3. Солнечная система
3.1. Планеты и их спутники
Земля – спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов кроме Солнца и Луны являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. кв. км. т. е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с солнцем составляет солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звёзды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звёзды. Но если бы мы перенесли на ближайшую звезду наши самые мощные телескопы, то с их помощью не смогли бы увидеть эти спутники Солнца.
Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник – Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий,. Венера, Земля (один спутник – Луна), Марс (два спутника – Фобос и Деймос), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (один спутник). Земля к Солнцу в сорок раз ближе, чем Плутон, и в два с половиной раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть ещё одна или несколько планет, но поиски их среди множества звёзд слабее 15 – й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного на них времени. Возможно, они будут открыты «на кончике пера», как это уже было с Ураном, Нептуном и Плутоном. Планеты должны быть и около многих других звёзд, однако прямые наблюдательные данные о них отсутствуют, а есть только некоторые косвенные указания.
С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены).
По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс); планеты – гиганты: (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно мало, но, по–видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.
3.2. Строение планет
Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.
Все планеты земной группы имеют твёрдые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку из воды – гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера – лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы – дефицит воды на Венере.
Характеристики твёрдых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твёрдых оболочках планет выделят: кору – самую внешнюю тонкую (10 – 100 км) твердую оболочку; мантию – твердую и толстую (1000 – 3000 км) оболочку; ядро – наиболее плотная часть планетных недр.
Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое), внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000 – 5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры ; у Марса его по – видимому, нет.
Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %) и магний (12,7 %).
Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов – очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.
Планеты – гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по–видимому, больше тяжёлых элементов.
Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-видимому, состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд. лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное : доля каменистых материалов в них существенно больше.
Основными источниками в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью – тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение ещё далеко не завершилось. Такие процессы вызывают перемещение отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы. Причина вулканических процессов в следующем. В верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору, и происходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс. При этом важно, что выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состояние.
Поверхность планет и их спутников формируют кроме эндогенных (тектонических, вулканических) процессов и экзогенные – падение метеорных тел (кратеры), эрозия под действием ветра, ледников, химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы определяют рельеф поверхности планет.
3.3. Происхождение планет
Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которой располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем – это все – таки единый процесс. Происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости. Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой звезды мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.
Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки – протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших и больших размеров, и в относительно короткий срок (10 11 лет, где, по разным оценкам, n = 5 – 8) сформировались девять больших планет.
В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции (объединения) частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции, хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.
Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала из которого сформировались планеты. .Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Каменистые аналогичные тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.
Происхождение систем регулярных спутников (т. е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т. е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.
Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые, в конечном счете, объединились в одно тело – Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой луны и отделения Луны от Земли.
3.4. Химический состав вещества во Вселенной
Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.
Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов: кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого – нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединиться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование — от самого твердого (алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик – представляет собой различные комбинации тех же основных элементов.
Простейший элемент – водород. Его атом состоит из двух частиц – электрона и протона. Следующий простейший элемент — гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц : два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены различным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.
При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90 % всех атомов во Вселенной – атомы водорода; остальные – главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычно для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ничтожную малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной, что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой – то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов – одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на «стыке» астрономии, химии и физики.
4. Звёзды
4.1. Звезда – газовый шар
Звезды – далекие солнца. Звезды – это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым.
При взгляде на ясное ночное небо вспоминаются строки М. В. Ломоносова:
Открылась бездна, звезд полна,
Звездам числа нет, бездне – дна.
В ночном небе невооруженным глазом можно видеть 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталоги все звезды ярче 11 – й звездной величины. Их около миллиона. А всего нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10 22 .
Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды – карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.
Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины — Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/час, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!
В звездах сосредоточена основная масса (98 – 99 %) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды – мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд представляет собой плазму, т. е. находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества. Представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. Поэтому, строго говоря, звезда – это не просто газовый шар, а плазменный шар. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово – механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах – давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры – источники рентгеновского излучения и др.).
Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т. д.) ; звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов) ; галактики – грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150 – 200 млрд. звезд).
В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.
Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т. е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. Переменность и нестационарность – проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и новые звезды , в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.
Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии – гравитационное сжатие , приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции , в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов, и выделяется большое количество энергии.
3. Солнечная система
3.1. Планеты и их спутники
Земля – спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов кроме Солнца и Луны являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. кв. км. т. е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с солнцем составляет солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звёзды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звёзды. Но если бы мы перенесли на ближайшую звезду наши самые мощные телескопы, то с их помощью не смогли бы увидеть эти спутники Солнца.
Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник – Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий,. Венера, Земля (один спутник – Луна), Марс (два спутника – Фобос и Деймос), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (один спутник). Земля к Солнцу в сорок раз ближе, чем Плутон, и в два с половиной раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть ещё одна или несколько планет, но поиски их среди множества звёзд слабее 15 – й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного на них времени. Возможно, они будут открыты «на кончике пера», как это уже было с Ураном, Нептуном и Плутоном. Планеты должны быть и около многих других звёзд, однако прямые наблюдательные данные о них отсутствуют, а есть только некоторые косвенные указания.
С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены).
По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс); планеты – гиганты: (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно мало, но, по–видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.
3.2. Строение планет
Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.
Все планеты земной группы имеют твёрдые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку из воды – гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера – лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы – дефицит воды на Венере.
Характеристики твёрдых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твёрдых оболочках планет выделят: кору – самую внешнюю тонкую (10 – 100 км) твердую оболочку; мантию – твердую и толстую (1000 – 3000 км) оболочку; ядро – наиболее плотная часть планетных недр.
Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое), внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000 – 5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры ; у Марса его по – видимому, нет.
Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %) и магний (12,7 %).
Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов – очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.
Планеты – гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по–видимому, больше тяжёлых элементов.
Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-видимому, состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд. лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное : доля каменистых материалов в них существенно больше.
Основными источниками в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью – тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение ещё далеко не завершилось. Такие процессы вызывают перемещение отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы. Причина вулканических процессов в следующем. В верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору, и происходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс. При этом важно, что выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состояние.
Поверхность планет и их спутников формируют кроме эндогенных (тектонических, вулканических) процессов и экзогенные – падение метеорных тел (кратеры), эрозия под действием ветра, ледников, химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы определяют рельеф поверхности планет.
3.3. Происхождение планет
Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которой располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем – это все – таки единый процесс. Происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости. Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой звезды мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.
Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки – протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших и больших размеров, и в относительно короткий срок (10 11 лет, где, по разным оценкам, n = 5 – 8) сформировались девять больших планет.
В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции (объединения) частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции, хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.
Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала из которого сформировались планеты. .Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Каменистые аналогичные тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.
Происхождение систем регулярных спутников (т. е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т. е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.
Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые, в конечном счете, объединились в одно тело – Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой луны и отделения Луны от Земли.
3.4. Химический состав вещества во Вселенной
Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.
Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов: кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого – нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединиться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование — от самого твердого (алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик – представляет собой различные комбинации тех же основных элементов.
Простейший элемент – водород. Его атом состоит из двух частиц – электрона и протона. Следующий простейший элемент — гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц : два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены различным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.
При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90 % всех атомов во Вселенной – атомы водорода; остальные – главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычно для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ничтожную малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной, что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой – то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов – одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на «стыке» астрономии, химии и физики.
4. Звёзды
4.1. Звезда – газовый шар
Звезды – далекие солнца. Звезды – это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым.
При взгляде на ясное ночное небо вспоминаются строки М. В. Ломоносова:
Открылась бездна, звезд полна,
Звездам числа нет, бездне – дна.
В ночном небе невооруженным глазом можно видеть 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталоги все звезды ярче 11 – й звездной величины. Их около миллиона. А всего нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10 22 .
Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды – карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.
Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины — Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/час, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!
В звездах сосредоточена основная масса (98 – 99 %) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды – мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд представляет собой плазму, т. е. находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества. Представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. Поэтому, строго говоря, звезда – это не просто газовый шар, а плазменный шар. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово – механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах – давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры – источники рентгеновского излучения и др.).
Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т. д.) ; звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов) ; галактики – грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150 – 200 млрд. звезд).
В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.
Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т. е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. Переменность и нестационарность – проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и новые звезды , в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.
Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии – гравитационное сжатие , приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции , в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов, и выделяется большое количество энергии.
Как показывают расчеты, энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет. Но из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд. С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет, по различным расчетам, от 12 до 15 млн. К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.
Предполагается, что у некоторых (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.
4.2. Эволюция звезд: звезды от их «рождения» до «смерти»
Процесс звездообразования. Эволюция звезд – это изменение со временем физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд. Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд в удовлетворительном согласии с данными наблюдений.
Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава, который, в свою очередь, зависит от времени, когда образовалась звезда и от ее положения в Галактике в момент образования. Звезды первого поколения сформировались из вещества, состав которого определялся космологическими условиями (почти 70 % водорода, 30 % гелия и ничтожная примесь дейтерия и лития). В ходе эволюции звезд первого поколения образовались тяжелые элементы (следующие за гелием в таблице Менделеева), которые были выброшены в межзвездное пространство в результате истечения вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды последующих поколений сформировались из вещества, содержащего 3 – 4 % тяжелых элементов.
«Рождение» звезды – это образование гидростатически равновесного объекта, излучение которого поддерживается за счёт собственных источников энергии. «Смерть» звезды — это необратимое нарушение равновесия, ведущее к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию.
Процесс звездообразования продолжается непрерывно, он происходит и в настоящее время. Звезды образуются в результате гравитационной конденсации вещества межзвездной среды. К молодым относятся звезды, которые еще находятся в стадии первоначального гравитационного сжатия. Температура в центре таких звезд недостаточна для протекания ядерных реакций, и свечение происходит только за счет превращения гравитационной энергии в теплоту.
Гравитационное сжатие – первый этап эволюции звезд. Он приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры «включения» термоядерной реакции (примерно 10 – 15 млн. К) – превращения водорода в гелий (ядра водорода, т. е. протоны, образуют ядра гелия). Это превращение сопровождается большим выделением энергии.
Звезда как саморегулирующаяся система. Источниками энергии у большинства звезд являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне. Водород – главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. При этом, до тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.
В недрах звезд, при температуре более 10 млн. К и огромных плотностях, газ обладает давлением в миллиарды атмосфер. В этих условиях звезда может находиться в стационарном состоянии лишь благодаря тому, что в каждом ее слое внутренне давление газа уравновешивается действием сил тяготения. Такое состояние называется гидростатическим равновесием. Следовательно, стационарная звезда представляет собой плазменный шар, находящийся в состоянии гидростатического равновесия. Если внутри звезды температура, по какой – либо причине повысится, то звезда должна раздуться, так как возрастает давление ее в недрах.
Стационарное состояние звезда характеризуется еще и тепловым равновесием. Тепловое равновесие означает, что процессы выделения энергии в недрах звезд, процессы теплоотвода энергии из недр к поверхности и процессы излучения энергии с поверхности должны быть сбалансированы. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться. Это приведет к ускорению ядерных реакций, и тепловой баланс будет вновь восстановлен. Звезда представляет собой только сбалансированный «организм», она оказывается саморегулирующейся системой. Причем чем звезда больше, тем быстрее она исчерпывает свой запас энергии.
При выгорании водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка – расширяться. Звезда принимает гетерогенную структуру. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.
Полагают, что звезда типа нашего Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Правда, наше Солнце станет красным гигантом примерно через 8 млрд. лет. Так что особых оснований для беспокойства у жителей Земли нет. Ведь сама Земля образовалась всего лишь 5 млрд. лет назад.
От красного гиганта до белого и черного карликов. Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. На этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций осуществляется синтез химических элементов. В результате роста давления, пульсаций и других процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Когда внутренние термоядерные источники энергии полностью истощаются, дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.
При массе менее 1,4 массы Солнца звезда переходит в стационарное состояние с очень большой плотностью (сотни тонн на 1 см 3 ). Такие звезды называются белыми карликами. Здесь электроны образуют вырожденный газ (вследствие сильного сжатия атомы оказываются настолько плотно упакованными, что электронные оболочки начинают проникать одна в другую), давление, которого уравновешивает силы тяготения. Тепловые запасы звезды постепенно истощаются, и звезда медленно охлаждается, что сопровождается выбросами оболочки звезды. Молодые белые карлики, окруженные остатками оболочки, наблюдаются как планетарные туманности. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образовывая планетарную туманность.
Когда энергия звезды иссякнет, звезда изменяет свой цвет от белого к желтому, затем к красному; наконец, она перестанет излучать и начнет непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького темного безжизненного объекта. Так белый карлик медленно превращается в черный карлик – мертвую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды – в миллиарды раз выше плотности воды. Так заканчивают свое существование большинство звезд.
Сверхновые звезды. При массе менее 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии становится невозможным, так как давление не может уравновесить силу тяготения. Теоретически конечным результатом эволюции таких звезд должен быть гравитационный коллапс – неограниченное падение вещества к центру. В случае, когда отталкивание частиц и другие причины все же останавливают коллапс, происходит мощный взрыв — вспышка – сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образованием газовых туманностей.
Вспышки сверхновых звезд были зафиксированы в 1054, 1572, 1604 гг. Летопись зафиксировала: «Она была видна днем, как Венера, лучи света исходили из нее во все стороны, и цвет ее был красновато – белый. Так была видна она 23 дня». Подобные скупые записи были сделаны арабскими и японскими очевидцами. Уже в наше время было выяснено, что эта сверхновая оставила после себя Крабовидную туманность, являющуюся мощным источником радиоизлучения. Как мы уже отмечали, вспышка сверхновой в 1572 г. в созвездии Кассиопеи была отмечена в Европе, изучалась, и широкий интерес к ней общественности сыграл важную роль в расширении астрономических исследований и последующем утверждении гелиоцентризма. В 1885 г. появление сверхновой звезды было отмечено в туманности Андромеды. Её блеск превышал блеск всей Галактики и оказался в 4 млрд. раз более интенсивным, чем блеск Солнца.
Систематические исследования позволили уже к 1980 г. открыть свыше 500 вспышек сверхновых. Со времени изобретения телескопа ни одна вспышка сверхновой звезды не наблюдалась в нашей звездной системе – Галактике. Астрономы наблюдают пока их только в других неимоверно далеких звездных системах, столь далеких, что даже в мощнейший телескоп в них нельзя увидеть звезду, подобную нашему Солнцу.
Взрыв сверхновой – гигантский по силе взрыв старой звезды, вызванный внезапным коллапсом её ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино, тем не менее разметают наружные слои звезды в космическом пространстве и образуют клочья облаков расширяющегося газа. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия (порядка 10 52 эрг). Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение для обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для распространения химических элементов во Вселенной, а также для рождения первичных космических лучей.
Астрофизики подсчитали, что с периодом в 10 млн. лет сверхновые звезды вспыхивают в нашей Галактике, в непосредственной близости от Солнца. Дозы космического излучения при этом могут превышать нормальные для Земли в 7 тысяч раз! Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на нашей планете. Так объясняют, в частности, внезапную гибель динозавров.
Нейтронные звезды. Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела – нейтронной звезды или черной дыры.
Открытые в 1967 г. новые объекты – пульсары отождествляются с теоретически предсказанными нейтронными звездами. Плотность нейтронной звезды очень высока. Выше плотности атомных ядер – 10 15 г/см 3 . Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому – то нейтронные звезды называют пульсарами. Уже открыты сотни нейтронных звезд. Экстремальные физические условия в нейтронных звездах делают их естественными уникальными лабораториями, представляющими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.
Черные дыры. Но если конечная масса белого карлика превышает 2 – 3 массы Солнца, то гравитационное сжатие непосредственно ведет к образованию черной дыры.
Черная дыра – область пространства, в которой после тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т. е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую не выходи свет, называют горизонтом черной дыры.
Для того, чтобы поле тяготения смогла «запереть» излучение и вещество, создающая это поле масса звезды должна сжаться до объёма, радиус которого меньше гравитационного радиуса r = 2 GM/с 2 , где G – гравитационная постоянная; с – скорость света; М – масса звезды. Гравитационный радиус чрезвычайно мал даже для больших масс (например, для Солнца r = 3 км). . Звезда с массой, равной массе Солнца, всего лишь за несколько секунд превратится из обычной звезды в черную дыру, а сели масса равна массе миллиарда звезд, то такой процесс займёт несколько дней.
Свойства черной дыры необычны. Особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры много меньше световой и траектория его движения подходит близко к окружности с R = 2 r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос. Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и никогда снова не улетит в космос. Если же тело подлетит ещё ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов или даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.
Представим себе двух наблюдателей: одного на поверхности коллапсирующей звезды, а другого далеко от неё. Предположим, что наблюдатель на коллапсирующей звезде через равные промежутки времени посылает (радио – или световые) сигналы второму наблюдателю, информируя его о происходящем. По мере приближения первого наблюдателя к гравитационному радиусу сигналы, которые он посылает через равные интервалы времени, будут достигать другого наблюдателя через все более длительные промежутки времени. Если первый наблюдатель передаст последний сигнал как раз перед тем, как звезда достигнет гравитационного радиуса, то сигналу потребуется почти бесконечное время для того, чтобы прийти к удаленному наблюдателю; если же наблюдатель послал сигнал после того, как достиг гравитационного радиуса, наблюдатель вдали никогда не примет его, потому что сигнал никогда не покинет звезду. Когда фотоны либо частицы уходят за гравитационный радиус, они просто исчезают. Только во внешней области непосредственно у гравитационного радиуса они могут быть видимыми, причем создается впечатление, что они как бы скрываются за занавесом и больше не появляются.
В черной дыре пространство и время взаимосвязаны необычным образом. Для наблюдателя внутри черной дыры направление возрастания времени является направлением уменьшения радиуса. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он «попадает» в область бесконечной плотности, где время кончается».
Изучение свойств черных дыр (Я. Б. Зельдович, С. Хокинг и др.) показывает, что в некоторых случаях они могут «испаряться». Этот «механизм» связан с тем, что в сильном поле тяготения черной дыры вакуум (физические поля в самом низком энергетическом состоянии) неустойчив и может рождать частицы (фотоны, нейтрино и др.), которые, улетая, уносят энергию черной дыры. Вследствие этого черная дыра теряет энергию, уменьшаются её масса и размеры.
Сильное гравитационное поле черной дыры может вызывать бурные процессы при падении в них газа. Газ при падении в поле тяготения черной дыры образует закручивающийся вокруг последней быстро вращающийся уплощенный диск. При этом колоссальная кинетическая энергия частиц, разгоняемых тяготением сверхплотного тела, частично переходит в рентгеновское излучение, и по этому излучению черная дыра может быть обнаружена. Вероятно, одна черная дыра уже обнаружена таким способом в рентгеновском источнике Лебедь Х – 1. В целом же, по – видимому, на долю черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике приходится около 100 млн звезд.
Итак, черная дыра так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной. Возникает вопрос «куда». Математический анализ даёт несколько решений. Особенно интересно одно из них. В соответствии с ним черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и во времени нашей Вселенной, и даже проникновения в другую вселенную.
Что же происходит, когда черная дыра переходит в другую часть Вселенной или проникает в иную вселенную! Рождение черной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства – времени происходит нечто необычное – изменяется её метрика, топологические характеристики. Теоретически коллапс должен завершиться образованием сингулярности, т. е. должен продолжаться до тех пор, пока черная дыра не станет нулевых размеров и бесконечной плотности (хотя на самом деле речь должна идти не о бесконечности, а о каких – то очень больших, но конечных величинах). Во всяком случае, момент сингулярности – это, возможно, момент перехода в другие точки нашей Вселенной.
Много вопросов возникает и вокруг исторической судьбы черных дыр. Черные дыры испаряются за счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной дыры, а из того пространства, которое находится перед горизонтом черной дыры. Причем, чем меньше черная дыра по размерам, массе, тем выше её температура и тем быстрее она испаряется. А размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики (10 44 г ) до песчинки массой 10 – 5 г. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу её радиуса. Черная дыра массой в десять масс Солнца испарится за 10 69 лет. Это значит, что массивные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции Вселенной, и сейчас существуют, причем, возможно, даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются обнаружить с помощью гамма – телескопов.
Таким образом, большая часть излучающего свет вещества сосредоточена в звездах. Каждая звезда – это подобие нашего Солнца, хотя размеры звезд, их цвет, состав и эволюция существенно различаются. Звезды вместе с некоторым количеством пыли и газа (и других объектов) группируются в гигантские скопления – галактики.
