Астронет: Е. Б. Гусев/РГПУ им. С.А. Есенина Введение в астрономию http://variable-stars.ru/db/msg/1179584/introduction-2.html

Введение в астрономию

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

1. Вселенная как объект науки

1.1. Вселенная как объект исследования

Объектом естествознания является природа, то есть весь окружающий нас мир. Самым общим понятием, охватывающим весь материальный мир, является понятие "Вселенная". Оно может считаться эквивалентом понятия "природа". В более узком смысле под Вселенной понимается окружающий нас мегамир - совокупность макроскопических тел и их систем астрономического (то есть гигантского) масштаба. Макроскопические тела - это физические системы, состоящие из огромного количества частиц (атомов и молекул). Более конкретно, мегамир - это мировое пространство, небесные тела и их системы, космические газ, пыль, электромагнитные поля, космические элементарные частицы. Вселенную, рассматриваемую, как единое целое, подчиняющуюся общим законом, называют космосом. Значение слова "космос" в греческом языке - "порядок, гармония, красота". Это слово родственно слову "косметика", смысл которого "искусство украшать". Считается, что впервые Вселенную как гармоничную, упорядоченную систему назвал космосом древнегреческий ученый Пифагор. Понятие "космос" часто используют в качестве синонима понятия "Вселенная". В популярной литературе "космическое" очень часто противопоставляют "земному", хотя Земля тоже объект Вселенной.

Наблюдаемая область Вселенной называется Метагалактикой. Ее границы по мере совершенствования астрономических инструментов расширяются, но существует принципиальный предел, обусловленный конечностью скорости света. В настоящее время радиус Метагалактики равен 10 миллиардов световых лет, то есть расстоянию, которое электромагнитные волны проходят за 10 миллиардов лет (скорость света 300000 км/с).

В этом пособии будет также использоваться термин "мегамир", так как он наиболее абстрагирован от понятий конкретных наук и более других терминов наполнен физическим содержанием.

Основные сведения о мегамире могут быть получены двумя путями: экспериментальным и теоретическим. Последний подход не является полностью независимым, так как любая теоретическая модель опирается на экспериментальные факты, а вот для ее исследования используют более подробный математический аппарат. Экспериментальное изучение космических объектов и  всего мирового пространства базируется также на двух основах: непосредственное исследование свойств объектов при помощи лабораторного оборудования и наблюдение объекта, то есть исследование его электромагнитного излучения. Контактное (лабораторное) исследование вещества космических тел не является чем-то исключительным. В лабораториях Земли исследовались горные породы с Луны, доставленные пилотируемыми аппаратами "Аполлон" и автоматическими станциями "Луна-16" и "Луна-20", многочисленные метеориты, по современным воззрениям являющиеся обломками астероидов. Контактное изучение при помощи соответствующей аппаратуры проводились на поверхностях Луны, Венеры, Марса. Многочисленные искусственные научные спутники и автоматические межпланетные станции непосредственно изучали при помощи приборов физические свойства околоземного и межпланетного пространства. Этот метод исследования будет расширяться, ему будут доступны для изучения другие планеты Солнечной системы и многочисленные спутники этих планет.

Однако, пока еще основной метод исследования объектов мегамира - изучение их электромагнитного излучения. Это обусловлено тем, что контактное исследование неприменимо для раскаленных объектов (звезд). К тому же объекты, более удаленные от Земли, чем тела Солнечной системы, очевидно, останутся и в настоящем и в будущем недоступными  для контактного исследования. Космическое электромагнитное излучение регистрируется в очень большом интервале частот: от 10⁷ Гц (l = 30 м - длинноволновое радиоизлучение) до 10²⁷ Гц (l = 3*10^-19 м = 3*10^-10 нм- сверхжесткое g-излучение). Полный анализ распределения мощности излучения по спектру несет чрезвычайно много информации о физических свойствах каждого космического тела. Зная расстояние, которое определяется из астрометрического или астрофизического анализа можно найти такие параметры объекта, как его температура, размеры, химический состав и, даже, не прибегая к построению моделей внутреннего строения, оценить возраст объекта, его прошлое и будущее.

Приборы для собирания и исследования космического электромагнитного излучения называются телескопами. Главной частью телескопа является объектив, который воспринимает поток излучения. Данная физическая величина прямо пропорциональна квадрату диаметра объектива телескопа и, следовательно, во много раз больше потока регистрируемого человеческим глазом. В зависимости от диапазона регистрируемого космического излучения телескопы могут быть оптическими, радиотелескопами, рентгеновскими, g-телескопами и т.д. В качестве объективов оптических телескопов используются металлические (или с металлическим покрытием) параболоидные зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами. Для исследования оптической части спектра используются также рефракторы, в которых объективом является система линз. Небольшие оптические телескопы чаще всего - рефракторы, а средние и крупные - рефлекторы.

Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий; вплоть до середины XX века, это происходило почти исключительно оптическими методами. Это связано с тем, что человеческий глаз оставался единственно возможным приемником электромагнитного излучения, к тому же очень чувствительным. Кривая видности (спектральной чувствительности) человеческого глаза соответствует кривой распределения энергии в спектре Солнца. Поэтому доступной областью излучения космических тел был диапазон от 0.4 до 0.7мкм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими; изучалось  только расположение светил и их видимое движение на небесной сфере.

Такие наблюдения с использованием угломерных инструментов позволили сформулировать первые научные модели мира - Птолемея и Коперника. Сейчас астрономы научились определять расстояния, как до тел Солнечной системы, так и более удаленных объектов: звезд и галактик. Тем самым удалось представить геометрическую структуру мира.

Оптические наблюдения и в настоящее время не потеряли своего значения. Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Так, радиоволны принесли информацию об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе и нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью. Наблюдения в рентгеновском и g-диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни (пульсары, черные дыры и т.д.).

Наука, изучающая мегамир, называется астрономией. Астрономия - составная часть естествознания. Она является самой древней из естественных наук. Из потребностей астрономии возникла математика. Астрономия стимулировала появление физики. Так, астроном Г.Галилей является основоположником механики. С другой стороны в XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, и возникла симбиотическая наука - астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. В настоящее время Вселенную изучают представители разных наук. Нейтринное излучение Солнца находится в ведении "чистых" физиков. В контактных исследованиях космических тел участвуют физики, химики, инженеры, космонавты. В будущем науки, изучающие мегамир, будут более обширными и глубокими, чем их земные аналоги.

1.2 Объекты Вселенной и их характеристики

Природа материальна и мегамир, как часть природы, тоже материален. Материя существует вне нашего сознания, но может быть воспринята нашими органами чувств и познана разумом человека. Материальный мир существует в двух формах: в виде вещества и в виде физических полей. Вещество во Вселенной наблюдается в виде двух субстанций: как дискретные объекты и как диффузное вещество.

Основные типы дискретных объектов: это горячие объекты - звезды и холодные объекты, представителями которых могут считаться, например, планеты.

Звезды - это массивные плазменные объекты, на определенной достаточно длительной стадии своего существования, излучающие за счет энергии термоядерного синтеза, происходящего в их недрах. Звезды составляют главный компонент видимого вещества Вселенной. Основным параметром звезды является ее масса. Масса определяет все другие характеристики звезды, и даже время ее жизни. Важными характеристиками звезд оказываются: полная мощность излучения (светимость), поверхностная температура и радиус. Массы известных звезд зафиксированы в пределах 0.1 - 80 масс Солнца. Масса Солнца равна 2*10³⁰кг и в астрономии часто используется как единица массы, тоже относится и к светимости Солнца (3.86*10²⁶ Вт). Наименьшее значение масс звезд - 0.02 - 0.08 масс Солнца; при меньших значениях массы температура в центре звезды недостаточна для начала термоядерных реакций. Верхний предел массы определяется возможностью существования звезды как единого целого. Светимости звезд заключены в очень больших пределах: от 10^-5L до 10⁺⁵L, то есть звезды большой светимости излучают в 10 миллиардов раз больше, чем звезды самой малой светимости.

Пределы поверхностной температуры звезд также велики. Существуют очень холодные звезды, с температурой поверхности около 2000 К и даже менее и очень горячие звезды, с температурой до 50000 К. Холодные звезды излучают преимущественно в красной и инфракрасной областях спектра, например, Бетельгейзе - a Ориона, m Цефея. Горячие звезды излучают в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, например Вега - a Лиры, ядра планетарных туманностей. Косвенной характеристикой распределения энергии в спектре звезды является ее цвет, холодные звезды выглядят красноватыми, а горячие оказываются белыми или голубыми.

Мощность излучения единицы поверхности звезды, рассматриваемой как абсолютно черное тело, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана). Из наблюдений получено, что отношение предельных светимостей звезд одной и той же температуры на три порядка превышает мощность излучения с единицы поверхности. Отсюда следует интересный вывод, что звезды с одинаковой температурой поверхности могут иметь разные размеры. Действительно, все звезды делятся по размерам на три группы: звезды с размерами близкими к размеру Солнца - так называемые звезды-карлики, звезды с размерами, существенно превышающими размеры Солнца (звезды-гиганты и сверхгиганты) и сверхплотные звезды, размеры которых сравнимы с размерами Земли. Между этими группами звезд существует генетическая связь. Эволюционируя, звезда проходит через все стадии, то есть может быть звездой - карликом, гигантом и плотным образованием.

Из всех звезд лучше всего изучена ближайшая к Земле звезда - Солнце. По принятой терминологии Солнце - желтый карлик с температурой поверхности около 6000 К. Радиус Солнца составляет 700000 км, что примерно в 110 раз больше радиуса Земли. Солнце состоит из водорода и гелия, причем водорода в 3 раза больше, чем гелия. Источником энергии Солнца являются реакции синтеза водорода в гелий. Такие реакции могут происходить только при очень высокой температуре - 15 миллионов Кельвинов, при этом два протона и два нейтрона объединяются и образуют ядро атома гелия. Зона термоядерных реакций занимает 0.3 радиуса Солнца. В процессе термоядерного синтеза выделяется очень много энергии, которая в виде квантов электромагнитного излучения диффундирует к поверхностным слоям Солнца. В глубоких слоях Солнца  передача энергии происходит преимущественно посредством лучеиспускания, в более высоких слоях вещество становится менее прозрачным и передача энергии идет посредством массопереноса - конвекции. В поверхностном слое Солнца - фотосфере снова основную роль играет лучеиспускание. В гигантах и сверхгигантах с низкой поверхностной температурой область термоядерного синтеза представляет собой слоевой источник горения водорода вокруг изотермического гелиевого ядра. Вследствие приближения источника энергии к поверхности, звезда распухает, ее размеры могут в десятки или сотни раз превысить размеры Солнца.

Планеты - это маломассивные холодные объекты, в которых не могут идти термоядерные реакции. Светят планеты за счет отражения света звезды, вокруг которой они обращаются. По-видимому, планетные системы существуют вокруг многих звезд, но из-за слабости их излучения они не могут быть непосредственно наблюдаемы с Земли. Различные косвенные методы позволяют предположить наличие у некоторых звезд холодных спутников, которые возможно являются планетами.

Астрономическому и физическому исследованию доступны покатолько планеты Солнечной системы. Вокруг Солнца по современным данным обращается девять больших планет и несколько тысяч малых планет.

Большие планеты - это шарообразные тела, обращающиеся вокруг Солнца по почти круговым, точнее эллиптическим орбитам с небольшими эксцентриситетами. Большие планеты подразделяются на две большие группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.

Планеты земной группы (наиболее близкие к Солнцу): Меркурий, Венера, Земля и Марс. Это твердые объекты. Земля и Венера по массе и радиусу сравнимы друг с другом, однако атмосфера Венеры состоит преимущественно из углекислого газа, тогда как атмосфера земли азотно-кислородная. Углекислый газ обладает сильным парниковым эффектом. Он пропускает видимый свет и не пропускает от планеты тепловое излучение. Вследствие этого на Венере очень высокая поверхностная температура - до 500њС. Плотный облачный покров полностью закрывает поверхность планеты.

Планеты Меркурий и Марс меньше, чем Земля. Меркурий давно потерял свою атмосферу, а вот на Марсе она еще есть, но очень разреженная. Поверхности Меркурия и Марса покрыты, как и Луна, большим количеством кратеров. Кратеры это результат ударного взаимодействия планет с метеоритами на ранней стадии существования планетной системы.

К планетам-гигантам относятся Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Размеры Юпитера и Сатурна примерно в 10 раз больше размеров Земли. Все эти планеты имеют газовую природу. В глубоких слоях газ переходит в жидкое состояние. Химический состав этих планет такой же, как у Солнца: водород и гелий. Планеты - гиганты являются несостоявшимися звездами, их масса оказалась недостаточной для начала термоядерных реакций.

Самой удаленной планетой от Солнца (большая полуось орбиты - 40 астрономических единиц) является Плутон. Эта планета еще мало изучена, но она по физическим условиям напоминает планеты земной группы или так называемые малые планеты. По орбите Плутона движутся много небольших тел, названных плутино ("плутончики")

Орбиты малых планет, иначе называемых астероидами, расположены в основном между орбитами Марса и Юпитера. Малые планеты оправдывают свое название. Самый большой из известных астероидов - это Церера с размером около 1000 км, остальные еще меньше. Их неправильные формы очевидны у тел малой массы. Орбиты некоторых малых планет вытянуты и даже заходят внутрь орбиты Меркурия. Есть гипотезы о существовании трансплутоновых планет, но пока нет наблюдений этих объектов.

Многие большие планеты имеют спутников. Форма спутников большой массы - шарообразная, а вот все мало массивные спутники имеют неправильную форму. Не обнаружены спутники только у Меркурия и Венеры, а наибольшее их число у Юпитера и Сатурна до трех десятков у каждой планеты. Ежедневно открываются все более мелкие и удаленные от планет-гигантов спутники. Спутники планет Солнечной системы весьма разнообразны по своим физическим характеристикам и внутреннему строению. Есть спутники с атмосферами и без них, спутники ледяные, каменные, состоящие из серы и т.д.

В Солнечную систему, кроме Солнца, планет и их спутников, входит многочисленная семья комет. Это объекты, состоящие из протопланетного вещества или по некоторым данным из межзвездного вещества и в основном находящиеся далеко за пределами орбиты Плутона. Под действием массивных объектов, в том числе и ближайших звезд, кометы изменяют свою орбиту и устремляются к Солнцу. По мере приближению к нему у кометы образуется обширный хвост из газа и пыли, который под действием корпускул солнечного ветра и давления солнечного света вытягивается от Солнца. Хвост является характерным и эффектным образованием кометы. Ежегодно открывают несколько комет, обычно слабых. Яркие кометы, проходящие близко от Солнца, наоборот являются достаточно редким явлением. К счастью, вторая половина XX века оказалась благоприятной для наблюдений ярких комет. Это кометы Мркоса, Аренда-Ролана, Икейа-Секи, Хиакутаке 1996г. Весной 1997г. была прекрасно видна комета самая большая комета XX столетия комета Хейла-Боппа. У больших комет длина хвоста доходит до астрономической единицы, а голова близка к размерам Солнца. Обогнув Солнце, комета снова уходит в космические дали. Известно так же, что, по крайней мере, большинство комет является периодическими. Так, комета Галлея возвращалась к Земле 31 раз, последнее ее прохождение около Солнца состоялось в 1986 году.

Диффузное вещество Вселенной представляет собой пыль и газ. В Солнечной системе космическая пыль концентрируется к плоскости планетных орбит. С Земли межпланетная пыль видна в виде светящегося конуса, вытянутого вдоль эклиптики. Такое явление называется зодиакальным светом, оно хорошо видно в южных районах нашей страны. Газовая компонента Солнечной системы представляет собой, например, солнечный ветер - поток корпускул от Солнца, а так же редкие частицы межпланетного газа.

В галактиках, особенно спиральных, межзвездная пыль концентрируется к их плоскостям. На фотографиях галактик, повернутых к земному наблюдателю ребром, пыль отчетливо видна в виде черной полосы. В нашей Галактике пыль полностью закрывает для оптических наблюдений центр звездной системы. При определении светимости звезд необходимо учитывать ослабление света космической диффузной материей. Диффузное вещество может быть сконцентрировано в виде облаков. Массивными конгломератами межзвездного газа и пыли являются места, где и в настоящее время происходит образование звезд (например, Большая туманность Ориона).

1.3. Системы космических объектов

Основным свойством Вселенной является ее системность. Под системой будем понимать определенным образом упорядоченное объединение составляющих ее элементов. Системообразующим фактором в мировом пространстве является гравитация, которая ответственна не только за движение космических тел, но и за образование и функционирование их структурных объединений.

Рассмотрим виды космических систем и движения происходящие в них.

Наиболее изученной космической системой является Солнечная система, динамическим центром которой является Солнце. Все объекты Солнечной системы обращаются вокруг общего центра масс, который оказывается внутри Солнца, так как масса Солнца составляет 99.85% массы всех объектов Солнечной системы. Вследствие этого можно с большой точностью говорить о движении планет и других тел вокруг Солнца.

Движение планет подчиняется законам механики. Следствием этого являются так называемые законы планетных движений Кеплера, утверждающие, что планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам; площадь, ометаемая радиус-вектором планеты в единицу времени (секторная скорость), есть величина постоянная, и что период обращения планеты будет тем больше, чем дальше планета расположена от Солнца. Зависимость расстояний планет от Солнца подчиняется определенным закономерностям, например, закону Тициуса-Боде. Аналогичным закономерностям в распределении расстояний и движении подчиняются и спутники планет. Построение математической модели структуры Солнечной системы - дело будущего.

Звезды также образуют различные виды систем. Наиболее часто встречаются системы из двух звезд, связанные общим происхождением. Эти звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс, называются физически двойными звездами, например, b Персея (Алголь), b Лиры. Если в такой системе луч зрения земного наблюдателя лежит в плоскости орбиты звезды - спутника, то наблюдается явление затменно-двойной звезды и тогда по кривой блеска можно определить параметры орбиты и даже радиусы звезд- компонентов.

Встречаются также кратные системы - из трех, четырех и более звезд. Звездные системы, состоящие из большого количества звезд - это рассеянные и шаровые звездные скопления. В рассеянных скоплениях насчитывается несколько десятков или сотен звезд, в шаровых несколько сотен тысяч. Примером рассеянных скоплений являются известные Плеяды и Гиады в Тельце. Рассеянные скопления располагаются вблизи плоскости Галактики, их общее число более 1000.

Шаровые скопления концентрируются к центру галактики. Общее число их примерно в 10 раз меньше, чем рассеянных скоплений. Особенно много шаровых скоплений видно в направлении центра Галактики в созвездии Стрельца.

Гигантская звездная система, рядовым членом которой является Солнце, называется Галактикой. Галактика представляется земному наблюдателю в виде Млечного Пути. В Галактике не менее 100 миллиардов звезд общей массой 4*10⁴¹ кг. Эта система - динамически единое целое, все ее объекты движутся по орбитам вокруг общего центра масс системы. Вещество этой звездной системы концентрируется к центру. По современным данным в Галактике три компонента вещества: диск, балдж и гало. Балдж - центральное утолщение, в котором находится центр масс. Диск - компонента, в которой содержится 90% всей звездной массы Галактики. В диске обнаружено два спиральных звездных рукава, вращающихся как твердое тело. Диффузное вещество (пыль, газ) концентрируется главным образом в рукавах. Солнце находится в плоскости Галактики, его скорость относительно центра Галактики 220 км/с. Оно движется по эллиптической орбите. Один оборот Солнце совершает примерно за 250 миллионов лет.

Структура центра Галактики оказывается сложной. В центре нашей звездной системы обнаружено ядро, в котором насчитывается около трех миллионов звезд. В самом ядре обнаружено ядрышко, распределение энергии в котором, отличается от распределения энергии в спектрах звезд.

Наиболее старые объекты Галактики занимают сферический объем, эту подсистему называют галактическим гало.

Гигантские звездные системы Вселенной, подобные нашей Галактике, получили название галактик. Галактики разнообразны по форме и размерам. Самый распространенный тип галактик (около 50%) - это спиральные галактики. Они имеют две или более клочковатые ветви (рукава), закручивающиеся вокруг ядра и находящиеся в одной плоскости. Рукава содержат яркие газовые туманности, горячие звезды, сверхгиганты и пыль. К спиральным галактикам относят и ближайшую к нам гигантскую галактику в созвездии Андромеды (М31). Около четверти всех изученных галактик составляют эллиптические галактики, имеющие форму эллипсоида вращения. В галактиках этого типа не прослеживается структура, они более просты и по звездному составу. Звезды в них движутся по орбитам в произвольных направлениях.

Существуют галактики и других типов. Примером, так называемых неправильных галактик, являются галактики спутники нашей Галактики: это Большое и Малое Магеллановы облака, видимые в южном полушарии Земли. В таких галактиках тоже нет внутренней структуры, хотя некоторые ученые отмечают в них зачатки спиральной рукавов.

Обнаружены галактики, тип которых является промежуточным между спиральными и эллиптическими. В них есть центральное сгущение и плоский диск, а вот спиральные рукава отсутствуют.

Открыты также карликовые и компактные галактики. Некоторые галактики обладают сильным радиоизлучением, связанные с процессами в их ядрах. Об активности ядер свидетельствуют мощные выбросы газа из них.

В некоторых галактиках по гравитационному действию обнаружено невидимое вещество, масса которого на порядок превышает массу видимого вещества, заключенного в звездах. Есть гипотезы, объясняющие природу этого вещества. По одним предположением, это многочисленные холодные объекты с массой около одной десятой массы Солнца, по другим - еще не открытые элементарные космические частицы с особыми свойствами.

Галактики в целом расположены на относительно более близких расстояниях друг от друга, чем звезды. Если столкновения звезд невозможны, то столкновения или сильные гравитационные взаимодействия галактик имеют место. Найдено много взаимодействующих галактик. Они имеют сильно искаженные формы, дополнительные элементы структуры (выбросы, "хвосты").

Галактики образуют группы, скопления и сверхскопления. В Местную группу входят наша Галактика, туманность Андромеды и другие, более мелкие галактики. У больших галактик есть галактики-спутники; у нашей Галактики их около десяти.

Скопления галактик насчитывают сотни и тысячи членов. Так, гигантское скопление в созвездии Девы содержит несколько тысяч членов.

Скопления галактик образуют сверхскопления, которые в пространстве создают стенки фантастически громадных ячеек - "войдов".

Современная астрономия утверждает наличие ячеисто-филаментарной структуры мегамира.

Расстояние между галактиками увеличивается со временем, что интерпретируется как расширение Метагалактики.

1.4. Эволюция Вселенной

Из явления расширения Метагалактики следует, что в более ранние стадии развития она занимала меньшие размеры, то есть была в более плотном состоянии и, соответственно, имела высокую температуру. Постепенно охлаждающееся тепловое излучение этого раннего этапа эволюции фиксируется и в наше время. Оно называется реликтовым излучением и имеет в современную эпоху температуру 2.7 К.

Согласно теории горячей Вселенной за первые 100 сек от начала расширения образуется 25% гелия, а остальное вещество находится в виде водорода. Такое соотношение двух основных элементов в природы существует и сейчас в звездах. Образующийся в результате термоядерных реакций в процессе эволюции звезды гелий почти не изменяет начальной пропорции.

В первоначально однородной среде могут возникать неоднородности, которые или рассасываются под действием газового давления, или уплотняются под действием собственного тяготения. Фрагменты вещества, возникшие из неоднородностей при определенных условиях, образуют протогалактики.

Образование звезд по существующей концепции также происходит в результате сжатия неоднородностей межзвездной среды. В облаках газа малой массы сжатию препятствует газовое давление, а вот массивные газопылевые комплексы с массой 10³ - 10⁴ масс Солнца начинают сжиматься. При этом за счет работы сжатия происходит нагрев вещества, которое в виде инфракрасного излучения свободно его покидает. Поэтому звезды на этой стадии оказываются мощными источниками инфракрасного излучения.

Далее, из-за увеличения плотности вещества протозвезды, растет его непрозрачность. Температура в центре начинает повышаться до тех пор, пока не станут возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода.

Большую часть своей жизни звезда излучает за счет термоядерных реакций в своих недрах. Время жизни звезды зависит от ее массы, чем больше масса, тем больше мощность излучения. Так, в звездах с М = 20 M термоядерные реакции могут продолжаться всего несколько миллионов лет, в звездах с массой равной солнечной в течение десяти миллиардов лет, а вот в красных карликах с массами 0.5 масс Солнца до 100 миллиардов лет.

Если масса звезды меньше 1.2 массы Солнца, то после выгорания водорода в ядре, оно сжимается, а оболочка наоборот расширяется. На этом этапе звезда представляет собой красный гигант. Затем оболочка полностью отделяется от звезды, превращаясь в планетарную туманность, а ядро, сжавшись, становится звездой - белым карликом, размеры которого близки к размерам Земли, а поверхностная температура близка к 10000 К. Внутри у белого карлика температура везде одинакова (около 10⁶ К). Белый карлик излучает за счет внутренней энергии в течение еще сотен лет.

В звездах более массивных, чем рассмотренный тип, может сжиматься гелиевое ядро, при этом температура повышается, и начинают идти термоядерные реакции, в которых образуются тяжелые элементы вплоть до кремния. Конечной стадией такой звезды оказывается сверхплотный объект (r 10⁹ кг/м³). В таком состоянии происходит процесс нейтронизации вещества. Явление резкого сжатия звезды до размеров нейтронной звезды (R 10 км) происходит в виде падения вещества внутрь. При столкновении с плотным ядром возникает взрыв, который наблюдается как вспышка сверхновой. Нейтронные звезды, входящие в состав тесных двойных систем, при определенных условиях наблюдаются как точечные источники импульсного излучения - пульсары.

Звезды с массой, большей трех масс Солнца, превращаются в черные дыры. Так называются удивительные объекты, на поверхности которых ускорение свободного падения равно бесконечности. Такой объект не излучает и не может быть непосредственно наблюдаем. Но он может быть обнаружен по гравитационному действию на соседнюю звезду, если они вместе образуют тесную двойную систему.

В настоящее время найдены косвенные методы, которые позволяют с большой степенью вероятности не только утвердительно ответить на вопрос о существовании черных дыр, но и указать на расположение таких объектов в космосе.

Процесс образования звезд происходит и в настоящее время. Одно из таких мест в пространстве - это уже упомянутая Большая туманность Ориона. Все яркие звезды в созвездии Ориона - молодые звезды. Звезды более позднего происхождения обогащены тяжелыми элементами, образовавшимися в звездах первого поколения и выброшенными в межзвездное пространство. Солнце - звезда второго поколения.

Объяснение происхождения и эволюции тел Солнечной системы представляет более трудную задачу, чем объяснение эволюции звезд. По современным воззрениям и Солнце, и планеты образовались из протяженного газопылевого облака. Из центральной части сгущения возникло Солнце, захватившее основную часть массы, а из периферической части облака образовались холодные тела Солнечной системы - планеты и их спутники, кометы. Полагают, что при образовании этих объектов большую роль сыграло первоначальное магнитное поле, благодаря которому произошла передача вращательного момента (момента импульса) от Солнца к планетам. Местом образования планет явился слой пыли вблизи экваториальной плоскости Солнца. Сначала образовались кольца, в которых возникли сгущения. Сгустки уплотнились, большие увеличились за счет выпадения вещества на них и превратились в планеты, а малые рассеялись. Планеты земной группы претерпевали дальнейшие изменения. Аккреция и радиоактивный распад приводили к выделению теплоты, что влекло за собой расплавление вещества и его гравитационную дифференциацию.

Эволюция нашей планеты, как и других, еще продолжается. Свидетельством этого является активная тектоническая и вулканическая деятельность на Земле, а вот Луна практически мертвое космическое тело, хотя и там наблюдаются процессы дегазации и другие поверхностные явления.

1.5. Контрольные вопросы к разделу 1

1. Что такое мегамир? Какие другие аналогичные понятия могут быть использованы?
2. Какие основные методы исследования мегамира?
3. Как называются приборы для исследования космического электромагнитного излучения? Как они устроены?
4. Как связаны между собой естественные науки в изучении мегамира?
5. Какие основные формы материи во Вселенной?
6. Какие основные объекты мегамира? Чем они отличаются друг от друга?
7. Каковы основные параметры Солнца?
8. Почему звезды с одинаковой температурой поверхности имеют разную мощность излучения?
9. Из чего состоит диффузное вещество во Вселенной?
10. Какие основные системы космических объектов известны? Что является для них системообразующим фактором?
11. Каково строение Галактики?
12. Как происходит эволюция мира с точки зрения горячей Вселенной?
13. Как эволюционируют звезды с малой, средней и большой массой?
14. Каково происхождение холодных тел Солнечной системы?

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>