Астронет: Д. А. Франк-Каменецкий, Р. З. Сагдеев,  "Физика Космоса", 1986 Что такое Космос http://variable-stars.ru/db/msg/eid/FK86/space

Что такое Космос

Человечество вступило в космич. век. В наше время всякому образованному человеку необходимо знать, что такое космос, и иметь представление о происходящих в космосе процессах.

Прежде чем перейти к изложению совр. представлений о космосе, выясним значение самого слова "космос". "Космос" по-гречески - это порядок, устройство, стройность (вообще, нечто упорядоченное). Философы Древней Греции понимали под словом "космос" Мироздание, рассматривая его как упорядоченную гармоничную систему. Космосу противопоставлялся беспорядок, хаос. Для древних греков понятия порядка и красоты в явлениях природы были тесно связаны. Эта точка зрения держалась в философии и науке долго; недаром даже Коперник считал, что орбиты планет должны быть окружностями лишь потому, что окружность красивее эллипса.

В понятие "космос" сначала включали не только мир небесных светил, но и всё, с чем мы сталкиваемся на поверхности Земли. Знаменитый естествоиспытатель 19 в. Александр Гумбольдт создал фундаментальный труд "Космос" (5 томов, 1845-62), суммировавший всё, что тогда было известно о природе вообще.

Иногда под космосом понимали только планетную систему, окружающую Солнце. В совр. словоупотреблении в связи с этим остался термин "космогония", к-рым обычно обозначают науку о происхождении Солнечной системы, а не всей Вселенной в целом.

Чаще под космосом понимают Вселенную, рассматриваемую как нечто единое, подчиняющееся общим законам. Отсюда происходит название космологии - науки, пытающейся найти законы строения и развития Вселенной как целого. Т. о., в названиях "космогония" и "космология" космос понимается в разном смысле.

С начала космич. эры (с 1957 г., когда в СССР был запущен первый спутник) слово "космос" приобрело ещё одно значение, связанное с осуществлением давнишней мечты человечества о космич. полётах. В таких терминах, как "космический полёт" или "космонавтика", космос противопоставляется Земле. В совр. понимании космос есть всё находящееся за пределами Земли и её атмосферы. Иногда говорят "космическое пространство"; в странах, пользующихся англ. языком,- "внешнее пространство" (outer space) или даже просто "пространство" (space).

Ближайшая и наиболее доступная исследованию область космич. пространства - околоземное пространство. Именно с этой области началось освоение космоса людьми, в ней побывали первые ракеты и пролегли первые трассы ИСЗ. Полёты космич. кораблей с экипажами на борту и выход космонавтов непосредственно в космич. пространство значительно расширили возможности исследования "ближнего космоса". Космич. исследования включают также изучение "дальнего космоса" и ряда новых явлений, связанных с влиянием невесомости и др. космич. факторов на физ.-хим. и биологич. процессы.

Какова же физ. природа околоземного пространства? Газы, образующие верхние слои земной атмосферы, ионизованы УФ-излучением Солнца, т. е. находятся в состоянии плазмы. Плазма взаимодействует с маги. полем Земли так, что магн. поле оказывает на плазму давление. С удалением от Земли давление самой плазмы падает быстрее, чем давление, оказываемое на неё земным магн. полем. Вследствие этого плазменную оболочку Земли можно разбить на две части. Нижняя часть, где давление плазмы превышает давление магн. поля, носит название ионосферы. Здесь плазма ведёт себя в основном, как обычный газ, отличаясь только своей электропроводностью. Выше лежит магнитосфера - область, где давление магн. поля больше, чем газовое давление плазмы. Поведение плазмы в магнитосфере определяется и регулируется прежде всего магн. полем и коренным образом отличается от поведения обычного газа. Поэтому, в отличие от ионосферы, к-рую относят к верхней атмосфере Земли, магнитосферу принято относить уже к космич. пространству. По физ. природе околоземное пространство, или ближний космос,- это и есть магнитосфера.

В магнитосфере становятся возможными явления захвата заряженных частиц магн. полем Земли, к-рое действует как естественная магнитная ловушка. Так образуются радиационные пояса Земли.

Отнесение магнитосферы к космич. пространству обусловливается тем, что она тесно взаимодействует с более далёкими космич. объектами, и прежде всего с Солнцем. Внешняя оболочка Солнца - корона - испускает непрерывный поток плазмы - солнечный ветер. У Земли он взаимодействует с земным магн. полем (для плазмы достаточно сильное магн. поле - то же, что твёрдое тело), обтекая его, как сверхзвуковой газовый поток обтекает препятствие. При этом возникает стационарная отходящая ударная волна, фронт к-рой расположен на расстоянии ок. 14 радиусов Земли (~100 000 км) от её центра с дневной стороны. Ближе к Земле плазма, прошедшая через фронт волны, находится в беспорядочном турбулентном движении. Переходная турбулентная область кончается там, где давление регулярного магн. поля Земли превосходит давление турбулентной плазмы солнечного ветра. Это - внеш. граница магнитосферы, или магнитопауза, расположенная на расстоянии ок. 10 земных радиусов (~60000 км) от центра Земли с дневной стороны. С ночной стороны солнечный ветер образует плазменный хвост Земли (иногда его неточно наз. газовым). Проявления солнечной активности - вспышки на Солнце - приводят к выбросу солнечного вещества в виде отдельных плазменных сгустков. Сгустки, летящие в направлении Земли, ударяясь о магнитосферу, вызывают её кратковрем. сжатие с последующим расширением. Так возникают магн. бури, а нек-рые частицы сгустка, проникающие через магнитосферу, вызывают полярные сияния, нарушения радио- и даже телеграфной связи. Наиболее энергичные частицы сгустков регистрируются как солнечные космические лучи (они составляют лишь малую часть общего потока космич. лучей).

Перейдём теперь к Солнечной системе. Здесь находятся ближайшие цели космич. полётов - Луна и планеты. Пространство между планетами заполнено плазмой очень малой плотности, к-рую несёт солнечный ветер. Характер взаимодействия плазмы солнечного ветра с планетами зависит от того, имеют или нет планеты магн. поле. Магн. поля Юпитера и Сатурна значительно сильнее земного поля, поэтому магнитосферы этих планет-гигантов значительно протяжённее земной магнитосферы. Наоборот, магн. поле Марса настолько слабо (в сотни раз слабее земного), что с трудом сдерживает налетающий поток солнечного ветра на самых ближних подступах к поверхности планеты. Примером немагнитной планеты является Венера, полностью лишённая магнитосферы. Однако взаимодействие сверхзвукового потока плазмы солнечного ветра с верхней атмосферой Венеры и в этом случае приводит к образованию ударной волны.

Большим разнообразием отличается семейство естественных спутников планет-гигантов. Один из спутников Юпитера, Ио, явл. самым активным в вулканич. отношении телом Солнечной системы. Титан, самый крупный из спутников Сатурна, обладает достаточно плотной атмосферой, едва ли не сравнимой с земной. Весьма необычным явл. и взаимодействие таких спутников с окружающей их плазмой магнитосфер материнских планет. Кольца Сатурна, состоящие из каменных и ледяных глыб разных размеров, вплоть до мельчайших пылинок, можно рассматривать как гигантский конгломерат миниатюрных естественных спутников.

По очень вытянутым орбитам вокруг Солнца движутся кометы. Ядра комет состоят из отдельных камней и пылевых частиц, вмороженных в глыбу льда. Лёд этот не совсем обычный, в нём кроме воды содержатся аммиак и метан. Хим. состав кометного льда напоминает состав самой большой планеты - Юпитера. Когда комета приближается к Солнцу, лёд частично испаряется, образуя гигантский газовый хвост кометы. Кометные хвосты обращены в сторону от Солнца, т. к. постоянно испытывают воздействие давления излучения и солнечного ветра.

Наше Солнце - лишь одна из множества звёзд, образующих гигантскую звёздную систему - Галактику. А эта система в свою очередь - лишь одна из множества др. галактик. Астрономы привыкли относить слово "Галактика" как имя собственное к нашей звёздной системе, а то же слово как нарицательное - ко всем таким системам вообще. Наша Галактика содержит 150- 200 млрд. звёзд. Они располагаются так, что Галактика имеет вид плоского диска, в середину к-рого как бы вставлен шар диаметром меньшим, чем у диска. Солнце расположено на периферии диска, практически в его плоскости симметрии. Поэтому, когда мы смотрим на небо в плоскости диска, то видим на ночном небосводе светящуюся полосу - Млечный Путь, состоящий из звёзд, принадлежащих диску. Само название "Галактика" происходит от греческого слова galaktikos - млечный, молочный и означает систему Млечного Пути.

Астрономы установили, что звёзды галактич. диска, как правило, отличаются по физ. и хим. св-вам от звёзд шара. Эти два типа "населения" нашей звёздной системы наз. плоской и сфе-рич. составляющими. В диске кроме звёзд есть ещё значит, количества межзвёздного газа и пыли. Из данных радиоастрономии следует, что диск нашей Галактики имеет спиральную структуру, подобную той, какую можно видеть на фотографиях др. галактик (напр., знаменитой туманности Андромеды).

Изучение спектров звёзд, их движений и др. св-в в сопоставлении с теоретич. расчётами позволило создать теорию строения и эволюции звёзд. По этой теории осн. источником энергии звёзд явл. ядерные реакции, протекающие глубоко в недрах звезды, где темп-ра в тысячи раз больше, чем на поверхности. Ядерные реакции в космосе и происхождение хим. элементов изучает ядерная астрофизика. На определённых стадиях эволюции звёзды выбрасывают часть своего вещества, к-рое присоединяется к межзвёздному газу. Особенно мощные выбросы происходят при звёздных взрывах, наблюдаемых как вспышки сверхновых звёзд. Остатки таких взрывов часто становятся пульсарами - нейтронными звёздами радиусом ок. 10 км со сверхсильными магн. полями, создающими условия для возникновения компактных, но чрезвычайно мощных магнитосфер. Предполагается, что магн. поле пульсара в центре Крабовидной туманности, являющейся классич. примером продукта вспышки сверхновой, в 10¹² раз больше земного по напряжённости. В двойных звёздных системах нейтронные звёзды могут проявлять себя как рентгеновские пульсары. С нейтронными звёздами связывают и т.н. барстеры - галактич. объекты, характеризующиеся спорадическими кратковрем. всплесками рентгеновского и мягкого гамма-излучения.

В др. случаях при звёздных взрывах могут образоваться чёрные дыры - объекты, вещество к-рых падает к центру со скоростью, близкой к скорости света, и в силу эффектов общей теории относительности (теории тяготения) как бы застывшее в этом падении. Из недр чёрных дыр излучение вырваться не может. В то же время окружающее чёрную дыру вещество образует т. н. аккреционный диск и при определённых условиях испускает рентг. излучение за счёт гравитац. энергии притяжения к чёрной дыре.

При звёздных взрывах и в окрестностях пульсаров отдельные частицы плазмы ускоряются и приобретают колоссальные энергии. Эти частицы дают вклад в высокоэнергетическую составляющую межзвёздного газа - космические лучи. По количеству вещества они составляют весьма малую, но по энергии - весьма существенную часть межзвёздного газа. Космич. лучи удерживаются в Галактике магн. полями. Их давление играет важную роль в поддержании формы галактич. диска. В земной атмосфере космич. лучи взаимодействуют с ядрами атомов воздуха, образуя множество новых ядерных частиц. Изучение космич. лучей у поверхности Земли следует отнести к ядерной физике. Приборы, вынесенные за пределы атмосферы, дают сведения о первичных космич. лучах, важные уже для исследования космоса. Таковы структура и физ. процессы, характерные для нашей Галактики.

Др. галактики показывают большое разнообразие форм и числа входящих в них звёзд, интенсивности эл.-магн. излучения в различных диапазонах длин волн. Происхождение галактик и причины, по к-рым разные галактики имеют те или иные формы, размеры и др. физ. св-ва,- одна из самых трудных проблем совр. астрономии и космологии.

Переходя к ещё более грандиозным масштабам, мы вступаем в область, о к-рой пока мало известно. Проблемой строения и развития Вселенной в целом занимается космология. Для неё особо важное значение имеют новейшие достижения радиоастрономии. Обнаружены источники радиоволн и света громадной мощности - квазары. В их спектрах линии сильно смещены к красному концу спектра. Это значит, что они очень далеки от нас - свет идёт от них миллиарды лет. Наблюдая квазары, астрономы имеют возможность изучать Вселенную (метагалактику) на ранних стадиях её развития. Откуда берётся чудовищная энергия, излучаемая квазарами,- одна из самых волнующих загадок науки. Др. важное открытие - обнаружение "фона" радиочастотного излучения, пронизывающего равномерно по всем направлениям космич. пространство. Это реликтовое радиоизлучение - остаток древнейших эпох, позволяющий судить о состоянии Вселенной многие миллиарды лет назад.

Для совр. этапа развития наук о космосе характерно колоссальное нарастание потока поступающей информации. Если раньше астрономич. приборы воспринимали только видимый свет, то теперь данные о космосе получают из анализа всего эл.-магн. спектра. Значит, информацию о физ. процессах в межзвёздной среде даёт изучение первичных космич. лучей. Удалось обнаружить всепроникающие частицы нейтрино, приходящие от Солнца. В перспективе возможно обнаружение и изучение нейтрино из глубин космоса. Расширение каналов поступления информации связано как с выходом средств наблюдения в космос (внеатмосферная и баллонная астрономия, непосредств. исследования Луны и планет приборами, доставленными на их поверхность), так и с усовершенствованием наземной аппаратуры.

Важность выноса в космос исследовательской аппаратуры объясняется тем, что природа поместила нас на дно воздушного океана, чем сузила возможности изучения космоса, но в то же время защитила от многих видов космич. излучения. Атмосфера пропускает эл.-магн. излучение к поверхности Земли лишь в двух узких интервалах частот, или, как говорят, "окнах": одно - в области видимого света, другое - в радиодиапазоне. Только с помощью приборов, вынесенных за пределы атмосферы, удалось зарегистрировать рентгеновское и гамма-излучение, УФ- и ИК-лучи, идущие из космоса. То же относится и к первичным космич. лучам.

Для повышения эффективности наземных наблюдений особое значение имеет применение мощных радиотелескопов, позволивших получить такие важные результаты, как открытие квазаров и пульсаров. Однако и в классической оптич. области (в области длин волн видимого света) мощность и чувствительность приборов непрерывно возрастают не только за счёт увеличения диаметра главного зеркала телескопов, но и благодаря введению принципиально новых методов регистрации и усиления света, таких, напр., как электронно-оптич. преобразователи, матричные приёмники.

Огромный скачок в познании космоса, произошедший во второй половине 20 в., объясняется в первую очередь глубоким внедрением во всю сферу наук о природе достижений одной из ведущих наук современности - физики. Новые физ. методы исследования и открытия в области фундаментальных св-в материи дали астрономии столь много, что совр. астрономия в очень большой своей части превратилась в астрофизику. Все космич. явления - от околоземного пространства и до Вселенной как целого - истолковываются на основе достижений совр. физики. Каждая новая область физики и её достижения (атомная и ядерная физика, физика элементарных частиц и теория поля, физика плазмы, магн. гидродинамика и т. д.) немедленно находят широкое применение в изучении космоса, поскольку физические законы, открытые на Земле, полностью сохраняют свою силу и в глубинах космоса.

С другой стороны, изучение физ. процессов, протекающих в грандиозных космич. масштабах, существенно обогащает физику. Между физикой лабораторной и физикой космической происходит непрерывный обмен научными идеями. Так, синхротронное излучение, открытое в ускорителях частиц, позволило объяснить механизм излучения Крабовидной туманности и др. космич. объектов. В свою очередь магн. гидродинамика, возникшая в связи с астрофизич. проблемами, получила широкое развитие в физ. лабораториях и в технике. О термоядерных реакциях физики впервые заговорили как об источниках энергии звёзд, а сейчас проблема освоения этих реакций в лаборатории и технике стала одной из центральных для совр. физики.

Новейшие открытия в космосе (квазары, реликтовое радиоизлучение, нейтронные звёзды и т. д.) связаны с глубочайшими проблемами физики. Многие исследователи полагают, что дальнейшее изучение космич. объектов и явлений позволит существенно углубить наши знания о самых фундаментальных законах природы.