Астрономическая картина мира

 

 

Космология – наука о Вселенной как едином целом и ее эволюции.

 

Космогония – наука о происхождении и эволюции небесных тел.

 

 

Астрономические масштабы и астрономические единицы

По современным представлениям Вселенная возникла 12-15 млрд. лет назад из бесконечно малой точки. Все это время Вселенная расширяется. Поскольку ничто в природе не может двигаться быстрее скорости света, мы можем утверждать, что размеры Вселенной  не могут быть больше чем , где c – скорость света, а T – возраст Вселенной. Следовательно, верхнюю границу размеров Вселенной мы можем оценить как

Эта цифра настолько большая, что ее трудно осознать. Для астрономических измерений метр не очень подходящая мера длины. В астрономии удобнее расстояния измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за астрономический год. Мы можем рассчитать это расстояние в метрах

Еще одной удобной для астрономии единицей измерения расстояния является величина, которая называется парсеком (один парсек, два парсека...). Что это за величина?

За счет движения Земли вокруг Солнца, звезда, наблюдаемая с Земли, в разные времена года видна под различными углами (рис. 1). Видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя называется параллаксом. Различают параллакс, обусловленный вращением Земли (суточный параллакс), обращением Земли вокруг Солнца (годичный параллакс) и движением Солнечной системы в Галактике (вековой параллакс).

Годичным параллаксом звезды называют угол φ, на который изменится направление на звезду, если воображаемый наблюдатель переместится из центра Солнечной системы на земную орбиту (точнее на среднее расстояние от Земли до Солнца).

 

Рис. 1

Траектория Земли не очень сильно отличается от окружности и ее средний радиус примерно равен . (150 млрд. м. или 150 млн. км.). Кстати, это расстояние называется астрономической единицей и используется в качестве единицы измерения расстояний в пределах Солнечной системы: .

Поскольку, одна секунда это очень маленький угол, мы можем приблизительно оценить расстояние в один парсек по формуле:

;

;

.

Следовательно, один парсек примерно равен

Предельный радиус Вселенной, измеренный в парсеках

.

 

Первоначально слово "парсек" сокращали как пс. После перехода к системе СИ, чтобы не путать с пикосекундами, сокращают как "пк".

 

1 пк = 3.26 св. года = 206 265 а.е. = 3.086 1016 м.

1 а.е = 150 106 м .

Масса Вселенной, хотя и очень большая, но конечная, и по современным оценкам примерно равна тонн (оценивается по средней плотности вещества).

Наиболее распространенным элементом во Вселенной является водород с молярной плотностью 2 гр. или кг. Следовательно, во всей Вселенной примерно  молей вещества и, соответственно,  атомов. Возможно, это самое большое число, которое, когда-либо может нам встретиться.

Самым дальним объектом, открытым на сегодняшний день, является квазар на расстоянии 8 млрд. световых лет от нас. Если учесть, что радиус Вселенной не более чем 15 млрд. световых лет, то не так уж много осталось чтобы увидеть саму границу. Скорее всего, это невозможно, но может быть удастся когда-нибудь разглядеть волну света, отраженного от границы.

Астрономические объекты

1. Звезда. До 90% всего вещества Вселенной сосредоточено в звездах.

 

Ближайшей к нам звездой, исключая, конечно, Солнце, является Проксима Центавра.

 

Проксима Центавра - красный карлик, относящийся к звёздной системе Альфа Центавра, ближайшая к Земле звезда после Солнца. Слово "проксима" по-гречески означает Ближайшая.

 

Проксима Центавра расположена примерно в 4,22 светового года от Земли, что в 270 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца (астрономической единицы). Уточнённый параллакс (Космический телескоп Хаббла) равен 768,7 ± 0,3 угловой миллисекунды.

 

Параллакс звезды был впервые измерен в 1917 г., до этого ближайшей к Солнцу звездой считалась α Центавра.

 

В 2002 г. с использованием метода оптической интерферометрии было вычислено, что угловой диаметр Проксимы Центавра составляет 1,02 ± 0,08 угловых миллисекунды. Отсюда, с учётом приведённого выше расстояния до звезды, следует, что её фактический диаметр примерно в 7 раз меньше диаметра Солнца и только в 1,5 раза больше диаметра Юпитера. Масса Проксимы Центавра также примерно в 7 раз меньше массы Солнца и в 150 раз больше массы Юпитера.

 

Наибольшая скорость, достигнутая на сегодняшний день земными аппаратами – вторая космическая скорость равная 11 км./сек. Если лететь до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра с такой скоростью, то придется лететь 115 тыс. лет!

 

Звезда – это массивный газовый шар, разогретый до огромных температур и сжатый силами гравитации до таких давлений, что в его недрах протекают термоядерные реакции "горения" водорода и гелия. За счет этого звезда излучает энергию в межзвездное пространство.

 

Звезда – это межзвездная термоядерная топка.

 

Массы звезд принято измерять в единицах массы Солнца. Обычно массы звезд составляют от 0.1 до 50 масс Солнца.

 

Различают несколько типов звезд.

 

Нормальные звезды

Большинство звезд, в том числе и наше Солнце относятся к нормальным звездам. Средняя плотность вещества нормальных звезд примерно 1.4 г/см3.

Белые карлики

Сильно разогретые звезды небольшого размера. Средняя плотность вещества 50 кг/см3.

Нейтронные звезды

Вещество звезды настолько сильно сжато, что невозможно существование атомных ядер. Электроны соединяются с протонами и остаются одни нейтроны. Чудовищному гравитационному сжатию противостоят ядерные силы. Можно сказать, что такая звезда – это чудовищных размеров ядерное ядро. Соответственно и плотность вещества в такой звезде совпадает с плотностью вещества в атомном ядре: 1011 кг/см3.

Красный гигант

Когда в недрах звезды выгорает водород, звезда сжимается. Мощное световое и тепловое излучение, возникающее при термоядерной реакции, можно рассматривать, как фотонный газ. Фотонный газ препятствовал сжатию звезды. После сгорания водорода поток фотонов прекращается и звезда начинает сжиматься, одновременно разогреваясь. Температура ядра увеличивается до 100 млн. градусов. Оболочка звезды при этом расширяется, и ее температура падает, поэтому, звезда выглядит, как большой шар красного цвета.

Когда звезда сбрасывает оболочку и становится видна ее разогретая сердцевина, она превращается в белый карлик. Такова судьба нашего Солнца.

Если масса звезды больше массы Солнца в 1.4 раза, то она превращается в нейтронную звезду. Если масса звезды в 3 – 5 раз больше массы Солнца, то она превращается в черную дыру.

Черная дыра

Черная дыра – наиболее удивительный объект Вселенной, предсказанный теоретически. Это настолько сильно сжатая звезда, что поле тяготения на ее поверхности становится способным не выпускать даже электромагнитное излучение. За пределы черной дыры нечто не может вырваться, даже свет. Обнаружить ее можно только на фоне других звездных объектов по поглощению света от них.

 

2. Квазары удаленные космические объекты, являющиеся источником мощного радиоизлучения.

3. Пульсары – источники электромагнитного излучения, изменяющегося строго периодически. Считается, что пульсары – это быстро вращающиеся двойные нейтронные звезды.

4. Галактики – скопление большого количества звезд (до 100 млрд.) С большого расстояния галактики выглядят как отдельные звезды.

Ближайшей к нам галактикой является туманность Андромеды – 2 млн. световых лет.

Рис. 2 Туманность Андромеды

 

Наша галактика называется Млечный путь.

Современные каталоги содержат до 30 000 галактик.

 

Галактики бывают спиральные, эллиптические и неправильные.

 

4. Планеты – небольшие по отношению к Солнцу космические тела (менее 0.002 масс Солнца). Вещество в планетах сжато меньше чем в звездах и термоядерные реакции невозможны. Планеты светят отраженным светом и их обнаружить при помощи телескопов значительно труднее. По существу, о существовании других планет, кроме планет Солнечной системы, мы можем только догадываться, хотя нет никаких сомнений в том, что они существуют.

5. Кометы – небольшие космические тела, состоящие из застывшего газа и газовой оболочки. Кометы вращаются вокруг Солнца по сильно вытянутым орбитам и периодически проходят на небольшом по космическим масштабам от Земли. В этот момент их можно наблюдать в телескопы.

Концепция возникновения и развития Вселенной

Возможности человека в изучении Вселенной сильно ограничены привязанностью его к Земле, огромными масштабами расстояний временных рамок происходящих во Вселенной процессов. По существу единственным экспериментальным методом является метод наблюдения. Многие поколения астрономов работают на будущее. Они вынуждены проводить тщательные измерения и фиксировать их результаты, для того, чтобы ученые из далекого будущего смогли заметить процесс развития звездных систем. Сегодня мы не можем знать, какая точность потребуется в будущем для того чтобы в будущем сделать те или иные теоретические выводы. Поэтому астрономы всегда стремились к максимальной точности предельной аккуратности в измерениях. Измерения астрономов всегда поражали современников своей основательностью. Результаты астрономических наблюдений позволили Кеплеру открыть свои законы, Ньютону создать теорию тяготения. Точнейшие данные о движении планеты Меркурий были важнейшим свидетельством в пользу теории гравитации Эйнштейна.

Современная астрономия располагает мощнейшими оптическими и радиотелескопами. Появилась возможность прямого исследования планет Солнечной системы при помощи космических аппаратов.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории гравитации Эйнштейном и зарождением внегалактической астрономии (1920 гг.).

Решение уравнений гравитации Эйнштейна впервые было найдено советским математиком А.А. Фридманом в 1922-1924 гг. Из решения А.А. Фридмана следовало, что Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться.

Астрономом Э. Хабблом в 1929 г. было обнаружено красное смещение – сдвиг линий в спектрах далеких звезд, которое говорит о том, что звезды нашей Вселенной разбегаются. Это могло произойти, если в какой-то момент все небесные тела получили бы толчок. Если толчок сильный, то звезды так и будут всегда удаляться друг от друга и наш видимый мир будет становиться все больше и больше. Но если звезды в сегодняшней Вселенной разбегаются друг от друга, то когда-то они находились очень близко друг от друга. Следовательно в далеком прошлом был момент, когда все вещество Вселенной находилось в одной большой куче и вследствие огромных гравитационных сил, которые возникают в большой массе вещества, эта куча должна быть сжата до сравнительно небольших размеров. Чтобы из этой праматерии могла возникнуть современная Вселенная, должен произойти некий взрыв огромной мощности. Теорию возникновения Вселенной в результате взрыва впервые предложил в 1940 г. Г. Гамов. Эта теория так и называется – "Теория большого взрыва".

Под действием гигантских гравитационных сил вещество было сжато до состояния точки. В таком состоянии ничто находиться не может, поэтому физики так и говорят, что Вселенная возникла из ничего. В первоначальной праматерии не могли существовать не только атомы, но и элементарные частицы и фотоны. Через 10-12 с. температура упала настолько, что появились кварки. В настоящее время кварки не могут появиться в свободном состоянии: температура слишком низкая. Спустя примерно 10-3 с. из кваркового бульона выкристаллизовались протоны, нейтроны и другие элементарные частицы. Спустя несколько секунд начинается синтез водорода и гелия. Так из ничего за несколько секунд образовалось 1050 т. Вселенной.

 

Теория самого раннего этапа быстрого расширения Вселенной была создана Аланом Гутом (1980 г.). В соответствии с этой теорией размеры Вселенной удваивались каждые 10-34 с. Такое сверхбыстрое расширение Вселенной было названо инфляцией. Инфляция продолжалась недолго – до 10-32 с. За период инфляции Вселенная выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. В момент же предшествующий инфляции не было совсем ничего, что физики называют "ложным" или возбужденным вакуумом. Не было вещества, не было излучения. За период инфляции вакуум расширился и следовательно сильно охладился. Вселенная была пустой и холодной – почти как по Библии. Откуда же образовалась огромная температура? Оказывается, ложный вакуум, расширившись и охладившись, потерял устойчивость и, именно он и взорвался, породив то огромное количество энергии, которое мы наблюдаем и за счет которого и живем сегодня.

 

Схема рождения Вселенной.

 

Возбужденный вакуум, сжатый до состояния точки.

Быстрое расширение – инфляция.

↓ Через 10-32 с.

Холодная и пустая Вселенная размером в несколько сантиметров.

Взрыв возбужденного вакуума. Рождение энергии, резкое повышение температуры.

↓ 10-12 с.

Кварковый бульон.

↓ 10-3 с.

Рождение элементарных частиц.

↓ Конец первой секунды.

Вселенная занимала пространство не менее 1014 км.

↓ Первые секунды

синтез водорода и гелия. Рождение вещества в современном смысле.

↓ 10 – 15 млрд. лет и мы в настоящем времени.

Равномерное расширение видимой части Вселенной.

 

[50, Девис П. Суперсила, с. 187 – 204]

 

Как тут не вспомнить священное писание?

 

Правда не следует забывать, что все это только гипотезы и теориями они называются не вполне законно.

 

Возникновение и эволюция звезд

Звезды и звездные скопления имеют возраст от 106 до 1010 лет.

 

В общем виде звезды проходят в своем развитии следующие этапы:

1. Возникновение звезды в результате конденсации межзвездных пыли и газа, богатого водородом;

2. Превращение водорода в гелий в центре звезды (наиболее длительный и полезный этап);

3. При исчерпании водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется. Температура поверхности падает. Звезда превращается в красного гиганта.

4. Термоядерное загорание гелия в ядре, сопровождаемое иногда сбросом оболочки и образованием планетарной туманности.

5. Остывание остатка звезды, переход в период белого карлика.

 

В зависимости от начальной массы имеются варианты, о которых мы уже говорили.

 

Устройство Солнечной системы и характеристики планет

 

В Солнечную систему входит Солнце, 9 больших планет вместе с их 34 спутниками, более 100 000 малых планет (астероидов), расположенных между Марсом и Юпитером, и огромного количества комет.

Практически вся масса системы сосредоточена в Солнце, которое в 750 раз тяжелее всех остальных планет вместе взятых.

Размер Солнечной системы в поперечнике примерно 80 а.е., хотя некоторые кометы удаляются от Солнца не 105 а.е.

Солнце образовалось из газопылевой туманности примерно 5 млрд. лет назад. Из-за сильного сжатия внутренние слои Солнца нагрелись настолько, что стала возможной термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Предполагается, что в центральной части температура достигает 15 млн. градусов. Тепло, которое возникает при "сжигании" водорода излучается в мировое пространство и является источником, который поддерживает жизнь на Земле.

Диаметр Солнца в 109 раз больше земного.

Масса – примерно 2·1030 кг.

Диаметр – 14·108 м.

Внешняя оболочка Солнца, которая называется короной, имеет температуру порядка миллиона градусов.

 

 

Планеты земной группы

 

К планетам земной группы относят Землю, Меркурий, Венеру и Марс.

Меркурий самая близкая к Солнцу планета. Атмосферы практически нет. Поэтому поверхность Меркурия очень сильно похожа на поверхность Луны. Поверхность обращенная к Солнцу нагревается до 350 градусов. Температура ночью достигает -163 градусов. Меркурианские сутки – 176 земных. Поверхностные слои Меркурия состоят из силикатов (песчаников), а ядро железное.

Венера. Размеры, плотность, масса Венеры почти такие же как у Земли. Ускорение свободного падения – 8.6 м/с2. Вращается Венера в сторону обратную по отношению к Земле и другим планетам. Скорость обращения Венеры очень маленькая, вследствие этого сутки на Венере продолжаются 243 земных дня. Не Венере имеется атмосфера, которая на 97% состоит из углекислого газа. Всего 0.1% кислорода. Поверхность Венеры из-за парникового эффекта сильно разогревается (до 500°С). Для земного наблюдателя поверхность Венеры не видна из-за большого количества облаков, состоящих из капель водного раствора серной кислоты.

Земля находится на расстоянии примерно 150 млн. км. от Солнца. Радиус – 6378 км. Масса – 6 ·1024 кг. Возраст Земли примерно 4.5 млрд. лет.

Марс. Примерно вдвое меньше Земли и Венеры. Атмосфера Марса сильно разрежена и примерно в 100 раз менее плотная, чем на Земле. По составу она близка к атмосфере Венеры – 95% углекислого газа, 0.13% кислорода. Сутки на Марсе примерно такие же, как на Земле. Температура в зимний период опускается до -120ºС, летом не поднимается выше 20ºС. На северном и южном полюсе имеются ледяные шапки из замерзшего углекислого газа. Жизнь на Марсе пока не обнаружена.

Планеты-гиганты

Общая характеристика.

Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – гораздо массивнее планет земной группы, хотя и состоят из легких веществ. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. Уран и Нептун состоят в основном из льдов и каменистых веществ.

Принципиально непригодны для жизни.

Юпитер. Масса равна 318 земным массам. Диаметр 142 000 км. Юпитер не имеет твердой поверхности. Видимая поверхность Юпитера представляет верхний слой облаков. Атмосфера состоит из водорода и его соединений: метана и аммиака. Облака состоят из кристалликов и капелек аммиака. Атмосфера сжимаясь постепенно переходит в слой жидкого водорода толщиной 24 000 км. Далее идет слой металлического водорода в толщину 42 000 км. Внутри него располагается небольшое железосиликатное твердое тело.

Сатурн.

Сатурн состоит, в основном, из газа (водород и гелий) и не имеет привычной нам твёрдой поверхности. Относится к типу газовых планет.

 

Экваториальный радиус планеты равен 60300 км, полярный радиус – 54000 км; Сатурн – наиболее сплющенная планета Солнечной системы. Масса планеты в 95 раз превышает массу Земли, однако средняя плотность Сатурна составляет всего 0,69 г/см³, что делает её самой разреженной планетой Солнечной системы и единственной планетой, чья средняя плотность меньше воды.

 

Один оборот вокруг оси Сатурн совершает за 10 часов и 39 минут.

 

Кольца Сатурна состоят из частиц размером от нескольких микрон до десятков метров, в состав которых входит лёд, каменные породы, оксид железа. Существует множество колец, разделённых щелями, крупнейшая из которых – щель Кассини.

Уран. Содержание водорода составляет 83%, гелия – 15%, метана – 1,99%. Также обнаружены следы аммиака, этана и ацетилена.

Судя по всему, у Урана нет чётко выраженного ядра, и его вещество распределено более или менее равномерно. Голубой цвет планеты объясняется поглощением красного света атмосферным метаном.

Всего известно 27 спутников Урана. Четыре крупнейших из них – это Титания, Оберон, Ариэль и Умбриэль.

Уран обладает слабыми, почти незаметными, планетарными кольцами, состоящими из несветящихся частиц материи до 10 м в диаметре.

Нептун. У Нептуна, как и у других планет-гигантов, нет твердой поверхности, поэтому за уровень отсчета при измерении размеров планеты принимается уровень атмосферы, на котором давление составляет 1 бар. Экваториальный диаметр Нептуна равен 49528 км, полярный – 48680 км; его масса – 1.02×1026 кг – превосходит земную в 17,14 раз. Таким образом, эта планета немного меньше и тяжелее Урана. Средняя плотность Нептуна – 1,76 г/см³. Уровень солнечной энергии в окрестностях Нептуна очень мал и составляет около 8 Вт/м².

Плутон наиболее удаленная и мало изученная планета Солнечной системы. Бал открыт в 1930 г. Клайдом Томбо (США). Имеет примерно такой же состав, как и планеты гиганты.

Плутон был официально признан планетой Международным астрономическим союзом в мае 1930. В тот момент предполагали, что его масса сравнима с массой Земли, в действительности же масса Плутона почти в 500 раз меньше земной, даже меньше массы Луны. Диаметр Плутона равен 2274±16 км – примерно 2/3 диаметра Луны.

 

В связи с этим возникла идея не рассматривать более Плутон как планету, вызвавшая бурные дебаты. Многие предлагали называть объекты подобные Плутону планетоидами, то есть "планетами-карликами". Другие считали, что звание планеты – это "феномен культуры" и не подлежит пересмотру.

 

Окончательно, 24 августа 2006 года на XXVI Генеральной ассамблее Международного астрономического союза было принято решение впредь называть Плутон не "планетой", а "карликовой планетой".

 

Плутон был богом подземного царства в римской мифологии, греки называли его Аид (или Гадес).

 

Поверхность Плутона на снимках выглядит слегка красноватой, возможно, в результате присутствия органических соединений, образовавшихся из азота, метана и оксида углерода. На снимках телескопа им. Хаббла видны полярные шапки, вероятно, из замёрзшего азота. Более темные участки, скорее всего, покрыты метановым инеем, потемневшим под воздействием солнечного излучения. На планете также обнаружен этан. Чередование светлых и темных участков может представлять сезонное распределение инея на поверхности Плутона, хотя часть из них может быть связана с топографическими чертами, например, с бассейнами и ударными кратерами. Ядро планеты, вероятно, из силикатов. Это объяснило бы довольно высокую плотность планеты – 2,1 г/см³. Масса планеты примерно равна 1,27×1022 кг (0,002 массы Земли). Ускорение свободного падения на Плутоне – 0,66 м/с² (6,7 % от земного), вторая космическая скорость на поверхности планеты равна 1100 м/с.

 

Сайт управляется системой uCoz