Общие представления о Вселенной

Космос (от греч. hosmos – мир) – термин, идущий из древнегреческой философии для обозначения мира как структурно организованного и упорядоченного целого. Космосом греки называли Мир упорядоченный, прекрасный в своей гармонии в отличие от Хаоса – первозданной сумятицы. Сейчас подкосмосом понимают все находящееся за пределами атмосферы Земли. Иначе космос называют Вселенной (место вселения человека).

Вселенная – окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений. Вселенную в целом изучает астрономия.

► Астрономия (от греч. astron – звезда, nomos – наука) – наука о движении, строении, возникновении, развитии небесных тел, их систем и Вселенной в целом.

Основной методполучения астрономических знаний – наблюдение, поскольку, за редким исключением, эксперимент при изучении Вселенной невозможен.

Современная астрономия включает в себя несколько более узких научных дисциплин – астрофизику, астрохимию, радиоастрономию и др. Интенсивно развивается космология – раздел астрономии, тесно связанный с физикой.

► Космология (от греч. hosmos – мир и logos – учение) – область науки, в которой изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части.

Учитывая древнегреческое значение термина «космос» – «порядок», «гармония», – важно отметить, что космология открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Космология близко соприкасается с космогонией (от греч. hosmos – мир, gonos – рождение), разделом астрономии, изучающим происхождение космических объектов и систем. Вместе с тем подход космологии и космогонии к изучаемым явлениям различен – космология изучает закономерности всей Вселенной, а космогония рассматривает конкретные космические тела и системы.

Мир един, гармоничен и одновременно имеет многоуровневую организацию. Вселенная – это мегамир. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро– и мегамиры. При несомненном качественном отличии они взаимосвязаны. Так, наша Земля представляет макромир, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира. Вселенная представляет собой упорядоченную систему отдельных взаимосвязанных элементов различного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела.

Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды.

Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет.

Например: Солнце – это звезда, Земля – это планета, Луна – это спутник Земли. Небесные тела, находящиеся в зоне существенного действия силы тяготения звезды, образуют ее планетную систему.

Так, Солнечная система (или планетная система) – совокупность небесных тел – планет, их спутников, астероидов, комет, обращающихся вокруг Солнца под действием силы его тяготения. В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тысяч астероидов, множество комет.

Астероиды (или малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км до 1 км и менее, обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся и большие планеты.

Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет имеют маленькие размеры – несколько километров. У ярких комет при приближении к Солнцу появляется хвост в виде светящейся полосы, длина которого может достигать десятков миллионов километров.

Звезды вместе с их планетными системами и межзвездной средой образуют галактики. Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд звезд, обращающихся вокруг ее центра. Внутри галактики отмечают звездные скопления. Звездные скопления – группы звезд, разделенные между собой меньшим расстоянием, чем обычные межзвездные расстояния. Звезды в такой группе связаны общим движением в пространстве и имеют общее происхождение. Галактики образуют метагалактику. Метагалактика – грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.

В современной трактовке понятия «метагалактика» и «Вселенная» чаще отождествляют. Но иногда метагалактика толкуется лишь как видимая часть Вселенной, при этом Вселенная сводится к бесконечности. Однако если принять, что за пределами метагалактики существует космический вакуум, то такую форму материи трудно отнести к Вселенной, потому что там нет устойчивых элементарных частиц и атомов, нет звезд, нет галактик. Поэтому для бесконечного мира более подходит философское понятие материального мира, частью которого является Вселенная или метагалактика.

При изучении объектов Вселенной имеют дело со сверхбольшими расстояниями. Для удобства при измерении таких сверхбольших расстояний в космологии используют специальные единицы:

♦ Астрономическая единица (а. е.) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. Эта единица, как правило, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы. Например, расстояние от Солнца до самой удаленной от него планеты – Плутона – 40 а. е.

♦ Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, проходит за один год, – 10¹³ км; 1 а.е. равна 8,3 световой минуты. В световых годах определяют расстояние до звезд и других космических объектов, находящихся за пределами Солнечной системы.

♦ Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 светового года. Используют для измерения расстояний внутри звездных систем и между ними.

При определении расстояний до других галактик используют еще более крупные единицы – килопарсек (Кпк) – 10³ пк, мегапарсек (Мпк) – 10⁶ пк. Все сведения, накопленные человечеством о Вселенной, – результат наблюдений. Первые астрономические знания были получены еще мыслителями древнего мира. Астрономы стран Древнего Востока – Египта, Вавилонии, Индии, Китая – научились предсказывать наступления затмений, следили за движением планет. Эти астрономические знания, накопленные еще в VII–VI вв. до н. э., заимствовали древние греки.

В VI в. до н. э. великий ученый и философ Древней Греции Аристотель фактически выдвинул идею геоцентрического (от греч. geo – земля) строения Вселенной. Аристотель считал, что Земля и все небесные тела шарообразны. Шарообразность Луны он доказал, изучая ее фазы, а шарообразность Земли объяснил характером лунных затмений. На диске Луны край земной тени всегда круглый, а это может быть только при условии шарообразности Земли. Аристотель считал Землю центром Вселенной, крупнейшим ее телом, вокруг которого вращаются все небесные тела. Вселенная, по мнению Аристотеля, имеет конечные размеры, ее как бы замыкает сфера звезд. Таким образом, по Аристотелю, Земля – неподвижный центр Вселенной.

После Аристотеля некоторые ученые высказывали смелые и правильные догадки об устройстве Вселенной. Так, живший в III в. до н. э. греческий астроном Аристарх Самосский считал, что Земля обращается вокруг Солнца. Расстояние до Солнца он определял в 600 диаметров Земли. На самом деле вычисленное им расстояние в 20 раз меньше действительного, но во времена Аристарха Самосского и оно казалось невообразимо огромным. Однако это расстояние мыслитель считал ничтожным по сравнению с расстояниями от Земли до звезд. Но гениальные мысли Аристарха Самосского не были поняты современниками.

Во II в. до н. э. окончательно сформировалась геоцентрическая система мира. Александрийский астроном Птолемей обобщил существовавшие до него представления. Согласно модели Птолемея, вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. Движение Луны, Солнца, звезд правильное круговое, а движение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Эта точка, в свою очередь, движется по окружности, в центре которой находится Земля.

В течение многих столетий геоцентрическая система считалась единственно верной – она согласовывалась с библейским описанием сотворения мира. И только в период Возрождения началось развитие альтернативной мысли.

Гелиоцентрическая система (от греч. helios – солнце) связана с именем польского ученого Николая Коперника (XV в.). Он возродил гипотезу Аристарха Самосского о строении мира: Земля уступила место центра Солнцу и оказалась третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. Коперник путем сложных математических расчетов объяснил видимые передвижения планет вокруг Солнца.

Учение Коперника имело революционное значение для последующего развития науки. После 30 лет упорного труда, долгих размышлений и сложных математических расчетов ученый доказал, что Земля – только одна из планет, а все планеты обращаются вокруг Солнца. При этом звезды Коперник считал неподвижными. Он полагал, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд, которые расположены на невообразимо огромных, но все-таки конечных расстояниях от нас и от Солнца. Таким образом, в учении Коперника утверждались представления об огромных размерах Вселенной, но не бесконечности ее.

Смело развил идею бесконечности Вселенной великий итальянский мыслитель Джордано Бруно (XVI в.). По Бруно, огромное Солнце – всего только одна из звезд. Каждая звезда – такое же Солнце. Звезд бесконечное множество, они окружены планетами, на которых может быть жизнь. Бруно высказал догадки, что и Солнце, и звезды вращаются вокруг своих осей, а в Солнечной системе, кроме известных планет, существуют и другие, пока еще не открытые.

С изобретением телескопа итальянский ученый Галилео Галилей в первой половине XVII в. сделал выдающиеся открытия, которые подтвердили учение Коперника и догадки Бруно. Галилей пришел к выводу, что вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам. Обнаружив спутники у Юпитера, Галилей пришел также к выводу о том, что не только Земля и Солнце могут быть центрами обращения небесных тел. Одновременно с Галилеем выдающиеся открытия в астрономии сделал немецкий ученый Иоганн Кеплер, сформулировав законы движения тел в Солнечной системе. Таким образом, к началу XVIII в. были достигнуты выдающиеся успехи в астрономии: открыты строение Солнечной системы и законы движения входящих в нее небесных тел; стало ясно, что Солнце – только одна из звезд в бесконечной звездной Вселенной. Дальнейшее развитие астрономии шло по пути накопления новых фактов и поиска вариантов их объяснения.

Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселенной (от лат. evolution – развертывание, развитие). Эти вопросы рассматривает космология – наиболее интенсивно развивающаяся область астрономии.

Изучение эволюции Вселенной основано на следующем:

♦ универсальные физические законы считаются действующими во всей Вселенной;

♦ выводы из результатов астрономических наблюдений признаются распространимыми на всю Вселенную;

♦ истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).

При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной.

► Молель (от лат. modulus – образец, норма) – это схема определенного фрагмента природной или социальной реальности (оригинала), возможный вариант его объяснения. В процессе развития науки старая модель заменяется новой моделью.

В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселенной.

Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна (см. главу 3). Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства материи, пространства и времени следует, что с исчезновением материи исчезли бы и пространство, и время. Таким образом, до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, связывающие распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе в 1917 г. разработал статистическую модель Вселенной.

Согласно этой модели, Вселенная обладает следующими свойствами:

♦ однородностью, то есть имеет одинаковые свойства во всех точках;

♦ изотропностью, то есть имеет одинаковые свойства по всем направлениям.

Из теории относительности следует, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сужаться. Таким образом, Вселенная обладает еще одним свойством – нестационарностью. Впервые выводо нестационарности Вселенной сделал А. А. Фридман, российский физик и математик, в 1922 г.

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемое красное смещение.

► Красное смешение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смешаются к его красному концу.

Сущность этого явления заключается в следующем: при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны, соответственно, увеличивается, поэтому при излучении происходит «покраснение», то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Э. Хаббл исследовал спектры дальних галактик и установил, что их спектральные линии смещены в сторону красных линий, что означает «разбегание» галактик. Последующие исследования показали: галактики с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. При этом скорость «разбегания» галактик, исчисляемая десятками тысяч километров в секунду, прямо пропорциональна расстоянию между ними. Так был установлен факт расширения Вселенной.

На основе результатов проведенных исследований Э. Хаббл сформулировал важный для космологии закон (закон Хаббла):

► Чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга.

Это означает, что Вселенная нестационарна: она находится в состоянии постоянного расширения.

Из положения о том, что Вселенная в настоящее время находится в состоянии расширения, ученые, оперируя математическими моделями, пришли к заключению, что когда-то, в далеком прошлом, она должна была находиться в сжатом состоянии. Расчеты показали, что 13–15 млрд лет назад материя нашей Вселенной была сконцентрирована в необычайно малом объеме, около 10^-33 см³, и имела огромную плотность – 10⁹³ г/см³ при температуре 10²⁷ К. Следовательно, начальное состояние Вселенной – так называемая «сингулярная точка» – характеризуется практически бесконечными плотностью и кривизной пространства, сверхвысокой температурой. Полагают, что наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи – Большому взрыву Вселенной. Представление о Большом взрыве является составной частью модели расширяющейся Вселенной. Концепция Большого взрыва, логично объясняя многие моменты эволюции Вселенной, не отвечает на вопрос, из чего же она возникла. Эту задачу решает теория инфляции.

Теория инфляции, или теория раздувающейся Вселенной, возникла не в противовес, а в дополнение и развитие концепции Большого взрыва. Как следует из этой теории, Вселенная возникла из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. В соответствии с современными научными представлениями в вакууме отсутствуют физические частицы, поля и волны. Однако в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются за счет энергии вакуума и тут же исчезают. Когда вакуум по какой-то причине в некоторой точке возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные частицы. Этот период зарождения Вселенной и называют фазой раздувания (или инфляции). В фазе инфляции пространство нашей Вселенной увеличивается от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Такое расширение в 10⁵⁰ раз больше, чем предполагалось в концепции Большого взрыва. К концу фазы раздувания Вселенной образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией.

При разрушении возбужденного вакуума высвободилась гигантская энергия излучения, а некая суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Из-за необычайно высокой температуры и огромного давления Вселенная продолжала раздувание, но теперь уже с ускорением. В итоге сверхплотная и сверхгорячая материя взорвалась. В момент Большого взрыва тепловая энергия превращается в механическую и гравитационную энергии масс. Это означает, что Вселенная рождается в соответствии с законом сохранения энергии.

Таким образом, основная идея теории инфляции состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях своего возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, то есть из ничего. Объясняя происхождение Вселенной из возбужденного вакуума, теория инфляции пытается решить одну из основных проблем мироздания – проблему возникновения всего (Вселенной) из ничего (из вакуума).

В середине XX в. формулируется концепция горячей Вселенной. Согласно данной концепции, на ранних этапах расширения, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была очень горячей: излучение доминировало надвеществом. При расширении температура падала, и с некоторого момента пространство стало для излучения практически прозрачным. Излучение, сохранившееся с начальных моментов эволюции (реликтовое излучение), равномерно заполняет всю Вселенную до сих пор. Вследствие расширения Вселенной температура этого излучения продолжает падать. В настоящее время она составляет 2,7 К.^[4] Открытие реликтового излучения в 1965 г. явилось наблюдательным обоснованием концепции горячей Вселенной. Было выявлено фундаментальное свойство Вселенной – она горячая. Таким образом, в соответствии с моделью, разработанной на основе теории относительности, расширяющаяся Вселенная – однородная, изотропная, нестационарная и горячая

Убедительными аргументами, подтверждающими обоснованность космологической модели расширяющейся Вселенной, являются установленные факты. К числу таких фактов относятся следующие:

♦ расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла;

♦ однородность светящейся материи на расстояниях порядка 100 Мпк;

♦ существование реликтового фона излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К.

Возраст Вселенной, согласно современной космологической концепции ее происхождения и развития, исчисляется с начала расширения и оценивается в 13–15 млрд лет. Современная астрономия интенсивно развивается: открыты новые космические объекты, установлены ранее неизвестные факты. К числу сравнительно недавно открытых космических объектов относятся квазары, нейтронные звезды, черные дыры.

Квазары – мощные источники космического радиоизлучения, которые, как предполагают, являются самыми яркими и далекими из известных сейчас небесных объектов.

Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов, образующиеся, вероятно, в результате вспышек сверхновых звезд.

Черные дыры (или «застывшие звезды», «гравитационные могилы») – объекты, в которые, как предполагают, превращаются звезды на заключительной стадии своего существования. Пространство черной дыры как бы вырвано из пространства метагалактики: вещество и излучение «проваливаются» в нее и не могут «выйти» обратно.

Исследование предельно далеких галактик привело к неожиданному открытию, вызвавшему кардинальный пересмотр представлений о динамике расширения Вселенной и о роли в ней обычной материи. Было установлено, что в настоящее время Вселенная расширяется ускоренно. Агент, вызвавший это ускорение, получил название темной энергии. Природа темной энергии пока неизвестна.

Вновь установленные факты изучаются с позиций эволюционного подхода к решению вопросов о происхождении и развитии Вселенной, согласно которому Вселенная выступает как результат дифференциации и усложнения форм организации материи.

Галактики

Вселенная образована огромным количеством галактик. Галактика (от греч. galaktikos – молочный, млечный) – звездная система, в свою очередь образованная звездами различных типов, звездными скоплениями. Помимо звездв состав галактик могут входить газовые, пылевые туманности и др. Разным галактикам соответствуют различные, но вполне определенные элементы. Состав галактик зависит от ее возраста и условий развития. Полагают, что среднее расстояние между галактиками 2 млн световых лет, а типичная скорость движения галактик – около 1000 км/с. Согласно расчетам, для прохождения расстояния до ближайшей галактики-соседки требуется около 1 млрд лет, и возможность столкновения любой галактики с себе подобной галактикой не исключена.

Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Предположения о множественности галактик высказывались еще в середине VIII в., но доказательства их существования появились только в первой четверти XX в. Галактики образуют метагалактику (Вселенную), размеры которой оцениваются в 15–20 млрд световых лет, а возраст – в 13–15 млрд лет. Некоторые галактики излучают радиоволны с потрясающей мощностью. Предполагают, что в них существует магнитное поле, тормозящее движение находящихся там элементарных частиц, а это вызывает радиоизлучение.

В 60-х гг. XX в. были открыты квазары – квазизвездные радиоисточники – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Природа квазаров пока неясна. Возможно, квазары представляют собой ядра новых галактик, а значит, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Галактики имеют свой центр (ядро), они различаются по форме, в соответствии с которой их классифицируют как спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные Вследствие удаленности галактик свет от входящих в них миллиардов звезд сливается, создавая впечатление светящегося туманного вещества, поэтому галактики получили название туманностей.

Ближайшая к нам большая галактика – наблюдаемая в созвездии Андромеды туманность – Туманность Андромеды. Это спиральная галактика, находящаяся от на нас расстоянии около 2 млн световых лет. Она была открыта в 1917 г. как первый внегалактический объект. В 1923 г. путем спектрального анализа в этом объекте были обнаружены звезды и таким образом доказана его принадлежность к другой галактике. Туманность Андромеды имеет спутники эллиптической или шаровидной формы – более мелкие галактики. Еще одна спиральная галактика находится в созвездии Треугольника. По размерам она меньше Туманности Андромеды и не имеет спутников.

Галактики образуют группы галактик. Таких групп во Вселенной множество, они могут быть малыми и большими. Так, огромное облако, наблюдаемое в созвездии Девы, состоит из сотен галактик. В состав одной из групп – Местного скопления – входят спиральные галактики вместе со своими спутниками: Туманность Андромеды, галактика в созвездии Треугольника и наша Галактика.

Наша Галактика – это звездная система, в которую входят все звезды, видимые в созвездиях, и все звезды Млечного Пути, а также газовые и пылевые туманности.

Пылевые туманности – облака в межзвездном пространстве, образованные очень мелкой космической пылью.

Космическая пыль препятствует прохождению света от звезд, поглощая его. В большей степени поглощается коротковолновая, сине-зеленая часть спектра, поэтому свет звезд становится более желтоватым и даже красноватым. Космическая пыль является существенной помехой для исследований, поскольку она искажает свет звезд, ослабляет их блеск, а более далекие из них делает совсем невидимыми. Полагают, что в малой доле космическая пыль образуется от столкновения и разрушения мелких твердых тел, но в своей основной массе она возникает, вероятно, вследствие сгущения межзвездного газа.

Межзвездный газ был обнаружен по линиям поглощения в спектрах звезд. В его состав входит преимущественно водород, в меньшей степени – гелий; содержание азота и других легких газов небольшое. Межзвездный газ в крайне низких концентрациях имеется в большей части межзвездного пространства, а в отдельных местах образует скопления – газовые туманности Считают, что газ в туманностях частично является остатком тех газов, из которых когда-то возникли звезды, а также возникают и теперь: он выбрасывается звездами. В местах скопления газа может содержаться значительное количество космической пыли – это газово-пылевые туманности. Газовые и газово-пылевые туманности благодаря их свечению изучают с помощью астрономических приборов. Свечение газов в крупных газовых туманностях можно наблюдать потому, что толщина их огромна, а общая масса составляет от нескольких десятков до сотен тысяч масс Солнца. Газовые туманности бывают разных размеров и различной, чаще неправильной, формы. Туманности правильной, округлой формы – небольшие. Их называют планетарными.

В отличие от крупных газовых туманностей масса планетарных туманностей очень мала: она составляет десятые и даже сотые доли массы Солнца. В центре каждой такой туманности имеется ядро – небольшая звездочка. Полагают, что это самые горячие из звезд, поскольку их излучение заставляет светиться планетарную туманность. Планетарные туманности образуются из газов, выделяемых звездой. Они недолговечны, поскольку медленно, со скоростью нескольких километров в секунду, расширяются в пространстве и со временем рассеиваются. Согласно расчетам, планетарные газовые туманности могут быть видимыми около 10 тыс. лет.

Две туманности, наблюдаемые в южном полушарии неба, представляют собой галактики неправильной формы. Это Большое и Малое Магеллановы Облака – спутники нашей Галактики. Расстояние до них оценивается в 120 тыс. световых лет, а размеры этих галактик составляют 26 и 17 тыс. световых лет. По данным исследований, они состоят из звезд всевозможных типов, а также из газовых и пылевых туманностей. В них есть рассеянные и шаровые звездные скопления. Наша Галактика по форме очень похожа на Туманность Андромеды, обе имеют спутники. По размерам наша Галактика несколько меньше.

Наша Галактика называется Млечный Путь. Млечный Путь опоясывает все небо как гигантская светящаяся лента. Это довольно большая галактика, имеющая диаметр около 100 тыс. свет. лет и включающая в себя более 100 млрд звезд, в том числе Солнце. Полная масса Галактики равна 150 млрд солнечных масс. Более яркие, близкие звезды расположены тем гуще, чем они ближе к средней линии Млечного Пути. Среднюю линию Млечного Пути называют галактическим экватором. Плоскость галактического экватора – это плоскость симметрии нашей звездной системы.

Звездные скопления, звезды, газовые туманности, облака космической пыли – 95 % массы Галактики – сосредоточены в основном в районе этой плоскости. Только шаровые звездные скопления и звезды некоторых типов не подчиняются этому закону: они заполняют сферический объем, концентрируясь со всех сторон к центру Галактики. На долю сферической составляющей приходится около 5 % вещества Галактики. Таким образом, большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. Наша Солнечная система находится очень близко к галактической плоскости, в которой звезды расположены наиболее тесно.

Из-за облаков пыли, ослабляющих свет далеких звезд, очень трудно выяснить подробности строения Галактики. Установлено, что Наша Галактика имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две (возможно, более) спиральные ветви. Они состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и закручиваются вокруг ядра. Расположение спиральных ветвей точно пока не выяснено, но Солнце находится между ними, а самые горячие и яркие звезды группируются в звездных облаках, непосредственно образующих спиральные ветви.

Много неясного связано с ядром Галактики. Его линейные размеры оценивают приблизительно в 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного излучения. Однако на звездном небе ядро Галактики не видно, поскольку заслонено облаками космической пыли, через которые его свет не доходит до нас. Ядро можно наблюдать, только применяя особые способы фотографирования. Вокруг ядра Галактики все звезды вращаются с разной скоростью. Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики – около 250 км/с. На один оборот ей требуется примерно 200 млн лет. Расстояние от Солнца до центра Галактики – около 30 тыс. световых лет, а до ее края – несколько меньше. Чем ближе к краю Галактики, тем разреженнее звезды.

Свет всех далеких и слабых звезд сливается для нас в сплошное кольцо Млечного Пути. Предполагают, что вокруг многих звезд должны быть планетные системы. Даже если только на тысячу звезд приходится одна обитаемая планета, то и тогда во всей Галактике таких планет должно быть 100 миллионов.

Звезды

Звезды – самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов. Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние от Земли до Солнца – 8,3 световой минуты. Состав звезд, а также их температуру исследуют посредством спектрального анализа. Спектральный анализ – астрофизический метод, изучающий химический состав светил с помощью исследования их спектров.

Изучение спектров звезд позволило сделать вывод о том, что они состоят из атомов тех же химических элементов, что и все тела на Земле. В составе звезд преобладают водород (около 50 % по массе) и гелий (около 40 %). Атомы остальных химических элементов встречаются почти в таком же соотношении, как и на Земле. Вещество звезд представляет собой раскаленный газ. С учетом того, что масса звезд гораздо больше массы планет, понятно, что подавляющее большинство вещества Вселенной находится в состоянии раскаленного газа. При этом очень малая его доля находится в твердом и жидком состоянии, а живое вещество, даже если у многих звезд имеются обитаемые планеты, составляет ничтожную часть.

Внутреннее строение звезд рассчитывается, исходя из следующего: элементарные частицы – электроны, протоны, фотоны и др. – одни и те же и в звездах, и на Земле. Поэтому при изучении внутреннего строения звезд применяют общие законы физики. Согласно современным представлениям, звезды светят вследствие того, что в их недрах происходят ядерные реакции: водород превращается в гелий, в результате чего и освобождается атомная энергия. Поскольку содержание атомов водорода в звездах велико, за счет таких преобразований большинство звезд может излучать энергию. Вследствие происходящих атомных превращений постепенно меняется их химический состав, что может служить указанием на направления звездной эволюции.

Впечатление о бесчисленности звезд, видимых невооруженным глазом, ошибочно. В безлунную ночь в ясную погоду на небе видно всего лишь 3000 звезд. Мерцание звезд усиливает впечатление об их бесчисленности – одни и те же звездочки кажутся то ярче, то слабее из-за того, что между ними и нами протекают струйки воздуха различной плотности. Изучение звезд было вызвано потребностями материальной жизни общества – необходимостью ориентирования при путешествиях, создания календаря, определения точного времени. Еще в глубокой древности звездное небо было разделено на созвездия.

Созвездия – участки, на которые разделяют звездное небо по фигурам, образуемым яркими звездами. Всего насчитывается 88 созвездий, ими пользуются для ориентировки на звездном небе. Принадлежность звезды к одному созвездию – это их видимая, или перспективная, близость. На самом деле звезды, причисляемые к одному созвездию, находятся на самых различных расстояниях от нас.

Наблюдаемые на небе звезды характеризуются различным блеском, интенсивность которого определяется звездной величиной.

Звездная величина – принятая в астрономии единица измерения видимого блеска звезд и других небесных тел. Чем слабее светится звезда, тем больше число, обозначающее ее звездную величину.

Самые яркие назвали звездами первой величины. Самые слабые из видимых невооруженным глазом относят к звездам шестой величины. Звезды первой величины ярче звезд шестой величины в 100 раз. В бинокль видны звезды восьмой-девятой величин, а в телескоп – еще более слабые. Звезд первой величины на всем небе около 20. Звезд второй величины, таких, как главные звезды созвездия Большой Медведицы, – около 70. Всего видимых звезд, то есть звезд шестой величины и ярче, около 6000. Учитывая, что над горизонтом видна только половина всего неба, одновременно наблюдать можно максимально около 3000 звезд(см. выше).

Звездная величина не имеет прямого отношения к действительной интенсивности испускаемого звездой излучения. Истинная сила света звезды характеризуется светимостью. Светимость определяется как отношение силы света звезды к силе света Солнца.

Зная расстояние до звезды и ее видимый блеск с Земли, вычисляют, каким был бы блеск звезды, если бы она находилась на расстоянии Солнца. Отношение такого предполагаемого блеска звезды к блеску Солнца характеризует ее светимость. Если светимость звезды равна 5, то это значит, что она в 5 раз ярче Солнца. Если светимость обозначается 0,2, то такая звезда в 5 раз слабее Солнца. Наибольшей известной светимостью, в 400 раз большей светимости Солнца, обладает звезда S из созвездия Золотой Рыбы.

Число звезд большой светимости среди звезд, видимых невооруженным глазом, непропорционально велико, так как такие звезды видны на больших расстояниях. На самом деле звезды большой светимости в окрестностях Солнца встречаются гораздо реже, а звезды с меньшей светимостью – чаще. Из 20 ближайших к нам звездтолько 3 видны невооруженным глазом, а из 20 звезд, кажущихся нам яркими, только 3 входят в число ближайших.

Основной метод определения расстояний до звезд состоит в измерении их видимых смещений, вызываемых обращением Земли вокруг Солнца. По смещению, величина которого обратно пропорциональна расстоянию, вычисляют и само расстояние. Годичные смещения звезд составляют обычно доли микронов, реже – несколько микронов. Расстояние до звезд может определяться и другими способами: например, исходя из светимости звезды и ее блеска.

Наблюдаемые с Земли звезды различного цвета: голубоватые, белые, желтые, оранжевые и красные. Цвет звезд соответствует температуре их поверхности. Голубоватые звезды самые горячие – температура на их поверхности составляет десятки тысяч градусов. Температура белых звезд – порядка 10³ К, желтых (как наше Солнце) – около 6000 К, а красных – 3000 К и ниже. По направлению к центру звезды температура повышается и в центре достигает миллионов и десятков миллионов градусов. В недрах звезд происходит превращение водорода в гелий, эти реакции поддерживают мощное тепловое и световое излучение звезд в течение огромных промежутков времени. Было установлено, что не только количество, но и качество излучения (цвет) определяется температурой. Раскаленное тело излучает свет всех цветов (всех длин волн), но в зависимости от температуры накала максимум излучения приходится на различные области спектра, вследствие чего суммарное излучение имеет то красный, то белый, то голубоватый цвет. Изучение звездных температур производят на основе спектрального анализа или посредством измерения количества тепла, приходящего от него на Землю.

Звездный мир чрезвычайно многообразен. Различают несколько видов звезд: это гиганты и карлики, одиночные, двойные и кратные, переменные и новые. Звезды-гиганты – огромные звезды, в миллионы раз больше Солнца по объему. Такие звезды встречаются редко. Самые большие звезды называются сверхгигантами. Так, сверхгигант Антарес в созвездии Скорпиона по диаметру в 450 раз больше Солнца, а оно больше Земли в диаметре в 109 раз. Звезды-карлики, напротив, имеют относительно небольшие размеры. В зависимости от цвета звезды различают красные и белые карлики. Красные карлики меньше Солнца по диаметру примерно в 10 раз. Считают, что именно они составляют большую часть звезд. Белые карлики имеют еще более мелкие размеры и встречаются редко.

Звезды сильно различаются по плотности: чем больше звезда, тем меньше ее плотность. Так, у звезд-гигантов плотность газов, из которых они состоят, очень мала – в сотни тысяч раз меньше плотности воды, а средняя плотность белых карликов в 30 раз больше плотности воды. Средняя плотность Солнца в 1,4 раза больше плотности воды.

Двойные звезды – системы, состоящие из двух звезд, каждая из которых обращается вокруг их общего центра тяжести. Обычно более яркую звезду в паре называют главной, а другую – ее спутником.

Ярчайшая звезда неба Сириус – двойная. Спутник этой звезды – белый карлик – обращается вокруг главной звезды за 50 лет и отстоит от нее в 20 раз дальше, чем Земля от Солнца.

Среди двойных звезд различают так называемые спектрально-двойные звезды – тесные пары звезд, которые нельзя увидеть раздельно при помощи современных оптических средств. Двойственность их обнаруживается по периодическим смещениям линий в спектрах.

Системы, состоящие из трех, четырех или более звезд, называются кратными звездами. Кратные звезды встречаются значительно реже, чем двойные.

Ближайшая к нам звезда α-Центавра, видимая в Южном полушарии Земли, в действительности представляет собой систему, которая состоит из двух главных звезд, очень сходных с нашим Солнцем. Период их обращения почти 80 лет, а среднее взаимное расстояние в 23 раза больше расстояния от Земли до Солнца. У этих двух звезд есть спутник – красный карлик. Таким образом, α-Центавра – тройная звезда.

Переменные звезды – звезды, блеск которых со временем меняется. Параллельно с изменением блеска меняются их цвет и температура, а иногда и размеры.

Причиной переменности может являться периодическое затмение одной звезды другой. Но гораздо чаще происходят действительные изменения размеров и температур звезд: они сжимаются и расширятся – пульсируют. Промежутки между моментами наибольшего сжатия или расширения у одних переменных звезд составляют годы, у других – только часы.

В зависимости от характера изменения блеска и причин, его вызывающих, переменные звезды подразделяются на различные типы.

Затменные переменные звезды – очень тесные двойные звезды, плоскость орбиты которых проходит через луч зрения. При обращении вокруг общего центра тяжести обе звезды попеременно закрывают друг друга, так что общий блеск системы во время затмений ослабевает.

Другой разновидностью переменных звезд являются цефеиды. Их так называют по типичной представительнице этого класса звезд звезде д в созвездии Цефея. Все цефеиды являются звездами-гигантами и сверхгигантами. Изменение блеска у них происходит строго периодически. Открытие зависимости между периодом изменения блеска у цефеид и их светимостью дало возможность определять расстояние до очень далеких звездных систем, если в них имеются цефеиды.

Цефеиды – пульсирующие звезды. Пульсирует, расширяясь и сжимаясь, все тело звезды. При сжатии ее происходит нагревание, а при расширении – охлаждение. Изменение размера и температуры поверхности звезды и вызывает колебания ее излучения.

Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Это некоторые красные карлики.

Изменения, происходящие в звезде за время вспышки, столь велики, что за несколько суток небольшая звезда-карлик превращается в гиганта. Блеск ее увеличивается более чем в 10 тыс. раз. От нее отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве. В наибольшем своем блеске раздувшаяся оболочка больше нашего Солнца по диаметру в сотни раз. Новая звезда в большом блеске остается недолго, обычно около суток, затем ее блеск начинает ослабевать и звезда вновь сжимается до прежних размеров.

Исследованиями установлено, что в нашей Галактике ежегодно происходит около 100 вспышек новых звезд, но мы замечаем лишь ближайшие из них. Вспышка не означает возникновения или уничтожения звезды. Через некоторый промежуток времени эта же звезда может вспыхнуть вновь. Вспышки являются следствием нарушения устойчивости звезды, вызванного внутренними причинами. Сущность этих причин пока не выяснена. Иногда в нашей и других галактиках наблюдаются вспышки сверхновых звезд. При таких вспышках звезды излучают свет в миллионы и в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Сверхновые звезды – явление крайне редкое. Последней сверхновой звездой, наблюдавшейся в нашей Галактике, была звезда, которую наблюдал Кеплер в 1604 г. Таким образом, даже в таких гигантских звездных системах, как наша, вспышка сверхновой звезды бывает один раз в несколько столетий.

Согласно расчетам, допускают, что в ряде случаев в результате вспышки сверхновой остаток звездной массы катастрофически сжимается и звезда превращается в быстро вращающуюся нейтронную. Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов. Они чрезвычайно плотные и очень малы – имеют в поперечнике около 10 км. Различают невидимые космические объекты, которые посылают огромное невидимое пульсирующее радиоизлучение, – пульсары. Пульсары – точечные источники радиоизлучения, испускающие импульсы с очень коротким периодом. Возможно, пульсары представляют собой нейтронные звезды.

Звезды имеют огромные различия по размеру и плотности. Массы же звезд не отличаются так значительно и колеблются в пределах от 0,1 до нескольких десятков солнечных масс. Однако непосредственно массы звезд могут быть определены лишь у двойных звезд. Изучение масс двойных звезд показало, что между массами и светимостью звезд существует некоторая зависимость. В среднем светимость большинства звезд пропорциональна их массе в степени 3,3. Это соотношение позволяет определять массы звезд косвенно, по их светимости.

Предполагают, что многие звезды окружены планетами. Вследствие дальности расстояния пока еще не удается непосредственно увидеть планеты около других звезд даже в самые мощные телескопы. Для их обнаружения необходимы тонкие методы исследования, тщательные наблюдения в течение десятков лет и сложные расчеты.

Около некоторых ближайших звезд уже обнаружены невидимые спутники малой массы. Их вычислили по еле заметным движениям звезд под действием притяжения их невидимым спутником. Пока еще с достоверностью не установлено, являются ли эти спутники планетами или же крайне слабо светящимися маленькими звездами. Однако есть все основания предполагать, что наша планетная система не является исключительным явлением в мировом пространстве. На планетах, окружающих другие звезды, также вероятно существование жизни, и Земля не представляет в этом отношении исключения.

В результате астрономических исследований для множества звезд точно определены положение на небе, их звездная величина, а также другие характеристики. По имеющимся сведениям составлены звездные каталоги, в которые занесено около миллиона звезд. По установленным положениям звезд на небе составляются карты звездного неба. Известно, что звезд ярче 21-й звездной величины около 2 млрд. Одна из них – Солнце.

Солнце по всем признакам является рядовой звездой. Полагают, что возраст Солнца – 4–5 млрд лет. Ближайшие к Солнцу звезды – α-Центавра и Сириус. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Расстояние от Земли до Солнца 8,3 световой минуты или 149,6 млн км. Диаметр Солнца оценивается в 1,4 млн км. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а его объем больше земного в 1 млн 304 тыс. раз. Средняя плотность Солнца выше плотности воды в 1,4 раза. Но плотность вещества распределена неравномерно: внутри Солнца она чрезвычайно высокая, а снаружи – крайне низкая, в сотни раз меньшая, чем воздух.

На основании проведенных исследований сделаны выводы о строении Солнца. Полагают, что Солнце состоит из нескольких слоев – внутренних и внешних. К внутренним слоям относятся ядро, область лучистого переноса энергии и конвективная зона. Внешние слои образует атмосфера.

Ядро находится в центре Солнца. Его радиус составляет 1/3 солнечного радиуса. В ядре сосредоточена большая часть вещества Солнца. Температура вещества в центре Солнца превышает 10 млн К. В условиях сверхдавления и сверхвысокой температуры вещество ядра ионизировано, то есть представляет собой плазму. Частицы плазмы находятся в постоянном движении, скорость которого огромна. Поэтому между частицами непрерывно происходят ядерные реакции, в результате которых из атомов водорода образуются атомы гелия и выделяется большое количество энергии. Например:

₁Н² + ₁Н¹ = ₂Не³

2₂Не³ = ₂Не⁴ + 2₁Н¹ + энергия.

Водородные ядерные реакции – источник солнечной энергии. За время своего существования Солнце не израсходовало еще и половины запасов водородного ядерного топлива. В течение почти всего этого времени излучение Солнца почти такое же, как и теперь. Так оно и будет светить миллиарды лет, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий.

Область лучистого переноса энергии следует за ядром. Полагают, что ее толщина примерно равна радиусу ядра. Здесь в результате поглощения квантов, их дробления и переизлучения энергия переносится наружу.

Выше находится конвективная зона толщиной примерно 200 тыс. км. Температура в конвективной зоне уже значительно ниже. Конвективная зона не может полностью передать огромное количество энергии, поэтому систематически ядерное вещество прорывается в наружные слои таким образом, что конвекция на Солнце напоминает кипение воды. Эта зона переходит во внешние слои Солнца – атмосферу. Солнечная атмосфера также состоит из нескольких слоев: фотосферы, хромосферы и короны.

Фотосфера – самый глубокий и тонкий слой атмосферы. Здесь возникает подавляющее количество световых и тепловых лучей, посылаемых в пространство. Толщина фотосферы 200–300 км, ее температура оценивается в 6000 К. За фотосферой следует хромосфера – слой раскаленных газов толщиной 10–20 тыс. км. Поскольку в верхних слоях солнечной атмосферы световая энергия в значительной степени переходит в тепловую, температура хромосферы значительно выше температуры фотосферы и оценивается в десятки тысяч кельвинов.

Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Температура в этой части Солнца – более 1 млн К. В короне плазма очень сильно разрежена, плотность ее в миллиарды раз меньше плотности воздуха. Поэтому корона еще прозрачнее, чем хромосфера, и количество излучаемого ею света очень мало. Яркость короны в миллионы раз меньше яркости фотосферы. Температура по мере удаления от поверхности Солнца уменьшается.

Солнечная корона имеет огромные размеры – более 200 радиусов Солнца – и достигает орбиты Марса. Таким образом, Земля оказывается, образно говоря, погруженной в солнечную корону. В этой связи на Землю постоянно воздействует так называемый солнечный ветер – поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем. При соприкосновении с атмосферой Земли он отклоняется верхними ее слоями – ионосферой. Xотя внешние слои солнечной атмосферы имеют температуру более 1 млн К, их излучение составляет ничтожную долю от общей энергии, испускаемой Солнцем. Почти вся энергия исходит от фотосферы, имеющей температуру около 6000 К.

Изучение температуры в различных частях Солнца производится радиоастрономическими методами. Установлено, что чем выше температура тела, тем более интенсивно оно излучает радиоволны. Доходящее до нас радиоизлучение Солнца возникает не в фотосфере, а в его короне.

Периодически, с циклом в среднем около 11 лет, в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется. О возникновении активной области свидетельствуют солнечные пятна, наблюдаемые в фотосфере. Температура пятна примерно на 1000 К ниже температуры окружающей фотосферы. В активной области часто наблюдаются вспышки, яркость которых высока. В результате вспышек образуются направленные потоки очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Достигая Земли, этот поток вызывает заметные неправильные изменения магнитного поля Земли – так называемые магнитные бури. Причина периодичности солнечной активности пока неясна. Предполагают, что строение Солнца и процессы, происходящие в нем, могут быть типичными и для многих других звезд.

Солнечная система

В настоящее время проблема происхождения Солнечной системы остается открытой.

Гипотезы ее возникновения следующие:

♦ Планеты Солнечной системы сформировались путем объединения твердых, холодных тел и частиц, входящих в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце.

♦ Спутники планет образовались из роя частиц, окружавших планеты.

Орбиты всех планет являются почти круговыми и лежат в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца. Общая масса всех планет Солнечной системы составляет всего 2 % от массы Солнца.