Концепция развития и эволюция Вселенной

Маленькие, холодные красные карлики медленно сжигают запасы водорода и остаются на главной последовательности сотни миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты уйдут с главной последовательности уже через несколько миллионов лет после формирования.

Звёзды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет. Считается, что Солнце все ещё на ней, так как оно находится в середине своего жизненного цикла. Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она уходит с главной последовательности.

Зрелость

По прошествии от миллиона до миллиарда лет, в зависимости от начальной массы, звезда истощает водородные ресурсы ядра. В больших и горячих звёздах это происходит гораздо быстрее, чем в маленьких и более холодных. Истощение запаса водорода приводит к остановке термоядерных реакций.

Без давления, которое производилось этими реакциями и уравновешивало силу собственного притяжения звезды, внешние слои начинают сжиматься к ядру. Температура и давление повышаются как во время формирования протозвезды, но на этот раз до гораздо более высокого уровня. Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре приблизительно в 100 миллионов К не начнутся термоядерные реакции с участием гелия.

Очень горячее ядро становится причиной чудовищного расширения звезды. Её размер увеличивается приблизительно в 100 раз. Таким образом звезда становится красным гигантом, и фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет. Практически все красные гиганты являются переменными звёздами.

То, что происходит в дальнейшем, вновь зависит от массы звезды.

Некоторые звёзды могут синтезировать гелий лишь в некоторых активных участках, что вызывает нестабильность и сильные солнечные ветры. В этом случае образования планетарной туманности не происходит, а звезда лишь испаряется, становясь даже меньше чем коричневый карлик.

Но звезда с массой менее 0,5 солнечной никогда не будет в состоянии синтезировать гелий даже после того, как в ядре прекратятся реакции с участием водорода. Звёздная оболочка у них недостаточно массивна, чтобы преодолеть давление, производимое ядром. К таким звёздам относятся красные карлики, такие как Проксима Центавра, живущие до сотен миллиардов лет. После прекращения в их ядре термоядерных реакций, они будут продолжать слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра на протяжении ещё многих миллиардов лет.

Звёзды среднего размера

Туманность Кошачий Глаз -- планетарная туманность, сформировавшаяся после гибели звезды, по массе приблизительно равной солнечной

При достижении звездой средней величины (от 0,4 до 3,4 солнечных масс) фазы красного гиганта, её внешние слои продолжают расширяться, ядро сжиматься, и начинаются реакции синтеза углерода из гелия. Синтез высвобождает много энергии, давая звезде временную отсрочку. Для звезды по размеру схожей с Солнцем, этот процесс может занять около миллиарда лет.

Изменения в величине испускаемой энергии заставляют звезду пройти через периоды нестабильности, включающие в себя перемены в размере, температуре поверхности и выпуске энергии. Выпуск энергии смещается в сторону низкочастотного излучения. Все это сопровождается нарастающей потерей массы вследствие сильных солнечных ветров и интенсивных пульсаций. Звёзды, находящиеся в этой фазе, получили название звёзд позднего типа, OH-IR звёзд или Мира подобных звёзд, в зависимости от их точных характеристик. Выбрасываемый газ относительно богат тяжёлыми элементами, производимыми в недрах звезды, такими как кислород и углерод. Газ образует расширяющуюся оболочку и охлаждается по мере удаления от звезды, делая возможным образование частиц пыли и молекул. При сильном инфракрасном излучении центральной звезды в таких оболочках формируются идеальные условия для активизации мазеров.

Реакции сжигания гелия очень чувствительны к температуре. Иногда это приводит к большой нестабильности. Возникают сильнейшие пульсации, которые в конечном итоге сообщают внешним слоям достаточно кинетической энергии, чтобы быть выброшенными и превратиться в планетарную туманность. В центре туманности остаётся ядро звезды, которое, остывая, превращается в белый карлик, как правило, имеющий массу в пределах 0,6 солнечных и диаметр порядка диаметра Земли.

Белые карлики

Вскоре после гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает сильную перестройку звезды и её быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга -- Рассела. Размер атмосферы звезды увеличивается ещё больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звёздного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы: ядро звезды может закончить свою эволюцию как белый карлик (маломассивные звёзды), в случае, если её масса на поздних стадиях эволюции превышает предел Чандрасекара -- как нейтронная звезда (пульсар), если же масса превышает предел Оппенгеймера -- Волкова -- как чёрная дыра. В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями -- вспышками сверхновых.

Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.

У звезд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных электронов не может сдержать сжатие ядра, и оно продолжается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны, упакованные так плотно, что размер звезды измеряется километрами, а плотность в 100 млн. раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества.

Сверхмассивные звёзды

Крабовидная туманность, разлетающиеся остатки взрыва сверхновой, произошедшего почти 1000 лет назад

После того, как внешние слои звезды, с массой большей чем пять солнечных разлетелись образовав красный сверхгигант, ядро вследствие сил гравитации начинает сжиматься. По мере сжатия увеличиваются температура и плотность, и начинается новая последовательность термоядерных реакций. В таких реакциях синтезируются тяжёлые элементы, что временно сдерживает коллапс ядра.

В конечном итоге, по мере образования всё более тяжёлых элементов периодической системы, из кремния синтезируется железо-56. Вплоть до этого момента синтез элементов высвобождал большое количество энергии, но с образованием железа этот процесс прекращается, так как синтез железа, напротив, потребляет энергию. После того, как это происходит, ничто уже не в состоянии противостоять колоссальной силе гравитации, и происходит незамедлительный коллапс звезды.

То что происходит в дальнейшем, не до конца ясно. Но что бы это ни было, это в считанные секунды приводит к взрыву сверхновой невероятной силы.

Сопутствующий этому всплеск нейтрино провоцирует ударную волну. Сильные струи нейтрино выталкивают большую часть накопленного звездой материала -- так называемые рассадочные элементы, включая железо и более лёгкие элементы. Разлетающаяся материя бомбардируется нейтрино, захватывая его, и тем самым создавая набор элементов тяжелее железа, включая радиоактивные вплоть до урана. Таким образом, без взрыва сверхновой невозможно образование элементов тяжелее железа.

Взрывная волна и струи нейтрино уносят материал прочь от умирающей звезды в межзвёздные пространство. В последующем, перемещаясь по космосу, этот материал сверхновой может столкнуться с другим космическим мусором, и возможно, участвовать в образовании новых звёзд, планет или спутников.

Процессы, протекающие при образовании сверхновой, до сих пор изучаются, и пока в этом вопросе нет ясности. Также стоит под вопросом, что же на самом деле остаётся от изначальной звезды. Тем не менее, рассматриваются два варианта:

Нейтронные звёзды

Пузырчатая ударная волна, все еще распространяющаяся после взрыва сверхновой, произошедшего более 15,000 лет назад

Известно, что в некоторых сверхновых сильная гравитация в недрах сверхгиганта заставляет электроны упасть на атомное ядро, где они при взаимодействии с протонами образуют нейтроны. Электромагнитные силы, разделяющие близлежащие ядра, исчезают (к примеру, если бы ядра были размером с песчинку, атомы имели бы размер с футбольное поле). Ядро звезды теперь представляет собой плотный шар из атомных ядер и отдельных нейтронов.

Такие звёзды, известные, как нейтронные звёзды, чрезвычайно малы -- не более размера крупного города, и имеют невообразимо высокую плотность. Период их обращения становится чрезвычайно мал по мере уменьшения размера звезды (благодаря сохранению момента импульса). Некоторые совершают 600 оборотов в секунду. Когда ось, соединяющая северный и южный магнитный полюса этой быстро вращающейся звезды, указывает на Землю, можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Такие нейтронные звезды получили название 'пульсары', и стали первыми открытыми нейтронными звёздами.

Чёрные дыры

Распространено мнение, что не все сверхновые становятся нейтронными звёздами. Если звезда обладает достаточно большой массой, то сами нейтроны могут обрушиться внутрь и начнётся коллапс звезды, пока её радиус не станет меньше Шварцшильдовского. После этого звезда становится чёрной дырой.

Существование чёрных дыр было предсказано общей теорией относительности. Согласно ОТО материя и информация не может покидать чёрную дыру ни при каких условиях. Тем не менее, квантовая механика делает возможным исключения из этого правила. Существование чёрных дыр во вселенной подтверждено и теоретически, и посредством наблюдений.

Но, тем не менее, остаётся ряд открытых вопросов. Среди них: возможен ли коллапс звезды непосредственно в чёрную дыру, минуя сверхновую? Существуют ли сверхновые, которые впоследствии станут чёрными дырами? Каково точное влияние изначальной массы звезды на формирование объектов в конце её жизненного цикла?

6. Средства наблюдения объектов вселенной

Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные излучения -- электромагнитные волны и потоки частиц. В XX в. родились радиоастрономия и нейтринная астрономия. Первым вестником объектов далеких миров был световой луч -- электромагнитные волны в видимой части спектра излучения. Это не случайно: световое излучение воспринимается непосредственно -- невооруженным глазом.

Для наблюдения небесных тел пользуются специальными приборами -- телескопами. Телескоп не увеличивает звезды и не приближает их, как это иногда ошибочно утверждают, а собирает свет с помощью объектива -- двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Простейшая труба Галилея собирала в 144 раза больше света, чем невооруженный глаз. Сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской, один из крупнейших в мире телескопов с диаметром зеркала 6 м собирает в миллион с лишним раз больше света. Это очень сложное уникальное техническое устройство, Состоит оно из 25 тыс. деталей. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом электронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с заданной программой и обработки полученных результатов. В последнее время вступили в строй телескопы с диаметром зеркала 8, 10 и 11 м. Современные телескопы снабжены спектрографами для изучения спектра излучения, по которому определяются химический состав и температура источника излучения.

Завершается строительство крупнейшей в мире системы оптических телескопов Европейской южной обсерватории на горе Сьерро-Параналь в чилийской пустыне Атакама (ил. 5.3). По суммарной площади зеркал эта система будет эквивалентна 17-метровому телескопу и по разрешающей способности примерно в десять раз превзойдет все современные телескопы.

Продолжается модернизация прославленной обсерватории Маунт Билсон (штат Калифорния}. На звездную вахту встанут шесть телескопов, каждый с зеркалом диаметром 1 м. Они будут расположены попарно по трем различным направлениям. Предполагается, что компьютерная обработка информации позволит получить разрешение, доступное телескопу с зеркалом диаметром 400 м (это даже трудно себе представить!).

С появлением высокочувствительной радиоаппаратуры расширился диапазон исследования космического излучения. Радионаблюдение Вселенной не зависит от времени суток и погодных условий. Источниками космического радиоизлучения являются многие объекты Вселенной, в которых протекают бурные физические процессы. Принципы действия радиотелескопа и оптического телескопа во многом совпадают. Однако функцию объектива, собирающего космическое излучение в радиотелескопе, выполняют огромные антенны специальной формы. Один из крупнейших отечественных радиотелескопов (РАТАН) построен в 1977 г. в 40 км от 6-метрового оптического телескопа. Его кольцевая антенна диаметром 600 м состоит из 895 алюминиевых щитов-зеркал, каждый из которых может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, что позволяет наводить радиотелескоп на разные участки звездного неба.

Еще один вестник Вселенной -- инфракрасные лучи. По длине волны они занимают промежуточное место между радиоволнами и видимым светом. Инфракрасные лучи обладают отличительным свойством: они проходят сквозь космическую пыль и межзвездный газ. Человеческий глаз не воспринимает инфракрасное излучение, нечувствительны к нему и обычные фотопластинки, поэтому при фотографировании космических объектов в инфракрасном диапазоне применяют специальные фотоматериалы и электронно-оптические преобразователи.

Из глубин Вселенной поступают еще два вида сигналов: ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Для этих видов коротковолнового излучения земная атмосфера является препятствием. Такое излучение стало доступным для изучения лишь при появлении ракетной и космической техники. С помощью приборов, установленных на борту космических аппаратов, удалось получить, например, ультрафиолетовый снимок Солнца, рентгеновские телескопы позволили зарегистрировать излучение большого числа различных космических объектов и рентгеновское свечение всего неба -- своеобразный рентгеновский фон.

К многообещающим источникам космической информации относится гамма-излучение. Энергия гамма-квантов значительно превосходит энергию фотонов видимого света. Для них Вселенная почти прозрачна. Они приходят к нам от весьма удаленных объектов и несут информацию о физических процессах в глубине Вселенной.

С развитием ядерной физики и физики элементарных частиц наметился еще один путь разгадки сокровенных тайн Вселенной. Он связан с регистрацией космических нейтрино и лежит в основе нейтринной астрономии. Отличительная особенность нейтрино -- чрезвычайно высокая проникающая способность. Регистрируя нейтринный поток с помощью детекторов, можно получить информацию о термоядерных процессах, протекающих в звездах.

С появлением космической техники открылась новая возможность исследования Вселенной. Созданный уникальный телескоп-спутник «Хаббл» (ил. 5.4) позволил получить не только четкие изображения планет Солнечной системы, но и новые сведения о происходящих там процессах. На снимках, сделанных в 1996 г. с расстояния примерно 100 млн км, различаются детали поверхности Марса размером около 25 км -- такова разрешающая способность телескопа «Хаббл». Для сравнения: один из лучших наземных телескопов в мире, расположенный в обсерватории Маунт-Паломар (США), позволяет рассмотреть детали рельефа Марса размером 300 -- 400 км. С помощью спутникового телескопа «Хаббл» удалось определить структуру колец Сатурна и обнаружить кольцевые системы Юпитера, Урана и Нептуна. С поверхности Земли такие системы не видны -- мешает замутненность атмосферы нашей планеты.

В настоящее время разрабатывается внеземной телескоп, который заменит «Хаббл» в 2006 г. Он будет гораздо чувствительнее действующего «Хаббла» и сможет обнаружить в десятки раз более слабые объекты. Диаметр зеркала нового прибора -- 8 м, а масса зеркала -- всего 7 кг. Для сравнения: зеркало действующего телескопа «Хаббл» имеет диаметр 2,4 м и весит 826 кг. В новой конструкции зеркальную поверхность образует слой золота, нанесенный на силиконовую пленку.

Ежедневная картина восхода Солнца вряд ли вызывает удивление. А можно ли наблюдать восход Земли? Оказывается, можно. Такую возможность представляют космические аппараты. Долгое время Земля казалась человеку необъятной и безграничной. Понадобились сотни, даже тысячи лет, чтобы разглядеть собственными глазами Землю из космоса, откуда представилась прекрасная возможность увидеть всю нашу планету, и откуда она больше не кажется нам необъятной и безграничной.

Таким образом, созданный во второй половине XX в. огромный арсенал средств астрономических наблюдений, наземных и космических, способствует дальнейшей разгадке тайн Вселенной.

7. Проблема поиска внеземных цивилизаций

вселенная звездный галактика

К настоящему времени известен только один очаг жизни и разума -- планета Земля. Однако нельзя однозначно утверждать, что среди многих миллиардов звезд условия зарождения живой материи и ее длительной эволюции могли возникнуть только в одной точке Вселенной -- в нашей Галактике, вблизи Солнца. Проблема поиска жизни, и особенно разумной, вне Земли в последние десятилетия приобретает естественнонаучный характер. Вряд ли есть другая научная проблема, которая вызывала бы такой жгучий интерес и такие жаркие споры, как проблема связи с внеземными цивилизациями. Созываются научные конференции и симпозиумы, налаживается международное сотрудничество ученых, ведутся экспериментальные исследования. По меткому выражению писателя-фантаста Станислава Лема, проблема связи с внеземными цивилизациями подобна игрушечной матрешке -- она содержит в себе проблематику многих отраслей естествознания.

Возможно, что среди множества звезд Вселенной найдутся десятки, а может быть и сотни таких, которые окружены обитаемыми планетами. Можно предположить, что и перед другими цивилизациями, достигшими высокого уровня развития, как наша, встал тот же вопрос -- как установить связь с другими разумными обитателями Вселенной? Кто знает, быть может, и сейчас в направлении нашего Солнца кто-то посылает сигналы, на которые пока человечество отвечало молчанием!

На какой же длине волны возможна такая передача? Скорее всего, в диапазоне радиоволн. Вероятно, неведомые нам разумные существа могут жить на другой планете, окруженной атмосферой. Значит, они могут посылать радиосигналы в космос только через узкое «радиоокно» их атмосферы. Возможный диапазон радиоволн для «межзвездной» радиосвязи, по-видимому, ограничивается длинами от нескольких сантиметров до 30 м. Космические естественные источники излучения ведут постоянную интенсивную «радиопередачу» на волнах метрового диапазона. Чтобы она не создавала помех, радиосвязь между обитаемыми мирами должна вестись на длинах волн не более 50 см. Более короткие радиоволны (в несколько сантиметров) не подходят, поскольку тепловое радиоизлучение планет происходит именно на таких волнах, и оно будет «глушить» искусственную радиосвязь. Родилась идея: радиосвязь целесообразно вести на волнах, близких к 21 см, которые излучает межзвездный водород, играющий важную роль в изучении Вселенной. Водород -- самый распространенный элемент в наблюдаемой нами части Вселенной, и его излучение на волне 21 см можно рассматривать как некий природный космический эталон.

В США обсуждается проект по созданию комплекса для приема внеземных радиосигналов, состоящего из тысячи синхронных радиотелескопов, установленных на расстоянии 15 км друг от друга. В сущности, такой комплекс подобен одному исполинскому параболическому радиотелескопу с площадью зеркала 20 км2. Проект предполагается реализовать в течение ближайших 10 -- 20 лет. Стоимость намеченного сооружения поистине астрономическая -- не менее 10 млрд долл. Проектируемый комплекс радиотелескопов позволит принимать искусственные радиосигналы в радиусе 1000 световых лет. В таком огромном космического пространстве содержится свыше миллиона солнцеподобных звезд, часть которых, возможно, окружена обитаемыми планетами. Чувствительность проектируемой системы чрезвычайно высока. Если бы вокруг ближайшей к нам звезды Альфа Центавра обращалась планета, подобная Земле (с таким же уровнем развития радиосвязи), то такая система смогла бы уловить посылаемые от нее радиосигналы.

Жажда общения с внеземным разумом так сильна, что все технические и временные трудности кажутся преодолимыми. К тому же наши разумные собратья могут оказаться и по соседству с нами. Вселенная беспредельна в своем многообразии, и среди бесчисленного множества звездных и планетных систем могут встретиться такие планеты, физические условия на которых создали предпосылки для зарождения и развития жизни. Но какой жизни? Такой, как у нас на Земле, или отличающейся от нее? И в состоянии ли мы сразу распознать живую материю, не родственную земной? Еще более сложен вопрос о внеземных разумных существах. Если они есть, то сможем ли мы их понять? Конечно, не исключена вероятность возникновения на других планетах неизвестных нам цивилизаций. Мы знаем только живую материю, зародившуюся на нашей планете. Может быть, в безграничном пространстве Вселенной существует множество других совершенных и сложных форм движения и организации материи, о которых мы даже не подозреваем.

В конце XX в. возникла идея поиска планет вне Солнечной системы не только по радиосигналам, но и с помощью телескопов. При таком поиске в 1995 г. обнаружена планета массой в пол-Юпитера, быстро обращающаяся вокруг 51-й звезды созвездия Пегас. В результате 10-летних наблюдений открыто более 100 планетных систем. Ни одна из них не похожа на Солнечную, ни одна из планет -- на Землю. Разрешающая способность телескопов ограничена. Поэтому планеты ищут не при прямом наблюдении, а по косвенным признакам -- по гравитационному возмущению, которое они оказывают на орбиты своих звезд. Предполагается, к 2015 г. ученые разработают приборы прямого наблюдения -- комплекс космических телескопов под названием «Охотник за планетами земного типа», способный одновременно определять признаки внеземной жизни.

Проблема внеземных цивилизаций представляет интерес не только с точки зрения их обнаружения, но и для более глубокого исследования закономерностей процессов развития материальных систем на нашей планете.

8. Солнечная система. Солнце

Происхождение и структура Солнечной системы. В центре Солнечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются 9 больших планет вместе со своими спутниками, множество малых планет -- астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (рис. 5.2). Три последние планеты можно наблюдать с Земли только с помощью телескопа. Остальные видны, как яркие светящиеся диски небольших диаметров, и известны людям с древних времен.

На протяжении многих веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными -- для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород.

К настоящему времени известны различные гипотезы о происхождении Солнечной системы. Так, французский математик и физик Р. Декарт (1596-- 1650), считая вихревое движение устойчивым, предполагал, что Солнце и планеты со спутниками образовались из первичных и вторичных вихрей. По мнению немецкого философа И. Канта (1724-- 1804), Солнечная система сформировалась в результате конденсации вращающегося облака межпланетного газа. Развивая идею И. Канта, французский математик и физик П. Лаплас (1749 -- 1827) полагал, что Солнечная система произошла из сжимающейся газовой туманности. При этом часть газообразного вещества отделялась от центрального сгустка под действием центробежной силы (в результате ускорения в ходе сжатия), и из него образовались планеты.

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Подобная точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю.Шмидта (1891 -- 1956). По его мнению, планеты образовались в результате объединения пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло из 98% водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них начинали двигаться по круговым орбитам и в своем росте обгоняли другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела они присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжении миллиардов лет. В соответствии с этой гипотезой Солнце образовалось раньше планет. По современным оценкам, возраст Солнца не менее 5 млрд лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы -- Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна примерно 14,5 земных, а Юпитера -- 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. По-видимому, они не имеют твердой поверхности в отличие от планет земной группы.

Особое место занимает девятая планета -- Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она близка к планетам земной группы. Сравнительно недавно обнаружено, что Плутон -- двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

Солнце. Солнце - это ближайшая к нам звезда, центр Солнечной системы, в котором сосредоточена почти вся ее масса (99.85%). Оно представляет собой гигантский светящийся раскаленный плазменный шар, равновесие которого обеспечивается балансом между гравитационной силой и давлением горячего вещества (газа) и излучения, Масса Солнца равна 1.99-1030 кг, а радиус-6.96-10вм. Примерно 68% его массы составляет водород, 30% - гелий, 2% - другие химические элементы. Период обращения вокруг собственной оси для Солнца равен 25.4 земных суток, а скорость движения вокруг центра Млечного Пути - около 200 км/с. По оценкам ученых, каждая двухсотая звезда в нашей Галактике подобна Солнцу.

Впервые идею о том, что Солнце - не центр Вселенной, а рядовая звезда в ней, высказал Дж. Бруно (1548-1600). В настоящее время известно, что Солнце является средней звездой. Оно образовалось около 5 млрд. лет назад из облака водорода, гелия и космической пыли - остатков погибших звезд предыдущих поколений. Сжатие этого вещества под действием сил всемирного тяготения привело к его нагреванию, начались ядерные реакции превращения водорода в гелий, появилось устойчивое свечение. Считается, что Солнце будет светить еще приблизительно 5-7 млрд. лет, пока не закончатся запасы его водородного топлива.

Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца за счет гравитационного притяжения к нему. Солнце является основным источником энергии для большинства природных процессов, происходящих на Земле. Жизнь на Земле была бы невозможна без солнечного тепла и света. Солнечная энергия приводит в действие механизмы самоорганизации в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли.

Солнце находится на расстоянии 149.6 млн. км от Земли. Когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, она закрывает его: наступает солнечное затмение. В 1919 г. во время одного из таких затмений ученые впервые обнаружили искривление световых лучей вблизи Солнца, подтверждающее выводы общей теории относительности (ОТО) А.Эйнштейна (1879-1955) об искривлении пространства гравитационными полями, созданными массами. Смещение спектральных линий, излученных на Солнце, в сторону больших длин волн по сравнению с аналогичными линиями земного происхождения {красное смещение) подтвердило второе важное следствие ОТО - о гравитационном замедлении времени во Вселенной. Уменьшение частот спектральных линий при красном смещении свидетельствует об увеличении периодов колебаний их источников, т.е. о более медленном течении времени.

2. Источники солнечной энергии.

Источники тепла и света Солнца - реакции термоядерного синтеза гелия и других химических элементов из водорода, протекающие в его недрах с выделением огромного количества энергии. Силы гравитации стремятся сжать Солнце, и в его центре температура вещества достигает приблизительно 1.6-107К. Этой температуры достаточно для синтеза гелия из водорода.

Возникающее электромагнитное излучение многократно поглощается и переизлучается, взаимодействуя с веществом и противодействуя сжатию Солнца. По мере удаления от центра температура и плотность солнечного газа падают. Излучение, покидающее Солнце, возникает в его тонком поверхностном слое -фотосфере, имеющем толщину 350 км. Его температура равна 5780 К. Полная мощность солнечного излучения составляет 3.86*1026Вт. Над фотосферой располагаются хромосфера толщиной несколько тысяч километров и корона,простирающаяся на миллионы километров. Из короны вырываются потоки заряженных частиц - солнечный ветер.

Цвет Солнца определяется его поверхностной температурой Т, определяющей частоту излучения. В настоящее время оно является желтым карликом.

Излучение Солнца представляет собой сумму излучений разной температуры: рентгеновского, ультрафиолетового, оптического, инфракрасного и радиоизлучения. Основную долю потока солнечной энергии составляет оптическое излучение, которое совпадает с излучением тела, нагретого до 5780 К.

На поверхности Солнца в фотосфере периодически возникают холодные темные области {солнечные пятна), вызванные изменением магнитного поля. Солнечные пятна существуют в среднем 10-20 суток, имеют температуру около 4000 К, достигают размеров 200 тыс. км и обладают большим локальным магнитным полем до 4000 Э (13=79.6 А/м), превышающим среднее в несколько тысяч раз. Такое интенсивное поле тормозит движение газовых потоков из глубин Солнца, и на его поверхность поступает меньше энергии. Поэтому на ней и возникают холодные и темные участки.

Пятна на Солнце впервые обнаружил Г.Галилей (1564-1642) с помощью сконструированного им телескопа, дающего увеличение в 30 раз. По перемещению пятен он установил, что Солнце вращается и оценил скорость его вращения.

В хромосфере и короне над фотосферным пятном возникает дополнительный поток рентгеновского излучения и выбрасываются потоки горячей плазмы - вспышки и протуберанцы. Через 8 минут на Земле вследствие этого возникает внезапное ионосферное возмущение с изменением условий радиосвязи в отдельных частотных диапазонах.

Появление большого количества солнечных пятен вызывает изменения солнечной активности с характерным периодом, приблизительно равным 11.2 земного года. Нулевой номер присвоен циклу, максимум активности которого был в 1750 г. В настоящее время наблюдается 23-й цикл с максимумом в конце 2000 г. На годы, соответствующие максимуму активности Солнца, часто приходятся яркие природные и исторические события: изменение климата, катастрофы, эпидемии, войны, революции и т.д.

Зависимость между циклами солнечной активности и многими явлениями в биосфере была установлена в начале XX века русским ученым А.Л.Чижевским (1897-1964).

Солнце, излучающее за счет выделения ядерной энергии, медленно эволюционирует по мере изменения своего химического состава. После выгорания водорода в его центре и образования гелиевого ядра выделение ядерной энергии в нем прекратится, и ядро начнет интенсивно сжиматься. Когда его температура достигнет 100 млн. градусов, начнутся ядерные реакции превращения гелия в углерод. Водород будет продолжать гореть в тонкой оболочке, окружающей гелиевое ядро. Оболочка при этом расширится, поверхностная температура уменьшится, и оно станет красным гигантом.

Из-за недостаточной массы Солнце закончит свою эволюцию на стадии гелиевого горения. К концу своей жизни оно сбросит свою оболочку - планетарную туманность и превратится в белого карлика, сжавшись до размеров Земли или меньше и став горячей звездой. Через миллиарды лет белый карлик охладится и постепенно превратится в черного карлика, не излучающего свет. которого составляет 6370 км.

Планеты земной группы. Планеты этой группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс,-- хотя и похожи друг на друга, но все же каждая из них имеет свои неповторимые особенности. Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам.

Юпитер -- пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы -- находится на среднем расстоянии от Солнца 5,2 а. е. Он является мощным источником теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой, имеет 28 спутников и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км.

Сатурн -- вторая по величине планета Солнечной системы. Он имеет кольца, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа, Кольца представляют собой плоскую систему из мелких камней, льдинок размером до 10 -- 20 м. Сатурн имеет 30 спутников и радиационные пояса.

Уран -- седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Он имеет систему колец. Вокруг него обращается 16 спутников: 6 из них обнаружены при наблюдении с Земли, а остальные -- с помощью космических аппаратов.

Нептун -- одна из самых удаленных от Солнца планет-- имеет 13 спутников. Период его обращения -- 164,8 года. Нептун находится на сравнительно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ограничивает возможность его детального исследования.

Современные астрономические средства наблюдений, в том числе космические аппараты открывают большие возможности дальнейших исследований не только планет-гигантов, но и всей Солнечной системы -- наиболее изученной части Вселенной.

9. Земля. Луна

1. Общие сведения. Земля - одна из 9 планет Солнечной системы, и, по-видимому, только на ней в нашей планетной системе есть жизнь. Атмосфера Земли насыщена кислородом. Земля имеет форму сплющенного у полюсов шара, среднее значение радиуса которого составляет 6370 км. Масса нашей планеты - 5.976-1024 кг, период обращения вокруг своей оси - 23 часа 56 минут 4 секунды, а период обращения вокруг Солнца - 365 суток 6 часов 9 минут 9 секунд, возраст - около 4.6 млрд. лет. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 150 млн. км. Наша планета имеет единственный естественный спутник - Луну, вращающуюся вокруг Земли под действием силы гравитационного притяжения. Среднее расстояние от Земли до Луны равно 384400 км. Вращение Земли вокруг оси вызывает смену дня и ночи, а наклон земной оси к плоскости околосолнечной орбиты и обращение вокруг Солнца - смену времен года в отдаленных от экватора районах. Земля обладает магнитным и связанным с ним электрическим полями. По оценкам ученых, вероятность появления такой планеты в нашей галактике приблизительно равна 1/10000.

Сушу Земли, которая занимает приблизительно 1/3 ее поверхности, образуют 6 материков и острова. На горы приходится около 1/3 поверхности суши, пустыни покрывают около 20% ее поверхности, леса - 30%, саванны и редколесья - около 20%, ледники - свыше 10%. Средняя глубина океана - около 3.5 км, наибольшая глубина (Марианская впадина в Тихом океане) - 11 км. Самая высокая вершина Земли (Эверест или Джомолунгма в Азии) - 8848 м. Самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове и равна приблизительно 15 км.

На Земле потепления не раз сменялись похолоданиями. Последнее оледенение закончилось около 10000 лет назад. В настоящее время среднегодовая температура на нашей планете составляет +15°С, максимальная температура поверхности суши -- +60QC (в тропических пустынях Африки и Америки), а минимальная - -90°С (в центре Антарктиды). Из всех планет Солнечной системы только Земля удалена от Солнца на такое расстояние, что температурные условия на ее поверхности оказались пригодными для жизни.

У Земли железоникелевое ядро, окруженное несколькими слоями горных пород. В составе Земли преобладают железо (34.6%), кислород (29.5%) и кремний (15.2%).

На Земле идет активная тектоническая деятельность, проявляющаяся в виде извержений вулканов, землетрясений, дрейфа континентальных плит, горообразования и других геологических процессов. Постоянное движение поверхности Земли обеспечивается ее внутренними запасами энергии. Наличие тектонической деятельности - признак эволюции планеты. Вулканическая активность и землетрясения вызваны движением плит земной коры. На Земле около 1000 действующих (регулярно извергающихся) вулканов. Ежегодно происходят примерно 100 сильных землетрясений. Континентальные плиты перемещаются в среднем на 2.5 см в год. Сущность тектонической деятельности - обмен веществом и энергией между недрами и поверхностью Земли. Она способствует формированию и сохранению атмосферы, гидросферы и рельефа поверхности, а также воздействует на земной климат и эволюцию биосферы. На рельеф планеты влияют тектонические, гидросферные, атмосферные и биологические процессы. Считается, что раньше тектоническая деятельность на Земле была более интенсивной. Геологическая история Земли не завершена. Земля является самоорганизующейся системой.

Сейчас природный баланс на Земле находится в состоянии относительного равновесия. Но загрязнение окружающей среды, быстрый рост населения (в настоящий момент на Земле проживают около 6 млрд. человек) и неразумное использование природных ресурсов могут нарушить его и сделать Землю непригодной для жизни.

2.Изучение Земли. Ключом к истории нашей планеты являются горные породы. Древнейшие из них имеют возраст 3.8 млрд. лет. Геологи составляют карту Земли, исследуют слагающие ее породы и пробираются в недра земной коры. Возраст, тип горной породы и обнаруженные в ней ископаемые остатки растений и животных помогают восстанавливать эпизоды истории Земли. Степень распада радиоактивных элементов в горной породе указывает время, когда она образовалась.

С глубин 200 км вещество недр Земли выносится на ее поверхность, и его можно исследовать. Вещество метеоритов рассматривается как реликтовый остаток прошлого, позволяющий делать вывод о типах вещества глубоких областей Земли. Также проводится зондирование земных недр сейсмическими волнами.

З.История представлений о Земле. Долгое время люди думали, что Земля плоская, хотя уже в VI в. до н.э, древнегреческие мыслители высказывали предположение о том, что она имеет форму шара. Великий математик Пифагор (ок. 580-500 гг. до н.э.) одним из первых предположил, что Земля имеет форму шара. В III в. до н.э. Эратосфен из Древней Греции, измерив дугу земного меридиана, обосновал шарообразную форму нашей планеты, заложив основы математической географии. Другой древнегреческий мыслитель Аристарх Самосский (320-250 гг. до н.э.) в том же веке высказал гипотезу о том, что Земля вращается вокруг Солнца, занимающего центральное положение во Вселенной. К сожалению, эта гениальная идея была отвергнута и забыта, и долгое время господствовало представление о центральном и неподвижном положении нашей планеты в космосе (геоцентризм), сформированное Аристотелем (384-322 гг. до н.э.) в IV в, до н.э. и развитое К. Птолемеем (ок.90-160) из Александрии Египетской. И только в XVI в. польский астроном Н.Коперник (1473-1543) доказал своими расчетами вращение Земли вокруг Солнца. А в XVII а. итальянский ученый Г.Галилей (1564-1642), впервые применив телескоп для изучения небесных явлений, подтвердил это экспериментально, Н.Коперник также высказал идею о вращении Земли вокруг своей оси, объяснив тем самым смену дня и ночи.

В соответствии с законами, установленными немецким астрономом И.Кеплером (1571-1630), Земля движется вокруг Солнца:

- по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;

- быстрее, когда она ближе к Солнцу, и медленнее - когда она дальше от него.

Английский ученый И.Ньютон (1643-1727) объяснил движение Земли вокруг Солнца действием силы всемирного тяготения и показал, что ее форма несколько отличается от шарообразной.

Первые гипотезы о возникновении Земли начали появляться в XVIII в. Французский ученый Ж.Бюффон (1707-1788) полагал, что наша планета возникла в результате столкновения Солнца и кометы. При этом в окружающее пространство, по его мнению, было выброшено множество «брызг», и одна из них стала Землей.

Немецкий философ И.Кант (1724-1804) считал, что Солнечная система возникла из огромного холодного облака пыли. Частицы такого облака беспорядочно двигались, притягивали друг друга, сталкивались и соединялись, образуя сгущения, которые впоследствии стали Солнцем и планетами.

Французский астроном и математик П.Лаплас (1749-1827) предложил гипотезу, согласно которой наша планетная система образовалась из вращающегося раскаленного газового облака. Остывая, оно сжималось, формируя кольца, которые затем превратились в планеты и Солнце.

Английский ученый Дж.Джинс (1877-1946) предположил, что когда-то вблизи Солнца пролетала другая звезда, вырвавшая из него своим притяжением часть вещества, из которого и возникли планеты.

Согласно гипотезе российского ученого О.Ю.Шмидта (1891-1956) миллиарды лет назад Солнце было окружено облаком, состоящим из частиц холодной пыли и замерзшего газа, двигающихся вокруг него. Из-за взаимного притяжения они слипались, и со временем из таких сгустков образовались планеты.

По современным естественнонаучным представлениям Солнце, Земля и другие планеты возникли одновременно из холодных межзвездных пыли и газа. Такое вещество постепенно уплотнялось, сжималось, а затем распалось на несколько неравных частей. Самый большой сгусток впоследствии стал Солнцем, а из плотных сгустков образовавшегося вокруг него газопылевого облака, имевшего форму диска и вращающегося вокруг Солнца, образовались планеты. Однако до сих пор остается много неясного и спорного в вопросе о происхождении Солнечной системы и ее составной части - Земли.

4. Эволюция Земли.

В конце XVIII в. шотландский ученый Дж.Гаттон утверждал, что облик Земли постоянно меняется и что ее возраст равен нескольким миллионам лет.

Сейчас установлено, что Земля возникла примерно 4.6 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого облака. Такой же возраст у многих лунных пород и метеоритов (каменных и металлических обломков пород, периодически падающих на Землю из космоса), что подтверждает гипотезу об одновременном возникновении Солнца и планет.

Земле потребовалось около 100 млн. лет, чтобы она сформировалась в твердый шар. Столкновения частиц космического вещества раскалили планету, ее поверхность расплавилась, и Земля засветилась красным светом.

Затем в результате внутреннего радиоактивного распада планета раскалилась еще больше и расплавилась целиком. В центре ее сконцентрировалось железо, а из более легких веществ стали формироваться оболочки. Потом поверхность остыла, и образовалась земная кора. Газы, выходящие из вулканов, сформировали атмосферу, а водяные пары - гидросферу. Произошло это более 3.8 млрд. лет назад. Вода заполнила впадины в земной коре, образовав океаны. Вода могла попасть на нашу планету и из космоса.

Первые живые организмы появились на Земле более 3.5 млрд. лет назад. Более 2-х млрд. лет назад простейшие сине-зеленые водоросли в процессе фотосинтеза начали выделять кислород, который стал накапливаться в атмосфере. Кора раскололась на континенты более 1 млрд. лет назад. Постепенно соединяясь и удаляясь, они заняли современное положение, Материковый дрейф продолжается и в настоящее время.

5. Оболочки Земли.

Земля имеет следующие оболочки, или геосферы: ядро (внешнее и внутреннее), мантию, земную кору, гидросферу и атмосферу.

В центре Земли находится твердый железоникелевый шар (80% железа и 20% никеля) радиусом 1270 км - внутреннее ядро. Температура в нем колеблется от 3200 до 4500 градусов по Цельсию.

Его окружает внешнее ядро толщиной около 2200 км, состоящее из расплавленного железа, серы и никеля. С жидким ядром связана природа земного магнетизма.

Далее следует мантия - слой твердых горных пород, образованных в основном соединениями кремния. Толщина мантии в среднем составляет около 2800 км. Температура в нижней мантии приблизительно равна 3700° С, но из-за высокого давления горные породы не плавятся, и мантия остается твердой. Однако в верхней части мантии имеется слой частично размягченных и пластичных пород.

Земная кора - это верхний слой твердых горных пород, выходящий на поверхность Земли. Толщина земной коры на континентах достигает 75 км, а в океанах в среднем равна 5 км. Температура на ее нижней границе примерно 1000° С. Половину массы земной коры составляет кислород, который находится в ней в основном в соединениях. Земная кора - источник разнообразных полезных ископаемых. Кора и самый верхний слой мантии составлены из отдельных частей -плит, скользящих по более глубокому размягченному слою мантии. Из-за этого движутся материки, а в местах стыка плит растут горы, возникают землетрясения и вулканы.

Гидросфера - это прерывистая водная оболочка Земли, расположенная между атмосферой и земной корой. Она представляет собой совокупность океанов и морей, вод суши, подземных вод, льда, снега, воды атмосферы и воды живых организмов. Основная масса гидросферы приходится на моря и океаны. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Это были бактерии и сине-зеленые водоросли. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой, что обеспечивает сложный круговорот воды на Земле.

Атмосфера - это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферу удерживает около Земли сила гравитационного притяжения. Толщина ее около 2000 км, и состоит она в основном из азота и кислорода. Атмосфера обеспечивает живые организмы кислородом и углекислым газом; защищает их от вредного ультрафиолетового излучения Солнца; регулирует температурный режим на поверхности Земли, предотвращая ее сильное охлаждение в ночное время; предохраняет нашу планету от метеоритов, большинство из которых сгорают в ней. Биосфера - это оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь. Она включает верхний слой земной коры, гидросферу и нижний слой атмосферы. Этот термин был впервые введен в 1875 г. австрийским геологом Э.Зюссом (1831-1914). В настоящее время на биосферу оказывает сильное влияние антропогенная деятельность.

Луна - это естественный спутник Земли, т.е. небесный объект, вращающийся вокруг нее под действием гравитационного поля. Естественные спутники других планет Солнечной системы также называют лунами.

Среднее расстояние от Земли до Луны равно 384400 км, наибольшее расстояние (в апогее) - 405500 км, а наименьшее (в перигее) - 363300 км. Радиус Луны - 1738 км. Период обращения вокруг Земли - 27 суток 7 часов 43 минуты (27.32 дней). Ускорение свободного падения на лунной поверхности составляет 1.63 м/с2. Масса Луны - 7.35-1022 кг.

Атмосферы на Луне нет (имеются лишь небольшие количества водорода, гелия, неона и аргона в сильно ионизованном состоянии) из-за слабого гравитационного поля, которое не может удерживать массивную газовую оболочку. Из-за отсутствия атмосферы температура на поверхности Луны изменяется от +127° С в дневное время до -173° С к концу лунной ночи. Однако на глубине 1 м температура почти всегда постоянная. Небо над Луной черное, т.к. для образования голубого цвета необходима атмосфера, рассеивающая преимущественно голубую часть солнечного спектра. Из-за резких перепадов температуры во время лунных суток вода в жидком состоянии на ней находиться не может, поэтому на Луне не могут жить ни растения, ни животные. На Луне царит полная тишина.

Луна не испускает свет, а только отражает солнечные лучи. Гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы океанов на Земле. Обращаясь вокруг Земли, Луна предстает перед нами в различных формах или фазах в зависимости от того, какая часть освещенной поверхности Луны видна с Земли.

Луна вращается вокруг Земли так, что всегда повернута к нам одним полушарием, т.к. время одного оборота Луны вокруг Земли равно времени одного ее оборота вокруг собственной оси. Предполагают, что в ранние периоды своей истории Луна вращалась вокруг оси быстрее и, следовательно, поворачивалась к Земле разными частями своей поверхности. Но из-за близости массивной Земли в твердом теле Луны возникали значительные изменения, которые привели к замедлению ее скорости вращения. Процесс торможения Луны продолжался до тех пор, пока она не оказалась постоянно повернутой к нам только одной стороной. Ученые предполагают, что Луна медленно удаляется от нас.

Луна обращается вокруг Земли по эллипсу. В соответствии с законами И.Кеплера (1571-1630) Луна движется быстрее, когда находится ближе к Земле, и медленнее, когда она расположена дальше от Земли. Но вокруг оси Луна вращается равномерно. Когда Луна находится между Землей и Солнцем, наступает солнечное затмение, а когда Земля оказывается между Солнцем и Луной, происходит лунное затмение. Это бывает в полнолуние. Интервал между двумя лунными затмениями -29 суток 12 часов 43 минуты (29.53 суток). Лунные затмения убедили древних философов, что Земля круглая, т.к. тень Земли, падающая на Луну, всегда имела округлую форму. Впервые научился предсказывать лунные и солнечные затмения древнегреческий астроном Гиппарх (ок. 180-125 до н.э.), который также определил продолжительность земного года и расстояние от Земли до Луны.