нижняя часть солнечной атмосферы, из которой исходит почти все излучение Солнца. Ее толщина около 300 км. Выше идет хромосфера, она видна во время солнечных затмений как розовое кольцо вокруг Солнца. В хромосфере образуются пятна, а также протуберанцы – выбросы из хромосферы. Корона – самая внешняя и наиболее разреженная часть солнечной атмосферы. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности (11-летний цикл, связанный, скорее всего, с обращением Юпитера вокруг Солнца). В годы минимума корона сильно вытянута вдоль экватора, в годы максимума – почти сферична.

Межзвездная астрономия

 

Новые открытия в астрономии привели к настоящему перевороту в представлениях о звездах. В XVI в. Д. Бруно высказал гипотезу о том, что звезды – это такие же солнца, как и наше, но находящиеся слишком далеко. Затем были открыты переменные, двойные звезды. В XIX в. астрономы В.Я. Струве, Ф. Бессель и Т. Гендерсон смогли определить расстояния до трех ближайших звезд. Тогда же астрономы стали использовать фотографию и спектральный анализ. Но строение звезд, их эволюция, причины их светимости еще оставались загадкой. Только благодаря успехам ядерной физики и физики элементарных частиц были получены ответы на многие вопросы.

Если посмотреть на ночное небо, то невооруженным глазом человек может увидеть около 6000 звезд. Сосчитаны и занесены в звездные каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины – их около миллиона. Всего нашему наблюдению доступно около 2 млрд звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 1022.

В звездах сосредоточена основная масса (98–99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Вещество звезд представляет собой плазму – четвертое состояние вещества (наряду с твердым, жидким и газообразным) – ионизированный газ, в котором положительные и отрицательные заряды в среднем нейтрализуют друг друга.

Расстояния до звезд различны. Самой близкой к нам звездой является а Центавра, отстоящая от Земли на 4 световых года. От некоторых звезд свет идет к нам сотни миллионов световых лет.

Основными характеристиками звезд являются их масса, радиус, светимость (полное количество излучаемой энергии), спектральный класс (степень ионизации и возбуждения атомов в атмосфере звезды), абсолютная звездная величина (мера освещенности, создаваемая звездой на Земле на плоскости, перпендикулярной падающим лучам).

Некоторые звезды по объему в миллионы раз больше и ярче Солнца. Так, светимость звезды S Золотой Рыбы в 400 тысяч раз больше светимости Солнца. Есть звезды разреженные, плотность которых в сотни тысяч раз меньше плотности воды (красные гиганты), и есть белые карлики, плотность которых в сотни тысяч раз больше плотности воды. Их размеры сравнимы с размерами Земли. Предельная масса звезд равна 60 солнечным массам.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, связана с выделением огромного количества энергии. Сегодня считается, что светимость звезд обеспечена двумя источниками – гравитационным сжатием, приводящим к выделению гравитационной энергии, и термоядерными реакциями, связанными с выделением большого количества энергии в результате синтеза ядер водорода в ядро гелия. Считается, что для молодых звезд источником энергии служит гравитационное сжатие, которое и «зажигает» термоядерную реакцию, повышая температуру внутри звезды до 10–15 млн К. Если звезда имеет малую массу и температура в ее ядре недостаточна для начала термоядерной реакции, она светит только за счет гравитационного сжатия. Правда, тогда продолжительность жизни такой звезды составит не более 30 млн лет.

Межгалактическая астрономия

 

История исследования галактик началась почти сразу после изобретения телескопа. Еще В. Гершель открыл существование множества светлых пятен туманного вида, видимых в разных созвездиях в одних и тех же местах. Их назвали туманностями. Но до 20-х годов XX в. природа и строение этих туманностей оставались загадкой. Новые мощные телескопы позволили рассмотреть, что туманности – это не облака пыли или газа, а очень далекие звездные системы с огромным количеством звезд. Таким образом, стало ясно, что во Вселенной существует не один только Млечный Путь – Галактика, частью которой является наша Солнечная система, но и многие другие галактики.

В это же время американскому астроному Э. Хабблу при изучении далеких галактик удалось обнаружить в них переменные звезды. Измеряя блеск переменных звезд, ему удалось выяснить расстояние до галактик, в которые они входили. Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды (она видна как размытое пятно в созвездии Андромеды), до нее около 1,5 млн световых лет и ее можно увидеть невооруженным глазом. Самые далекие галактики расположены на расстоянии 10 млрд световых лет, они видны только в самые мощные телескопы. Размеры их разные – есть карликовые галактики диаметром в несколько десятков световых лет и есть галактики-великаны, доходящие до 18 млн световых лет в поперечнике.

Наблюдая другие галактики, ученым следует помнить, что свет от них до Земли идет миллионы и миллиарды лет, поэтому мы сегодня видим далекое прошлое этих галактик.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них, но и количество галактик, известных сегодня. Самый большой 6-метровый телескоп позволяет сфотографировать несколько миллиардов галактик. Поэтому наблюдаемая нами часть Вселенной – это в основном мир галактик, которые существуют не поодиночке, а в скоплениях и группах галактик.

Чрезвычайно разнообразны формы галактик. Еще Хаббл выделил три основные формы галактик. Около 60% всех галактик составляют спиральные галактики, для которых характерны две сравнительно яркие ветви, выходящие из ядра. Эти ветви расположены по спирали. Наша Галактика относится к спиральному типу. 13% галактик относится к типу эллиптических галактик, имеющих форму эллипсоидов. Остальные галактики являются неправильными. Это линзообразные, кольцевые, дисковидные, карликовые галактики.

Лучше всего сегодня исследована Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика, Туманность Андромеды, 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и неправильные галактики, самые крупные из которых – Большое и Малое Магеллановы Облака.

Особый интерес у ученых вызывает наша Галактика – Млечный Путь. Большая часть нашей Галактики хорошо видна невооруженным глазом в виде светящейся полосы. К сожалению, Земля расположена не очень удачно для наблюдений Галактики, мы находимся внутри нее и не можем увидеть ее со стороны.

Тем не менее, известно, что наша Галактика представляет собой гигантскую звездную систему, состоящую примерно из 200 млрд звезд, среди которых – наше Солнце. Кроме звезд в Галактику входит много пыли, газа, она пронизана магнитными полями и космическими излучениями. По форме наша Галактика является спиральной. Большую ее часть составляет правильный диск с шарообразным утолщением в центре, напоминающий линзу или чечевицу. Диаметр Галактики – около 100 000 световых лет, толщина – в 10–15 раз меньше, возраст – около 15 млрд лет.

В состав Галактики входят разные звезды. Есть старые и молодые звезды, возраст которых не превышает 100 тыс. лет. Но большая часть звезд имеет средний возраст – несколько миллиардов лет. К этой группе относится и наше Солнце. Оно расположено ближе к краю Галактики, на расстоянии 25 000 световых лет от ее ядра. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с за 250 млн лет. Этот период может быть назван галактическим годом.

В спиральных рукавах Галактики звезды расположены неравномерно, образуя «трубы», в стенках которых находятся звезды. Эти рукава соединяются с ядром Галактики. Строение ядра до сих пор остается загадкой и привлекает к себе внимание астрономов. Ядро – сравнительно небольшая область, из которой непрерывно истекает протонно-водородный газ массой 1,5 массы Солнца в год. Откуда берется этот газ и что происходит в ядре, современная наука не знает. Хотя в последнее время появилась гипотеза, что, возможно, в ядре находится черная дыра.

Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях примерно в 10–20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звезды внутри галактик (расстояния между ними в 20 млн раз больше их диаметра).

Хотя в телескопы ученым удается увидеть только галактики, в темном пространстве, разделяющем их, несомненно, присутствует вещество. Межзвездное пространство заполнено газом и пылью, состоящей в основном из водорода и гелия с незначительной примесью других химических элементов. Кроме того, оно насыщено различными излучениями, потоками нейтрино и космических частиц, состоящих из множества разнообразных элементарных частиц. В местах наибольшего скопления газопылевого вещества астрофизикам удалось обнаружить различные органические соединения - углеводороды, спирты, эфиры и даже аминокислоты.

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику – доступную для наблюдения часть Вселенной, важным свойством которой является однородность и изотропность распределения вещества в ней. Но такой Метагалактика была не всегда. В прошлом, как считает современная космология, она была анизотропна и неоднородна. Поисками следов этого состояния занимается внегалактическая астрономия.

Вопрос о том, является ли Метагалактика единственной, можно ли поставить знак равенства между Метагалактикой и всей Вселенной, пока остается открытым. Существуют гипотезы о множественности метагалактик, множественности вселенных, в каждой из которых действуют свои фундаментальные законы. Современная наука такой возможности не отрицает. Все, что не запрещено законами природы, где-либо и когда-нибудь может быть реализовано.

Вопросы для обсуждения

 

1. Что такое космология? В чем ее отличие от космогонии?

2. Что такое параллактическое смещение? Базис параллактического смещения?

3. Что такое астрофизика? Какие научные теории способствовали ее появлению?

4. В чем суть фотометрического парадокса?

5. В чем суть гравитационного парадокса?

6. Что такое красное смещение?

7. Что такое эффект Допплера?

8. Каково строение Солнечной системы?

9. Что собой представляет Солнце? Какова его структура?

10. В чем причина светимости звезд?

11. Что такое галактики? Какими они бывают?