514.мегамир учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.И.ПОПКОВ

МЕГАМИР

Утверждено редакционно-издательским советом в качестве учебного пособия

Брянск ИЗДАТЕЛЬСТВО БГТУ

2011

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2

УДК 50(075.8) ББК20.1 Попков, В.И. МЕГАМИР: учебное пособие / В.И.Попков. – Брянск, 2011. – 128 с.

ISBN 978-5-89838-606-1 Пособие является частью курса «Концепции современного есте-ствознания». Рассмотрены основные космологические концепции со-временного естествознания: происхождение и эволюция Вселенной, эволюция звезд, структура Вселенной и строение Солнечной системы, характеристики планет. Приведены краткие биографические сведения об ученых, внесших значительный вклад в развитие астрономии и космологии, а также тезаурус понятий, относящихся к рассматривае-мой области знаний. Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обуче-ния, обучающихся по направлениям 040100 Социология, 080100 – Экономика, 080200 – Менеджмент, 100700 – Торговое дело и др.

Рецензенты: кафедра физики Брянской государственной инженерно-технологической академии, д.т.н., проф. В.А.Погонышев. Редактор издательства Т.И.Королева Компьютерный набор В.И.Попков

Темплан 2011 г., п. 80 Подписано в печать 16.12.11 Формат 60×84 1/16 Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 7,44. Уч.-изд. л. 7,44. Тираж 50 экз. Заказ

Издательство Брянского государственного технического университета 241035, Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, тел. 58 – 82 – 49 Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16 ISBN 978-5-89838-606-1 © Брянский государственный технический университет, 2011 © В.И.Попков, 2011


3

Этот космос, один и тот же

для всего существующего, не создал никакой бог и никакой человек, но

всегда он был, есть и будет вечно живым огнем, мирами загорающимися

и мирами потухающими. Гераклит из Эфеса

ПРЕДИСЛОВИЕ

В данном пособии, которое является частью курса «Кон-цепции современного естествознания», рассматриваются со-временные космологические и астрофизические концепции: происхождение и эволюция Вселенной, природа космических тел и их образований, происхождение и эволюция звезд и другие процессы, происходящие в космосе. В течение длительного времени наши знания о космиче-ском пространстве базировались на данных наблюдательной астрономии, основными инструментальными средствами ко-торой были оптические телескопы различных типов. В насто-ящее время астрофизика переживает период бурного разви-тия. Это связано с расширением технических возможностей исследований, появлением радио-, гамма-, рентгеновских те-лескопов, позволивших изучать Вселенную во всем диапа-зоне электромагнитных волн. Благодаря этому за последние полвека удалось обнаружить объекты, о которых астрономы ранее не подозревали: квазары, пульсары, рентгеновские ис-точники и др. Выход человека за пределы атмосферы и в ближний космос позволил исследовать космическое про-странство с помощью спутников, межпланетных станций, различных космических аппаратов. Новые открытия показали многообразие нашей Вселенной. От простого описания космических объектов и их класси-фикации ученые перешли к проблемам происхождения и эволюции нашей Вселенной. Космология – физическое уче-ние о Вселенной в целом, основанное на изучении наиболее общих свойств Метагалактики (части Вселенной, охваченной


4

астрономическими наблюдениями) и законов ее эволюции. Современная космология бурно развивается. Особенностью современной космологии является то, что при разработке но-вых теоретических моделей о происхождении и эволюции Вселенной приходится использовать практически все физи-ческие дисциплины одновременно: квантовую механику, квантовую теорию поля, физику элементарных частиц и сверхвысоких энергий, ядер и атомов, статистическую физи-ку, общую теорию относительности и др. Они составляют теоретический фундамент космологии. Особую роль в космо-логии играет теория тяготения, так как именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших космологиче-ских расстояниях, а, следовательно, и динамику космических тел. В основе современной космологии лежит эйнштейнов-ская теория тяготения – общая теория относительности. По сути, современная космология – это удивительный симбиоз новейших научных достижений, яркий пример науки, вобрав-шей в себя за последние двадцать-тридцать лет преимуще-ства различных подходов и методов описания нашего мира. Для астрофизиков космос является продолжением физи-ческих лабораторий, где проверяются новые физические теории и представления. К сожалению, процессы, изучаемые космологией, и затрагиваемые ею проблемы часто лежат за пределами возможностей физического эксперимента и аст-рономических наблюдений. Подавляющее большинство со-временных физических теорий оперируют сверхвысокими энергиями, пока не достижимыми в земных лабораториях и на ускорителях. Путем наблюдений и анализа процессов и событий, происходящих во Вселенной, в том числе и ранней, космология позволяет физикам выявлять классы физически значимых моделей среди большого количества абстрактных математических и теоретических построений. Изучая процес-сы в мегамире, физики познают тайны микромира. И наобо-рот, изучая микромир, человек познает природу процессов в мегамире. Астрофизика формирует наши представления о мире, в котором мы живем, позволяет почувствовать его многообра-зие, гармонию и взаимосвязь. Накопленные к настоящему времени знания о космосе позволили создать довольно не-


5

противоречивую картину развития Вселенной на протяжении миллиардов лет. После вступления человечества в космиче-скую эпоху дальнейшее расширение его знаний о мире свя-зано в значительной мере с исследованиями космоса.

1. ЗВЕЗДНАЯ ФОРМА БЫТИЯ КОСМИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в виде планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звезд-ных систем – галактик; системы галактик – Метагалактики. Предметом конкретного научного исследования, как экспери-ментального, так и теоретического, является Метагалактика. При этом постулируется, что фундаментальные законы при-роды, установленные и проверенные в земных лабораториях, справедливы и для Метагалактики до планковских масштабов пространства и времени (планковская длина составляет 10

-35

м, а планковское время – 10-43

с). За пределами этих масшта-бов классические представления о пространстве и времени неприменимы, и следует учитывать, как сейчас считают, квантование гравитации. В основе лежит космологический принцип: в Метагалакти-ке не может существовать выделенных наблюдателей, т.е. свойства Метагалактики не зависят от того, откуда мы на нее смотрим. Материя во Вселенной представлена сконденсировавши-мися космическими телами и диффузной материей. Диффуз-ная материя существует в виде разобщенных атомов и моле-кул, а также более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа – газопылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство ни-коим образом не пусто. Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представ-лений о структуре материи и фундаментальных взаимодей-ствиях элементарных частиц. Лишь 5% массы Вселенной приходится на понятное нам «обычное» вещество, которое


6

называют барионной материей (рис.1). Остальные 95% – это некие субстанции: темная материя (25%) и темная энергия (65 – 70%). Помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой тип вещества – темная материя. Обнаружение темной мате-рии (т.е. материи, не излучающей свет и не наблюдаемой те-лескопами) имеет фундаментальное значение для космоло-гии, астрофизики и физики элементарных частиц. Исследова-тели оказались (в очередной раз в истории развития науки) перед фактом, заключающимся в том, что известный мир, о котором, казалось бы, известно все или почти все, в действи-тельности составляет лишь малую часть пока еще непознан-ной Вселенной. Впервые предположение о существовании темной мате-рии было высказано в 1933 г. астрономом Ф.Цвикки на основе результатов исследований галактических кластеров (скопле-ний галактик). Ф.Цвикки обратил внимание на то, что масса скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (кластер Coma), определяемая по оптической светимости скопления и по скорости вращения периферийных галактик в этом скоп-лении, зависящей от их расстояния до центра скопления, не соответствуют друг другу. Масса, которая получается из из-мерений скорости вращения галактик, во много раз больше массы, измеряемой по светимости. Цвикки высказал предпо-ложение, что для удержания галактик в составе кластера си-лами гравитации необходимо большое количество невиди-мой материи. Он ввел в обиход понятие темной (не светя-щейся) материи. С этих пор на основе широкого круга само-согласованных астрофизических и космологических данных было получено множество разнообразных и неоспоримых свидетельств существования темной материи. Темная материя сродни обычному веществу. Она способ-на собираться в сгустки (размером с галактику) и участвует в гравитационных взаимодействиях. Измерения, проведенные с несколькими сотнями спиральных галактик, показывают, что все эти галактики «погружены» в массивное гало из темной материи. Анализ результатов гравитационного линзирования показал, что диаметр темного гало галактик может превосхо-дить видимый диаметр более чем на порядок. Скорее всего,


7

темная материя состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Эти частицы должны быть электрически нейтральны и участвовать только в слабом взаимодействии, подобно нейтрино, но иметь большую массу. По одной из ги-потез кандидатами на роль таких частиц считаются гипотети-ческие тяжелые и очень тяжелые нейтрино – нейтралино с массой в десятки ГэВ. Если нейтралино составляют значи-тельную массу Вселенной, их поток в Метагалактике должен быть огромным. Наша Солнечная система движется в море нейтралино со скоростью 220 км/с. Через каждый квадратный метр поверхности ежесекундно должно проноситься пример-но 10

9 нейтралино. Сейчас в различных странах мира около

20 экспериментальных групп заняты поиском частиц темной материи, в т.ч. и нейтралино. Одной из популярных категорий кандидатов на роль ча-стиц темной материи являются гипотетические частицы – вимпы (название образовано от английской аббревиатуры WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимо-действующие массивные частицы), которые по предположе-нию были рождены в первые мгновения после Большого взрыва, когда температура среды была чрезвычайно велика и могли рождаться сверхмассивные частицы. К настоящему времени эти частицы остыли и представляют собой отдель-ные сгустки. Предлагается также новый класс небарионной холодной темной материи: сверхслабовзаимодействующие массивные частицы ─ супервимпы, или свимпы (SuperWIMPs). Многочисленные астрономические наблюдения послед-них лет достаточно определенно указывают на то, что преоб-ладающей составляющей современной Вселенной является экзотическая темная энергия с практически однородным рас-пределением плотности и отрицательным давлением. Тем-ная энергия – гораздо более странная субстанция, чем тем-ная материя. Она не собирается в сгустки в галактиках и скоплениях галактик, а равномерно распределена во Вселен-ной. Темная энергия носит явно выраженный не-вещественный характер, но именно она доминирует во Все-ленной. Ее нельзя наблюдать по гравитационным эффектам, создаваемым отдельными объектами, но она влияет на об-


8

щее расширение Метагалактики. Наблюдения показывают, что в последние миллиарды лет Метагалактика расширяется с ускорением, тогда как обычная материя (в том числе тем-ная) приводила бы к замедлению расширения под воздей-ствием гравитации. Следовательно, темная энергия проявля-ет дальнодействующие свойства антигравитации. Плотность темной энергии остается постоянной с течением времени, то-гда как плотность обычной энергии обратно пропорциональна объему Метагалактики. Вероятно, темная энергия – это осо-бый вид материи, давление которой отрицательно и числен-но в точности равно плотности энергии. По словам академика В.А.Рубакова, природа темной энергии – это главная загадка фундаментальной физики ХХI века. Перед наукой стоит за-дача определить природу темной энергии и объяснить ее до-минирующую роль во Вселенной. На современном этапе эволюции Вселенной обычное (барионное) вещество в ней находится в звездном состоянии. 97% вещества в нашей галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с различной характери-стикой движения. У многих других галактик звездная материя составляет более чем 99,9% их массы. В недрах звезд при температуре порядка 10 млн градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизиро-ванном состоянии: электроны у поверхности звезды частич-но, а в недрах ее полностью отделены от своих атомов. Ве-щество в таком состоянии называется плазмой. В большин-стве звезд плазма отличается от обычного идеального газа только своими электромагнитными свойствами. Оставшиеся без электронов ядра вступают во взаимодействие друг с дру-гом, благодаря чему водород в результате термоядерных ре-акций превращается в гелий. Эти превращения являются ис-точником колоссального количества энергии, уносимого излу-чением звезд. Звезды не существуют изолированно, а образуют систе-мы. Простейшие звездные системы состоят из двух, трех, че-тырех, пяти и более звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести (кратные системы). Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузионной


9

материи, источником которой являются сами звезды, выбра-сывающие ее в космическое прстранство в виде мощных по-токов газа. Звезды объединяются также в еще большие группы – звездные скопления – гравитационно связанные группировки звезд одинакового возраста и совместного происхождения. Различают рассеянные скопления и шаровые скопления. Ша-ровые скопления имеют характерный шарообразный вид, они насчитывают сотни тысяч звезд. В них пространственная концентрация звезд резко увеличивается к центру скопления, образуя компактное ядро. В Галактике известно 142 шаровых скопления. Шаровые скопления являются одними из старей-ших объектов Галактики. Их возраст, вероятно, заключен в пределах от 5 до 15 млрд. лет. Они относятся к самым мас-сивным образованиям в Галактике, их массы составляют от 10

4 Мс до 10

6 Мс (масса Солнца Мс = 1,99∙10

30 кг). Рассеянные

скопления являются сравнительно молодыми объектами с возрастом от 10

6 до 10

9 лет. По массе и размерам они значи-

тельно уступают шаровым. Как правило, рассеянные скопле-ния насчитывают от несколько сотен до несколько тысяч от-дельных звезд. В настоящее время в Галактике известно около 1200 рассеянных скоплений. Звезды рассеянных скоп-лений – это звезды второго поколения в Галактике. Перечисленные звездные системы являются частями бо-лее общей системы – галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. Галактики – основные струк-турные единицы Вселенной. Одной из таких галактических систем является наша Галактика (Млечный Путь) – звездная система, к которой принадлежит Солнце.

1.1. Характеристики звезд

Визуально звезды различаются блеском и цветом. Блеск определяется величиной светового потока, попадающего в глаз наблюдателя от звезды, т.е. от освещенности зрачка наблюдателя светом звезды. Создаваемая освещенность (блеск) зависит от светимости звезды и от расстояния до нее. Светимость – мощность оптического излучения или энер-гия, излучаемая светилом в единицу времени. Абсолютная


10

светимость Солнца равна 3,86∙1026

Вт, ярчайших звезд – до 10

33 Вт, слабейших – 10

20 Вт. Светимости звезд часто изме-

ряются в единицах светимости Солнца. Например: свети-мость Арктура в 107 раз больше светимости Солнца. Звездные величины. Для оценки блеска звезд, видимых невооруженным глазом, древнегреческий ученый Гиппарх (II-й век до н.э.) ввел специальную шкалу звездных величин. Наиболее яркие звезды он отнес к звездам 1-й величины, са-мые слабые – к звездам 6-й величины. Промежуточное под-разделение на звездные величины осуществлялось по прин-ципу: звезды 2-й величины настолько же слабее звезд 1-й величины, насколько ярче звезд 3-й величины, и т.д. Разнице в 5 звездных величин соответствует изменение освещенно-сти, создаваемой звездой, в 100 раз. При разности в одну звездную величину освещенность от звезды (блеск) изменя-ется в 2,512 раза. В безлунную ночь невооруженным глазом над горизонтом можно увидеть около 3000 звезд до 6-й звездной величины. С помощью телескопа можно увидеть звезды до 23-й звездной величины. Шкала Гиппарха продол-жена и в другую сторону. Например, имеются звезды ярче нулевой величины: Канопус – минус 0,6; Сириус – минус 1,6; Солнце – минус 26,7. Абсолютная звездная величина. Блеск звезды (звезд-ная величина) зависит не только от светимости звезды, но и от расстояния до нее. Поэтому видимый блеск не дает настоящей информации о звезде. Для определения истинно-го блеска звезды вводят понятие абсолютной звездной вели-чины. Абсолютная звездная величина – видимая звездная величина, которую имела бы звезда, если бы она находилась на стандартном расстоянии 10 парсек (32, 6 световых года). Связь видимой (визуальной) звездной величины m, абсолют-ной звездной величины M и расстояния до звезды в парсеках R дается формулой: M = m + 5 – 5 lg R. Спектральные классы звезд – классы звезд, установ-ленные по особенностям их спектров. Большинство звезд об-ладают непрерывным спектром, на который налагаются тем-ные линии поглощения. Различия в спектрах звезд обусловлены особенностями физических свойств их атмосфер (в основном температуры и


11

давления, определяющих степень ионизации атомов), разли-чием химического состава, вращением звезд и др. По спектру звезды можно узнать ее светимость, расстояние до звезды, температуру, размер, химический состав ее атмосферы, ско-рость вращения вокруг оси и другие характеристики. Диапа-зону эффективных температур звезд от 40 000 до 1500 К со-ответствует последовательность спектральных классов, обо-значаемых буквами (в порядке убывания температуры) O, B, A, F, G, K, M, L и Т. Согласно спектрам звезды делятся на основные спек-тральные классы следующим образом: Спектральный Цвет Температура, класс К W Голубой 80 000 О Голубой 40 000 В Голубовато-белый 20 000 А Белый 10 000 F Желтоватый 7 000 G Желтый 6 000 К Оранжевый 4 500 М Красный 3 000 L Темно-красный 2 000 T «Коричневый карлик» 1 500 Каждый класс разбит на 10 подклассов ─ от 0 до 9 ─ с ро-стом в сторону уменьшения температуры. Спектральный класс Солнца G2. Имеются еще четыре дополнительных класса. У классов G, K, и M (холодные звезды) имеются раз-новидности – классы R, N, S; для горячих звезд – дополни-тельный класс W. В спектре голубых звезд характерны линии ионизированных гелия, азота, углерода, кислорода и крем-ния. Для голубовато-белых – линии нейтральных гелия и во-дорода, ионизированных азота, углерода, кислорода и крем-ния. Для белых – линии водорода, которые доминируют над остальными линиями. Для желтоватых – линии многих ме-таллов и линии водорода. Для желтых – те же, но линии во-дорода ослаблены. Для оранжевых – линии кальция, железа, титана. Для красных – линии молекулярных полос оксида ти-тана.


12

Цвет звезды зависит от ее температуры. Спектральная последовательность одновременно является и цветовой. Го-рячие звезды спектральных классов О и В имеют голубой цвет. Звезды, сходные с нашим Солнцем (спектральный класс G2), представляются желтыми, звезды спектральных классов К и М – красные. Химический состав звезд определяют по их спектрам. Оказалось, что 98% звездного вещества – это водород и ге-лий, причем обычно водорода по массе больше в 2,7 раза. Данные относятся к поверхностному слою звезд, поскольку они непрозрачны. В химическом отношении звезды различа-ются, прежде всего, содержанием элементов более тяжелых, чем гелий. На Солнце на 1000 атомов водорода приходится примерно 100 атомов гелия и 2-3 атома более тяжелых эле-ментов. Углерод, азот, кислород, железо могут синтезиро-ваться в процессе термоядерных реакций, а более тяжелые элементы образуются при взрывах сверхновых звезд. Звезды первого поколения возникли из первичного вещества, обра-зовавшегося при большом взрыве, т.е. из водорода и гелия с ничтожной примесью изотопов лития, бериллия и бора. В них почти нет примесей тяжелых элементов. В звездах второго поколения присутствуют более тяжелые элементы. Размеры звезд. Звезды, как правило, наблюдаются как точечные источники излучения, их угловые размеры очень малы. Размеры звезды можно рассчитать теоретически, зная ее светимость и температуру, в предположении, что ее излу-чение близко к излучению абсолютно черного тела. По наблюдениям затмения Луной звезды можно определить ее угловой размер, а, зная расстояние до звезды, можно опре-делить ее линейные размеры. Существуют и другие методы определения размеров звезд. Размеры звезд существенно различаются между собой: существуют карлики, гиганты и обычные звезды, которых большинство. Измерения показали, что размеры белых кар-ликов – несколько тысяч километров, а размеры красных ги-гантов сравнимы с размерами Солнечной системы. Приведем размеры (радиусы) некоторых звезд, выразив их через ради-ус Солнца Rc: сверхгигант Бетельгейзе – 300 Rc, гигант Аль-


13

дебаран – 60 Rc, Вега – 2,4 Rc, белый карлик Вольф 1346 – 0,02 Rc (Rc = 6,96∙10

8 м).

Масса звезды – одна из важнейших ее характеристик, определяющая весь жизненный путь звезды. Масса Солнца Мс = 1,99∙10

30 кг. Массы почти всех звезд лежат в пределах

(0,1 – 50)Мс. Есть и более массивные звезды. Знаменитая звезда Эта Киля имеет массу (90 – 100)Мс. Недавно астроно-мы открыли в скоплении R136 (расположено в туманности Тарантул, принадлежащей соседней галактике Большое Ма-гелланово Облако) звезду R136а1, масса которой оценивает-ся в 265 Мс. В момент своего рождения около миллиона лет назад она имела еще большую массу. Из-за мощнейшего звездного ветра звезда потеряла 1/5 часть своей массы: каж-дые 20 тыс. лет она теряет 1 массу Солнца. Эта звезда сей-час находится примерно в середине своей жизни, примерно через 1 млн лет она взорвется как сверхновая. Ученые допус-кают существование звезд массой до 300 Мс. Массивные звезды живут недолго. Наиболее верным способом определения массы звезды являются исследования двойных звезд (используется третий закон Кеплера). Все остальные методы определения массы звезд – косвенные. Установлена связь между массой и све-тимостью звезды: светимость приблизительно пропорцио-нальна четвертой степени массы. Звезда с массой в два раза больше солнечной излучает примерно в 16 раз мощнее. Средняя плотность звезды определяется по ее размеру и массе. Преобладающее число звезд имеют плотность, близ-кую к солнечной – 1,41 г/см

3 . Есть звезды, плотность которых

в сотни тысяч раз меньше плотности воздуха (красные сверх-гиганты), и звезды, плотность которых в миллиарды раз больше плотности воды (белые карлики). Диаграмма зависимости светимости звезд от их спек-трального класса – диаграмма Герцшпрунга─Рессела. Наблюдения звезд позволяют определить две их основные характеристики – светимость и спектральный класс, завися-щий от эффективной температуры. Сопоставление светимо-стей звезд с их спектральными классами впервые было вы-полнено датским астрономом Э.Герцшпрунгом и американ-ским астрономом Г.Ресселом. Поэтому диаграмму спек-


14

тральный класс – светимость называют диаграммой Герцшпрунга – Рессела. На этой диаграмме по оси абсцисс откладываются спектральные классы (или эффективные температуры), а по оси ординат – светимости (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела

На диаграмме каждая звезда изображается точкой с соот-ветствующей светимостью и температурой поверхности. На диаграмме звезды располагаются не беспорядочно, а обра-зуют несколько групп, или последовательностей. Большин-ство звезд (около 90%) располагаются на диаграмме вдоль длинной узкой полосы, называемой главной последователь-ностью, протянувшейся из верхнего левого угла (от голубых


15

сверхгигантов) в нижний правый угол (до красных карликов). К звездам главной последовательности относится Солнце, светимость которого принимают за единицу. В правом верхнем углу диаграммы расположены сверхги-ганты. Это огромные звезды с очень высокой светимостью и относительно низкой температурой. Между сверхгигантами и главной последовательностью расположена группа звезд-гигантов. Ниже главной последовательности расположена группа белых карликов, светимость которых меньше солнеч-ной в сотни раз. По распределению звезд в соответствии с их светимостью и температурой на диаграмме Герцшпрунга – Рессела выделены следующие классы светимости, соответ-ствующие последовательностям на диаграмме: - I класс светимости – сверхгиганты; - II класс светимости – яркие гиганты; - III класс светимости – нормальные гиганты; - IV класс светимости – субгиганты; - V класс светимости – карлики главной последовательно-сти; - VI класс светимости – субкарлики; - VII класс светимости – белые карлики. Принято указывать класс светимости после спектрального класса звезды. Например, Солнце – звезда G2V – карлик главной последовательности с температурой поверхности около 5800 К. В настоящее время выяснилось, что звезды главной по-следовательности похожи на Солнце, в них происходит сго-рание водорода в термоядерных реакциях. Самые большие по массе звезды главной последовательности расположены в верхней части и являются голубыми гигантами. Самые ма-ленькие по массе расположены в нижней части главной по-следовательности – это карлики. Параллельно главной по-следовательности, но ниже ее располагаются субкарлики, в них содержание металлов гораздо ниже, чем у звезд главной последовательности. По диаграмме Герцшпрунга-Рессела можно проследить весь жизненный цикл звезды. Звезды главной последова-тельности сконденсировались из газо-пылевого облака и за счет гравитационного сжатия уплотнились и разогрелись до


16

температуры, при которой начинается термоядерный синтез. Пока запасы водорода не исчерпаны, и термоядерный синтез продолжается, звезда остается на главной последовательно-сти. После того, как запасы водорода исчерпаны, звезда раз-дувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта и переходит в правый верхний угол диаграммы. При остывании звезда сжимается до размеров белого карлика и переходит в нижний левый угол.

1.2. Галактики

Основными структурными единицами во Вселенной яв-ляются грандиозные звездные системы – галактики. Одной из таких систем является наша Галактика – звездная система, к которой принадлежит Солнце. Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Первоначально галактики наблюдались в телескопы как туманные бесструктурные пятнышки, их так и называли – туманности. Лишь в 20-30-е годы ХХ века с по-мощью крупнейших телескопов была установлена звездная природа периферийной части спиральной туманности М 33 (шведским астрономом К.Лундмарком) и рукавов туманности Андромеды (американским астрономом Э.Хабблом). Это по-ложило начало новой области астрономической науки – вне-галактической астрономии. Оказалось, что галактики представляют собой огромные вращающиеся системы, разнообразные по внешнему виду и физическим характеристикам. Размеры галактик – от не-скольких килопарсек до нескольких десятков килопарсек (1 пк – парсек – расстояние, с которого орбита Земли видна в пределах одной угловой секунды: 1 пк = 3,09∙10

18 см; 1 кило-

парсек ≈ 3∙103

световых лет ≈ 3∙1019

м). Существуют галакти-ки, включающие триллионы звезд. Наша Галактика – Млеч-ный путь – содержит не менее 100 млрд звезд. Самые ма-ленькие галактики содержат миллионы звезд. Небольшие га-лактики часто являются спутниками больших. Невооружен-ным глазом можно увидеть только ближайшие к нам галакти-ки – Большое и Малое Магеллановы Облака и туманность Андромеды.


17

Галактики являются трудными объектами для изучения по причине их огромного удаления от Земли (миллионы свето-вых лет) и слабого свечения. От ближайшей к нам галактики – туманности Андромеды – к нам приходит столько же света, как от звезды четвертой звездной величины. Общее число галактик до 20-й звездной величины составляет 5,4 млн, а число галактик, которые могут быть сфотографированы 5-метровым телескопом на пределе его разрешающей спо-собности, составляет более 10 миллиардов. О числе звезд в галактике судят по общей мощности ее излучения, или по ее светимости. Телескоп принимает свет от всей совокупности звезд различных масс и возрастов, вхо-дящих в состав галактики. В оптическом диапазоне спектра в общем свете галактик преобладает свет звезд, похожих на Солнце. Исследования в разных диапазонах спектра (оптиче-ском, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском) по-казали, что галактики представляют собой сложные системы, состоящие из различных типов звезд и межзвездного веще-ства: газа, пыли и частиц космических лучей, находящихся в тесном взаимодействии. Важной составляющей галактик яв-ляется галактическое магнитное поле. Массы галактик определяют несколькими способами. Наиболее точный заключается в наблюдении скоростей вра-щения периферийных, промежуточных и центральных частей спиральных галактик. Галактика вращается вокруг своей оси не как твердое тело, а по закону, который зависит от распре-деления массы. Периферийные области галактики вращают-ся тем медленнее, чем она массивнее. Значения масс галак-тик лежат в очень широком диапазоне – от 10

6 Мс (карлико-

вые галактики, немного превышающие крупные шаровые скопления) до 10

13 Мс (гигантские эллиптические галактики),

где Мс – масса Солнца. Первую классификацию галактик, основанную на их ви-димой форме, предложил Э.Хаббл в 1925 г. Позже она под-вергалась уточнениям, но основные черты сохранила до наших дней. Все галактики Хаббл разделил на четыре типа: эллиптические (обозначают символом Е), линзообразные, или линзовидные (символ L или S0), спиральные (символ S) и неправильные (символ Ir).


18

Около 25% галактик имеют круглую или эллиптическую форму, их называют эллиптическими. Это наиболее простые по структуре, звездному составу и характеру внутренних дви-жений системы. В них не обнаружено звезд высокой светимо-сти (сверхгигантов), самые яркие звезды в эллиптических га-лактиках – красные гиганты. Они состоят в основном из ста-рых звезд желтого (как Солнце) и оранжевого цвета. Меж-звездного газа в них мало, поэтому в них почти нет молодых звезд. Самым распространенным типом галактик являются спи-ральные (их около 50%). В центре спиральной галактики рас-положено сфероидальное ядро, от которого отходит несколь-ко спиральных рукавов, образующих плоскую область диска. Центральная часть галактики называется балджем. Спираль-ные рукава, как правило, богаты яркими газовыми туманно-стями, окружающими горячие звезды-сверхгиганты, а также облаками темной газопылевой материи. У большинства спи-ральных галактик рукава начинаются сразу от ядра (нор-мальные спиральные галактики). У остальных в центральной части имеется яркая звездная перемычка – бар (это пересе-ченные спиральные галактики, или галактики с перемычкой). От концов перемычки отходят спиральные рукава. Некоторые спиральные галактики видимы в профиль как веретено, пере-сеченное темной полосой из пыли. Дискообразная форма спиральных галактик объясняется вращением. Существует гипотеза, что во время образования галактики центробежные силы препятствуют сжатию протога-лактического облака в направлении, перпендикулярном оси вращения. Газ концентрируется в некоторой плоскости – так образовались диски галактик. Характер движения звезд и газа в галактиках неодинаков: газ вращается быстрее, чем звезды. Характерные скорости вращения газа в галактиках составляют 150 – 500 км/с, ста-рые звезды гало вращаются медленнее. Балджи спиральных галактик вращаются в 2 – 3 раза медленнее, чем диски. Промежуточное положение между эллиптическими и спи-ральными галактиками занимают линзообразные галактики. Их насчитывается около 20% от общего числа галактик, встречающихся вблизи нашей Галактики. В такой системе


19

различают ядро, «линзу» и слабый «ореол». В наружных ча-стях линзы иногда видны зачатки спиральных рукавов. Остальные 5% галактик не удается отнести ни к одному типу из перечисленных, и они образуют тип неправильных галактик. У таких галактик отсутствует симметрия формы. Наиболее распространены неправильные галактики типа Ма-геллановых Облаков. Эти звездные системы – предельный случай спиральных галактик, когда они совершенно плоски и в них отсутствует центральное ядро, хотя и есть следы спи-ральной структуры, свидетельствующей об осевом вращении систем. В некоторых неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения газов, тенденции к вращению, ведущие к образованию спиральных ветвей. К неправильным галакти-кам относятся также пекулярные (нетипичные) галактики. Принятая классификация галактик отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд. Эллиптические галактики состоят из очень старых звезд, в них звездообразование практически полностью пре-кратилось миллиарды лет назад. В спиральных галактиках присутствуют звезды всех возрастов, в этих системах обра-зование звезд продолжается, хотя далеко не так интенсивно, как на начальном этапе их жизни. В неправильных галактиках основной вклад в излучение дают молодые звезды, суще-ственно моложе Солнца. В галактиках данного типа звездо-образование сейчас идет столь же активно, как и миллиарды лет назад. К неправильным галактикам относятся и так называемые «взаимодействующие галактики». Это двойные галактики, ко-торые испытывают сильное гравитационное взаимодействие на расстоянии. Между ними наблюдаются перемычки, хвосты светлой и темной материи, длина которых иногда достигает сотен тысяч световых лет. При взаимном проникновении га-лактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен миллионов лет. Наша Галактика также захватывает карлико-вую галактику, находящуюся на расстоянии в 60 тысяч свето-вых лет. Через сотню миллионов лет звезды этой карликовой галактики станут звездами нашей Галактики. Магеллановы Облака также разрушаются, находясь неподалеку от нашей Галактики. По подсчетам астрономов в ближайшие 10 млрд


20

лет Млечный Путь полностью поглотит все вещество Магел-лановых Облаков. Согласно наиболее популярной схеме образования галак-тик, они возникают в результате медленного сжатия протога-лактического газового облака, распадающегося затем из-за гравитационной неустойчивости на отдельные системы про-тозвезд. На ранних фазах эволюции галактик предполагается бурное звездообразование. В процессе эволюции звезд га-лактики обогащаются тяжелыми элементами, образующими-ся в звездах. Галактики обладают заметной светимостью в радиодиа-пазоне. Это прежде всего радиоизлучение нейтрального во-дорода на длине волны 21 см, затем тепловое излучение ионизированного газа, а также нетепловое (синхротронное) излучение остатков сверхновых звезд и активных ядер неко-торых галактик. Радиоизлучение нормальных галактик сла-бее оптического. К мощным источникам радиоизлучения от-носятся радиогалактики. Их излучение чаще всего синхро-тронное. Многие радиогалактики отождествлены с гигантски-ми эллиптическими галактиками. Еще более мощными ра-диоисточниками являются квазары (по-видимому, активные ядра удаленных галактик), обладающие огромной светимо-стью и в остальных спектральных диапазонах. Галактика, внутри которой расположена Солнечная си-стема – Млечный Путь, является спиральной системой, со-стоящей из 400 млрд звезд. Она имеет форму утолщенного диска, от которого отходят спиральные рукава (рис. 2). Наибольший диаметр равен 30 кпк (90 тыс. световых лет). В центральной части диска имеется утолщение (балдж) диа-метром 8 кпк и толщиной в центральной части около 4 кпк.. Масса нашей Галактики равна 200 млрд масс Солнца. Воз-раст Галактики около 14 млрд лет. Солнце расположено практически в галактической плоскости на расстоянии Rc око-ло 10 кпк от галактического центра на внутреннем краю рука-ва, носящего название рукава Ориона (в 1985 г. Междуна-родный астрономический союз рекомендовал принять Rc = 8,5 кпк). Солнце обращается вокруг центра Галактики со скоро-стью 220 км/с и делает один оборот вокруг центра за 240 - 250 млн лет (галактический год).


21

Рис. 2. Млечный Путь

Наша Галактика включает звезды различных типов и меж-звездную среду, в том числе магнитные поля, частицы высо-ких энергий (космические лучи) и диффузионную материю. В ней насчитывается около 20 тыс. рассеянных и около 130 шаровых скоплений звезд. По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что наша Галактика име-ет четыре спиральные ветви. Вблизи центра Галактики наблюдаются два радиоисточ-ника: Стрелец А (западный) и Стрелец А (восточный). Пред-полагается, что Стрелец А (восточный) является остатком вспышки сверхновой звезды. В центре Млечного Пути нахо-дится очень яркое ядро, окружающее гигантскую черную ды-ру, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солн-ца. Звезды около черной дыры под действием приливных сил должны разрываться и образовывать сильно излучающую га-зовую оболочку, постепенно поглощаемую дырой. В спираль-ных рукавах рассеяны скопления молодых голубых звезд.


22

Спиральные рукава находятся в диске, основную часть массы которого составляют относительно слабые звезды и разре-женный газ – большей частью водород. Пространственная концентрация звезд в Галактике уменьшается с удалением от центра: в центре она составляет несколько миллионов звезд в 1 пк

3, на расстоянии R = 1 кпк от центра – несколько звезд в

1 пк3, в галактических окрестностях Солнца – примерно 1

звезда на 8 пк3.

Ближайшей к нам галактической системой является Ту-манность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,7 млн световых лет. Туманность Андромеды более чем в два раза превышает размеры нашей Галактики. Нашу Галактику и Туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик. Галактики не существуют как отдельные системы. Галак-тики – основной структурный элемент более крупных объеди-нений – скоплений и сверхскоплений галактик, определяющих крупномасштабную структуру Вселенной. Под действием гра-витации галактики образуют скопления галактик – кластеры, которые иногда называют облаками. Обычно скопление га-лактик простирается на миллионы световых лет. Эти «обла-ка» содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Млеч-ный Путь и Туманность Андромеды входят в группу (скопле-ние) галактик, известную как Местная Группа. Другие члены этой группы – Большое Магелланово Облако, Малое Магел-ланово Облако, галактика в созвездии Треугольник, несколь-ко маленьких неправильных галактик и многочисленные кар-ликовые эллиптические и сфероидальные галактики – всего около 40 галактик, связанных взаимной гравитацией. Разме-ры Местной группы около 1,5 Мпк (шестьдесят размеров нашей Галактики). Туманность Андромеды – самая большая галактика в этой группе. Местная группа движется со скоро-стью 635 км/с относительно соседних скоплений. Ближайшее скопление галактик находится в созвездии Девы на расстоянии 12 Мпк от Земли. Всего в скопление вхо-дит около 200 галактик высокой и средней светимости. При-мерно треть из них эллиптические и линзообразные, осталь-ные – спиральные. Самая яркая из них – спиральная галакти-


23

ка Сомбреро. Размеры скопления составляют около трех Ме-гапарсек (около 10

20 км).

Скопления галактик, помимо самих галактик, содержат большое количество очень горячего и разреженного газа – плазмы. Этот ионизированный газ, оставшийся после форми-рования галактик, перемешан с газом, выброшенным позже из отдельных галактик. Его плотность невероятно низка: кон-центрация не превышает одной частицы на 1000 см

3.

Наивысшая плотность галактик наблюдается в централь-ных областях крупных скоплений. Галактики здесь часто сталкиваются, при этом звезды одной проходят между звез-дами другой. Когда галактики налетают друг на друга со ско-ростью около 1000 км/с, их звезды почти не замечают этого и лишь слегка изменяют свои орбиты. Зато газовые среды сталкиваются и в результате нагреваются до многих миллио-нов градусов. При этом образуются ударные волны. В неко-торых случаях галактики сливаются. Скопления галактик представляют собой самые крупные устойчивые системы во Вселенной. Области повышенной концентрации скоплений галактик чередуются с пустотами в сотни миллионов световых лет. Самые крупные из известных структур во Вселенной это сверхскопления галактик (суперк-ластеры) – большие области пространства, имеющие разме-ры порядка пол-миллиарда световых лет, где наблюдается высокая концентрация галактик, и супервойды (или сверхпу-стоты) – такие же огромные области пространства, в которых практически отсутствуют галактики и звезды. Местная группа галактик входит в Сверхскопление Дева, или Вирго (от лат. Virgo – дева), центр масс которого находится в созвездии Де-вы. Общее число галактик, входящих в Сверхскопление, око-ло 10000, диаметр Сверхскопления около 40 Мпк. Соседями нашего Сверхскопления являются сверхскопление в созвез-дии Льва на расстоянии 87 Мпк и сверхскопление в созвездии Геркулеса на расстоянии 100 Мпк. Сейчас найдено около 50 сверхскоплений, которые образуют слои и ленты, разделен-ные обширными пустотами. Хотя в мощные телескопы удается увидеть только звезды и галактики, в темных пространствах между ними, несомнен-но, присутствует вещество. Межзвездной средой называют


24

очень разреженное вещество (газ и пыль), заполняющее про-странство между звездами и не связанное своим происхож-дением с какой-либо определенной звездой. Основной ком-понент межзвездного газа – водород. На втором месте – ге-лий, значительно меньше углерода, азота, кислорода и дру-гих химических элементов. Тяжелые элементы попадают в космос как остатки взрывов сверхновых звезд. Пылевая ком-понента состоит из частиц размером в десятые – сотые доли микрона. Химический состав этих частиц неизвестен. Вероят-но, что они обладают диэлектрическими свойствами и состо-ят из смеси льда, метана и некоторой примеси металлов. Предполагают, что сердцевину этих пылинок составляет графит (углерод). Температура пылинок около 15 – 20 К. Ме-ханизмы образования пылинок пока неясны. По-видимому, графитовые и силикатные зародыши образуются в атмосфе-рах холодных звезд, выбрасываются оттуда давлением света и в межзвездном пространстве обрастают атомами и молеку-лами. Межзвездная среда неоднородна, она имеет облачную или клочковатую структуру. Средняя плотность газа и пыли в межзвездном и межгалактическом пространстве неодинакова – от 10

─29 г/см

3 до 10

─20 г/см

3. Температура межзвездного газа

колеблется от 10 до 108

К. В нашей Галактике масса меж-звездного газа составляет несколько процентов массы Галак-тики – около 4 миллиардов масс Солнца. Если вблизи доста-точно плотной области межзвездного газа и пыли окажется случайная или генетически с ней связанная (образовавшаяся в ней) горячая и яркая звезда, то эта область будет наблю-даться как светлая туманность. По виду и происхождению туманности разделяются на диффузные (неправильной формы) и планетарные. Свет-лые диффузные туманности бывают эмиссионными (их спектр состоит из линий излучения газа) и отражательными (в них газ не ионизован и не светится, а светится находящая-ся в туманности пыль, освещаемая светом звезды, недоста-точно горячей для ионизации газа). Темные туманности пред-ставляют собой плотную концентрацию пыли, активно погло-щающую свет. Они становятся видимыми лишь при наличии за ними источника света или на фоне светлых туманностей.


25

Небольшие газо-пылевые туманности часто называют глобу-лами. Планетарные туманности представляют собой сравни-тельно небольшие по размеру, часто округлой формы газо-вые туманности. Они образуются из эмиссий газовой оболоч-ки звезд на поздних стадиях их эволюции. От центральной звезды остается только очень плотное и горячее ядро плане-тарной туманности. Межзвездная среда играет большую роль в эволюции звезд и звездных систем. В плотных газо-пылевых туманностях, вероятно, происходит образование звезд. Внегалактические объекты малого углового размера, от-личающиеся большим радиоизлучением, получили название квазаров – квазизвездных источников радиоизлучения. Это наиболее удаленные объекты, которые удалось рассмотреть до настоящего времени. Расстояния до квазаров составляют сотни миллионов и даже миллиарды световых лет. Размеры квазаров не более 10

11 км. Массы квазаров превышают сотни

миллионов солнечных масс. Квазары испускают огромное ко-личество энергии, источник которой неизвестен. Большин-ство астрофизиков считают, что главным источником энергии квазаров служит падение вещества на сверхмассивную чер-ную дыру. Полагают, что квазары являются активными ядра-ми некоторых галактик в максимальной фазе своей активно-сти. Таким образом, отдельные галактики, скопления галактик (кластеры), сверхскопления галактик (суперкластеры) обра-зуют упорядоченную иерархическую структуру, называемую Метагалактикой. Метагалактика включает в себя все извест-ные космические объекты: совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды. Межзвездное пространство заполнено газом и пылью. Кроме межзвездного вещества, Вселенная насыщена излу-чением и быстрыми частицами различных типов. Сюда вхо-дят электромагнитное и, по-видимому, гравитационное излу-чения, потоки нейтрино и космические лучи, состоящие из различных субатомных частиц. При прохождении радиоизлучения через космическую среду наблюдается явление, получившее название космиче-


26

ского мазерного эффекта (открыто в 1965 г.). Оно состоит в усилении излучения за счет непрерывного индуцированного испускания фотонов возбужденными атомами и молекулами межзвездной среды. Мазерный эффект наблюдается в от-дельных радиолиниях с длиной волны 18 см. Излучение воз-никает на неоднородностях вещества в межзвездной среде или в газовых оболочках звезд. Такие объекты получили название космических мазеров. Наиболее мощными мазера-ми являются области ядер некоторых галактик. Метагалактика заполнена равновесным микроволновым фоновым излучением (так называемым реликтовым излуче-нием), обладающим высокой степенью изотропии. Спектр из-лучения имеет характеристики излучения абсолютно черного тела при температуре Т≈ 2,7 К. Наконец, внутригалактическое пространство заполнено магнитными полями, которые присущи галактикам как цело-му, поскольку масштабы полей значительно превосходят размеры звезд. Магнитные поля галактик в значительной степени определяют динамику прохождения космических ча-стиц через межзвездную среду. Магнитное поле ответственно за вытянутую форму и волокнистую структуру многих типов туманностей, оно играет решающую роль в процессах пере-носа момента количества движения из межзвездных облаков при формировании звезд. По некоторым оценкам галактики включают лишь около 30% всех барионов, входящих в состав Метагалактики. Остальная часть барионов представлена межгалактическим газом. Межгалактическая составляющая газовой компоненты сосредоточена в коронах галактик, а также в пространстве, не содержащем галактик. Вблизи галактик газ имеет температу-ру около 10

7 К. В состав межгалактического газа входят раз-

нообразные элементы вплоть до железа. В межгалактиче-ском пространстве в окрестностях галактик наблюдаются об-лака атомарного водорода. Но в целом межгалактический газ сильно ионизован. Метагалактика имеет свои специфические свойства, осо-бенности структуры и собственные закономерности развития. Одно из важнейших свойств Метагалактики – ее постоянное расширение, разлет скоплений галактик. Об этом свойстве


27

свидетельствуют «красное» смещение в спектрах галактик и реликтовое излучение (фоновое, внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре 2,7 К). Нестацио-нарность (расширение) Метагалактики была установлена американским астрономом Э.Хабблом в конце 20-х годов ХХ века. Красное смещение не зависит от направления, в кото-ром видна галактика на небесной сфере. Его величина тем больше, чем дальше от нас галактика расположена. Красное смещение обусловлено эффектом Доплера, оно возникает в том случае, когда движение источника света (галактики) от-носительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния между ними. Галактики удаляются от нас со скоростями, воз-растающими с расстоянием до них по закону

V=H∙R, где V – скорость удаления галактики; R – расстояние до га-

лактики; H – постоянная Хаббла (космологическая постоян-

ная). H = 55 км/(сек∙Мпс). Красное смещение в различных

направлениях одинаково, следовательно, значение постоян-ной Хаббла не зависит от направления. Метагалактика рав-номерно расширяется во всех направлениях. Другое важное свойство Метагалактики – закономерность распределения в ней вещества. По мере перехода от галак-тик к системам галактик все более высоких степеней органи-зации (группы, скопления, сверхскопления галактик и т.д.) пространственное распределение вещества в ней становится все более равномерным, массы вещества в объемах, намно-го превышающих размеры сверхскоплений, получаются сравнимыми, а средние плотности вещества в этих объемах оказываются одного порядка. С гораздо большей точностью однородность Метагалактики доказывается по наблюдениям реликтового излучения, интенсивность которого одинакова по всем направлениям. В современном состоянии Метагалакти-ка – однородна и изотропна, т. е. свойства материи и про-странства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Маловероятно, что она была такой и в про-шлом. В самом начале расширения могли существовать не-однородность и анизотропия.


28

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную ма-терию и пространство? Многие ученые считают нашу расши-ряющуюся Метагалактику единственной. Другие высказывают мысли о множественности Метагалактик, множественности Вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, про-странства и времени, свой тип нестационарности, организа-ции и др. Совокупность всех наблюдаемых на небе объектов назы-вают Метагалактикой, однако, чаще к этой совокупности применяют термин «Вселенная». В течение многих лет суще-ствовало убеждение, что размеры Метагалактики (приблизи-тельно 10

28 см) – границы мира, поэтому ее следует отож-

дествлять с Вселенной, а под Вселенной понимали все су-щее. Однако в последнее время в космологии утвердилась точ-ка зрения, что Метагалактика – лишь небольшая часть наше-го мира, и поэтому отождествление Метагалактики с Вселен-ной неправомерно. Метагалактикой называют совокупность объектов, расположенных в пространственном объеме ради-усом примерно 10

28 см. Метагалактикой иногда называют

ограниченный горизонтом видимости наблюдаемый мир ра-диусом около 15 млрд световых лет. Вселенная – это весь не ограниченный горизонтом видимости материальный мир, как доступный нашему наблюдению, так и лежащий за предела-ми наших возможностей. Вне Вселенной никакие другие формы материи не могут существовать. Вселенная охваты-вает все. Масса Метагалактики оценивается величиной 6х10

9 Мс, где Мс – масса Солнца, Мс = 1,99∙10

33 г.

2. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Эволюция звезд – это изменение со временем физиче-ских характеристик, внутреннего строения и химического со-става звезд. Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд в удовлетворительном согласии с данными астрономических наблюдений. Ход эво-люции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава. Звезды первого поколения сформировались из ве-щества, состав которого определялся космологическими


29

условиями (около 70% водорода, 30% гелия, ничтожная при-месь дейтерия и лития). В ходе эволюции звезд первого по-коления образовались тяжелые элементы, которые были вы-брошены в межзвездное пространство в результате истече-ния вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды после-дующих поколений сформировались из вещества, содержа-щего 3 – 4% тяжелых элементов. Рождение звезды – это образование объекта, излучение которого поддерживается за счет собственных источников энергии. Процесс звездообразования продолжается непре-рывно, он происходит и в настоящее время. Для объяснения структуры мегамира наиболее важным является гравитационное взаимодействие. В газопылевых туманностях под действием сил гравитации происходит фор-мирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если та-кие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной звезды, а звезд-ных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягива-ются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Они, как правило, начинают вращаться от-носительно друг друга, и центробежные силы этого движения противодействуют силам притяжения, ведущим к дальней-шей концентрации. К молодым относятся звезды, которые находятся еще в стадии первоначального гравитационного сжатия. Темпера-тура в центре таких звезд еще недостаточна для протекания ядерных реакций, свечение звезд происходит только за счет превращения гравитационной энергии в теплоту. Гравитаци-онное сжатие – первый этап эволюции звезд. Оно приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры начала термоядерной реакции (10 – 15 млн К) – превращения водо-рода в гелий. Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Энергия, образующаяся внутри звезды, позволяет ей излу-чать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет. Впервые предположение о том, что источником энергии звезд


30

являются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода, выдвинул в 1920 г. английский астрофизик А.С.Эддингтон. В недрах звезд возможны два типа термоядерных реакций с участием водорода, называемые водородным (протон-протонным) и углеродным (углеродно-азотным) циклами. В первом случае для протекания реакции требуется только во-дород, во втором необходимо еще наличие углерода, служа-щего катализатором. Исходным веществом служат протоны, из которых в результате ядерного синтеза образуются ядра

гелия He42

. В 1939 г. Г.Бете разработал протон-протонный

цикл ядерных реакций (водородный цикл). Водородный цикл является основным источником энергии звезд массой мень-ше 1,2 массы Солнца. Результат реакций, в которых проис-ходит образование ядер гелия из водорода, можно записать так:

4 HeH 42

11

2e+ + 2 + 26,73 МэВ.

Разумеется, такое превращение происходит не сразу, а в несколько этапов (рис. 3).

Рис. 3. Протон-протонный цикл (Из: Кочаров, 1996)

Наиболее важными реакциями водородного цикла являются следующие:


31

eDНН 21

11

11

HeHD 32

11

21

HHHeHeHe 11

11

42

32

32

Конечным результатом этой последовательности реакций (протон-протонного или водородного цикла) является пре-вращение четырех ядер водорода в ядро атома гелия. Пол-ная энергия, выделяющаяся при такой реакции, равна 26,73 МэВ. Нейтрино, образующиеся при этой реакции, слабо вза-имодействуют с веществом и покидают звезду, унося свою энергию – примерно 0,5 МэВ (так называемые солнечные нейтрино). Эта реакция может идти при температурах поряд-ка 13 млн К. По этой схеме происходит примерно 70% всех

реакций водородного цикла на Солнце. В 30% случаев He32

может соединиться с He42

и тогда реакции пойдут по следу-

ющей схеме:

BeHeHe 74

42

32

LieBe 73

74

HeHeHLi 42

42

11

73

В этом случае выделение энергии составляет 26,73 МэВ. На Солнце водородный цикл эффективнее углеродно-азотного и обеспечивает 98,4% энерговыделения. Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществиться углеродно-азотный цикл – серия тер-моядерных реакций, приводящая к синтезу гелия из водорода с участием азота и углерода в качестве катализаторов. Углерод в звездах образуется в результате так называе-мого 3α-процесса, предсказанного в 1952 г. американским

теоретиком Э.Э.Солпитером: образования ядра углерода С126

при слиянии трех ядер гелия He42

в результате ряда проме-

жуточных реакций с участием бериллия.

Углеродно-азотный цикл открыт независимо друг от друга Г.Бете и немецким физиком и астрофизиком К. фон Вейцзек-кером. Этот цикл состоит из шести реакций (рис. 4):


32

Рис. 4. Углеродно-азотный цикл (Из: Кочаров, 1996)

HeCHN

eNO

OHN

NHC

eCN

NHС

42

126

11

157

157

158

158

11

147

147

11

136

136

137

137

11

126

Конечным результатом этой цепочки является превраще-ние четырех протонов в одно ядро гелия с выделением 26,73


33

МэВ энергии, при этом 1,7 МэВ уносится с нейтрино. Так как в этой последовательности реакций участвуют ядра углерода и азота, то ее и называют углеродно-азотным циклом. Угле-родно-азотный цикл является основным источником энергии звезд, масса которых более 1,2 массы Солнца. В центре этих звезд температура около 20 млн К и углеродно-азотный цикл оказывается эффективнее водородного. Углеродно-азотный цикл протекает и на Солнце, но он обеспечивает только око-ло 1,6% энерговыделения. В недрах Солнца каждую секунду сгорает 3,6∙10

38 протонов, т.е. около 630 млн т водорода пре-

вращаются в гелий. При этом мощность излучения Солнца составляет 3,86∙10

26 Вт.

Поскольку при превращении четырех протонов в ядро ге-лия рождаются два нейтрино, в недрах Солнца ежесекундно генерируются 1,8∙10

38 нейтрино. Нейтрино слабо взаимодей-

ствует с веществом и обладает большой проникающей спо-собностью. Пройдя сквозь огромную толщу солнечного веще-ства, нейтрино сохраняют всю ту информацию, которую они получили в термоядерных реакциях в недрах Солнца. Плот-ность потока солнечных нейтрино, падающих на поверхность Земли, равна 6,6∙10

10 нейтрино на 1 см

2 в 1 с. Измерение по-

тока нейтрино, падающих на Землю, позволяет судить о про-цессах, происходящих внутри Солнца. Таким образом, источником энергии у большинства звезд являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне звезды. В результате термоядерной реакции возникает поток энергии, направленный наружу, в виде излучения в ши-роком интервале частот (длин волн). Взаимодействие между излучением и веществом приводит к установившемуся рав-новесию: давление направленной наружу радиации уравно-вешивается давлением гравитации. Дальнейшее сжатие звезды прекращается, пока в центре производится достаточ-ное количество энергии. Это состояние довольно устойчиво, и размер звезды остается постоянным. Водород – главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего. Запасов водорода звезде хватает на миллиарды лет. Это объясняет, почему звезды устойчивы столь длительное время. До тех пор, пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.


34

После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое около поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звез-ды. Структура звезды на этой стадии описывается моделями со слоевым источником энергии. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка – расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой. Звезда переходит в стадию красного ги-ганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату. Красные гиганты и сверхгиганты занимают особое место на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 1). Они отличаются низкими температурами и огромными размерами (от 10 до 1000 Rc). Средняя плотность вещества в них не достигает и 0,001 г/см

3. В основном они принадлежат к спектральным

классам К-М, но во много раз ярче аналогичных звезд, распо-ложенных на главной последовательности. Их светимость в сотни раз превышает светимость Солнца, но температура значительно ниже (около 3000-4000 К). Максимум их излуче-ния приходится на красную область. Полагают, что наше Солнце при переходе в стадию крас-ного гиганта может увеличиться настолько, что заполнит ор-биту Меркурия. Правда, Солнце станет красным гигантом че-рез 8 млрд лет. Для красного гиганта характерна низкая внешняя темпе-ратура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. При температуре 150 млн градусов начинаются гелиевые ре-акции, которые являются не только источником энергии, но в ходе них осуществляется синтез более тяжелых химических элементов. После образования углерода в гелиевом ядре звезды возможны следующие реакции:

.

;

;

2412

42

2010

2010

42

168

168

42

126

MgHeNe

NeHeO

OHeC


35

Следует отметить, что синтез очередного более тяжелого ядра требует все более и более высоких энергий. К моменту образования магния весь гелий в ядре звезды истощается, и, чтобы стали возможными дальнейшие ядерные реакции, необходимо новое сжатие звезды и повышение ее темпера-туры. Однако это возможно не для всех звезд, а лишь для достаточно больших, масса которых превышает массу Солн-ца более чем в 1,4 раза (так называемый предел Чандрасе-кара). В звездах меньшей массы реакции заканчиваются на стадии образования магния. В звездах, масса которых пре-вышает предел Чандрасекара, за счет гравитационного сжа-тия температура повышается до 2 млрд градусов, реакции продолжаются, образуя более тяжелые элементы – вплоть до железа. Элементы тяжелее железа образуются при взры-вах звезд. Процессы в звездах в настоящее время принято класси-фицировать следующим образом: ● Н-процесс – превращение водорода в гелий по реакци-ям водородного (протонного) и углеродно-азотного циклов. Он служит источником энергии для звезд главной последова-тельности; ● α- процесс – совокупность гелиевых реакций и следую-щих за ними реакций ядер углерода и кислорода в выгорев-ших ядрах звезд-гигантов; ● е- процесс образование железа и близких к нему эле-ментов при температурах 3∙10

9 К (в стадии непосредственно

перед вспышкой сверхновой); ● r- процесс – процесс нейтронного захвата при вспышках сверхновых. Существуют и другие процессы ядерного синтеза, которые в совокупности позволяют объяснить химический состав Мета-галактики. В результате роста давления, пульсаций и других про-цессов красный гигант непрерывно теряет вещество, кото-рое выбрасывается в межзвездное пространство в виде звездного ветра. Когда внутренние термоядерные источ-ники энергии полностью истощаются, дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.


36

При массе меньше 1,4 массы Солнца звезда переходит в стационарное состояние с очень большой плотностью (сот-ни тонн на 1 см

3). Такие звезды называются белыми карли-

ками. В процессе превращения красного гиганта в белый кар-лик звезда может сбросить свои наружные слои, как легкую оболочку, обнажив при этом ядро. Газовая оболочка ярко светится под действием мощного излучения звезды. Так об-разуются планетарные туманности. При высоких плотностях вещества внутри белого карлика электронные оболочки ато-мов разрушаются, и вещество звезды представляет собой электронно-ядерную плазму, причем ее электронная состав-ляющая представляет собой вырожденный электронный газ. Белые карлики находятся в равновесном состоянии за счет равенства сил между гравитацией (фактор сжатия) и давле-нием вырожденного газа в недрах звезды (фактор расшире-ния). Белые карлики могут существовать миллиарды лет. Тепловые запасы звезды постепенно истощаются, звезда медленно охлаждается, что сопровождается выбро-сами оболочки звезд в межзвездное пространство. Звезда постепенно изменяет свой цвет от белого к желтому, затем к красному, наконец, она перестает излучать, становится ма-леньким безжизненным объектом, мертвой холодной звез-дой, размеры которой меньше размеров Земли, а масса сравнима с массой Солнца. Плотность такой звезды в мил-лиарды раз больше плотности воды. Такие звезды называют-ся черными карликами. Так заканчивают свое существование большинство звезд. При массе звезды более 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии ста-новится невозможным, т.к. давление внутри звезды не может уравновесить силу тяготения. Начинается гравитационный коллапс ─ сжатие вещества к центру звезды под действием гравитационных сил. Если отталкивание частиц и другие причины останавли-вают коллапс, то происходит мощный взрыв ─ вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство и образованием газовых туманно-стей. Название было предложено Ф.Цвикки в 1934 г. Взрыв сверхновой является одним из промежуточных этапов эво-


37

люции звезд перед превращением их в белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. При взрыве выделяет-ся энергия 10

43 ─ 10

44 Дж при мощности излучения 10

34 Вт.

При этом блеск звезды увеличивается на десятки звездных величин за несколько суток. Светимость сверхновой может превосходить светимость всей галактики, в которой она вспыхнула. Газовая туманность, образующаяся при взрыве сверхно-вой, состоит частично из выброшенных взрывом верхних слоев звезды, а частично – из межзвездного вещества, уплотненного и разогретого разлетающимися продуктами взрыва. Наиболее известной газовой туманностью является Крабовидная туманность в созвездии Тельца – остаток сверхновой 1054 г. (рис. 5).

Рис. 5. Крабовидная туманность

Молодые остатки сверхновых расширяются со скоростями 10-20 тыс. км/с. Столкновение расширяющейся оболочки с неподвижным межзвездным газом порождает ударную вол-ну, в которой газ нагревается до миллионов Кельвин и стано-вится источником рентгеновского излучения. Распростране-


38

ние ударной волны в газе приводит к появлению быстрых за-ряженных частиц (космических лучей), которые, двигаясь в сжатом и усиленном этой же волной межзвездном магнитном поле, излучают в радиодиапазоне. Астрономы зафиксировали вспышки сверхновых в 1054, 1572, 1604 годах. В 1885 году появление сверхновой было отмечено в туманности Андромеды. Ее блеск превышал блеск всей Галактики и оказался в 4 млрд раз более ин-тенсивным, чем блеск Солнца. Уже к 1980 г. было открыто более 500 вспышек сверхно-вых звезд, но ни одна не наблюдалась в нашей Галактике. Астрофизики подсчитали, что в нашей Галактике сверхновые звезды вспыхивают с периодом 10 млн лет в непосред-ственной близости от Солнца. В среднем в Метагалактике происходит вспышка сверхновой каждые 30 лет. Дозы космического излучения на Земле при этом могут превышать нормальный уровень в 7000 раз. Это приведет к серьезнейшим мутациям в живых организмах на нашей пла-нете. Некоторые ученые так объясняют внезапную гибель динозавров. Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела – нейтронной звезды или черной дыры. Масса нейтронных звезд составляет (1,4 – 3)Мс, диаметр – около 10 км. Плотность нейтронной звезды очень велика, выше плотности атомных ядер ─ 10

15 г/см

3. При

нарастании сжатия и давления становится возможной реак-

ция поглощения электронов протонами .enep

В итоге все вещество звезды будет состоять из нейтронов. Нейтронизация звезды сопровождается мощной вспышкой нейтринного излучения. При вспышке сверхновой SN1987A продолжительность нейтринной вспышки составляла 10 с, а энергия, унесенная всеми нейтрино, достигала 3∙10

46 Дж.

Температура нейтронной звезды достигает 1 млрд К. Нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. Для звезд, у которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому нейтронные звезды называют пульсарами. Первые пульсары


39

были открыты в 1967 г. Частота пульсаций излучения, опре-деляемая скоростью вращения пульсара, от 2 до 200 Гц, что указывает на их малые размеры. Например, пульсар в Кра-бовидной туманности имеет период испускания импульсов 0,03 с. В настоящее время известны сотни нейтронных звезд. Нейтронная звезда может появиться в результате так назы-ваемого «тихого коллапса». Если белый карлик входит в двойную систему из близко расположенных звезд, то возни-кает явление аккреции, когда вещество со звезды-соседа пе-ретекает на белый карлик. Масса белого карлика растет и в определенный момент превосходит предел Чандрасекара. Белый карлик превращается в нейтронную звезду. Если конечная масса белого карлика превышает 3 массы Солнца, то вырожденное нейтронное состояние неустойчиво, и гравитационное сжатие продолжается до образования объ-екта, называемого черной дырой. Термин «черная дыра» введен Дж. Уилером в 1968 г. Однако представление о по-добных объектах возникло на несколько столетий раньше, после открытия И. Ньютоном в 1687 г. закона всемирного тя-готения. В 1783 г. Дж. Митчелл предположил, что в природе должны существовать темные звезды, гравитационное поле которых столь сильно, что свет не может вырваться из них наружу. В 1798 г. такая же идея была высказана П. Лапласом. В 1916 г. физик Шварцшильд, решая уравнения Эйнштейна, пришел к выводу о возможности существования объектов с необычными свойствами, позже названные черными дырами. Черная дыра – область пространства, в которой поле тяготе-ния настолько сильно, что вторая космическая скорость для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни ча-стицы, ни излучение. В соответствии с общей теорией отно-сительности характерный размер черной дыры определяется гравитационным радиусом: Rg =2GM/c

2, где М – масса объек-

та, с – скорость света в вакууме, G – постоянная тяготения. Гравитационный радиус Земли равен 9 мм, Солнца 3 км. Границу области, за которую не выходит свет, называют го-ризонтом событий черной дыры. У вращающихся черных дыр радиус горизонта событий меньше гравитационного радиуса.


40

Особый интерес вызывает возможность захвата черной ды-рой тел, прилетающих из бесконечности. Теория допускает существование черных дыр массой 3 –50 масс Солнца, образующихся на поздних стадиях эволюции массивных звезд с массой более 3 масс Солнца, сверхмас-сивных черных дыр в ядрах галактик массой в миллионы и миллиарды масс Солнца, первичных (реликтовых) черных дыр, формировавшихся на ранних стадиях эволюции Все-ленной. До наших дней должны были дожить реликтовые черные дыры массой более 10

15 г (масса средней горы на

Земле) из-за действия механизма квантового испарения чер-ных дыр, предложенного С. Хокингом (S.W.Hawking). Астрономы обнаруживают черные дыры по мощному рентгеновскому излучению. Примером такого типа звезд яв-ляется мощный рентгеновский источник Лебедь Х-1, масса которого превышает 10Мс. Часто черные дыры встречаются в рентгеновских двойных звездных системах. Уже обнаружены десятки черных дыр звездной массы в таких системах (mч.д.= 4-15 Мс). По эффектам гравитационного линзирования откры-то несколько одиночных черных дыр звездной массы (mч.д.=6-8 Мс). В случае тесной двойной звезды наблюдается явление аккреции – перетекание плазмы с поверхности обычной звез-ды под действием гравитационных сил на черную дыру. Ве-щество, перетекающее на черную дыру, обладает моментом импульса. Поэтому плазма образует вращающийся диск во-круг черной дыры (рис. 6). Температура газа в этом вращаю-щемся диске может достигать 10 млн градусов. При этой температуре газ излучает в рентгеновском диапазоне. По этому излучению можно определить наличие в данном месте черной дыры. Особый интерес представляют сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик. На основании изучения рентгеновско-го изображения центра нашей Галактики, полученного с по-мощью спутника CHANDRA, установлено наличие сверхмас-сивной черной дыры, масса которой в 4 млн. раз превышает массу Солнца. В результате последних исследований амери-канским астрономам удалось обнаружить уникальную сверх-тяжелую черную дыру, расположенную в центре очень отда-ленной галактики, масса которой в 10 млрд. раз превышает


41

массу Солнца. Для того чтобы достичь таких невообразимо огромных размеров и плотности, черная дыра должна была формироваться на протяжении многих миллиардов лет, непрерывно притягивая и поглощая материю. Ученые оцени-вают ее возраст в 12,7 млрд лет, т.е. она начала формиро-ваться примерно через один миллиард лет после Большого взрыва. К настоящему времени обнаружено более 250 сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик (mч.д=(10

6 –

109) Мс).

Рис. 6. Черная дыра Двойная система GRO J1655-40 состоит из нормальной звезды и черной ды-ры (находится в созвездии Скорпиона на расстоянии 11 тыс. световых лет от Земли). Вещество с нормальной звезды падает на черную дыру под действием гравитационных сил. Вокруг черной дыры образуется аккреционный диск, из кото-рого вырывается высокоскоростной ветер.

С эволюцией звезд тесно связан вопрос о происхождении химических элементов. Если водород и гелий являются эле-ментами, которые остались от ранних стадий эволюции рас-ширяющейся Вселенной, то более тяжелые химические эле-менты могли образоваться только в недрах звезд при термо-ядерных реакциях. Внутри звезд при термоядерных реакциях может образоваться до 30 химических элементов (по железо включительно). По своему физическому состоянию звезды можно разде-лить на нормальные и вырожденные. Первые состоят в ос-новном из вещества малой плотности, в их недрах идут тер-


42

моядерные реакции синтеза. К вырожденным звездам отно-сятся белые карлики и нейтронные звезды, они представляют собой конечную стадию эволюции звезд. Реакции синтеза в них закончились, а равновесие поддерживается квантово-механическими эффектами вырожденных фермионов: элек-тронов в белых карликах и нейтронов в нейтронных звездах. Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры объеди-няют общим названием «компактные остатки». В конце эволюции в зависимости от массы звезда либо взрывается, либо сбрасывает более спокойно вещество, уже обогащенное тяжелыми химическими элементами. При этом образуются остальные элементы периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды об-разуются звезды следующих поколений. Например, Солнце – звезда второго поколения, образовавшаяся из вещества, уже однажды побывавшего в недрах звезд и обогащенного тяже-лыми элементами. Поэтому о возрасте звезд можно судить по их химическому составу, определенному методом спек-трального анализа.

3. СОВРЕМЕННЫЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ВСЕЛЕННОЙ

В классической науке существовала теория стационарно-го состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, как сейчас. Астрономия была статичной: изучалось движение планет и комет, описывались звезды, создавалась их классификация. Вопрос об эволюции Вселен-ной не ставился. Классическая ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:

- пространство и время Вселенной абсолютны, они не за-висят от материальных объектов процессов;

- пространство и время метрически бесконечны; - пространство и время однородны и изотропны; - Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

Современные космологические модели Вселенной осно-вываются на общей теории относительности А. Эйнштей-


43

на, согласно которой свойства пространства и времени опре-деляются распределением гравитационных масс во Вселен-ной. Современная космология строит модели Вселенной, ба-зируясь на основном уравнении тяготения, выведенном А.Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моде-лей Вселенной. Первая модель была разработана А.Эйнштейном в 1917 г. В соответствии с этой моделью Вселенной мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим от-талкиванием. Модель Эйнштейна носит стационарный харак-тер, свойства пространства рассматриваются независимо от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. она не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранич-но, но конечно. Вселенная в модели Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве, но имеет конечные размеры. Эта модель в то время согласовывалась со всеми известными фактами. Вселенная Эйнштейна пространствен-но конечна: она имеет конечные размеры, но не имеет гра-ниц. В этой модели пространственный объем Вселенной ко-нечен, но границ у него нет. Пространство Вселенной не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы в нем можно со-вершать «кругосветные» путешествия: послав в каком-либо направлении сигнал, через некоторое время можно обнару-жить, что он вернулся с противоположной стороны. Сочетание безграничности, и в то же время конечности, можно проиллюстрировать на примере шара. Для двумерно-го существа, могущего перемещаться только по поверхности шара, у него нет границ, в то же время размер поверхности шара конечен. Размеры шара могут увеличиваться, умень-шаться, пульсировать, оставаясь при этом конечными. В настоящее время считается достоверным наблюда-тельным фактом изотропность и однородность Вселенной.


44

При этом отвлекаются от мелкомасштабной (по сравнению со всей наблюдаемой Вселенной) неоднородностью, которая проявляется в существовании галактик и их скоплений. Од-нородность и изотропность Вселенной следует понимать в больших масштабах. Хаббл обнаружил, что число галактик увеличивается пропорционально расстоянию до них. Т.е. несмотря на локальные неоднородности в самой галактике, межгалактическое пространство со всеми звездными скопле-ниями и галактиками образует близкую к однородному со-стоянию структуру Вселенной. Ни в одном направлении не обнаружено явных отклоне-ний от однородности в больших масштабах. Эта высокая од-нородность не исключает структурированности в виде скоп-лений галактик. Другими словами, Вселенная однородна в больших масштабах и неоднородна в малых. Решающим ар-гументом в пользу однородности и изотропности Вселенной является изотропия реликтового излучения горячей Вселен-ной, наблюдаемого на Земле в настоящее время. Изотропия излучения свидетельствует об одинаковости условий в раз-личных направлениях от нас. В 1917 г. голландский астроном де Ситтер предложил другую модель, являюшуюся решением уравнения тяготения. Решение перестало быть стационарным, возникло некоторо-го рода космологическое отталкивание между массами, стре-мящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению становилась заметной лишь на больших расстояниях. Современная космология представляет собой обширную, быстро развивающуюся область знания. Теоретической ос-новой ее явились космологические модели советского мате-матика А.Фридмана, а наблюдательной основой – открытие американским астрономом Хабблом красного смещения в спектрах галактик. В 1922 г. математик и геофизик А.А.Фридман отбросил постулат о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы. Фридман доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периоди-чески расширяться или сжиматься.


45

Существуют несколько решений уравнения тяготения Эйнштейна, для которых характерна эволюция Вселенной. Общим для этих решений является представление об изо-тропности и однородности Вселенной с течением времени. Это утверждение называют космологическим постулатом. Решение уравнений А.Фридмана допускает три воз-можности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине (10

-29

г/см3), то мировое пространство оказывается евклидовым и

Вселенная в этом случае неограниченно расширяется из первоначального точечного состояния. (Геометрия Евклида – это геометрия на плоскости. Кривизна пространства в ней равна нулю. Сумма углов в треугольнике равна 180 градусам. Через точку можно провести только одну прямую, парал-лельную данной прямой (рис. 7)). Такая модель Вселенной получила название модели Эйнштейна – де Ситтера. Все-ленная в этой модели является открытой и бесконечной.

Рис. 7. Различные модели Вселенной

Если плотность меньше критической, пространство обла-дает геометрией Лобачевского и Вселенная так же неограни-ченно расширяется. (Геометрия Лобачевского - геометрия на


46

псевдосфере. Кривизна пространства в ней отрицательна. Сумма углов в треугольнике меньше 180 градусов. Через точ-ку можно провести бесконечное множество прямых, парал-лельных данной). Эту модель Вселенной иногда называют моделью Фридмана – Леметера. Вселенная в этой модели открытая и бесконечная. Если плотность больше критической, то пространство об-ладает геометрией Римана. (Геометрия Римана – это гео-метрия на сфере. Кривизна пространства в ней положитель-на. Сумма углов в треугольнике больше 180 градусов. Через точку нельзя провести ни одной прямой, параллельной дан-ной). Вселенная в этой модели была когда-то сверхплотной и занимала малый объем. Затем она стала расширяться, рас-ширение на некотором этапе сменится сжатием, которое бу-дет продолжаться вплоть до первоначального точечного со-стояния. Такая Вселенная называется пульсирующей, ее объем ограничен. Вселенная в этой модели является закры-той и конечной. Леметером предложено решение, в котором простран-ство обладает геометрией Римана. Вселенная в этой модели расширяется вечно, но имеется квазистатическая фаза. Все-ленная в модели Леметера является конечной и закрытой. Таким образом, в зависимости от кривизны пространства различают:

- открытые модели Вселенной, в которых кривизна про-странства отрицательна или равна нулю;

- закрытые модели с положительной кривизной. До недавнего времени считалось, что средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической, так что более вероятной представлялась модель Фридмана – Леметера с геометрией Лобачевского, т.е. пространственно бесконеч-ная расширяющаяся Вселенная с отрицательной кривиз-ной. Недавно получены данные, что пространство обладает геометрией Евклида. Но и в этом случае модель Вселенной получается открытой, в ней Вселенная расширяется вечно. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. При изучении далеких галактик был обнаружен эф-фект красного смещения спектральных линий, являющийся следствием эффекта Допплера, вызванного тем, что галакти-


47

ки удаляются от нас. В 1929г. американский астроном Э.Хаббл обнаружил, что все галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Таким образом, в настоящее время наблюдается рас-ширение Вселенной. В течение нескольких десятилетий счи-талось, что Вселенная замедляет свое расширение под дей-ствием вещества. Но длительные наблюдения за изменени-ем блеска сверхновых привели ученых к выводу, что скорость расширения Вселенной постоянно возрастает. Причина этого ускорения пока не выяснена. Одной из причин считается вли-яние темной энергии. Дальнейшая эволюция Вселенной за-висит от средней плотности вещества во Вселенной. Если средняя плотность окажется больше критической, то через 30 млрд. лет расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием. В общей теории относительности критическая плот-ность определяется величиной 10

-29 г/см

3 , а средняя плот-

ность вещества во Вселенной по современным представле-ниям оценивается в 3х10

-31 г/cм

3 , т.е. в 30 с лишним раз

меньше. Из этого следует, что Вселенная будет неограни-ченно долго расширяться. Этот вывод противоречит установ-ленному факту евклидовости геометрии нашей Вселенной. Но определение плотности вещества во Вселенной пока не-надежно. Во Вселенной могут присутствовать еще не об-наруженные виды материи. Плотность, геометрическая структура и будущее Вселен-ной связаны между собой. Поэтому делать выводы о конеч-ности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.

4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ВСЕЛЕННОЙ

В последние десятилетия достаточно детально разрабо-тана научная концепция происхождения нашей Вселенной. Теория рождения Вселенной, также как и другие космологи-ческие проблемы, разрабатывается на основе последних до-стижений физики, проверяется точнейшими астрономически-ми наблюдениями. Теоретической основой концепции рожде-ния Вселенной послужили работы русского ученого А.Фридмана, установившего возможность существования мо-дели расширяющейся Вселенной. Это предсказание экспе-риментально было подтверждено в 20-е годы ХХ века амери-


48

канским астрономом Э.Хабблом, занимавшимся изучением далеких галактик и установившим, что галактики удаляются друг от друга, а вся Вселенная расширяется. В основе современных представлений об эволюции Все-ленной лежит модель горячей Вселенной или «Большого взрыва», предложенная американским физиком Д. Гамовым в конце 40-х годов ХХ века. Когда говорят о расширяющейся Вселенной, обычно проводят такую аналогию. Представим галактики в виде отдельных меток на поверхности резинового шара. Если этот шар раздувается, то расстояния между га-лактиками увеличиваются. Такая двумерная модель с ис-пользованием системы координат Лагранжа очень удобна для компьютерных вычислений. Скорость удаления галактик хорошо изучена, значит, определен темп расширения Все-ленной. Если он известен, то можно рассчитать, когда при-мерно началось расширение. Ретроспективные расчеты, в основе которых лежит мо-дель расширяющейся Вселенной, оценивают время эволю-ции Вселенной приблизительно в 15 млрд лет (по последним данным 13,7 млрд лет). Теоретические расчеты показывают, что 13,7 млрд лет назад Вселенная находилась в состоянии с очень большой плотностью и энергией (сингулярном состо-янии). Космическая материя в этот момент была сконцентри-рована в необычайно малом объеме радиусом 10

-33 см

(близко к радиусу электрона) с гигантской плотностью 1093

г/см

3 при температуре 10

31 К. Материя была почти однород-

ной, существовали лишь очень маленькие (по амплитуде) флуктуации в этом однородном распределении вещества по пространству. Вселенная в сингулярном состоянии представ-ляла собой микрообъект с очень высокой температурой. По-этому эту модель называют «горячей». Предполагается, что от первоначального сингулярного состояния Вселенная спонтанно перешла к расширению в результате «Большого взрыва», заполнившего все простран-ство. Теория Большого взрыва убедительно объясняет эво-люцию Вселенной, начиная с 10

-35 секунды

после ее возник-

новения. Мгновения жизни Вселенной в период от 10-43

с до 10

-35 с моделируются гипотезой инфляционной Вселенной. В

основе этой гипотезы лежит предположение о том, что наря-


49

ду с силами гравитационного притяжения существовали ги-гантские силы космического отталкивания, которые смогли разорвать начальное состояние материи и вызвать расшире-ние, продолжающееся по сей день. Первые догадки о том, что могло послужить причиной начала расширения Вселен-ной, были высказаны в середине 60-х годов Э.Глиннером. Он предположил, что в начале расширения материя находилась в состоянии физического вакуума. Представление о физическом вакууме играет важную роль в квантовой теории поля. Физический вакуум является нулевым состоянием квантовых полей, наинизшим энергети-ческим состоянием всех полей, формой материи, лишенной вещества и излучения. Флуктуации нулевых колебаний ваку-ума проявляются как непрерывный процесс рождения и ис-чезновения неограниченного числа виртуальных частиц (не-посредственно ненаблюдаемых частиц, имеющих чрезвы-чайно короткое время жизни). Под действием сильных полей виртуальные частицы могут превращаться в реальные, т.е. вакуум может быть источником вещества. Возбужденное со-стояние такого вакуума способно создать огромное отрица-тельное давление, гигантскую силу космического отталкива-ния. Вакуумная материя создает гравитационное отталки-вание вместо гравитационного притяжения. Именно гравита-ционное отталкивание и послужило причиной первотолчка, который вызвал безудержное и стремительное раздувание Вселенной с гигантскими начальными скоростями расшире-ния материи. Раздувание Вселенной осуществлялось по экс-поненте. За каждые10

-32 с диаметр Вселенной увеличивался

в 1050

раз. Подобное чрезвычайно быстрое, или экспоненци-ально быстрое, расширение получило название инфляции. Как уже упоминалось, первоначальные размеры Вселен-ной составляли 10

-33 см при плотности 10

93 г/см

3. Таким

образом, полная масса материи, которая тогда существова-ла, составляла 10

-5 ─ 10

-6 г. При расширении Вселенной

объем ее становился все больше, а плотность фактически не менялась. Из-за этого масса Вселенной все время воз-растала. С новой массой рождалось новое гравитационное тяготение этой массы. Положительная энергия материи компенсировалась рождающейся отрицательной энергией


50

гравитации, поэтому в сумме закон сохранения энергии со-блюдался. Вакуумная материя неустойчива. Инфлантон, как называют вакуумную материю, через 10

-36 с распался

квантовым образом и превратился в горячую плазму - обыч-ную материю. Это и был квантовый процесс рождения нашей горячей Вселенной. За ничтожный промежуток времени от 10

-43с (начало инфляции) до 10

-36с (конец инфляции) Все-

ленная раздулась в невероятное число раз: 101000000000

раз. Таким образом, перед началом расширения горячей Вселен-ной был процесс инфляции, который определил очень мно-гое из того, что существует сегодня во Вселенной. Стационарное описание Вселенной без учета квантово-гравитационных эффектов возможно лишь при значениях

времени ttp , где tp=10-43

c – планковское время. Для опи-сания процессов, происходивших в период от 0 до 10

-43с,

требуется еще не созданная квантовая теория тяготения. По современным представлениям, инфляционному пери-оду предшествовал период квантового существования Все-ленной. В этот период эволюции Вселенной пространство и время не могли рассматриваться как непрерывные. Про-странство и время распадались на отдельные кванты, и все это находилось в состоянии «кипящего вакуума», причем плотность вакуума была чрезвычайно большой – 10

93 г/см

3. В

этот период «самого начала» пространство (его размерность и топология) менялось причудливейшим образом, квантовым образом. Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходит превращение «ки-пящего вакуума» в отдельные пузыри раздувающихся все-ленных. Каждая из них подобна нашей Вселенной, однако разные вселенные могут иметь разные физические свойства и развиваться по-разному. Таким образом, наша Вселенная – один из пузырьков вечной Сверхвселенной. К моменту времени 10

-36 с инфляционная фаза завер-

шается, исчезает отталкивание, Вселенная переходит во власть обычных законов гравитационного притяжения. Бла-годаря первоначальному импульсу, полученному в период инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. По окончании фазы инфляции огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном фи-


51

зическом вакууме, высвободились в виде излучения, кото-рое мгновенно нагрело Вселенную до температуры 10

27 К. С

этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии, возникает вещество и антивещество. Затем Вселенная начинает остывать и испытывать после-довательные переходы, в результате которых сформиро-вались все ее элементы, наблюдаемые сегодня. Теория горячей Вселенной подтверждается суще-ствованием изотропного космического фонового (реликтово-го) излучения с тепловым спектром, соответствующим тем-пературе 2,7 К. Реликтовое излучение, несущее информа-цию о первых мгновениях расширения Вселенной, было предсказано Гамовым в 1953 г. Ретроспективные расчеты по-казывают, что в начале расширения Вселенная находилась в состоянии с исключительно высокими плотностями материи и энергии излучения. По законам термодинамики при высоких плотностях и температурах вещество и излучение должны находиться в равновесии. После процессов нуклеосинтеза излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраниться до нашего времени, только температура его должна понизиться за это время из-за расширения. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон открыли реликтовое излучение. (Следует отметить, что реликтовый фон в 1956 г. реально регистрировался в Пулковской обсерватории на рупорной антенне, построенной С.Э.Хайкиным, Н.Л.Кайдановским и Т.А.Шмаоновым. Публи-кация об этом была в 1957 г. в журнале «Приборы и техника эксперимента», но никто тогда не придал этому значения). Первое точное измерение температуры и спектра космиче-ского фонового излучения было выполнено на американском спутнике СОВЕ (Cosmic Background Explorer) в 1990 г. Темпе-ратура реликтового излучения одинакова во всех направле-ниях с точностью до 10

-5 К. В дальнейшем были обнаружены

небольшие вариации температуры и интенсивности реликто-вого излучения. Ученые считают, что в этих вариациях за-ключена информация о процессах рождения Вселенной и о том, что происходило сразу после рождения. Установленная СОВЕ анизотропия реликтовых фотонов должна свидетель-ствовать о неоднородностях плотности вещества (а не только


52

излучения) того же порядка (10-5

) на ранней стадии развития мира. Вероятно, эти неоднородности, усиленные действием гравитации, привели к возникновению структур, которые в настоящее время предстают перед нами в форме галактик, скоплений и сверхскоплений галактик и т.д. В 2003 г. NASA обнародовало детальную карту распре-деления в окружающем нас пространстве интенсивности ре-ликтового излучения, полученную с помощью спутника Wil-kinson Microwave Anisotropy Probe (зонд для исследования микроволновой анизотропии). Результаты подтверждают ин-фляционную модель Вселенной и дают информацию о вре-мени появления первой генерации звезд. По этим данным возраст нашей Вселенной приблизительно 13,7 млрд лет, а самые первые звезды во Вселенной сформировались спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва. Результаты свидетельствуют в пользу модели чрезвычайно протяженной «бесконечной» и «плоской» Вселенной. Достижением WMAP является также определение состава Вселенной. Сейчас счи-тается, что Вселенная состоит (с точностью до 1%) из 4% обычного (барионного) вещества, 23% темной материи и 73% темной энергии. Теория Большого взрыва весьма правдоподобно объяс-няет другие свойства структуры Вселенной, открытые за по-следние 15-20 лет с помощью современных методов оптиче-ской, рентгеновской, радио- и инфракрасной астрономии. Это следующие свойства:

- расширение Вселенной по закону Хаббла; - асимметрия между веществом и антивеществом, выра-

женная в преобладании вещества в нашей Вселенной;

- однородность и изотропность в распределении светя-щейся материи в масштабе расстояний порядка 100 Ме-гапарсек;

- существование галактик и галактических скоплений. Период между 10

-43с и 10

-34с получил название периода

Великого объединения. При Т 1028

К во Вселенной имелось большое количество X и Y – бозонов, массивных частиц, осуществляющих единое сильное и электрослабое взаимо-действие. В это время число частиц и античастиц было, ве-


53

роятно, одинаковым. Вселенная в этот период состояла в ос-новном из кварков. С участием X и Y – бозонов кварки могут превращаться в лептоны (электроны, позитроны, мю-мезоны, нейтрино), обладающие слабым и электромагнитным взаи-

модействием, и обратно. При Т 1027

К Х и Y бозоны и их античастицы стали распадаться. В результате распада обра-зовалось больше частиц, чем античастиц. Это привело к то-

му, что при Т 1023

К возник избыток барионов над антибари-онами. По мере остывания Вселенной вещество и антивеще-ство аннигилировали с образованием гамма-излучения. В ре-зультате антивещество практически полностью исчезло, остался избыток вещества, из которого сформировались все

небесные тела. В результате расширения Вселенной -излучение, возникшее при аннигиляции, остыло, образовав реликтовое фоновое излучение, которое составляет значи-тельную часть энергии Вселенной. Структура нашей Вселенной, когда вещество преоблада-ет над антивеществом, связана со временем жизни протона,

которое равно 1031

лет 1038

с. Через 0,01 с после Большого взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 млрд К. При этой температуре ве-щество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц с преобладанием электронов, позитронов, нейтрино, фотонов. Плотность вещества была огромной – в 4 млрд раз больше плотности воды. В конце первых трех минут после взрыва температура Вселенной снизилась до 1 млрд градусов. При этой температуре начали образовываться ядра атомов тяже-лого водорода и гелия. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия, образующие водородно-гелиевую плазму. Из этой плазмы в процессе эволюции возникло все многообразие наблюдаемой нами в настоящее время Вселенной. Каков механизм процесса эволюции Вселенной, сопро-вождающийся ее непрерывным усложнением? В качестве фактора эволюции Вселенной наука выделяет ее гравитаци-онную неустойчивость. Идея гравитационной неустойчивости была высказана И.Ньютоном в 1692 г. Математическая раз-работка теории гравитационной неустойчивости была начата


54

в начале ХХ века английским физиком Дж. Х. Джинсом. Сущ-ность гравитационной неустойчивости состоит в том, что по причине всемирного тяготения материя не может быть рас-пределена с постоянной плотностью в сколь угодно большом объеме. Однородное (или близкое к однородному) распреде-ление вещества при наличии гравитационных сил является неустойчивым относительно распада на отдельные сгустки большей плотности, так как этот процесс сопровождается уменьшением потенциальной энергии. Гравитационная энер-гия при сжатии переходит в кинетическую энергию сжимаю-щегося вещества, которая в дальнейшем может переходить в теплоту и излучаться. Первоначально почти однородная плазма должна была распасться на огромные сгустки, из ко-торых в дальнейшем образовались скопления галактик. По-следние по той же причине разбились на протогалактики, из которых естественным путем возникли протозвезды. Образо-вание звезд из диффузной межзвездной материи продолжа-ется и в настоящее время. Вокруг звезд происходило форми-рование планетных систем. Возможно, кроме гравитационной неустойчивости, действуют и другие фундаментальные при-чины, приводящие к эволюции материи во Вселенной. В промежутке между 10

10 с и 10

20 с расположен оазис

жизни, в котором мы сейчас находимся. Как будет дальше развиваться Вселенная? Теоретиче-ское моделирование будущего Вселенной существенно раз-лично в закрытых и открытых ее моделях. «Закрытые» модели предполагают, что через 30 млрд лет Вселенная начнет сжиматься и через 50 млрд лет вернется в первоначальное сингулярное состояние. Полный цикл рас-ширения и сжатия Вселенной составляет 100 млрд лет. Будущее Вселенной в «открытых» моделях представляет собой по сути различные сценарии тепловой смерти Вселен-ной. В соответствии с этими сценариями через 10

14 лет мно-

гие звезды остынут, через 1015

лет планеты начнут отрывать-ся от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Через 10

19 лет большая часть звезд покинут свои галактики и посте-

пенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируются, образуя черные дыры.


55

Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от времени жизни протона. Если обнаружится, что протон нестабилен и

через 1032

лет распадается на -кванты и нейтрино, то Все-ленная будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся через 10

96 лет и через 100

100 лет во Вселенной

останется электронно-позитронная плазма ничтожной плот-

ности – «лептонная пустыня» при Т 10-10

К.

Если протон стабилен, то через 1065

лет любое вещество даже при абсолютном нуле обратится в жидкость. Все остав-шиеся черные карлики станут жидкими каплями. Через 10

1500

лет любое вещество станет радиоактивным, все жидкие кап-ли станут железными. Через огромное число лет железные капли превратятся в черные дыры. Эти черные дыры за 10

67

лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинно-волновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние представляет собой окончательную «смерть» Все-ленной.

5. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Особый практический и теоретический интерес для жите-лей Земли имеет вопрос о возникновении и развитии Сол-нечной системы и космических объектов типа планет. Отли-чительной чертой планетоподобных несветящихся тел явля-ется величина их массы. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс. Посколь-ку вследствие громадных космических расстояний планетные системы других звезд не наблюдаемы, то проблема проис-хождения планет рассматривается на модели происхождения планет Солнечной системы. Строение Солнечной системы обладает рядом законо-мерностей, указывающих на совместное образование всех планет в едином процессе. Эти закономерности таковы: - движение всех планет в одном направлении по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости; - вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, по-чти перпендикулярной центральной плоскости планетной си-стемы;


56

- вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, которая медленно вращается в обрат-ном направлении, и Урана, который вращается как бы лежа на боку; - обращение в том же направлении большинства спутни-ков планет; - закономерное возрастание расстояний планет от Солнца (каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая); - деление планет на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу и количеству спутников (планеты земно-го типа и планеты-гиганты). Первые теории происхождения Солнечной системы и пла-нет были разработаны немецким философом И.Кантом и французским математиком П.Лапласом. И.Кант в своей книге «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.) развил гипотезу, согласно которой мировое пространство в том месте, где сейчас существует Солнечная система, было заполнено рассеянным веществом (пылевым облаком). Под действием сил притяжения и отталкивания материя со вре-менем переходила в более разнообразные формы. Элемен-ты, имеющие большую плотность, притягивали к себе менее плотные, вследствие чего образовались отдельные сгустки материи. Прямолинейное движение частиц к центру тяготе-ния под действием сил отталкивания заменялось кругообраз-ным. Из-за столкновения частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планеты. Другая гипотеза о происхождении планет была изложена в книге П.Лапласа «Изложение системы мира» (1795 г.). По Лапласу, Солнце и Солнечная система образовались из сжи-мающейся газовой туманности. На ранней стадии своего развития Солнце представляло собой огромную, медленно вращающуюся туманность. Под действием гравитационных сил протосолнце сжималось, принимало сплюснутую форму. Как только на экваторе центробежная сила инерции превы-шала силу тяжести, от протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое в дальнейшем охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Из них и формировались планеты. Та-кой отрыв колец от протосолнца, по Лапласу, происходил не-


57

сколько раз. Гипотеза Лапласа не могла объяснить перерас-пределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Она не могла объяснить, почему Солнце теперь вращается вокруг своей оси относительно медленно, хотя во время сжатия скорость его вращения должна была увеличи-ваться, что приводило к отрыву от него вещества за счет цен-тробежных сил инерции. В 20-е годы ХХ века английский физик и астроном Д.Джинс предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учи-тывая громадные расстояния между звездами, такое столк-новение кажется мало вероятным. В теории Джинса не учи-тывалось, что Солнечная система является упорядоченной системой, о чем говорилось выше. В 30-е годы ХХ века Г.Ресселом было высказано предпо-ложение, что в прошлом Солнце было двойной звездой. Один из компонентов был разорван встречной звездой и образовал облако, из которого позже сформировались планеты. В даль-нейшем Ф.Хойл видоизменил эту гипотезу. Он выдвинул предположение, что один из компонентов вспыхнул, как сверхновая, сбросил газовую оболочку. Звезды разошлись, а из газовой оболочки образовалась планетная система. О.Ю.Шмидт выдвинул теорию, что планеты сформирова-лись из холодного газопылевого облака, которое было захва-чено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. На основе этих предположений ему удалось объяснить рас-пределение планет по расстояниям от Солнца, характер вращения и другие особенности строения Солнечной систе-мы. Однако в рамках этой гипотезы не удалось найти удовле-творительного ответа на вопрос – почему Солнце медленно вращается вокруг оси, почти перпендикулярной плоскости движения планет. Современная концепция происхождения планет Солнеч-ной системы учитывает не только гравитационные и центро-бежные силы, но и электромагнитные. Эта концепция была выдвинута шведским физиком и астрофизиком Х.Альфвеном и английским астрофизиком Ф.Хойлом. По их мнению, именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарож-


58

дении Солнечной системы. Первоначальное газовое облако, из которого образовалась Солнечная система, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромаг-нитных сил. После того, как из огромного газового облака по-средством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационные силы стали притягивать остатки газа к Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентра-цию и сгущение падающего газа, в результате чего сначала образовались зародыши планет – планетезимали, а затем и планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, что привело к со-зданию системы спутников планет. Теории происхождения Солнечной системы носят гипоте-тический характер, однозначно решить вопрос об их досто-верности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих гипотезах имеются противоречия и неясные места. Астрономы еще не выработали окончатель-ного мнения о детальных процессах образования Солнечной системы. Планеты вместе с Солнцем составляют Солнечную си-стему. Кроме планет в Солнечную систему входят спутники планет, астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ве-тер. Планеты располагаются в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. До кон-ца ХХ века было принято считать, что в состав Солнечной системы входит девятая планета ─ Плутон. Плутон своими малыми размерами и сильно вытянутой и наклоненной орби-той выделялся среди других планет. В конце ХХ века в Сол-нечной системе за орбитой Нептуна были открыты объекты, похожие на Плутон, но превосходящие его по размерам. В 2006 г. астрономы уточнили классификацию планет. Объекты от Меркурия до Нептуна отнесли к классическим планетам, а Плутон стал прототипом нового класса объектов – карлико-вых планет. Земля расположена к Солнцу в 40 раз ближе, чем Плутон, и в два с половиной раза дальше, чем Меркурий.


59

С 1962 года планеты исследуются с помощью космиче-ских аппаратов, Изучены атмосферы Венеры и Марса, об-лачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Са-турна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхности Марса, Венеры, Луны.

5.1. Солнце

Солнце представляет собой огромный плазменный шар с очень высокой температурой. Состоит на 72% из водорода, на 26% из гелия и небольшого количества других элементов (кислород – около одного процента, углерод – 0,4%, неон – 0,1%). Диаметр Солнца составляет 1392 тыс. км (в 116 раз больше диаметра Земли). Масса Солнца Мс = 1,989∙10

30 кг (в

332946 раз больше массы Земли). Средняя плотность веще-ства Солнца 1,41 г/см

3 , плотность в ядре – около 160 г/см

3 (по

другим оценкам – более 100 г/см3). Плотность в наружных

слоях Солнца в сотни раз меньше плотности воздуха у по-верхности Земли. Давление в недрах Солнца 3,4∙10

16 Па – в

сотни миллиардов раз больше атмосферного у поверхности Земли. Температура в ядре Солнца – 14 миллионов градусов, эффективная температура поверхности (вычисленная в предположении, что Солнце излучает как абсолютно черное тело) ─ 5503° С. Мощность излучения Солнца 3,86∙10

23 кВт,

ежесекундно масса Солнца уменьшается на 4,3 млн. тонн за счет излучения. Ускорение свободного падения на поверхно-сти Солнца – 27,9 g. Частицы плазмы на Солнце движутся со скоростями в сотни и тысячи километров в секунду. Солнце вращается вокруг своей оси не как единое целое, строго определенных суток оно не имеет. Поверхность его экваториальной зоны делает один оборот за 25 земных суток (по другим данным – за 27 суток), а приполярных зон – за 35 суток. Один оборот вокруг центра Галактики Солнце делает за 225 млн. лет. Возраст Солнца 4,59 млрд лет. Солнце принадлежит к звездам второго поколения. Об этом свидетельствует нали-чие в его составе железа и кремния (по 40 атомов на милли-


60

он атомов водорода). Эти элементы рождаются только в недрах гораздо более массивных светил, где температуры достигают миллиардов градусов. Солнце к ним не относится. Следовательно, железо и кремний находились в составе га-зо-пылевого облака, из которого сформировалось Солнце, а туда они попали в результате взрывов сверхновых звезд предыдущего поколения. Солнце состоит из нескольких слоев. В центре располо-жено ядро, температура которого 14 млн градусов. Радиус ядра около 140000 км. В ядре происходят несколько цепочек термоядерных реакций: превращение водорода в гелий в ре-зультате протон-протонного и углеродно-азотно-кислородного циклов с выделением огромного количества энергии. Энергия, генерируемая в ядре, через промежуточ-ные слои передается наружу. На это требуется около 10 млн лет. Ядро окружено радиоактивным слоем, в котором проис-ходят процессы поглощения и отражения света. По мере удаления от центра фотоны за счет столкновения теряют свою энергию. Далее тепло к поверхности передается за счет конвекции. В конвективной зоне, окружающей радиоактивный слой, постоянно происходит процесс перемешивании: горя-чий газ распределяется по поверхности, охлаждается на ней, затем устремляется вновь к центру. За конвективной зоной следует фотосфера толщиной око-ло 400 км. Фотосфера поглощает и переизлучает энергию, идущую из глубины Солнца. Здесь формируется непрерыв-ный спектр оптического излучения, посылаемого Солнцем в мировое пространство. Именно фотосфера видима с Земли. Эффективная температура фотосферы 5700 – 5780° С. На фотосфере регулярно возникают темные образования, называемые солнечными пятнами. Темный цвет пятен объ-ясняется тем, что они имеют более низкую температуру по сравнению с окружающей их фотосферой – примерно на 1000 – 1500 градусов ниже. Размеры пятен от 7000 до 50000 км. Средняя продолжительность жизни пятна от двух недель до нескольких месяцев. За это время меняются его размеры и форма, пятна перемещаются по поверхности Солнца. Пят-на обычно возникают целыми группами.


61

Перед образованием пятен на небольших участках фото-сферы появляются яркие области – факелы. Факелы и сол-нечные пятна свидетельствуют об активных процессах, про-текающих на Солнце. Общее число активных областей на Солнце регулярно меняется. Средний цикл повторений со-ставляет 11 лет. В 1908 г. Иоганн Галле установил, что пятна имеют мощные магнитные поля – до 0,25 Тл (магнитное поле Земли составляет 0,0001 Тл). Над фотосферой расположена хромосфера, толщина ко-торой 10 – 20 тыс. км. Хромосфера представляет собой слой раскаленных газов, в ней происходит постепенный рост тем-пературы от температуры фотосферы до нескольких десят-ков тысяч градусов, растет также степень ионизации газа. В хромосфере выделяют три слоя: нижнюю (до 1500 км от по-верхности Солнца), среднюю (1500 – 4000 км) и верхнюю хромосферу. Средний и верхний слои отличаются очень не-однородной структурой, наличием множества мелких волокон и струй, в промежутки между которыми проникает высоко-температурный корональный газ. На высотах 4000-10000 км наблюдаются редкие изолированные сгустки газа (хромо-сферные спикулы), имеющие вид столбов. Время жизни от-дельной спикулы 2-5 мин, диаметр достигает 3000 км, ско-рость подъема газа в ней – до 20 км/с. Над хромосферой расположена солнечная корона, состо-ящая из сильно разреженной высокоионизированной плазмы с температурой около 2 млн градусов. Этот нагрев объясняют с помощью нескольких моделей, базирующихся на принципах магнитной гидродинамики. Солнечная корона простирается на десятки солнечных радиусов, постепенно переходя в сол-нечный ветер. Хромосферу и корону можно наблюдать в пе-риод солнечных затмений. Над активными областями хромосферы и короны иногда наблюдаются вспышки и протуберанцы. Вспышки ─ направ-ленный поток заряженных частиц, образующихся при внезап-ном сжатии вещества хромосферы вследствие резких изме-нений магнитных полей. Проходя через корону, этот поток увлекает за собой частицы плазмы и создает мощное излу-чение, состоящее из радиоволн, рентгеновских, ультрафио-летовых, видимых и космических лучей. Поток частиц, возни-


62

кающих при вспышке на Солнце, достигает Земли примерно через сутки. Они оказывают воздействие на земную атмо-сферу, особенно на верхние слои, увеличивают ионизацию атмосферы Земли. Проходя через солнечную корону, корпускулярный поток вытягивает ее вещество в длинные лучи, называемые проту-беранцами. Протуберанцы могут подниматься на расстояние, сравнимое с диаметром Солнца. Это происходит со скоро-стью до 300 км/с при температуре около 10000° С. Солнце излучает «солнечный ветер» ─ непрерывное исте-чение ионизованной плазмы, состоящей из электронов, про-тонов, ионизированных атомных ядер. Солнечный ветер из-лучается со скоростью в несколько сот километров в секунду (до 1200 км/с), распространяется по всей Солнечной системе. Вместе с «вмороженным» в него магнитным полем деформи-рует магнитосферы планет, формирует газовые хвосты ко-мет. Область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверх-звуковой скоростью, называется гелиосферой. Извне гелио-сфера ограничена ударной волной, возникающей в солнеч-ном ветре из-за его взаимодействия с межзвездной плазмой и межзвездным магнитным полем. Солнечный ветер, доходя до Земли со скоростью около 400 км/с, взаимодействует с ее магнитным полем, вызывая ряд явлений, в том числе поляр-ные сияния. Полное солнечное затмение – это особое геоцентрическое небесное явление, происходящее в момент, когда Луна про-ходит в точности перед солнечным диском. Во время полного солнечного затмения Луна почти полностью закрывает диск Солнца. Солнце больше Луны в 400 раз, но оно и расположе-но от Земли дальше, чем Луна в 400 раз. Поэтому угловые размеры Солнца и Луны для жителей Земли одинаковы и равны половине градуса.

ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ


63

По физическим характеристикам планеты Солнечной си-стемы делятся на две группы: планеты земного типа (Мерку-рий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Са-турн, Уран, Нептун). Карликовые планеты расположены в ос-новном за орбитой Нептуна – в поясе Койпера. Строение планет слоистое, они состоят из нескольких сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам. Планеты земной группы похожи между собой по размеру, массе и химическому составу. По сравнению с планетами-гигантами размеры планет земной группы сравнительно не-велики. Земля и Венера в 10 раз меньше Юпитера и Сатурна и в 4 раза меньше Урана и Нептуна. Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Средняя плот-ность их вещества находится в пределах от 3,9 г/см

3 у Марса

до 5,5 г/см3 у Земли. Венера, Земля и Марс обладают газо-

выми оболочками – атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку – гидро-сферу. На Марсе имеется лед на полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). На Венере существует дефицит воды. Ха-рактеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет строятся по аналогии с Землей. Ядро Земли состоит скорее всего из железа, подразделя-ется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое). Жидкое ядро, вероятно, есть у Меркурия и Венеры. У Марса его, по-видимому, нет. Наиболее распространены в твердой оболоч-ке Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Таким образом, по химическому составу пла-неты земной группы резко отличаются от Солнца и не соот-ветствуют средней распространенности элементов в космосе – мало водорода и гелия. Планеты-гиганты обладают другим химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропор-ции, что и Солнце. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов. Недра Юпитера находятся в жидком состоянии за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водо-


64

рода. Сатурн по своему строению похож на Юпитер. В недрах Урана и Нептуна доля каменистых материалов существенно больше.

5.2. Земля

Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы. Земля участвует в двух движениях: она вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца по эллиптиче-ской (близкой к круговой) орбите. Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солн-ца 149,6 млн. км (минимальное – 147,1 млн. км, максималь-ное – 152,1 млн. км). Фокус орбиты отстоит от центра на рас-стояние 2,5 млн.км. Средняя скорость движения Земли по орбите 29,79 км/с (107 тыс. км/час). Время оборота Земли во-круг Солнца – звездный год – 365 суток 6 часов 9 минут 10 секунд. Вследствие движения Земли вокруг Солнца происхо-дит смена времен года. Плоскость, в которой Земля обращается вокруг Солнца, называется плоскостью эклиптики. Плоскость эклиптики пе-ресекает плоскость небесного экватора под углом 23°27'. На пересечении этих двух плоскостей находятся две точки рав-ноденствия: 21 марта – точка весеннего равноденствия и 23 сентября – точка осеннего равноденствия. 21 марта Солнце пересекает небесный экватор и переходит из Южного полу-шария в Северное, в Северном полушарии начинается весна. Ось вращения Земли проходит через центр Земли и По-лярную звезду в созвездии Малая Медведица. Ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33' 22". Планета вращается вокруг своей оси с запада на восток, т.е. против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северно-го полюса. Скорость вращения на экваторе достигает 1600 км/час. Сутки – время, за которое Земля совершает один оборот вокруг собственной оси. Различают солнечные и си-дерические сутки. Солнечные сутки – промежуток времени вращения Земли, при котором за точку отсчета берется Солнце, - равны 24 часам. Сидерические (звездные) сутки – за точку отсчета берется любая звезда – равны 23 часам 56


65

минутам 4 секундам. Вследствие вращения Земли вокруг собственной оси происходит смена дня и ночи. С течением времени ось вращения Земли не остается неизменной, она совершает медленное движение по конусу, ось которого перпендикулярна плоскости земной орбиты. Это движение называется прецессией. Причиной прецессии яв-ляется влияние гравитационных сил со стороны Солнца и Луны. Период прецессии равен примерно 26000 лет. Из-за прецессии Северный полюс перемещается между звездами. Через 14000 лет он будет рядом со звездой Вега из созвез-дия Лиры. Расшифровка истории Земли строится на параллельном изучении двух источников информации: реконструкции геоло-гическими методами минерального состава и последователь-ности накопления осадочных и магматических пород земной коры; анализа геохимических данных, позволяющих вскрыть процессы эволюции горных пород и установить их временную последовательность. Возраст Земли геологами оценивается в 4,5 – 4,7 млрд. лет. Это возраст расчетный, так как никаких пород от тех времен не сохранилось (или неизвестно, где их искать). Древнейшие найденные породы имеют возраст 4,03 млрд лет (северо-западные территории Канады) и 4,27 млрд лет (в Западной Австралии). Для расчета возраста этих по-род обычно используют радиоизотопный метод датирования. Земля образовалась из рассеянного в протосолнечной системе газо-пылевого вещества и прошла длинный и слож-ный путь эволюции. Вначале из-за очень высокой температу-ры Земля пребывала в расплавленном состоянии. Этим объ-ясняется тот факт, что вещества с высокой плотностью – же-лезо, никель – находятся ближе к центру планеты, а более легкие элементы – остались на поверхности. Затем темпера-тура Земли понизилась, планета стала постепенно твердеть. Земля состоит из нескольких сферических оболочек, разли-чающихся по своему химическому составу, фазовому состоя-нию, плотности и другим характеристикам. Ядро Земли состоит скорее всего из железа и делится на две части. Внутреннее ядро, радиус которого равен 1330 км, состоит из твердых элементов. Давление в центре планеты – 3,6∙10

11 Па, плотность – около 12,5 г/см

3. Внешнее ядро нахо-


66

дится в жидком состоянии, толщина его примерно 2200км. Температура в ядре колеблется около 6200°С. Далее распо-ложена мантия, состоящая из твердых кремниевых пород, окислов кремния и магния. У нижней границы мантии давле-ние достигает 1,3∙10

11Па, температура – 5000 К. Толщина

мантии около 3000 км. Мантия состоит из двух частей - внут-ренней мантии с твердой структурой и внешней – более пла-стичной. Внешнюю часть толщиной около 100 км называют литосферой. Верхний слой литосферы – земная кора – представляет собой каменистую структуру (граниты и базальты) перемен-ной толщины: около 10 км под дном океанов и около 50 км на континентах. Из всей массы Земли кора составляет менее 1%, мантия – около 65%, ядро – 34%. Граница между корой и мантией называется разделом МОХОРОВИЧИЧА. Литосфера состоит из десятка огромных плит, размеры которых достигают размеров целых континентов. Плиты как бы плавают в расположенном под ними до глубины 250 км слое повышенной текучести, называемом астеносферой, под действием конвективных потоков, вызывающих движение ни-же расположенных расплавленных масс. Вблизи поверхности Земли возрастание температуры с глубиной составляет примерно 20° на каждый километр. На глубине около 100 км температура примерно 1800 К. На Зем-ле в результате вулканической деятельности происходят вы-бросы лавы, пара и газов из внутренних частей мантии, На Земле около 800 действующих вулканов. В твердой оболочке Земли наиболее распространенными элементами являются железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Масса Земли – 5,976∙10

24 кг.

Средняя плотность – 5,517 г/см3.

Средняя температура поверхности + 22°С. О шаровидности Земли первые предположения были сде-ланы в V в. до н.э. В IV в. до н.э. Аристотель обратил внима-ние на то, что тень от Земли, падающая на Луну во время лунного затмения, имеет круглую форму, что свидетельство-вало о шаровидности Земли. Размеры земного шара первым установил Эратосфен Киренский в III в. до н.э. По его изме-


67

рениям радиус Земли составлял 6278 км (по современным измерениям – 6371 км). На самом деле Земля далеко не шар. Она имеет неправильную форму. Земля сплюснута у полю-сов, что является следствием вращения Земли вокруг оси. Экваториальный радиус Земли – 6378 км, полярный – 6356 км. Сжатие составляет 0, 0034. Было предложено несколько математических моделей Земли. Геоид – модель Земли, представляющая собой гео-метрическое тело, у которого поверхность совпадает с по-верхностью среднего уровня воды в океане, находящейся в свободном состоянии, и мысленно продолженной под мате-риками так, что в каждой точке она пересекает отвесную ли-нию под углом 90°. Относительно геоида производятся изме-рения высот на суше и глубин в океанах. Наибольшую высоту на суше имеет вершина Джомолунгма (Эверест). Наиболь-шую глубину по отношению к уровню мирового океана имеет Мариинский желоб в Тихом океане – 11022м. Для решения картографических и геодезических задач за математическую модель Земли принимают эллипсоид отно-сительности. Эллипсоид как геометрическое тело представ-ляет собой шар, сплюснутый у полюсов. Величина сжатия со-ставляет 1:298,2. Площадь земной поверхности составляет 5,1∙10

8 кв. км.

70% поверхности Земли покрыто водой, 30% занимает суша. Земля окружена атмосферой, представляющей собой га-зовую оболочку. Состав атмосферы: 77% азота, 21% кисло-рода, 1% водяного пара. 1% - другие газы. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта вы-ражена нечетко. Основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. 90% всей массы воздуха сосредото-чено в слое от поверхности Земли до высоты 16 км. В слое до высоты 30 км сосредоточено 99% массы атмосферы. С высотой плотность воздуха быстро уменьшается – от 1,033 кг/м

3 на уровне моря до 0,004 кг/м

3 на высоте 40 км.

В атмосфере выделяют несколько слоев с различными физическими свойствами. Тропосфера: от поверхности Зем-ли до высоты 8 – 12 км в умеренных и высоких широтах и до 16 – 17 км в тропиках и экваториальной зоне. В тропосфере находится почти весь водяной пар, в ней возникают облака,


68

выпадают дождь, снег, град и т.д. В тропосфере температура понижается на 6° на каждый километр. Это объясняется тем, что для солнечных лучей тропосфера прозрачна, нагревается она от поверхности Земли. Над тропосферой находится стратосфера. Ее верхняя граница расположена на высоте 50 – 55 км. В стратосфере температура воздуха с высотой повышается от –40°С (на эк-ваторе) и –80°С у полюсов до 0°С. В стратосфере ничтожно содержание водяного пара, повышенное содержание озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Имен-но под действием солнечной радиации повышается темпера-тура в верхних слоях стратосферы. Слой воздуха, отделяю-щий тропосферу от стратосферы, называется тропопаузой. Его толщина от десятков до сотен метров. Выше стратосферы до высоты 80 км располагается мезо-сфера. В ней температура с высотой падает и у верхней гра-ницы достигает –80°С. Здесь иногда возникают тонкие обла-ка, которые называются серебристыми. Между высотами 80 км и 800 км расположена термосфера, в которой температура с высотой повышается до +1500°С на высоте 500 – 600 км. В термосфере на температуру суще-ственно влияет радиация Солнца. В термосфере газы нахо-дятся в атомарном состоянии. Под действием солнечного из-лучения они ионизируются. Поэтому термосферу часто назы-вают ионосферой. В ней возникают полярные сияния ─ све-чение ионизированных газов под действием потоков заря-женных частиц от Солнца. Ионосфера влияет на распростра-нение радиоволн, отражая средние и короткие волны. Самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы называется экзосферой. Предполагают, что температура в ней достигает 2000°С. Земля обладает магнитным полем. На основании измере-ний геомагнитного поля во многих точках земного шара было установлено, что в среднем оно близко по своей структуре к полю простого магнитного диполя, расположенного в центре Земли, с осью, наклоненной к оси вращения примерно на 11° 30´ (это приводит к различному положению на Земле геогра-фических и магнитных полюсов). Происхождение магнитного поля связывают с наличием у Земли расплавленного жидкого


69

ядра и ее вращательным движением вокруг собственной оси. Современные теории возникновения магнитного поля Земли рассматривают в качестве основного механизм «геомагнитно-го динамо», в котором движениями, генерирующими геомаг-нитное поле, являются конвективные течения электропрово-дящих жидкостей в жидком ядре Земли. С определенной точ-ки зрения Земля функционирует как огромный генератор по-стоянного тока, где роль ротора выполняет жидкое ядро, а роль статора – мантия. Магнитное поле Земли распространяется в окружающее пространство и формирует магнитосферу – магнитную обо-лочку вокруг Земли. Напряженность магнитного поля Земли определяет размеры магнитосферы. С помощью искусствен-ных спутников Земли была установлена форма и структура земной магнитосферы, исследованы радиационные пояса во-круг Земли. Геофизиками установлена также тесная связь между процессами внутри планеты, имеющими гидродинами-ческую природу, и явлениями в магнитосфере и на поверхно-сти Земли. Различные движения в жидком ядре Земли про-являются на поверхности в виде крупномасштабных вариа-ций геомагнитного поля. Магнитное поле Земли неоднородно (рис. 8). На обра-щенной к Солнцу стороне оно сжато потоком электрически заряженных частиц, которые непрерывно движутся от Солнца (солнечным ветром). Магнитосфера ограничена снаружи рез-кой границей, по которой течет электрический ток, создавае-мый ионами солнечного ветра, отклоняемыми магнитным по-лем Земли. Магнитное поле этого тока отделяет магнитосфе-ру от области, где движется поток плазмы от Солнца. Эта граница называется магнитопаузой. На обращенной к Солнцу стороне расстояние магнитопаузы до поверхности Земли со-ставляет около 60 000 км. Поток солнечной плазмы является сверхзвуковым (300─400 км/с). Такой поток, налетая на пре-пятствие ─ магнитосферу, образует ударную волну, фронт которой располагается на несколько десятков тысяч кило-метров перед магнитопаузой. Плазма между фронтом удар-ной волны и магнитопаузой нагревается до десятка миллио-нов градусов.


70

Внутри магнитосфера представляет собой сложную си-стему магнитных полей, которые изменяются в зависимости от расстояния до Земли. Магнитное поле Земли претерпева-ет вариации, связанные с активностью Солнца. При вспыш-ках на Солнце на Земле возникают магнитные бури. При про-рыве в магнитосферу частиц солнечного ветра наблюдаются полярные сияния.

Рис. 8. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли и связанная с ним магнитосфера, отклоняющие потоки заряженных частиц (солнечного ветра), представляют собой земную оболочку, защищающую био-сферу, все живое от прямого воздействия солнечной радиа-ции. Усиление солнечной радиации приводит к широкому спектру изменений в биосфере. Работы А.Л.Чижевского и других однозначно показывают взаимосвязь увеличения сол-нечной активности с ростом заболеваемости и смертности от различных болезней, эпидемий и пандемий. Анализируя структуру древнейших каменистых образова-ний, поднятых со дна океанов, ученые сделали вывод, что Северный и Южный магнитные полюса Земли несколько раз менялись местами (около 20 инверсий за последние 5 млн лет). Последняя инверсия произошла приблизительно 780 тыс. лет назад. С тех пор магнитное поле Земли сохраняет свою нынешнюю полярность. Причиной инверсии магнитного


71

поля Земли считают механизм, в котором главную роль иг-рают процессы охлаждения расплавленной массы ядра на границе с мантией и внутренний разогрев. В ходе кристалли-зации вещества, идущего с уменьшением объема, и разогре-ва, сопровождающегося увеличением объема, происходит циклическое изменение радиуса Земли. В соответствии с за-коном сохранения момента импульса, это приводит к созда-нию разности угловых скоростей вращения внешней твердой оболочки (мантии), жидкого и твердого ядра. Циклические изменения радиуса Земли приводят к смене полярности маг-нитного поля Земли (инверсии). Если мантия вращается быстрее ядра, создается прямое магнитное поле, если ядро вращается быстрее мантии – генерируется обратное поле. В моменты инверсий напряженность магнитного поля Земли уменьшается в 5-7 раз. Земля остается «беззащитной» перед солнечным излучением, которое оказывает сильное влияние на биосферу и способно уничтожить живые организмы. Расшифровка истории Земли строится на параллельном изучении двух источников информации: реконструкции геоло-гическими методами минерального состава и последователь-ности накопления осадочных и магматических пород земной коры; анализа геохимических данных, позволяющих вскрыть процессы эволюции горных пород и установить их временную последовательность. Реконструкцию истории Земли до не-давнего времени сдерживало отсутствие надежной инфор-мации о ее начальном этапе. Успехи геохимии в области ред-ких элементов и их изотопов позволяют расшифровать при-чины магматических и тектонических процессов на Земле и наметить основные вехи в эволюции планеты. За время своего существования облик Земли претерпе-вал существенные изменения. В XIX веке в геологии сформи-ровались две концепции развития Земли. Ж.Кювье предпо-ложил, что развитие Земли осуществляется посредством скачков, катастроф – «теория катастроф». Эволюционная теория, наоборот, предполагала, что развитие осуществляет-ся посредством небольших изменений, происходящих в од-ном и том же направлении. Суммируясь, эти изменения при-водят к значительным результатам.


72

В 1912 г. немецким геофизиком и метеорологом А.Вегенером была предложена гипотеза «дрейфа материков» ─ первая теория мобилизма. Согласно этой гипотезе, в гео-логическом периоде карбон (340 – 240 млн лет назад) суще-ствовал единый массив суши Пангея. Пангея раскололась на две части – Лавразию и Гондвану. 135 млн лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн лет назад – Север-ная Америка от Европы. 40 млн лет назад Индийский материк столкнулся с Азией, появились Тибет и Гималаи. Эта гипоте-за подтверждается следующими фактами: - сходство очертаний материков, как частей расколовшегося когда-то единого праматерика Пангеи; - эмпирически обнаруженное в конце 50-х годов ХХ века рас-ширение дна океана; - сходство геологического строения приатлантических конти-нентов, особенно Африки и Южной Америки. Во второй половине ХХ века была разработана вторая тео-рия мобилизма (новая глобальная тектоника, или тектоника литосферных плит). Согласно этой теории, твердая земная оболочка ─ литосфера разбита на крупные жесткие и моно-литные плиты, которые перемещаются по астеносфере в го-ризонтальном направлении. Литосферные плиты обычно вы-деляют по их географическому положению (Американская, Африканская, Антарктическая, Тихоокеанская и т.д.) Они подразделяются на океанические и континентальные. Счита-ется, что континентальные плиты, несущие на себе материки, погружены на 150-200км, а океанические – не более чем на 80 км. Массивы материков и литосфера в целом сложены твердыми упруго-хрупкими породами. Астеносфера пред-ставлена пластично-вязким веществом, допускающим тече-ния, способные переносить литосферные плиты. Астеносфе-ра – слой верхней мантии, в пределах которой формируются очаги глубокофокусных землетрясений. Верхняя граница астеносферы находится на глубине 50 – 100 км, нижняя – на глубине 250 – 300 км. Является основным источником магмы. В ней происходит перетекание вещества, которое вызывает вертикальное и горизонтальное движение плит литосферы. Вблизи срединных океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и


73

расходятся в стороны. В глубоководных желобах одна плита подвигается под другую и поглощается мантией. Там, где од-на плита сталкивается с другой, образуются складчатые участки блоков литосферы. На стыках плит сосредоточена тектоническая, сейсмическая и вулканическая активность планеты. В геологической истории Земли насчитывается несколько ледниковых эпох (периодов) – отрезков времени, характери-зующихся сильным похолоданием климата и развитием об-ширных материковых ледников (гляциал). Ледниковые эпохи разделялись эпохами почти полного исчезновения льдов (ин-тергляциалы). Всего насчитывается более 20 эпох оледене-ния. Последний ледниковый период начался 120 тыс. лет назад. В России его называют валдайским, в Европе - вюрм-ским, в США – висконсинским. В этот период на сушу в виде льда переместилась огромная масса воды. Уровень океана упал на 60 – 100 м. 16 тыс. лет назад льды начали таять. По-слеледниковая эпоха называется голоценом. В Европе она началась 10 тысяч лет назад. Существуют две концепции возникновения ледниковых эпох: астрономическая и земная. В астрономической концеп-ции первостепенная роль отводится излучению Солнца. Лед-никовые периоды связывают с длительными уменьшениями потоков солнечной энергии. В качестве причин уменьшения солнечной радиации, падающей на Землю, называют пульса-ции размеров Солнца, конвекцию вещества на Солнце, гра-витационное воздействие на Солнце других звезд, пересече-ние Солнцем при его движении пылевых облаков. Земная концепция связывает ледниковые периоды со следующими процессами, происходящими на Земле: пере-стройка активности земных недр; движение литосферных плит; развитие вулканизма и газообразования; объединение и разъединение континентов; изменение площади и глубины океанов; изменение состава атмосферы; эволюционное раз-витие биосферы. Глобальные катаклизмы периодически потрясали Землю на протяжении всей истории ее геологического развития. Не стало исключением и наше время. Наблюдаются различного рода и масштаба аномальные явления и катастрофы. Про-


74

буждаются дремавшие вулканы, активизируются землетрясе-ния, мощнейшие тайфуны и ураганы свирепствуют в странах тропического пояса и на побережье США, мощные цунами опустошают побережье стран Юго-Восточной Азии. Небыва-лые ливневые дожди и наводнения обрушились на Европу, Китай, Корею. По данным Всемирной метеорологической ор-ганизации от невиданных ранее наводнений только в 2002 г. пострадали более 17 млн человек из 80 стран мира. Ущерб оценивается суммой более чем в 30 млрд долларов. Потеплением охвачена вся планета: тают полярные льды и горные ледники, поднимается снеговая граница. По данным Росгидромета к концу XXI века среднегодовая глобальная температура на поверхности Земли повысится на 4-5 граду-сов. Для сравнения – за ХХ век она повысилась в среднем по планете на 0,6°С. Феномен потепления климата у ученых вроде бы уже не вызывает сомнений. Но вот вопрос о причи-нах столь заметных изменений в природе до сих пор еще остается открытым. Среди множества предполагаемых причин наибольшей популярностью для объяснения феномена потепления поль-зуется эффект, обусловленный повышением содержания уг-лекислого газа в атмосфере, которое связывают с техноген-ными выбросами углекислоты. Несомненно, человеческий фактор имеет место, последствия техногенной деятельности человека, по мнению В.И.Вернадского, порой достигают пла-нетарных масштабов. Однако отмечаемые изменения лика нашей планеты, повышение ее тектонической активности указывают все же на более действенные и глубокие причины, значительно превышающие вмешательство человека. В качестве другой веской причины часто называют изме-нения солнечной активности. Интенсивность солнечного из-лучения, разумеется, оказывает влияние на земные процес-сы, в первую очередь это относится к экзогенным. Динамика солнечной активности, связанная с изменением числа «сол-нечных пятен» на диске Солнца, имеет в среднем 11-летнюю пеиодичность. В 1901 г. американец А.Дуглас, исследуя годо-вые кольца деревьев, обнаружил одиннадцатилетний цикл изменения погодных условий, связанный с одиннадцатилет-ним циклом солнечной активности. Российский ученый


75

А.Л.Чижевский, опираясь на огромный фактический матери-ал, полученный из области биологии, медицины, истории, статистики, астрономии, метеорологии, показал, что жизне-деятельность всех организмов от растения до человека, те-чение всей жизни на Земле зависят от состояния Солнца, его активности, выброса частиц, колебания напряженности маг-нитного поля. А.Л.Чижевский основал новую область науки – гелиобиологию. Солнце живет многими ритмами. Самый краткий из из-вестных солнечных ритмов связан с периодом обращения Солнца вокруг своей оси – 25-27 суток. Цикличность измене-ния «солнечных пятен» 11 лет. Установлен ритм с периодич-ностью 1800-1900 лет, связанный с периодами «констелля-ций», когда Солнце, Земля и Луна оказываются на кратчай-шем расстоянии друг от друга, располагаясь на одной пря-мой. Каждый из ритмов выполняет свою роль в земной био-сфере. Они определяют урожайность, погоду, осадки; от них зависят вспышки эпидемий, сердечно-сосудистых заболева-ний, психических расстройств, миграции животных, размно-жение животных и микроорганизмов и многое другое. Однако многие глобальные катаклизмы в истории Земли имеют периодичность галактического масштаба – десятки миллионов лет. Их трудно скоррелировать с активностью Солнца такой периодичности в качестве основной первопри-чины. Поэтому вопрос о «спусковом механизме» глобальных изменений остается пока открытым.

5.3. Луна

Луна – единственный естественный спутник Земли, обра-щается вокруг Земли по эллиптической орбите. Среднее рас-стояние от Земли до Луны 384,4 тыс. км (минимальное – 356 тыс. км, максимальное – 406 тыс. км). Средняя скорость дви-жения Луны по орбите составляет 1,02 км/с. Орбита Луны наклонена к земной орбите под углом 5° 9′. Луна совершает один оборот вокруг Земли за 27,3 суток. Этот период называ-ется сидерическим лунным месяцем. Период вращения Луны вокруг своей оси совпадает с периодом обращения Луны во-круг Земли. Поэтому Луна всегда обращена к Земле одним и


76

тем же полушарием. С Земли можно наблюдать около 59% лунной поверхности, причиной этого является некоторое по-качивание лунного диска, так называемая «либрация». Луна периодически изменяет свой внешний вид – от узкого серпа до полного диска. Фазы Луны связаны с изменением взаимного положения Луны, Земли и Солнца в результате вращения Луны вокруг Земли. Полный период смены фаз Лу-ны составляет 29,5 суток и называется синодическим меся-цем. Временная разница между синодическим и сидериче-ским месяцем объясняется тем, что не только Луна вращает-ся вокруг Земли, но и Земля движется вокруг Солнца. Вслед-ствие этого, лунные сутки (29,5 земных суток), немного пре-вышают период вращения Луны вокруг своей оси (27,3 зем-ных суток), т.о. лунный день и лунная ночь длятся около 15 земных суток. В период лунного дня солнечные лучи нагре-вают поверхность Луны на экваторе до +130°С, ночью по-верхность охлаждается до –170°С. В случаях, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются на одной линии, наступают солнечные (Луна находится между Солнцем и Землей) и лунные (Земля находится между Солн-цем и Луной) затмения. Затмения повторяются в одной и той же последовательности. Период повторения затмений со-ставляет 6585,3 суток (18 лет 11 суток 8 часов). Этот период называется «саросом». Форма Луны близка к шару с радиусом 1738 км (0,27 эква-ториального радиуса Земли), объем Луны составляет 2,2∙10

10

км3 (1/49 объема Земли). Масса Луны 7,35∙10

22 кг, что в 81,3

раза меньше массы Земли. Средняя плотность Луны 3,34 г/см

3, что в 1,5 раза меньше средней плотности Земли. Уско-

рение свободного падения на поверхности Луны равно 1,62 м/с

2 ( в 6 раз меньше, чем на Земле).

Первое описание поверхности Луны было сделано Г.Галилеем после изобретения им телескопа. Поверхность Луны при взгляде с Земли представляет сочетание светлых и темных пятен. Темные пятна получили название морей – это большие низменные равнины. Они находятся ниже среднего уровня поверхности Луны. В большинстве случаев моря рас-положены на стороне Луны, обращенной в сторону Земли, занимая до 40% видимой поверхности. В связи с тем, что по-


77

верхность морей отражает небольшое количество света, они кажутся темными. Считается, что моря обязаны своим проис-хождением истечению лавы вследствие вулканической дея-тельности, имевшей место 3,8 – 3,3 млн. лет назад. Светлые области – материки представляют собой возвы-шенные гористые участки. В подавляющем большинстве лунные горы имеют кольцевую форму, их называют кратера-ми, а самые большие – цирками. Большая часть кратеров и крупных круглых углублений образовалась от удара метеори-тов. Удары больших метеоритов вызывали извержение лавы из лунной мантии, поэтому вокруг кратеров можно наблюдать следы лавовых потоков. На поверхности Луны наблюдаются также горные хребты (длиной в сотни километров и высотой 3 – 5 км) и протяженные трещины и борозды. Интенсивное развитие космических исследований в ХХ ве-ке существенно повысило уровень наших знаний о Луне. С 1959 г. были успешно осуществлены полеты к Луне более 50 космических аппаратов серий «Луна», «Зонд» (СССР), «Рейнджер», «Сервейер», «Лунар Орбитер» (США) и косми-ческих кораблей серии «Аполлон» (США). С помощью косми-ческих аппаратов было произведено фотографирование по-верхности Луны в крупных масштабах, в том числе и обрат-ной стороны Луны, получены данные о ее гравитационных и магнитных полях, доставлены на Землю образцы лунного грунта. Самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» обследовали свыше 100 кв. км поверхности Луны (1970 – 1973 гг.). На космических кораблях серии «Аполлон» с 1969 г. осуществлен ряд пилотируемых полетов к Луне с высадкой астронавтов на лунную поверхность. На Луне нет воды и ее паров. Данные, полученные с по-мощью космического аппарата «Клементина» в 1994 г., поз-воляют предположить, что в некоторых глубоких кратерах, расположенных около полюсов, может находиться водяной лед. Луна не обладает атмосферой, поэтому ее поверхность не защищена от солнечных и космических лучей и метеори-тов. Поверхность Луны покрыта слоем реголита, являющего-ся смесью мелких обломков горных пород и породообразую-щих минералов, а также частиц, возникающих при кратерооб-разующих процессах. Толщина реголитового слоя в районах


78

морей от 4 до 8 метров, в материковых районах – от 4 до 12 м. Анализ лунного грунта свидетельствует о его базальтовом происхождении. На Земле базальты встречаются в вулкани-ческих зонах. Внутреннее строение Луны изучается по результатам за-писей лунных землетрясений и ударов метеоритов, зафикси-рованных доставленными на Луну сейсмостанциями. Недра Луны, как и Земли, имеют слоисто-оболочечное строение. Под слоем реголита находится материковая кора толщиной от 50 до 100 км. Под корой находится мантия, в которой вы-деляют верхнюю (до глубины 300 – 400 км), среднюю (до глу-бины 1000 км) и нижнюю (глубже 1100 км) мантии. Ядро Луны состоит из железоподобного вещества, находящегося в со-стоянии частичного расплава, предполагаемый радиус ядра от 170 до 360 км. Между нижней мантией и ядром находится область, напоминающая земную астеносферу. Температура здесь около 1500°С, давление более 10

8 Па. Различают по-

верхностные и глубинные лунные землетрясения. Поверх-ностные зарождаются в мантии на глубине до 300 км. Глу-бинные землетрясения происходят на глубине примерно 1000 км и носят циклический характер. У Луны нет магнитного по-ля, но некоторые породы ее поверхности проявляют остаточ-ный магнетизм. Можно предположить, что в более ранние пе-риоды истории Луны магнитное поле могло существовать. Происхождение Луны – одна из древнейших загадок аст-рономии. Программами «Аполлон» и «Луна» на Землю было доставлено 380 кг образцов лунного грунта, что позволило более детально изучить Луну. Возраст образцов лунных по-род колеблется в пределах 4,5 – 3,5 млрд. лет, что близко к возрасту Земли. Существуют четыре гипотезы о происхожде-нии Луны. Согласно первой, Луна представляла собой неза-висимо сформировавшуюся в Солнечной системе планету, оказавшуюся в непосредственной близости от Земли и за-хваченную нашей планетой силой притяжения. Этой теорией можно объяснить разницу в химическом составе поверхности Луны и Земли. Гипотеза «захвата» маловероятна с точки зрения динамики, т.к. переход тела, двигавшегося по незави-симой гелиоцентрической орбите вокруг Солнца, на эллип-


79

тическую (практически круговую) геоцентрическую орбиту во-круг Земли противоречит известным физическим законам. Под действием притяжения Земли небесное тело, подобное Луне, проходя около Земли просто изменило бы свою траек-торию. Вторая – приливная гипотеза предполагает, что в далеком прошлом Земля вращалась вокруг своей оси гораздо быст-рее, чем сейчас, в результате чего под действием центро-бежных сил, сложившихся с гравитационным воздействием пролетавшего в непосредственной близости от Земли круп-ного небесного тела, от нашей планеты оторвался крупный кусок. Оторвавшийся кусок оказался на стационарной орбите вокруг Земли и превратился в Луну. Исследования химиче-ского состава лунного грунта опровергают эту гипотезу. По третьей гипотезе, Луна сформировалась из различных веществ и обломков, которые находились на орбите рядом с Землей. С помощью этой гипотезы нельзя объяснить разницу в химическом составе Луны и Земли. В последние десятилетия ХХ века появилась еще одна ги-потеза – гипотеза гигантского столкновения. Согласно этой гипотезе, Луна образовалась в результате сильнейшего столкновения нашей планеты с небесным телом, похожим на Марс. Произошло это в период, когда земная кора еще до конца не оформилась и Земля находилась в полужидком со-стоянии. В результате столкновения на околоземную орбиту выплеснулось значительное количество вещества земной мантии и коры. Постепенно это вещество уплотнилось и пре-вратилось в Луну. Эта гипотеза объясняет и низкую плот-ность лунного вещества, и близость его химического состава к составу вещества земной коры и мантии, т.к. при столкно-вении земное ядро не было затронуто и на орбиту не попало. Окончательно вопрос о происхождении Луны еще не решен.

5.4. Меркурий Меркурий – ближайшая к Солнцу и самая маленькая пла-нета Солнечной системы. По сравнению с другими планетами его орбита имеет значительный эксцентриситет. В перигелии Меркурий находится от Солнца на расстоянии 45,9 млн. км, в


80

афелии – 69,7 млн. км. Период обращения Меркурия вокруг Солнца составляет 88 земных суток. Средняя скорость дви-жения планеты по орбите 47,87 км/с (в афелии – 38,7 км/с, в перигелии – 56,6 км/с). Период вращения вокруг собственной оси – 58 суток 16 часов. Ось вращения почти перпендикуляр-на плоскости эклиптики. Масса Меркурия составляет 0,055 массы Земли – 3,3∙10

23

кг. Диаметр Меркурия – 4878 км (0,38 диаметра Земли). Уско-рение свободного падения на поверхности 3,72 м/с

2. Плот-

ность – 5,43 г/см3. Это значит, что большая часть планеты со-

стоит из тяжелых элементов. Предполагается, что 70% массы планеты составляет железосодержащее ядро радиусом 1800 км. Часть ядра вероятно расплавлена. Наличием железосо-держащего ядра объясняется магнитное поле Меркурия, оно в 100 раз слабее земного. Кора и мантия достаточно тонкие, состоят из силикатов. Поверхность планеты напоминает лунную, она усеяна кра-терами. Диаметр кратера Бетховен достигает 643 км. Харак-терной чертой рельефа Меркурия являются крупные уступы. Ими изрезаны сотни километров поверхности. Высота усту-пов достигает 3 км. Температура на поверхности Меркурия меняется от –180°С до +430°С. Так как ось вращения перпен-дикулярна плоскости орбиты, на Меркурии не существует смены времен года. Около полюсов есть места, куда никогда не проникает солнечный свет. В этих местах имеются льды толщиной до 2 м. Атмосфера Меркурия имеет крайне низкую плотность (как в земной атмосфере на высоте 700 км). Несмотря на то, что Меркурий виден с Земли невоору-женным глазом, он является самой неизученной из планет земной группы, так как телескопы не могут его хорошо иссле-довать из-за близости к Солнцу. Большая часть информации о Меркурии получена в 1974 – 1975 гг. с помощью космиче-ского аппарата «Маринер-10», совершившего три пролета мимо планеты и сфотографировавшего около 45% его по-верхности. 3 августа 2004 г. с космодрома на мысе Канаверал был запущен космический аппарат MESSENGER, предназна-ченный для исследования Меркурия. Аппарат в 2011 году выйдет на орбиту вокруг планеты, на которой будет вести не-прерывные наблюдения в течение года.


81

5.5. Венера

Венера – вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. После Солнца и Луны Венера самое яркое светило на небе. Исследования Венеры проводились советскими авто-матическими станциями серий «Венера» и «Вега» и амери-канскими станциями «Пионер-Венера». С помощью межпла-нетной автоматической станции «Магеллан» была составле-на подробная карта Венеры. Среднее расстояние Венеры от Солнца 108,2 млн км (ми-нимальное – 107,4 млн км, максимальное – 109 млн км). Ор-бита Венеры больше других планет приближена к круговой, ее эксцентриситет меньше 1%. Период обращения Венеры вокруг Солнца 224,7 земных суток. Орбитальная скорость со-ставляет 35 км/с. Период обращения Венеры вокруг своей оси равен 243 земным суткам. Венера, в отличие от других планет Солнечной системы, вращается вокруг своей оси с востока на запад. Обычно планеты вращаются вокруг соб-ственной оси в том же направлении, что и вокруг Солнца – с запада на восток. Наклонение экватора к плоскости орбиты около 3°, поэтому сезонные вариации температуры почти от-сутствуют. Диаметр Венеры по экватору 12103 км (0,95 диаметра Земли). Масса Венеры 4,87∙10

24 кг (0,82 массы Земли). Сред-

няя плотность – 5,25 г/см3. По своим размерам и массе Вене-

ра близка к Земле. Предполагается, что и по внутреннему строению Венера похожа на Землю. Железосодержащее яд-ро имеет радиус примерно 3000 – 3200 км. Мантия толщиной 2800 км представляет собой расплавленное вещество. Тол-щина коры около 20 км. Температура на поверхности Венеры достигает 470°С. Кора ослаблена высокой температурой, да-ет возможность лаве изливаться наружу. Данные, полученные космическим аппаратом Магеллан, показывают, что большая часть поверхности Венеры покрыта потоками лавы. Межпланетные космические станции зафик-сировали следы недавней вулканической деятельности, об-наружено несколько небольших вулканов.


82

Поверхность Венеры представляет собой каменистую пустыню, освещенную желтоватым светом с преобладанием оранжевых и коричневых тонов рельефа. На поверхности имеются волнообразные равнины и большие горные масси-вы, превышающие по размерам Тибет. Их называют матери-ками. Одной из самых обширных равнин является архипелаг Иштар. Он представляет собой огромное вулканическое пла-то размером с Австралию. Самая высокая вершина планеты – потухший вулкан Максвелл высотой более 11 км. Обнару-жено около 1000 ударных кратеров. На Венере нет мелких метеоритных кратеров, мелкие метеориты сгорают в атмо-сфере до достижения поверхности. Горные породы по своему составу схожи с земными базальтовыми породами. Грунт Ве-неры состоит на 50% из кремнезема, 16% алюминиевых квасцов, 11% окиси магния. Венера обладает мощной атмосферой, наличие которой впервые установил М.В.Ломоносов в 1761 г. У поверхности плотность атмосферы достигает 1/15 плотности воды, а дав-ление около 90 атмосфер. Основными компонентами атмо-сферы являются углекислый газ (до 96%) и азот (3 – 4%). Имеется незначительная примесь паров воды, угарного газа, двуокиси серы, паров соляной и фтористоводородной кислот, аргона. Содержание Н2О в глубоких слоях атмосферы очень мало, поэтому на Венере нет океанов. Вероятно, когда-то на Венере были запасы воды, но она вся испарилась. Поверх-ность Венеры покрыта многокилометровым слоем облаков, состоящих из капелек серной кислоты, частиц серы и кри-сталликов солей серной кислоты. На высоте 50 – 70 км тем-пература в облаках около 230 К. На этой высоте над эквато-ром постоянно дуют ураганные ветры со скоростью до 300 м/с. Самый верхний слой атмосферы Венеры состоит почти целиком из водорода, он простирается до высоты 5500 км. Большое количество углекислого газа в атмосфере пре-пятствует пропусканию инфракрасного излучения с поверх-ности Венеры, что приводит к сильному «парниковому эф-фекту» и повышению температуры на поверхности Венеры до 470°С. Венера является самой горячей планетой в Сол-нечной системе. Межпланетные станции наблюдали в атмо-сфере Венеры молнии на высоте от 2 до 32 км. Как и Земля


83

Венера обладает ионосферой. Наибольшая концентрация ионов и электронов находится на высоте 150 км. У Венеры отсутствует собственное магнитное поле.

5.6. Марс

Марс – четвертая по расстоянию от Солнца планета Сол-нечной системы и седьмая по величине. Исследования Мар-са с 1965 г. проводились с помощью космических аппаратов «Маринер», «Марс», «Викинг» и др. В настоящее время по-верхность Марса исследуется американскими автоматиче-скими марсоходами «Оппортьюнити», «Спирит» и зондом «Феникс». Среднее расстояние от Марса до Солнца 227,9 млн км (минимальное – 206.7 млн км, максимальное – 249,1 млн км). Период обращения Марса вокруг Солнца – 687 земных суток. Средняя орбитальная скорость – 24,1 км/с. Экватор наклонен к плоскости орбиты на 24°56' (почти как у Земли). Поэтому на Марсе имеется смена времен года. Период вращения вокруг собственной оси 24 часа 37 минут 23 секунды. Диаметр Марса по экватору примерно вдвое меньше зем-ного – 6786 км. Масса Марса в девять раз меньше массы Земли – 6,4∙10

23 кг. Ускорение силы тяжести на поверхности

3,76 м/с2. Средняя плотность 3,9 г/см

3. Средняя температура

поверхности Марса 200К; днем летом на экваторе она дости-гает 300К, а зимой на полюсе падает до 140 К. Атмосферное давление на поверхности составляет 0,006 давления на по-верхности Земли. Рельеф поверхности Марса очень разнообразен. Поверх-ность южного полушария изрыта кратерами. Один из крате-ров имеет диаметр около 2000 км и глубину 6 км. Темные об-ласти, занимающие треть поверхности планеты, получили название морей. Диаметры некоторых морей достигают 2000 км. Моря преобладают в северном полушарии. Миллионы лет назад на Марсе происходили мощные вулканические извер-жения. Об этом свидетельствуют остатки лавовых потоков, огромные разломы марсианской поверхности. Самый большой разлом глубиной 8 км – Долина Маринера – простирается больше чем на 3000 км, в ширину составляет


84

около 600 км. Предполагают, что он образовался миллиарды лет назад, когда планета остывала. На поверхности Марса имеются горы вулканического происхождения. Вулканические конуса достигают высоты 20 – 21 км при диаметре у основа-ния 500 – 600 км. Самая большая гора на Марсе – гора Олимп имеет высоту 24 км. На поверхности Марса просмат-риваются образования, напоминающие русла рек – меандры. Ширина некоторых из них достигает 200 км. Грунт раздроб-лен и усыпан множеством каменных блоков. По составу по-роды похожи на земные, но с преобладанием окислов желе-за. Несмотря на существующий в настоящее время сухой климат Марса, имеются подтверждения разрушительной дея-тельности воды и льда на планете. Существует много явных признаков эрозии поверхности планеты, включая системы высохших русел рек. В отдаленный геологический период климат на Марсе был умеренный и на поверхности планеты была вода. Там могли быть озера и даже океаны. Возраст эрозивных каналов составляет около 4 млрд. лет. В настоя-щее время значительные запасы воды сосредоточены в при-поверхностном слое вечной мерзлоты. Полюса Марса покрыты ледяными шапками. Зимой на них сверху накладывается слой сухого льда из углекислого газа. С наступлением тепла углекислый газ сублимируется, остав-ляя после себя слой водяного льда. Ледяные шапки наблю-даются в кратерах некоторых вулканов. Ядро Марса радиусом 1500 – 1700 км состоит из железа и железосодержащих веществ (сульфида железа), находится в жидком состоянии. Толщина мантии составляет до 1800 км. Мантия состоит из силикатов. Толщина коры – около 100 км. Исследования химического состава марсианского грунта в местах посадок космического аппарата «Викинг» показали высокое содержание кремния (до 20%), железа (12 – 14%). Красноватая окраска поверхности Марса объясняется при-сутствием оксидов железа. Из других элементов отмечено высокое содержание серы, кальция, магния и алюминия. Марс в настоящее время не проявляет тектонической актив-ности. У планеты нет глобального магнитного поля, но в от-дельных его областях наблюдаются слабые магнитные поля.


85

Марс обладает тонкой атмосферой, состоящей из угле-кислого газа (95, 3%), азота (2,7%), аргона (1,6%), следов кислорода и воды. Марсианские облака состоят из паров во-ды и углекислого газа. На поверхности Марса наблюдаются сильные ветры и пылевые бури, которые на долгие месяцы охватывают всю планету. Имеется ионосфера с максималь-ной концентрацией электронов и ионов на высоте 150 км. У Марса два спутника: Фобос и Деймос. Открыты амери-канским астрономом А.Холлом в 1877 г. Существование двух спутников у Марса было предсказано в 1610 г. И.Кеплером, но оно не было научно обосновано. Как полагают, спутники являются бывшими астероидами, чьи орбиты были искажены гравитационным полем Юпитера таким образом, что они ста-ли проходить вблизи Марса и были им захвачены. Их возраст около 3 млрд. лет – меньше возраста Солнечной системы. По одной из гипотез оба спутника появились в результате рас-щепления одного спутника, вращающегося вокруг Марса. Произошло это несколько миллиардов лет назад. По строе-нию спутники напоминают астероиды, состоящие из смеси каменистых пород, богатых углеродом, и льда. Фобос – более крупный и близкий к Марсу спутник. Радиус его орбиты около 9400 км, он удален от поверхности Марса менее чем на 6000 км. Один оборот вокруг Марса делает ме-нее чем за 8 часов. Фотографии Фобоса были получены межпланетными станциями «Маринер-9», «Викинг-1», «Фо-бос-2», «Марс Глобал Сервейор».Фобос имеет размеры 27×21×19 км. Масса – 1,08∙10

16 кг. Средняя плотность – 2

г/см3. Поверхность Фобоса покрыта слоем пыли, похожей на

реголит. На поверхности есть кратеры. По мнению ученых, через 50 млн. лет Фобос либо упадет на поверхность Марса, либо разрушится, образовав кольцо вокруг Марса. Деймос – меньший и более далекий из двух спутников Марса. Радиус его орбиты 23400 км. Масса Деймоса – 1,8∙10

15 кг. Первые фотографии Деймоса получены космиче-

ским аппаратом «Викинг-1» в 1977 г. Размеры спутника – 15×12×11 км. Средняя плотность – 1,7 г/см

3. Поверхность

Деймоса похожа на поверхность Фобоса.

5.7. Юпитер


86

Юпитер – пятая от Солнца и самая большая планета Сол-нечной системы, первая среди газообразных планет-гигантов. Юпитер более чем в два раза массивнее всех других планет вместе взятых. Первые наблюдения Юпитера с помощью те-лескопа были выполнены в 1610 г. Г.Галилеем. Он же обна-ружил у Юпитера четыре больших спутника, названных гали-леевскими: Ио, Европу, Ганимеда и Каллисто. С 1973 г. ис-следования Юпитера выполнялись космическими аппаратами «Пионер-10». «Пионер-11», «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Улисс» и «Галилео», который и сейчас находится на орбите Юпитера. Среднее расстояние Юпитера до Солнца 778,3 млн км (минимальное – 740,9 млн км, максимальное – 815,7 млн км). Период обращения вокруг Солнца – 11,86 земных года. Средняя орбитальная скорость 13,1 км/с. Плоскость орбиты Юпитера наклонена к плоскости эклиптики под углом 1°18,3'. Экватор наклонен к плоскости орбиты под углом 3°5'. Из-за малости этого угла сезонные изменения на Юпитере выра-жены весьма слабо. Расстояние Юпитера от Земли меняется в пределах от 188 до 967 млн. км. Период вращения Юпитера вокруг оси увеличивается с широтой: от 9 часов 50 минут 30 секунд на экваторе до 9 часов 55 минут 40 секунд в припо-лярных зонах. Так быстро не вращается ни одна планета Солнечной системы. Высокая скорость вращения приводит к полярному сжатию планеты. Диаметр Юпитера по экватору 143000 км, а полярный – 134700 км, сжатие составляет 1/16. Масса Юпитера – 1,9∙10

27 кг (в 318 раз больше земной и в

1050 раз меньше массы Солнца). Ускорение свободного па-дения на экваторе – 23,5 м/с

2. Средняя плотность – 1,33 г/см

3,

т.е. в четыре раза меньше земной. Как и другие планеты-гиганты, Юпитер существенно отли-чается по химическому составу от планет земной группы. До-минирующими здесь являются водород и гелий в «солнеч-ной» пропорции 3,4:1. Ядро Юпитера состоит из сжатых гелия и водорода, а также из каменистых пород со следами льда. Масса ядра составляет около 4% от общей массы планеты. Над ядром находится слой металлического водорода, в кото-ром электроны не связаны с собственными протонами, а яв-ляются свободными, как в кристаллах металлов. Металличе-


87

ское состояние водорода объясняется давлением в ядре около 3 млн земных атмосфер. Металлический водород яв-ляется проводником электричества, текущие в ядре токи со-здают магнитное поле планеты. Далее следует слой, состоя-щий из жидкой смеси гелия и молекулярного водорода. Выше расположена атмосфера, состоящая в основном из газооб-разных гелия и водорода с небольшой примесью воды, угле-кислого газа и метана. Измерение энергии, излучаемой Юпитером в основном в инфракрасной области спектра, свидетельствует о том, что она превышает в 1,5 раза тепловую энергию, получаемую от Солнца. Это означает, что Юпитер имеет собственный источ-ник тепла. Эта дополнительная энергия обязана своим про-исхождением механизму Кельвина-Гельмгольца ─ медлен-ному гравитационному сжатию планеты. Температура в недрах Юпитера около 30000 К. Внутренний нагрев является причиной конвективного движения жидких слоев Юпитера. Магнитное поле Юпитера в 12 раз превышает по интен-сивности земное. Наклон магнитной оси составляет 11 граду-сов по отношению к оси вращения. Существование магнитно-го поля объясняется наличием внутри планеты жидкого ме-таллического водорода. Магнитосфера Юпитера распростра-няется более чем на 650 млн км. Магнитосферу на Юпитере формирует также солнечный ветер, при этом образуется зона, в которой заряженные ча-стицы отсутствуют ─ магнитопауза. Электроны и протоны вы-соких энергий, захваченные магнитным полем Юпитера, об-разуют радиационные пояса, похожие на земные, но сильно превышающие их по размеру. Автоматической межпланетной станцией «Вояджер-1» в 1979 г. у Юпитера были открыты такие же кольца, как у Са-турна, только гораздо меньше и слабее. Кольца расположены в экваториальной плоскости на расстоянии 55000 км от са-мых высоких облаков атмосферы. В отличие от колец Сатур-на кольца Юпитера очень темные. Они, вероятно, состоят из пыли и очень маленьких каменных частиц, плохо отражаю-щих солнечные лучи. Существуют два основных кольца и од-но внутреннее, очень тонкое, с характерной оранжевой окраской. Толщина колец не превышает нескольких километ-


88

ров. Происхождение колец остается неизвестным, хотя уче-ные предполагают, что они образовались из рассеянного ве-щества от столкновений метеоритов со спутниками Юпитера. Атмосфера Юпитера состоит на 89% из водорода и на 11% гелия с примесью метана, аммиака, воды и др. Ее про-тяженность около 6 тыс. км. Оранжевый оттенок планеты объясняют присутствием в атмосфере фосфора и, возможно, органики, возникающей благодаря электрическим разрядам в ней. Установлено наличие облаков, расположенных парал-лельно экватору, высота которых в различных районах не-одинакова. Полагают, что Юпитер имеет несколько слоев облаков в своей атмосфере. Наверху располагаются облака из оледеневшего аммиака; под ними ─ облака, содержащие кристаллы сероводорода аммония и метана, а в самом низ-ком слое – водяной лед. Разный цвет облаков зависит от их высоты. Например, облака расположенные высоко, - красные, чуть ниже – белые, еще ниже – коричневые. В самом низу располагаются белесые облака. Для атмосферы Юпитера, как и для других газовых пла-нет, характерны ветры, дующие со скоростями до 500 км/час в пределах широких полос, параллельных экватору, причем в смежных полосах ветры дуют в противоположные стороны. Изучение атмосферы Юпитера позволило установить, что ветры существуют и в нижних слоях атмосферы. Ученые счи-тают, что причиной образования ветров являются градиенты температуры, обусловленные внутренним теплом планеты, а не из-за нагревания Солнцем, как на Земле. В атмосфере Юпитера наблюдаются пятна, образование которых связывают с интенсивными вихревыми потоками. Самое знаменитое образование на Юпитере – Большое Красное Пятно, открытое в 1664 году Робертом Гуком. Оно представляет собой долгоживущий вихрь, размером 15х25 тыс. км. В феврале 2006 г. было замечено еще одно ─ Младшее Красное Пятно, образовавшееся при слиянии бо-лее мелких вихрей. В настоящее время астрономы наблюда-ют три красных пятна на поверхности Юпитера.

У Юпитера обнаружено 16 естественных спутников. Че-тыре из них были открыты еще Галилеем: Ио, Европа, Гани-мед и Каллисто. Он посвятил эти спутники семье Медичи. Это


89

самые крупные спутники Юпитера. Они движутся вдоль плос-кости экватора Юпитера, осевое вращение у них синхронно с орбитальным, поэтому они всегда обращены к Юпитеру од-ной стороной. Из спутников Медичи ближе всех к Юпитеру расположена Ио, она находится на расстоянии 421,6 тыс. км от Юпитера. Радиус Ио составляет 1815 км. Согласно данным последних исследований, на спутнике существуют девять активных вул-канов, которые выбрасывают столбы дыма на высоту до 300 км. Выбрасываемый ими газ – диоксид серы. На поверхности много круглых котлообразных впадин вулканического проис-хождения (диаметром до 50 км), окруженных обрывами и лу-чеобразно застывшей лавой. Скорее всего, лава состоит из базальта с примесью серы. Некоторые ученые предполагают, что на поверхности Ио есть серосодержащие озера и моря. На расстоянии 670 900 км от Юпитера расположена Европа. Радиус Европы 1569 км. Возраст поверхности Евро-пы насчитывает от нескольких сот миллионов до одного мил-лиарда лет. Спутник покрыт корой льда толщиной 100 км. Ученые считают, что когда-то на спутнике существовал жид-кий океан. Многочисленные разломы ледяной поверхности, похожие на айсберги, позволяют предполагать, что под ледя-ной корой существует водный океан. Ганимед – самый большой спутник в системе Юпитера и вообще в Солнечной системе. Ганимед расположен на рас-стоянии 1,07 млн км от Юпитера, его радиус – 2631 км. По-верхность Ганимеда покрыта ледяной корой толщиной более 100 км. Под ней находится слой полутвердого вещества (ве-роятно смесь грязи с водой) толщиной 500-600 км. Ниже рас-положено каменистое ядро. Ледяная поверхность спутника усеяна разными по времени образования кратерами. Между ними наблюдаются борозды, гребни и долины. Ширина бо-розд достигает 15 км, а длина – нескольких десятков кило-метров. Предполагают, что за эволюционный период на по-верхности Ганимеда сформировались тектонические плиты, похожие на земные. Сначала они сталкивались, наползали друг на друга, но в настоящее время занимают фиксирован-ное положение.


90

Каллисто находится на расстоянии 1,833 млн км от Юпи-тера. Радиус спутника – 2400 км. Поверхность Каллисто из-резана кратерами, глубина которых невелика. Считается, что Каллисто – самая древняя в Солнечной системе, за послед-ние несколько миллиардов лет ее поверхность не претерпела значительных изменений. На ней практически отсутствуют следы вулканической деятельности. Внешний слой спутника состоит из льда и каменистых образований, его толщина око-ло 300км. Под ним на глубину до 1000 км располагается ман-тия, состоящая из воды и льда. В центре находится твердое каменистое ядро, радиус которого около 1200 км.

5.8. Сатурн

Сатурн – вторая среди четырех газообразных планет-гигантов Солнечной системы. Среднее расстояние от планеты до Солнца составляет 1 427 млн км. Диаметр экватора – 120 000 км. Диаметр у по-люсов на 10% меньше. Период обращения вокруг Солнца – 29,46 года, период вращения вокруг оси (по экватору) 10 ч 13 мин 23 с. Масса Сатурна в 95,181 раз больше массы Земли – 5,685∙10

26 кг. Сатурн - единственная планета Солнечной си-

стемы, плотность которой меньше плотности воды – 0,69 г/см

3 . Как и Юпитер, Сатурн состоит из 75% водорода и 25%

гелия со следами воды, метана, аммиака. Внутреннее строение Сатурна подобно строению Юпите-ра. В центре расположено твердое ядро, состоящее из со-единений кремния и металлов. Вокруг него – жидкий метал-лический водород, далее расположен слой из жидкого моле-кулярного водорода и гелия, переходящий во внутренние слои атмосферы. Температура в ядре достигает 12 000 К, давление – около 3 млн атмосфер. Благодаря наличию в недрах Сатурна жидкого металли-ческого водорода планета обладает мощным магнитным по-лем, но более слабым по сравнению с Юпитером. Магнито-сфера Сатурна простирается далеко за пределами планеты в космическом пространстве. Атмосфера Сатурна состоит из водорода (96%), гелия (3%), метана и азота. В верхней части атмосферы располо-


91

жены аммиачные облака. Сатурн так же, как и Юпитер, излу-чает в космическое пространство большее количество энер-гии, чем получает от Солнца. Предполагают, что в центре Сатурна происходит гравитационное сжатие гелия. Генери-руемое при этом тепло вызывает конвективное движение во внутренних слоях атмосферы с образованием восходящих и нисходящих потоков. Внутренний источник тепла и быстрое вращение планеты способствуют образованию ветров. Ско-рость ветров на Сатурне достигает 1800 км/ч. Ветра дуют большей частью в восточном направлении. Сила ветров ослабевает при удалении от экватора. Ветра в северном и южном полушариях симметричны относительно экватора. В атмосфере Сатурна часто наблюдаются штормы. Украшением планеты являются кольца, расположен-ные в экваториальной плоскости планеты. Различают три ос-новных кольца (их называют кольца А, В и С) и четыре второ-степенных, которые также обозначаются буквами латинского алфавита. Диаметр колец около 250 000 км, их толщина не превышает 1,5 км. Кольца состоят из огромного количества очень мелких по размеру фрагментов. Их размеры колеблют-ся от нескольких сантиметров до нескольких метров. Частицы колец состоят из обломков камней и льда. Кольцо В – центральное, оно самое широкое и яркое. Кольцо А располагается с наружней стороны, а кольцо С – с внутренней стороны от кольца В. Кольца отделяются друг от друга темными зонами – разделителями. Между кольцами А и В находится разделитель Кассини шириной в 4000 км. В от-ношении происхождения колец полной ясности не существу-ет. Возможно, что они сформировались в одно время с пла-нетой. Вокруг Сатурна вращается 18 спутников, имеющих имена. Наиболее крупные из них Титан, Рэя, Япет, Диона, Тетис, Эн-целад, Мимас. В последнее время установлено наличие еще 12 спутников, имеющих несколько десятков километров в диаметре. В основном спутники Сатурна представляют собой каменистые и ледяные образования. Титан – самый большой из спутников Сатурна. По своим размерам он занимает второе место среди всех спутников Солнечной системы после Ганимеда – спутника Юпитера.


92

Спутник был открыт Гюйгенсом в 1655 г. Диаметр Титана – 5150 км, радиус орбиты – 1 221 900 км. Полный оборот во-круг планеты он осуществляет за 16 суток. Титан повернут к Сатурну только одной стороной, состоит из твердого камени-стого ядра и ледяной оболочки. Титан окружен мощной крас-но-оранжевой атмосферой с облаками высотой около 200 км, состоящей из азота (90%), аргона и метана. В атмосфере Ти-тана обнаружены следы водорода, окиси углерода, этана, гидроксида цианина и воды. Появились свидетельства о су-ществовании метановых облаков, возможно, на Титане про-ходят метановые дожди. Существует вероятность, что под атмосферой находится метан-этановый океан глубиной в не-сколько километров. Давление на поверхности примерно в полтора раза боль-ше, чем на Земле. Температура верхних слоев атмосферы составляет 150 К, поверхность Титана холоднее, примерно 100 К.

5.9. Уран

Уран – седьмая большая планета Солнечной системы. Открыт в 1781 г. У.Гершелем. Среднее расстояние до Солнца 2 896,6 млн км. Диаметр по экватору – 51 158 км. Период об-ращения вокруг Солнца – 84,01 года, средняя орбитальная скорость – 6,8 км/с. Период вращения вокруг оси – 17 ч 12 мин. Масса Урана в 14,531 раз больше массы Земли, средняя плотность – 1,29 г / см

3. Средняя температура поверхности

63 К. Ось вращения Урана располагается почти параллельно плоскости эклиптики, наклон оси составляет 97°55´. Север-ный полюс находится под орбитальной плоскостью. По одной из гипотез – это результат столкновения Урана с каким-то небесным телом. По своему строению Уран идентичен другим газообраз-ным планетам. В центре расположено твердое каменистое ядро диаметром около 17 000 км. Температура ядра около 7 000 °С, давление в ядре достигает 6 млн атмосфер. Вокруг ядра расположена плотная мантия толщиной около 10 000 км, состоящая из воды, замороженных аммиака и метана, уг-лерода, азота и молекулярного водорода. Из-за меньшей, чем у Юпитера и Сатурна массы, в недрах Урана не сформи-


93

ровался жидкий металлический водород. Далее идет слой жидкого водорода, переходящий в газовую атмосферу. Атмосфера состоит из водорода (83%), гелия (15%) и ме-тана. Голубоватый цвет планеты объясняется тем, что водо-род и метан поглощают красную область спектра, синий и зе-леный цвета остаются. В атмосфере образуются облака, со-стоящие из замороженного метана. Под действием ветров в средних широтах облака перемещаются со скоростью до 600 км / ч по ходу вращения планеты. Основная информация о планете Уран получена с помо-щью автоматической станции «Вояджер-2». В 1977 г. вокруг Урана была открыта система колец. Кольца состоят из каме-нистых частиц, размером от нескольких сантиметров до не-скольких метров, и пыли. Кольца расположены на расстоянии от 40 000 до 50 000 км от планеты. Они имеют неправильную форму. Предполагают, что они образовались в результате распада небольшого спутника, столкнувшегося с метеоритом или кометой. Уран имеет магнитосферу. Особенностью магнитного по-ля Урана является большой угол между магнитной осью и осью вращения – около 55°. Источник поля неизвестен. У Урана есть магнитный хвост, состоящий из захваченных по-лем заряженных частиц, растянувшийся на миллионы кило-метров. В настоящее время у Урана обнаружено 18 спутников. Самые крупные из них: Титания (расстояние до планеты – 436 000 км, радиус – 789 км), Оберон (расстояние – 583 000 км, радиус – 761 км), Умбриэль (расстояние – 266 000 км, ра-диус – 585 км), Ариэль (расстояние – 191 000 км, радиус – 579 км). Большинство спутников имеют почти круговые орбиты, лежащие в плоскости экватора, т.е. почти перпендикулярно к плоскости орбиты Урана. Титания – самый крупный спутник Урана, почти на 50% состоит из льда, на 20% - из углеродных и азотных соединений, на 30% - из соединений кремния-силикатов. Поверхность Титании состоит из льда и камней, покрыта ударными кратерами; имеются ямы тектонического происхождения с геологическими сбросами, системы разлом-ных ущелий, длина которых достигает 1600 км . Это свиде-


94

тельствует, что в прошлом на спутнике был период активной геологической деятельности.

5.10. Нептун

Нептун – восьмая планета от Солнца и четвертая по раз-меру среди планет. Открытие Нептуна стало триумфом небесной механики, основанной на законах Ньютона. После открытия Урана астрономы обратили внимание на отклоне-ния его орбиты от закона всемирного тяготения. Было выска-зано предположение, что за Ураном находится еще одна планета, оказывающая влияние на его движение своим гра-витационным притяжением. Математики англичанин Адамс и француз Леверье сделали расчет примерного положения этой планеты. Леверье убедил астрономов начать поиски но-вой планеты. По расчетам Леверье новую планету обнаружил в 1846 г. Галле в первую же ночь наблюдений. Поэтому Нептун называют планетой, открытой «на кончике пера». Среднее расстояние от Нептуна до Солнца 4 496,6 млн км. Период обращения вокруг Солнца – 164,8 года, средняя орбитальная скорость – 5, 4 км / с. Наклон орбиты по отно-шению к эклиптике ─ 1°8´. Период вращения вокруг оси – 16 ч 06 мин. Наклон экватора к плоскости орбиты - 28° 48´. Диа-метр экватора – 49 528 км. Масса планеты в 17,135 раз больше массы Земли – 1,03∙10

26 кг. Средняя плотность

Нептуна – 1,64 г/ см3. Средняя температура на поверхности

53 К. В центре планеты находится твердое каменистое ядро, состоящее из силикатов и металлов. Диаметр ядра составля-ет 14 000 км. Выше расположена мантия толщиной от 10 000 до 15 000 км, состоящая из замороженных воды, аммиака и метана. Далее находится слой жидкого водорода, переходя-щий в атмосферу. Атмосфера состоит из водорода (80%), гелия (15%), ам-миака и метана. Самые высокие облака состоят преимуще-ственно из метана. Ниже расположены облака из аммиака и воды. На высоте 50 км простираются серебристые перистые облака. На Нептуне дуют очень сильные ветры со скоростью около 2000 км / час. Ветры дуют в западном направлении, против вращениия планеты. Нептун имеет собственный внут-


95

ренний источник тепла, он излучает энергии больше, чем по-лучает от Солнца. Космический аппарат «Вояджер-2» зарегистрировал наличие у Нептуна магнитного поля. Магнитосфера Нептуна сильно вытянута. Магнитная ось наклонена к оси вращения под углом 47°. Предполагается, что магнитное поле планеты возбуждается жидкой проводящей средой, расположенной над ядром Нептуна. Вокруг Нептуна существует система колец, расположен-ных на расстоянии от 42 000 до 63 000 км от центра планеты. У Нептуна обнаружено 8 спутников, находящихся от него на расстоянии от 48 000 до 5 513 400 км. Самый крупный – Тритон, радиус которого составляет 1350 км. Тритон обнаружен в 1846 г. На его поверхности имеются каньон, кратеры, пики по краям озер изо льда и аммиака, длинные расселины. Вулканы на Тритоне при извержении выделяют азот, превращенный в пар из жидкого состояния, и компоненты углерода. Плотность Тритона сравнительно вы-сока по сравнению с другими спутниками газовых планет – 2 г / см

3. Предполагают, что 25% массы Тритона составляет лед,

остальное – каменистые породы.

5.11. Плутон

До недавнего времени Плутон считался девятой большой планетой Солнечной системы. Существование Плутона было предсказано в 1905 г. американским астрономом Ловеллом Персивалем. Он заметил отклонения в движениях Урана и Нептуна от рассчитанных орбит и решил, что это происходит из-за влияния еще одной, более далекой от Солнца планеты, находящейся за орбитой Нептуна. Плутон был обнаружен в 1930 г. американским астрономом К.Томбо. Среднее рассто-яние от Плутона до Солнца 5 900 млн км (минимальное – 4 425 млн км; максимальное – 7 375 млн км). У Плутона са-мый большой эксцентриситет среди планет Солнечной си-стемы – 0,244. Диаметр планеты составляет 2390 км. Период обращения вокруг Солнца – 247,7 года, средняя скорость на орбите – 4,7 км / с. Период вращения вокруг собственной оси – 6 сут. 8 ч (обратное вращение). Масса Плутона в 500 раз


96

меньше массы Земли – 1,5∙1022

кг. Средняя плотность – 1,7 г / см

3. Средняя температура поверхности – 43 К.

О строении Планеты существует несколько гипотез. Со-гласно одной из них, в центре планеты расположено камени-стое ядро с содержанием льда. Выше расположена мантия толщиной 230 км, состоящая изо льда и молекулярных струк-тур. Поверхность состоит из замороженных воды и метана с присутствием азота, окиси углерода. Атмосфера состоит из азота и метана. У Плутона имеется единственный спутник Харон. Открыт в 1978 г. Он находится на расстоянии около 20 000 км от цен-тра Плутона и обращается вокруг него с периодом 6,4 земных суток, что совпадает с периодом обращения самого Плутона вокруг оси. Харон всегда обращен к планете одной и той же стороной. Радиус Харона – 593 км. Масса – 1,94∙10

21 кг.

Плутон и Харон часто рассматривают как двойную планету. В конце ХХ века рядом астрономов были высказаны со-мнения по поводу отнесения Плутона к большим планетам Солнечной системы. Приводились три причины: - все внешние планеты являются газовыми гигантами, а Плутон ─ нет; - масса Плутона намного меньше массы любой из планет Солнечной системы; - орбита Плутона очень вытянута и даже пересекает ор-биту Нептуна. Начиная с 1992 г., благодаря современному высокочув-ствительному оборудованию, астрономы начали находить небольшие объекты за орбитой Плутона. Тем самым под-твердилось предположение, выдвинутое около 50 лет назад ирландским экономистом и астрономом К.Эджвортом и аме-риканским астрономом Д.Койпером, о наличии за Нептуном целого пояса малых планет. Этот пояс получил название по-яса или полосы Эджворта-Койпера. Полоса Эджворта-Койпера представляет собой кольцо астероидов со стационарными орбитами, находится на рас-стоянии свыше 4 млрд км от Солнца и насчитывает около 100 000 объектов. В 2003 г. астрономы уточнили диаметр од-ного из крупнейших объектов этого пояса – астероида UB313. Он оказался равным 3000 км, что на 610 км больше диаметра


97

Плутона. Поскольку астероид UB313 значительно больше, чем Плутон, встал вопрос о признании астероида большой планетой (ему успели дать название – Ксена) или о лишении этого статуса Плутона. В 1996 г. 26-я Генеральная Ассамблея Международного астрономического союза уточнила понятие планеты. Новое определение планеты включает в себя сле-дующие пункты: - обращается вокруг Солнца; - достаточно велика и массивна, чтобы принять шарооб-разную форму; - рядом с ее орбитой нет тел сравнимых размеров. На основании этого определения введен новый класс объектов Солнечной системы – «карликовые планеты», к ко-торым и был отнесен Плутон. На сегодня самым крупным представителем карликовых планет является Ксена (2003UB313). Таким образом, в настоящее время Солнечная система насчитывает 8 планет.


98

Вопросы для самопроверки

1. Из чего рождаются звезды? 2. Какие силы вызывают первоначальное сжатие вещества

будущей звезды? 3. Каковы основные стадии эволюции звезд? 4. Какие силы останавливают гравитационное сжатие бе-

лых карликов? 5. Какие условия необходимы для образования нейтронных

звезд? 6. Как образуются черные дыры? 7. Какие основные постулаты были положены в основу

классической ньютоновской космологии? 8. Какие космологические модели Вселенной являются

следствием решений уравнения тяготения, полученных А.Фридманом?

9. Как связаны между собой средняя плотность вещества во Вселенной и геометрия Вселенной?

10. Что такое «красное смещение»? 11. Какие факты наблюдательной астрономии подтвер-ждают гипотезу Большого взрыва?

12. Что такое реликтовое излучение? 13. Что такое инфляция? 14. Какие сценарии дальнейшей эволюции Вселенной су- ществуют в открытых и закрытых моделях Вселенной? 15. Каковы основные отличия планет-гигантов и планет земной группы? 16. Каковы источники энергии Солнца и других звезд? 17. Какие гипотезы существуют о происхождении Солнеч-ной системы? 18. Почему происходят солнечные и лунные затмения? 19. Какие космические аппараты используются для иссле-дования планет Солнечной системы? 20. Какие гипотезы о происхождении Земли существуют в естествознании? 21. Какие оболочки различают во внутреннем строении Земли?


99

ПЕРСОНАЛИИ

АДАМС Д. (1819 – 1892) – английский астроном, открыв-ший в 1845 г. на основании математических расчетов планету Нептун. АЛЬФВЕН Х. (1908 – 1995) – шведский физик и астрофи-зик, лауреат Нобелевской премии (1970 г.). Основные науч-ные исследования посвящены электродинамике, физике плазмы, космической физике и астрофизике. Его работы по-ложили начало новой научной дисциплине – магнитной гид-родинамике. Выдвинул ряд гипотез для объяснения таких астрономических явлений, как образование протуберанцев, солнечных пятен, магнитных бурь, полярных сияний, Сол-нечной системы. Занимался вопросами происхождения кос-мических лучей, проблемой антивещества во Вселенной. Вы-сказал идею о синхротронной природе радиоизлучения дис-кретных источников, предложил теорию излучения радиои-сточников. Предсказал существование галактических магнит-ных полей. АНАКСАГОР (500 – 428 до н.э.) – древнегреческий фило-соф, математик и астроном. Известен исследованиями в об-ласти астрономии и метеорологии. Высказал гипотезу об ог-ненной природе Солнца, объяснил природу солнечного и лунного затмений. Многообразие тел в природе сводил к раз-личным неизменным, неисчислимо многим и бесконечно ма-лым элементам действительного мира («семенам вещей»), которые вначале были смешаны и образовывали хаос. До-пускал бесконечную делимость вещества. Утверждал, что материя вечна и что ни одна вещь не возникает из ничего и не может превратиться в ничто. Ввел в математику понятия «бесконечно большого» и «бесконечно малого». АРИСТОТЕЛЬ (384 – 322 до н.э.) – древнегреческий фи-лософ и ученый-энциклопедист, в своих работах охватил поч- ти все известные в то время области знания; его идеи в фи-лософии, логике, физике, биологии, риторике, теории искус-ства и др. оказали огромное влияние на развитие мировой философии и науки. Основоположник формальной логики. В своих работах систематизировал огромный естественнонауч-ный материал своих предшественников и свои наблюдения. В


100

трактатах «Физика», «Механика», «О небе» и других изложил свои представления о природе. Исследования Аристотеля относятся к механике, акустике, оптике, космологии. Физика Аристотеля, основанная на принципе целесообразности, со-держала отдельные правильные положения, но отрицала прогрессивные идеи атомизма и гелиоцентризма, высказан-ные его предшественниками. Космология Аристотеля, в осно-ве которой лежала идея геоцентризма, господствовала в науке до Коперника. Основными элементами или стихиями Аристотель считал землю, воздух, воду, огонь и эфир. Учение Аристотеля было выхолощено и канонизировано церковью и вплоть до XV – XVI вв. тормозило дальнейшее развитие науки. БЕТЕ Г.А. (1906 – 2005) – американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1967 г.). Научные работы по-священы квантовой механике, ядерной физике, теории твер-дого тела, теории ядерных реакторов, астрофизике. Открыл циклы термоядерных реакций, являющиеся источником энер-гии звезд главной последовательности: протон-протонный и углеродно-азотный (независимо от К.Вейцзеккера). Предпо-ложил существование двух различных типов мезонов (сов-местно с Р.Маршаком), выдвинул идею перенормировки мас-сы электрона. Разработал основы каскадной теории развития ливней в космических лучах. Постулировал зарядовую неза-висимость сильных взаимодействий. ВЕГЕНЕР А. (1880 – 1930) – немецкий геофизик и метео-ролог, основоположник учения о дрейфе континентов. В 1915 г. опубликовал труд «Происхождение материков и океанов», в котором на основании геологических, географических и пале-онтологических исследований высказал предположение, что 200 – 250 млн. лет назад на Земле существовал только один материк – Пангея, который под действием центробежных сил раскололся на отдельные блоки. ВЕЙЦЗЕККЕР К.Ф. фон (1912 ─ 2007) – немецкий физик-теоретик и астрофизик. Научные работы посвящены атомной и ядерной физике, квантовой теории, единой теории поля и элементарных частиц, теории образования солнечной систе-мы и галактик, эволюции звезд. Предложил полуэмпириче-скую формулу для энергии связи ядра, объяснил существо-


101

вание метастабильных состояний, заложил основы изомерии атомных ядер. Независимо от Г.Бете открыл углеродно-азотный цикл. ВИЛЬСОН Р.В. (род. в 1936 г.) – американский радио-астроном. За открытие микроволнового фонового (реликтово-го) излучения совместно с А.А.Пензиасом удостоен Нобелев-ской премии (1978 г.). Исследовал темные газовые облака в Млечном Пути, показал, что из таких облаков рождаются но-вые звезды. ГАЛИЛЕЙ Г. (1564 – 1642) - выдающийся итальянский фи-зик и астроном, один из основателей точного естествознания. Оказал значительное влияние на развитие физики. Сформу-лировал принцип относительности для прямолинейного и равномерного движения и принцип постоянства ускорения силы тяжести. Установил закон инерции, законы свободного падения, движения тела по наклонной плоскости и тела, брошенного под углом к горизонту, открыл закон сложения движений. Изобрел первый термометр, маятниковые часы. Проводил исследования в области гидростатики и прочности материалов. Построил первый телескоп, с помощью которого исследовал поверхность Луны, открыл фазы у Венеры, пятна на Солнце, спутники у Юпитера, установил, что Млечный Путь состоит из множества звезд. В «Диалоге о двух глав-нейших системах мира» (1632) отстаивал гелиоцентрическую систему мира, за что подвергся преследованию церкви. ГАЛЛЕ И.Г. (1812 – 1910) – немецкий астроном. Открыл 3 кометы, внутреннее кольцо Сатурна, уточнил параллакс Солнца. По координатам, вычисленным У.Леверье, обнару-жил планету Нептун. ГАМОВ ДЖ. (1904 – 1968) – американский физик-теоретик российского происхождения. Научные работы посвящены квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизи-ке, космологии, биологии и истории физики. Существенный вклад внес в теории альфа- и бета-распадов. Значительных успехов достиг в астрофизике и космологии. Широко исполь-зовал ядерную физику для интерпретации звездной эволю-ции. Первым начал рассчитывать модели звезд с термоядер-ными реакциями, исследовал эволюционные треки звезд, предложил модель оболочки красного гиганта, исследовал


102

роль нейтрино при вспышках новых и сверхновых звезд. Раз-работал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата, выдвинул теорию «горячей» Вселенной. Предложил механизм звездного кол-лапса. Ему принадлежит первая четкая постановка проблемы генетического кода. ГЕРЦШПРУНГ Э. (1873 – 1967) – датский астроном. От-крыл разделение звезд спектральных классов G, K, M на «ги-гантов» и «карликов» и существование зависимости между абсолютной звездной величиной и спектральным классом звезд (диаграмма Герцшпрунга-Рессела). ГЕРШЕЛЬ В. (1738 – 1822) – английский астроном и оптик. Открыл планету Уран, два спутника Урана, их обратное дви-жение, два спутника Сатурна. Обнаружил движение Солнеч-ной системы в пространстве. Впервые наметил общую форму Галактики и оценил ее размеры. Открыл существование двойных звезд, составил их каталог. Выяснил закономерно-сти распределения туманностей, развил концепцию эволю-ции космической материи. ГИНЗБУРГ В.Л. (род. в 1916 г.). – российский физик-теоретик, академик РАН, лауреат Нобелевской премии (2003 г.). Научные работы посвящены квантовой электродинамике, физике элементарных частиц, теории излучения, оптике, тео-рии конденсированных сред, физике плазмы, радиофизике, радиоастрономии, астрофизике. Разработал квантовую тео-рию эффекта Вавилова-Черенкова и теорию черенковского излучения в кристаллах (1940 г.), создал термодинамическую теорию сегнетоэлектрических явлений (1945 г.). Изучал про-блемы управляемых термоядерных реакций, принимал уча-стие в создании термоядерного оружия. Совместно с Л.Д.Ландау разработал феноменологическую теорию сверх-проводимости. Построил полуфеноменологическую теорию сверхтекучести (совместно с Л.П.Питаевским). Исследовал распространение радиоволн в атмосфере и плазме. Разрабо-тал теорию магнитотормозного космического радиоизлучения и теорию происхождения космических лучей. Исследовал проблемы квазаров, пульсаров, нейтронных звезд, гравита-ционного коллапса и др.


103

ГУК Р. (1635 – 1703) – английский физик. Научные работы относятся к теплоте, упругости, оптике, небесной механике. Усовершенствовал микроскоп, что позволило ему открыть клеточное строение организмов. Положил начало физической оптике, придерживался волновой теории света, выдвинул ги-потезу о поперечном строении световых волн. Открыл закон упругости для твердых тел (закон Гука). Независимо от И.Ньютона пришел к выводу, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. ГЮЙГЕНС Х. (1629 – 1695) – голландский физик, механик, математик и астроном. Сконструировал первые маятниковые часы, разработал их теорию, решил задачу об определении центра колебания физического маятника и его периода коле-баний. Установил законы, определяющие центростремитель-ную силу, исследовал столкновение упругих тел и вывел его законы. Разработал волновую теорию света, на основании которой объяснил ряд оптических явлений. Выдвинул прин-цип, объясняющий распространение света (принцип Гюйген-са). Открыл поляризацию света. Работал над усовершен-ствованием телескопов, открыл кольцо Сатурна и спутник Сатурна Титан. ДЕКАРТ Р. (1596 – 1650) – французский философ, физик, математик и физиолог. В математике первым ввел понятие переменной величины и функции, заложил основы аналити-ческой геометрии. Ввел метод ортогональных координат, по-нятие уравнения кривой. Разработал теорию алгебраических уравнений. Физические исследования относятся к механике, оптике и строению Вселенной. В «Диоптрике» изложил зако-ны распространения, отражения и преломления света. В фи-лософии был родоначальником рационализма, один из осно-воположников методологии. Создал общую картину мира ис-ходя из предположения, что все пространство сплошь запол-нено материей, находящейся в состоянии непрерывного дви-жения. Все процессы в природе сводил к пространственному перемещению. Считал, что все физиологические процессы сводятся к механическому движению, поэтому живой орга-низм можно представить в виде машины. ДЖИНС Д.Х. (1877 – 1946) – английский физик и астрофи-зик. В области физики работы Джинса посвящены кинетиче-


104

ской теории газов, теории теплового излучения, квантовой теории, теории электричества и магнетизма, теоретической механике, теории относительности. Астрофизические иссле-дования Джинса относились к фигурам равновесия вращаю-щихся жидких тел, строению и эволюции звезд их систем, происхождению Солнечной системы. ДОППЛЕР Х. (1803 – 1853) – австрийский физик и мате-матик. Научные работы в области оптики и акустики, теории микроскопа, теории цветов. Теоретически обосновал зависи-мость частоты звуковых и световых колебаний, воспринима-емой наблюдателем, от скорости движения наблюдателя и источника колебаний (эффект Допплера). ДУГЛАС А.Э. (1867 – 1962) – американский астроном и археолог, основатель дендрохронологии – раздела дендро-логии (науки о древесной растительности), изучающего исто-рию климата по годичным кольцам деревьев. ЕВКЛИД (ок. 340 – ок. 287 до н.э.) – древнегреческий уче-ный. Является автором первого дошедшего до нас трактата по математике («Начала»), в котором изложены планимет-рия, стереометрия и ряд вопросов теории чисел. Является создателем геометрической системы (евклидовой геомет-рии), на которой основывается вся классическая физика. В трактатах «Оптика» и «Катоптика» изложены его оптические исследования. Сформулировал закон прямолинейного рас-пространения света и закон отражения света. В своих трудах рассматривал образование тени, получение изображения с помощью малых отверстий, отражение от плоских и сфери-ческих зеркал. ЙОРДАН П. (1902 – 1980) – немецкий физик и математик, один из создателей матричной версии квантовой механики. Занимался проблемами теории поля, космологии и метеоро-логии. КАНТ И. (1724 – 1804) – немецкий ученый и философ, ро-доначальник немецкой классической философии. Разработал космогоническую гипотезу об образовании Солнечной систе-мы из облака диффузного вещества. Высказал догадку о су-ществовании многих галактик. КАССИНИ Д.Д. (1625 – 1712) – астроном, итальянец по происхождению. Открыл вращение Юпитера и Марса, 4 спут-


105

ника Сатурна и деление кольца Сатурна на внутреннее и внешнее тёмным промежутком (деление Кассини). Исследо-вал оптическую либрацию Луны. КЕПЛЕР И. (1571 – 1630) – немецкий астроном, один из творцов небесной механики. Открыл законы движения планет – законы Кеплера. Был активным сторонником учения Копер-ника, своими работами способствовал его утверждению и развитию. Считал, что Солнце – одна из многочисленных звезд, причем другие звезды также окружены планетами. Разработал таблицы, по которым можно было с высокой точ-ностью вычислить положение планет для любого момента времени. В оптике создал теорию геометрического построе-ния изображения. Известен и как конструктор телескопа. КЛАУЗИУС Р.Ю.Э. (1822 – 1888) – немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и кинетической теории газов. Сформулировал второе начало термодинами-ки, ввел понятие энтропии, установил закон изменения эн-тропии в замкнутой системе. Высказал ошибочную гипотезу о тепловой смерти Вселенной. Ввел понятие идеального газа, длины свободного пробега молекулы, теоретически вычислил величину давления газа на стенки сосуда. Теоретически обосновал закон Джоуля-Ленца, развил термодинамическую теорию термоэлектричества, ввел представление об элек-тролитической диссоциации, разработал теорию поляризации диэлектриков. КОЙПЕР Д.П. (1905 – 1973) – американский астроном. Ис-следовал двойные и кратные звездные системы. Построил диаграмму «спектр – светимость» для галактических звезд-ных скоплений. Исследуя спектры планет, обнаружил диоксид углерода на Марсе, определил содержание водяных паров и изотопный состав диоксида углерода в атмосфере Венеры. Открыл атмосферу на спутнике Сатурна Титане, содержащую метан. Открыл спутник Урана Миранду и спутник Нептуна Нереиду. Руководил американской программой фотографи-рования Луны с космических аппаратов. КЮВЬЕ Ж. (1769 – 1832) – французский зоолог. Научные работы относятся к сравнительной анатомии, палеонтологии и систематике животных. Разработал понятие о типах в зоо-логии (одновременно с К.Бэром). Заложил основы сравни-


106

тельной анатомии и палеонтологии, смог реконструировать целые ископаемые организмы по найденным при раскопках частям, используя принцип «корреляции органов». Выдвинул «теорию катастроф», объясняющую периодическими стихий-ными бедствиями смену фаун в различные периоды истории Земли. ЛАНДАУ Л.Д. (1908 – 1968) – советский физик-теоретик, академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии (1962 г.), Герой Социалистического Труда. Научные работы посвящены многим разделам теоретической физики, внес значительный вклад в квантовую механику, физику твердого тела, теорию фазовых переходов второго рода, теорию Ферми-жидкости и сверхтекучей жидкости, теорию космических лучей, гидроди-намику и физическую кинетику, квантовую теорию поля, фи-зику элементарных частиц и физику плазмы. Предложил за-кон сохранения комбинированной четности в слабых взаимо-действиях (независимо от А.Салама, Т.Ли и Ч.Янга). Выдви-нул теорию двухкомпонентного нейтрино. Разработал кас-кадную теорию электронных ливней в космических лучах (совместно с Ю.Б.Румером). Предсказал существование нейтронных звезд. Создал теорию фазовых переходов второ-го рода, построил феноменологическую теорию сверхпрово-димости, ставшую основой теории свехпроводников II рода (теория Гинзбурга – Ландау – Абрикосова – Горькова). Со-здал теорию сверхтекучести гелия II, развил теорию кванто-вых жидкостей. Разработал теорию электронного диамагне-тизма (диамагнетизм Ландау). Совместно с Е.М.Лифшицем создал многотомный «Курс теоретической физики». Создал большую научную школу. ЛАПЛАС П.С. (1749 – 1827) – французский астроном, фи-зик и математик. В астрономии объяснил движение тел сол-нечной системы на основе закона всемирного тяготения, раз-работал теорию возмущения небесных тел, предложил новый способ вычисления их орбит, доказал устойчивость солнеч-ной системы в течение очень длительного времени, предло-жил гипотезу о происхождении солнечной системы. Физиче-ские исследования относятся к молекулярной физике, тепло-те, акустике, электричеству и оптике. Один из авторов закона Био-Савара-Лапласа в электродинамике. Автор концепции


107

детерминизма – необходимого характера протекания любых процессов в мире. В математике внес вклад в развитие тео-рии вероятностей, алгебры, дифференциальных уравнений. Развил теорию ошибок и метод наименьших квадратов. ЛЕВЕРЬЕ У. (1811 – 1877) – французский астроном, неза-висимо от Д.Адамса вычислил положение неизвестной ранее планеты, названной впоследствии Нептуном. ЛЕМЕТР Ж. (1894 – 1966) – бельгийский аббат и астро-ном, Президент Папской Академии наук (1960 – 1966). Ос-новные научные работы относятся к космологии. Является автором теории расширяющейся Вселенной. Ввел понятие начала Вселенной как сингулярности («атома-отца»). Радиус кривизны пространства в его модели изменяется со време-нем. Теоретически обосновал закон Хаббла. Впервые выска-зал предположение об очень высокой температуре материи на первых этапах расширения Вселенной. Рассмотрел разви-тие возмущений в космологических моделях в связи с про-блемами образования скоплений галактик. Другие работы по-священы теории образования звезд, гравитационному кол-лапсу, космическим лучам. ЛИНДЕ А. (род. в 1948 г.) – американский физик россий-ского происхождения, профессор физики Стэнфордского уни-верситета. Автор работ в области физики элементарных ча-стиц, космологии; один из авторов теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. ЛОБАЧЕВСКИЙ Н.И. (1792 – 1856) – русский математик. Важнейшим достижением Лобачевского было создание не-евклидовой геометрии. Ему принадлежат также работы по теории сходимости бесконечных рядов и по алгебре, он предложил прием вычисления корней алгебраического урав-нения. Видный деятель университетского образования и народного просвещения, ректор Казанского университета (1827 – 1846). ЛОВЕЛЛ П. (1855 – 1916) – американский астроном. За-нимался исследованием Марса, пришел к выводу о наличии на планете разумной жизни. В 1915 г., проанализировав воз-мущения движения Урана, рассчитал положение планеты, находящейся за Нептуном, открытую в 1930 г. К.Томбо и названную Плутоном.


108

ЛОМОНОСОВ М.В. (1711 – 1765) – русский ученый-энциклопедист и мыслитель, основатель естествознания в России. Научные работы посвящены физике, химии, астро-номии, минералогии, горному делу, металлургии и др. Выска-зал ряд новых положений и гипотез, сделал ряд открытий, опередивших его время. Экспериментально доказал закон сохранения массы вещества. Разработал точные методы взвешивания и способствовал внедрению физических мето-дов в химию. Близко подошел к идее молекулярного строения вещества и кинетической природе теплоты. Был сторонником волновой теории света, разработал теорию цветов. Скон-струировал ряд оптических приборов, в т.ч. телескоп-рефлектор, с помощью которого открыл атмосферу на Вене-ре. Проводил исследования в области атмосферного элек-тричества. Написал ряд поэтических произведений. В 1755 г. по инициативе и по проекту М.В.Ломоносова был открыт Мос-ковский университет. МИЧЕЛЛ Д. (1724 – 1793) – английский геолог, астроном и теософ. Исследовал двойные звезды, предсказал существо-вание «темных звезд», масса которых столь велика, что свет не может преодолеть их притяжения («черные дыры»). Ука-зал, что обнаружить их можно только в составе двойной звездной системы. Объяснил причину землетрясения 1755 г. – ударные волны, возникшие в результате подвижки геотек-тонических плит на дне Атлантического океана. МОХОРОВИЧИЧ А. (1857 – 1936) – югославский геофизик и сейсмолог. Установил существование поверхности раздела между земной корой и мантией Земли (поверхность Мохоро-вичича). Разработал методику регистрации землетрясений и предложил конструкцию ряда геофизических приборов. НЬЮТОН И. (1643 – 1727) – великий английский ученый, заложивший основы современного естествознания, созда-тель классической физики. Научные работы относятся к ме-ханике, оптике, астрономии и математике. Сформулировал основные законы классической механики, открыл закон все-мирного тяготения, дисперсию света, развил корпускулярную теорию света, разработал (независимо от Г.Лейбница) диф-ференциальное и интегральное исчисление. Установил закон сопротивления и закон внутреннего трения в жидкостях и га-


109

зах. Создал физическую картину мира, которая длительное время господствовала в науке (ньютоновская теория про-странства и времени). Ньютоновская теория дальнодействия и его схема мира господствовали до конца XIX века. Иссле-довал интерференцию и дифракцию света, открыл кольца Ньютона. Сконструировал зеркальный отражательный теле-скоп. Главные труды: «Математические начала натуральной философии» (1687), «Оптика» (1704). ПЕНЗИАС А.А. (род. в 1933 г.) – американский радиофи-зик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии 1978 г. (сов-местно с Р.Уилсоном) за открытие микроволнового фонового (реликтового) излучения и установление его физических па-раметров (спектра, температуры, изотропности и т.д.), что явилось экспериментальным подтверждением модели «горя-чей Вселенной». Выполнил ряд работ по радиоастрономии, спутниковой радиосвязи, физике атмосферы. Исследовал структуру межзвездных облаков молекулярного водорода, различие изотопного состава молекул в межзвездном про-странстве и на Земле. РЕССЕЛ Г.Н. (1877 – 1957) – американский астроном. За- нимался исследованием связи между спектрами звезд и их светимостью. Независимо от датского астронома Э.Герцшпрунга построил диаграмму, связывающую эти ха-рактеристики (диаграмма Герцшпрунга – Рессела). Сформу-лировал концепцию звездной эволюции, согласно которой основным источником энергии звезды является ее гравита-ционное сжатие, позже предположил существование у звезд других источников энергии. Создал общую теорию затменных переменных звезд. Первым определил содержание химиче-ских элементов в атмосфере Солнца. РИМАН Г.Ф.Б. (1826 – 1866) – немецкий математик. Ис-следования относятся к теории функций, геометрии, матема-тической и теоретической физике, теории дифференциаль-ных уравнений. Является создателем геометрического направления теории аналитических функций, им введены так называемые римановы поверхности, важные при исследова-нии многозначных функций. Разработал теорию конформных отображений. Создал риманову геометрию, которая является многомерным обобщением геометрии поверхности и пред-


110

ставляет собой теорию римановых пространств, где в малых областях приближенно имеет место евклидова геометрия. Развил идею о математическом пространстве, включив в него функциональные и топологические пространства. Ввел поня-тие обобщенных римановых пространств, частными случаями которых являются пространства геометрий Евклида, Лоба-чевского и Римана. Ввел понятие римановой кривизны; рас-ширил применение мнимых величин, введя их в теорию трансцендентных функций. Развил теорию абелевых инте-гралов. РУБАКОВ В.А. (род. в 1955 г.) – академик РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор, известный физик-теоретик в об-ласти квантовой теории поля, физики элементарных частиц, космологии. СИТТЕР В. де (1872 – 1934) – нидерландский астроном. Работы посвящены позиционной астрономии, фотометрии звезд и космологии. Разработал теорию движения спутников Юпитера, учитывающую возмущающие факторы разной при-роды. Занимался согласованием различных астрономических и геодезических постоянных. Изучал неравномерность дви-жения Земли, объяснил замедление ее вращения приливным трением. Создал одну из первых релятивистских космологи-ческих теорий нестационарной Вселенной. СОЛПИТЕР Э.Э. (род. в 1924 г.) – американский физик-теоретик и астрофизик. Научные работы посвящены ядерной физике, квантовой электродинамике, квантовой теории ато-мов, релятивистской астрофизике. Изучал эволюцию и источ-ники энергии звезд, предложил тройной альфа-процесс как источник термоядерной энергии в звездах с температурой выше 100-200 млн градусов. ТОМБО К.У. (1906 – 1997) – американский астроном. В 1930 г. открыл планету Плутон, существование которой было предсказано П.Ловеллом. Открыл шесть звездных скоплений, две новые кометы, 775 астероидов и много переменных звезд. Исследовал пространственное распределение галак-тик, обнаружив при этом несколько десятков скоплений га-лактик и одно сверхскопление. Исследовал вращение Мерку-рия и эволюцию Большого Красного Пятна на Юпитере.


111

УИЛЕР Д.А. (1911 – 2008) – американский физик-теоретик. Совместно с Н.Бором разработал теорию деления атомного ядра, математически обосновал возможность цепной реакции деления урана, развил методы управления ядерным реакто-ром. Выдвинул идею универсальности взаимодействия Фер-ми, развил коллективную модель ядра (совместно с Д.Хилом). Один из создателей геометродинамики, изучающей структуру пространства-времени малых масштабов. Широко известны его исследования, посвященные квантованию гра-витационного поля, структуре материи высокой плотности, гравитационному коллапсу, теории нейтронных звезд. Ввел в употребление термин «черная дыра». ФАЛЕС МИЛЕТСКИЙ (625 – 547 до н.э.) – древнегрече-ский философ, родоначальник античной и европейской фи-лософии и науки; основатель греческой астрономии и гео-метрии, осуществил первые доказательства ряда геометри-ческих утверждений, предсказал солнечное затмение. Счи-тал, что начало всего сущего – вода. ФРИДМАН А.А. (1888 – 1925) – российский физик и ма-тематик. Основные научные работы в области гидромехани-ки, теории тяготения, теоретической геофизики. Заложил ос-новы теоретической метеорологии. Нашел нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна, доказав возможность существования нестационарной (расширяю-щейся) Вселенной. ХАББЛ Э.П. (1889 – 1953) – американский астроном, ос-нователь внегалактической астрономии. Доказал звездное строение Туманности Андромеды и некоторых других туман-ностей, оценил расстояние до некоторых из них. Составил первую подробную классификацию галактик по их формам и другим особенностям. В 1929 г. Хаббл обнаружил, что между скоростями движения галактик и расстоянием до них суще-ствует линейная зависимость (закон Хаббла), определил численное значение коэффициента этой зависимости (посто-янная Хаббла). Это открытие стало наблюдательной базой теории расширяющейся Вселенной. ХОЙЛ Ф. (1915 – 2001) – английский астрофизик. Зани-мался количественным изучением аккреции межзвездного вещества, чтобы объяснить некоторые этапы эволюции


112

звезд. Исследовал процесс нуклеосинтеза на самых ранних этапах эволюции Солнечной системы, построил модель об-разования Солнца и планет из холодного межзвездного ве-щества. Разработал (совместно с Фаулером) модель вспыш-ки сверхновой. Ими были рассмотрены физические процессы, протекающие в массивных звездах (больше 10 масс Солнца) на поздних стадиях их эволюции: нейтринное излучение, быстрое сжатие центральной области звезды, взрыв оболоч-ки и мантии. Исследовал процессы образования галактик и их скоплений на основе гравитационной неустойчивости диф-фузной материи. В сотрудничестве с астрономом Т.Голдом и математиком Х.Бонди выдвинул идею стационарной Вселен-ной, обосновав ее в рамках общей теории относительности. Согласно этой модели, расширение Вселенной сопровожда-ется непрерывным образованием нового вещества, так что плотность его остается постоянной. Известен как автор науч-но-фантастических романов. ХОКИНГ С.У. (род. в 1942 г.) – английский физик-теоретик и астроном. Научные работы посвящены общей теории поля и космологии – теории возникновения и развития Вселенной. Доказал несколько основных теорем о сингулярности в кос-мологии, предложил новый механизм образования черных дыр. Установил, что черные дыры могут испаряться вслед-ствие квантовых эффектов и рождения пар частиц и антича-стиц. Считается одним из выдающихся ученых современно-сти. Поражен тяжелой болезнью и может общаться с людьми лишь с помощью компьютерного синтезатора речи. ХОЛЛ А. (1829 – 1907) – американский астроном. Работы относятся к наблюдательной астрономии. Определил период вращения Сатурна, обнаружил спутники Марса. Наблюдал двойные звезды. Занимался разработкой теории движения планет и их спутников. ЦВИККИ Ф. (1898 – 1974) – швейцарский астроном и фи-зик. Основные научные работы относятся к внегалактической астрономии и физике сверхновых. Открыл и описал десятки тысяч галактик и скоплений галактик. Сделал вывод о суще-ствовании межгалактического поглощающего вещества об-лачной структуры и общего межгалактического поля темной материи. Совместно с В.Бааде высказал предположение, что


113

в результате взрывов сверхновых образуются нейтронные звезды. Цвикки принадлежат 50 патентов в области ракетной техники, он изобрел ряд реактивных и гидротурбореактивных двигателей. ЧАНДРАСЕКАР С. (1910 – 1995) – американский физик-теоретик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии по фи-зике (1983 г.). Научные работы относятся к астрофизике и магнитогидродинамике: изучению структуры, эволюции и ди-намике звезд, исследованию их атмосфер, гидродинамиче-ской и гидромагнитной устойчивости, расчетам моделей звезд, происхождению космических лучей, физики космоса. Разработал теорию внутреннего строения белых карликов, определил верхний предел их массы (предел Чандрасекара). ЧИЖЕВСКИЙ А.Л. (1897 – 1964) – российский мыслитель, биофизик, один из основоположников космической биологии и медицины, гелиобиологии, аэроионологии и ее практиче-ского применения. Основные научные работы посвящены изучению аэроионизации, влиянию солнечных лучей на жизнь на Земле, исследованию физических свойств крови. Впервые высказал предположение о влиянии Солнца на динамику биологических систем на Земле, установил зависимость жиз-ни общества от периодичности астрофизических и космиче-ских факторов. Установил факт биологического действия аэроионов на организм. Исследовал возможность примене-ния искусственной аэроионизации в медицине и сельском хо-зяйстве. Автор концепции о влиянии периодических процес-сов на Солнце на возникновение эпидемий на Земле. Отста-ивал гипотезу о космическом происхождении жизни на Земле. С 1942 г. по 1958 г. находился в заключении и ссылке. ШВАРЦШИЛЬД К. (1873 – 1916) – немецкий астроном, один из основоположников теоретической астрофизики. Вы-полнил пионерские исследования по теории звездных атмо-сфер, теории внутреннего строения звезд. Занимался вопро-сами практической астрофизики, звездной динамики, теории относительности. Сформулировал общие интегральные уравнения звездной статистики, дал полное общее решение этих уравнений. Создал математическую теорию лучистого равновесия звездной атмосферы и разработал модель стро-ения звездной атмосферы. Развил теорию атомных спектров,


114

дал полную теорию эффекта Штарка. Впервые получил точ-ное решение уравнений общей теории относительности, предсказал явление гравитационного коллапса, получил вы-ражение для гравитационного радиуса (радиуса Шварцшиль-да) звезды, при котором свет не может покинуть ее поверх-ность. ШМИДТ О.Ю. (1891 – 1956) – российский ученый в обла-сти математики, астрономии, географии и геофизики, иссле-дователь Арктики. Основное направление математических исследований – абстрактная теория групп. Развил примене-ние теории групп к топологии, теоретической и квантовой фи-зике. Предложил космогоническую гипотезу о происхождении планет Солнечной системы. Многое сделал для исследова-ния Арктики. Руководил экспедициями на ледоколах «Челюс-кин», «Седов», «Сибиряков». Возглавлял экспедицию по ор-ганизации дрейфующей станции «Северный полюс» и первую группу советских полярников, достигших Северного полюса. ЭДДИНГТОН А.С. (1882 – 1944) – английский астрофизик и физик. Научные работы посвящены изучению движения звезд и их внутренней структуры, теории относительности, гравитации и квантовой теории. Рассчитал модели звезд, находящихся в состоянии лучистого равновесия, определил время «жизни» Солнца, исследовал природу белых карликов. Экспериментально обнаружил предсказанное А.Эйнштейном в общей теории относительности отклонение света звезды в поле тяготения Солнца. Выдвинул идею объяснения энергии звезд термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода. Открыл зависимость между массой и светимостью звезд, теоретически определил постоянную тонкой структуры. ЭДЖВОРТ К.Э. (1880 – 1972) – ирландский астроном, эко-номист и инженер. В 1940-х годах (за 10 лет до Дж.Койпера) высказал предположение о существовании скопления ледя-ных тел за орбитой Нептуна. Этот пояс ныне известен как по-яс Эджворта-Койпера. ЭЙНШТЕЙН А. (1879 – 1955) – выдающийся физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1922 г.), один из со-здателей современной физики. С 1933 г. работал в США в Принстонском институте перспективных исследований. Со-здатель специальной и общей теории относительности. От-


115

крыл закон взаимосвязи массы и энергии, лежащий в основе ядерной физики. Ввел представление о дискретной, кванто-вой структуре светового излучения, рассматривая его как по-ток фотонов. Исходя из квантовой теории света, объяснил та-кие явления, как фотоэффект, правило Стокса для флюорес-ценции. Предсказал явление индуцированного излучения, вывел формулу для распределения энергии в спектре равно-весного излучения. В статистической физике развил молеку-лярно-статистическую теорию броуновского движения, со-здал квантовую статистику частиц с целым спином (статисти-ка Бозе – Эйнштейна). Предсказал и совместно с В. де Газом экспериментально обнаружил эффект изменения механиче-ского момента при намагничивании тела (эффект Эйнштейна – де Гааза). В рамках общей теории относительности вывел систему основных уравнений, описывающих поле тяготения, предсказал эффекты, подтверждающие его теорию (искрив-ление светового луча в поле тяготения Солнца, смещение перигелия Меркурия, гравитационное красное смещение). Исходя из общей теории относительности, предложил новую стационарную модель Вселенной, однако эта модель не со-ответствует действительности. С 1933 г. работы Эйнштейна посвящены разработке единой теории поля, однако попытки построить такую теорию окончились неудачей. ЭРАТОСФЕН КИРЕНСКИЙ (около 276 – 194 до н.э.) – древнегреческий ученый. Работал во многих областях древ-ней науки. В области математики предложил способ нахож-дения простых чисел (Эратосфеново решето). Впервые определил радиус земного шара. Составил первую карту ми-ра, положив начало новой науке – географии. Занимался также хронологией, филологией, астрономией, философией и музыкой.


116

ТЕЗАУРУС Микро-, макро-, мегамиры

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир. Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (мак-ромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир). Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы. Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики. Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономиче-ская единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния). Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут про-исходить реакции термоядерного синтеза. Атрибуты планеты: - не звезда; - обращается вокруг звезды (например, Солнца); - достаточно массивна, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным телом;

- достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел.

Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных вза-имным тяготением и общим происхождением. Наша Галактика – Млечный Путь, её основные характеристи-ки: - гигантская (более 100 млрд. звёзд); - спиральная; - диаметр около 100 тыс. световых лет. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет. Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями.

Космология (мегамир) Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении и эво-люции. Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная. Геоцентрическая система мира Птолемея. Гелиоцентрическая система мира Коперника.


117

Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, одно-родная и неизменная Вселенная. Общая теория относительности как теоретическая основа со-временной научной космологии. Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества. Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестацио-нарна. Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах. Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселен-ной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдате-ля (разбегание галактик). Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональ-на расстоянию до них. Постоянная Хаббла. Возраст Вселенной — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12–15 млрд. лет). Понятие о космологической сингулярности. Три фридмановских модели эволюции Вселенной, критерий выбора между ними: средняя плотность материи во Вселен-ной. Современная оценка средней плотности материи во Вселен-ной–с высокой точностью равна критическому значению. Вклад основных видов материи в её среднюю плотность во Вселенной: - обычное вещество (в основном, звёзды в галактиках) — ме-нее 5%;

- «тёмное вещество» (взаимодействует с обычным веще-ством только гравитационно, распределено в пространстве неоднородно) – около 25%;

- «тёмная энергия» (строго однородна, создаёт всемирное от-талкивание) — более 70%.

Общая космогония (структуры мегамира) Космогония — наука о происхождении и развитии космиче-ских тел и их систем.


118

Основной космогонический сценарий: гравитационная кон-денсация рассеянного вещества.

Основные методы звёздной космогонии: - построение теоретических моделей строения и эволюции звёзд;

- наблюдение большого числа звёзд, находящихся на разных стадиях эволюции.

Процессы, обеспечивающие свечение звёзд: гравитационное сжатие, термоядерный синтез, охлаждение горячих недр. Основные характеристики звёзд: спектр излучения, темпера-тура поверхности, светимость, размер, масса. Диаграмма Герцшпрунга—Рессела, основные области на ней: - главная последовательность; - гиганты и сверхгиганты; - белые карлики. Основные этапы эволюции звезды: - гравитационное сжатие (протозвезда); - термоядерное «горение» водорода (звезда главной после-довательности);

- потеря устойчивости после исчерпания запасов водорода в центре звезды (раздувание и сбрасывание внешних слоёв, гравитационный коллапс, вспышка Сверхновой).

Конечные стадии эволюции звёзд: белые карлики, нейтрон-ные звёзды, чёрные дыры. Солнце – нормальная звезда главной последовательности, его возраст. Солнечное излучение, солнечный ветер. Происхождение химических элементов.

Происхождение Солнечной системы Состав Солнечной системы: планеты, карликовые планеты, астероиды, кометы, метеороиды. Основные особенности устройства Солнечной системы: - подавляющая часть массы Солнечной системы сосредото-чена в Солнце, а не в планетах;

- подавляющая часть количества вращательного движения (момента импульса) Солнечной системы принадлежит пла-нетам, а не Солнцу;


119

- орбиты всех планет лежат практически в одной плоскости (плоскости эклиптики), совпадающей с плоскостью солнечно-го экватора;

- все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направле-нии («прямом»);

- большинство планет вращается вокруг своих осей в том же направлении («прямом»);

- ближайшие к Солнцу планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) — сравнительно небольшие, камени-стые;

- более удалённые планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) — большие, содержащие много лёгких летучих ве-ществ.

Гипотеза Канта – Лапласа о происхождении Солнечной си-стемы (гравитационное сжатие вращающейся туманности), объясняемые ею особенности устройства Солнечной систе-мы. Современные представления о формировании Солнечной системы как сложном комплексе разнообразных процессов.

Геологическая эволюция Земля как планета, ее отличия от других планет земной груп-пы. Химический состав Земли. Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете. Внутреннее строение Земли (ядро внутреннее и внешнее, мантия, земная кора), методы исследования (сейсморазвед-ка). Формирование прото-Земли из планетезималей, её гравита-ционное сжатие, разогрев и начало дифференциации. Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы. Возраст Земли, методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов). Возникновение океанов и атмосферы. Атмосфера Земли, ее структура (тропосфера, стратосфера, ионосфера) и химический состав. Циркуляция атмосферы и климат Земли. Гидросфера.


120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ 1. Адушкин, В.В. Происхождение и эволюция Земли: совре-менный взгляд / В.В.Адушкин, А.В.Витязев // Вестник РАН. – 2007. – Т. 77. ─ № 5. – С. 396─401. 2*. Аистов, И.А. Концепции современного естествознания / И.А.Аистов, П.А.Голиков, В.В.Зайцев. – СПб.: Питер, 2005. – 208 с. – (Серия «Краткий курс»). 3. Архангельская, И.В. Космология и физический вакуум / И.В.Архангельская, И.Л.Розенталь, А.В.Чернин. – М.: КомКни-га, 2006. – 216 с. 4. Астрономия: век ХХI / ред.-сост. В.Г.Сурдин. – Фрязино: «Век 2», 2007. – 608 с. 5. Астрономия и современная картина мира / отв. ред. В.В.Казютинский. – М.: ИФ РАН, 1996. – 247 с. 6. Бааде, В. Эволюция звезд и галактик / В.Бааде. – М.: Еди-ториал УРСС, 2002. – 304 с. 7. Барцело, К. Черные звезды, а не дыры / К.Барцело, М.Вис-сер, С.Либерти, С.Сонего // В мире науки. – 2009. – № 12. – С. 18-25. 8*. Белкин, П.Н. Концепции современного естествознания: учеб. пособие / Белкин П.Н. – М.: Высш. шк., 2004. – 335 с. 9*. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы/ С.Вайнберг. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 256 с. 10. Вибе, Д. Откуда астрономы это знают? / Д.Вибе [Элек-тронный ресурс]. – Режим доступа: http://elementy.ru./lib/430399. 11. Велихов, Е.П. Изменения магнитного поля Земли: воз-можные причины и следствия / Е.П.Велихов // Экология и жизнь. – 2007. – № 4. – С. 40-42. 12*. Вонсовский, С.В. Современная естественно-научная кар-тина мира / С.В.Вонсовский. – Москва – Ижевск: НИЦ «Регу-лярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных ис-следований, 2006. – 680 с. 13*. Воронов, В.К. Основы современного естествознания / В.К.Воронов, М.В.Гречнева, Р.З.Сагдеев. – М.: Высш. школа, 1999. – 247 с.


http://elementy.ru./lib/430399

121

14*. Горбачев, В.В. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студентов вузов / В.В.Горбачев. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»; ООО «Издательство «Мир и образование», 2003. – 592 с. 15. Глинер, Э.Б. Раздувающаяся Вселенная и вакуумоподоб-ное состояние физической среды / Э.Б.Глинер // Успехи фи-зических наук. – 2002. – Т. 172. – № 2. – С. 222-228. 16. Гребнев, С. Взгляд на Галактику сквозь толщу пыли и газа / С.Гребнев, Р.Кривоос, А.Лутовинов, М.Ревнивцев. Р.Сюняев, Е.Чуразов // В мире науки. – 2006. ─ № 8. – С. 34─41. 17. Грин, Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории / Б.Грин. – М.: Едиториал УРСС, 2005. – 288 с. 18*. Грушевицкая, Т.Г. Концепции современного естествозна-ния: учеб. пособие для вузов / Т.Г.Грушевицкая, А.П.Са-дохин. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2003. – 670 с. 19. Гэтланд, К. Космическая техника: Иллюстрированная эн-циклопедия / К.Гэтланд. – М.: Мир, 1986. – 296 с. 20*. Данилова, В.С. Концепции современного естествознания / В.С.Данилова, Н.Н.Кожевников. – М.: Аспект Пресс, 2000. – 256 с. 21. Джиаккони, Р. У истоков рентгеновской астрономии / Р.Джиаккони // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174. – № 4. – С. 427-438. 22. Дирак, П. А. Собрание научных трудов. Т. IV. Гравитация и космология. Воспоминания и размышления (лекции, науч-ные статьи 1937 – 1984 гг.) / П.А.Дирак. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 784 с. – (Классики науки). 23*. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествозна-ния: учебник / Т.Я.Дубнищева; под ред. акад. РАН М.Ф.Жукова. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. – 832 с. 24. Дэвис мл., Р. Полвека с солнечным нейтрино / Р.Дэвис мл. // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174. – № 4. – С. 408-417. 25. Емельянов, В.М. Стандартная модель и ее расширения / В.М.Емельянов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 584 с.


122

26. Звезды / Ред.-сост. В.Г.Сурдин. – М.: Физматлит, 2009. – 428 с. – (Астрономия и астрофизика). 27. Зельдович, Я.Б. Строение и эволюция Вселенной / Я.Б.Зельдович, И.Д.Новиков. – М.: Изд-во «Наука». Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1975. – 736 с. 28. Зельдович, Я.Б. Возможно ли образование Вселенной «из ничего»? / Я.Б.Зельдович // Природа. – 1988. ─ № 2. 29*. Карпенков, С.Х. Концепции современного естествознания / С.Х.Карпенков. – М.: Академ. проект, 2003. – 638 с. 30*. Кожевников, Н.М. Концепции современного естествозна-ния: учеб. пособие / Н.М.Кожевников, Е.Г.Краснодембский, А.В.Ляпцев, В.Ф.Тульверт / под ред. Н.М.Кожевникова. – СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 1999. – 229 с. 31*. Кокин, А.В. Концепции современного естествознания / А.В.Кокин. – М.: Изд-во «Приор», 1998. – 208. 32*. Концепции современного естествознания: учебник / под общ. ред. проф. С.А.Лебедева. – М.: Академический Проект, 2007. – 414 с. 33. Конселис, К. Невидимая рука Вселенной / К.Конселис // В мире науки. – 2007. – № 6. – С. 23-29. 34*. Концепции современного естествознания / под ред. проф. С.И.Самыгина. – Ростов н/Д: «Феникс», 2001. – 576 с. 35. Кочаров, Г.Е. Термоядерный котел в недрах Солнца и проблема солнечных нейтрино / Г.Е.Кочаров // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 10. – С. 99─105. 36. Кошиба, М. Рождение нейтринной астрофизики / М.Кошиба // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174. – № 4. – С. 418-426. 37. Крейчи, В. Мир глазами современной физики / В.Крейчи. – М.: Мир, 1984. – 311 с. 38*. Кузнецов, В.М. Концепции мироздания в современной физике: учеб. пособие для вузов/ В.М.Кузнецов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 144 с. 39. Левин, А. Прекрасная Селена / А.Левин // Популярная ме-ханика. – 2008. ─ № 5. 40. Левин, А. Железная планета / А.Левин // Популярная ме-ханика. – 2008. ─ № 7. 41. Левин, А. Путешествие из центра Солнца / А.Левин // По-пулярная механика. – 2008. ─ № 8.


123

42. Левин, А. Планета оранжевых сумерек / А.Левин, Д. Ма-монтов // Популярная механика. – 2008. – № 11. 43. Лидсей, Д.Э. Рождение Вселенной/ Д.Э.Лидсей. – М.: Из-дательство «Весь мир», 2005. – 200 с. 44. Лин, Д. Происхождение планет / Д.Лин // В мире науки. – 2008. ─ № 8. – С. 22─31. 45. Линде, А.Д. Многоликая Вселенная / А.Д.Линде [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elementy.ru/ lib/430484. 46. Линде, А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология / А.Д.Линде. – М.: Наука, 1990. – 280 с. 47. Линде, А. Инфляция, квантовая космология и антропный принцип / А.Линде [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// www. astronet.ru/db/print/msg/-1181084/index.html. – (Лекция, прочитанная на конференции, посвященной 90-летию Дж.Уилера). 48. Линде, А.Д. Раздувающаяся Вселенная / А.Д.Линде // Успехи физических наук. – 1984. – Т. 144. Вып. 2. – С. 177-214. 49. Лукаш, В.Н. Темная энергия: мифы и реальность / В.Н.Лукаш, В.А.Рубаков // УФН. – 2008. – Т. 178. – № 3. – С. 301-308. 50. Лукаш, В.Н. Физическая космология / В.Н.Лукаш, Е.В.Михеева. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 404 с. 51. Мазер, Дж.К. От Большого взрыва до Нобелевской пре-мии / Дж.К.Мазер // УФН. – 2007. – Т. 177. – № 12. – С.1278-1293. 52. Малдасена, Х. Черные дыры и структура пространства-времени / Х.Малдасена [Электронный ресурс]. – Режим до-ступа: http://elementy.ru/lib/25531. 53. Минасян, Л.А. Единая теория поля: Философский анализ современных проблем физики элементарных частиц и космо-логии. Опыт синергетического осмысления/ Л.А.Минасян. – М.: КомКнига, 2005. – 176 с. 54*. Михайловский, В.Н. Концепции современного естество-знания / В.Н.Михайловский. – СПб.: СПбИВЭСЭП, 2004. ─ 287 с.


http://elementy.ru/

124

55. Краг, Х. Конструирование Вселенной: техника и космоло-гия / Х.Краг // Вопросы истории естествознания и техники. – 2008. – № 2. – С. 78-90. 56. Модель космоса: В 2 т. / Под ред. М.И.Панасюка, Л.С.Новикова. – Т. 1. Физические условия в космическом про-странстве. – М.: КДУ, 2007. – 872 с. 57. Молчанов, В.И. Проблемы мобилизма в свете планетар-ных движений / В.И.Молчанов, В.В.Параев // Поиск математи-ческих закономерностей Мироздания: физические идеи, под-ходы, концепции / Под ред. М.М.Лаврентьева, В.Н.Самой-лова. – Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2006. – С. 69─92. 58. Насимович, Ю.А. Звезды / Ю.А.Насимович [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/ 1222187/sect/01 ─ 38.html. 59. Новиков, И.Д. Инфляционная модель ранней Вселенной / И.Д.Новиков // Вестник РАН. – 2001. – Т. 71. – № 10. – С. 886-895. 60. Новиков, И.Д. Черные дыры во Вселенной / И.Д.Новиков, В.П.Фролов // Успехи физических наук. – Т. 171. – № 3. – С. 308-324. 61. Островский, В.Е. Обобщенная гипотеза происхождения простейших элементов живой материи, трансформации пер-вичной атмосферы и образования залежей гидратов метана / В.Е.Островский, Е.А.Кадышевич // Успехи физических наук. – Т. 177. ─ № 2. – С. 183 – 206. 62. Параев, В.В. Глобальные геологические циклы и ката-клизмы в фанерозойской истории Земли / В.В.Параев, В.И.Молчанов // Поиск математических закономерностей Ми-роздания: физические идеи, подходы и концепции: Избр. тру-ды IV Сибирской конф. по математическим проблемам физи-ки пространства-времени сложных систем (ФПВ-2002). Ново-сибирск, 28-31 июля 2002 г. Том 2. – Новосибирск: Ин-т мате-матики СО РАН, 2004. – С. 73 – 89. 63*. Попков, В.И. Концепции современного естествознания: учебник [Электронный ресурс] / В.И.Попков. – Брянск: БГТУ, 2008. – 552 с. 64. Попов, С.Б. Зоопарк нейтронных звезд / С.Б.Попов [Элек-тронный ресурс]. – Режим доступа: http:// elementy.ru/


http://www.astronet.ru/db/msg/%201222187/sect/01

http://www.astronet.ru/db/msg/%201222187/sect/01

125

lib/430655. – (Научно-популярная лекция в ФИАНе 31 января 2008 года). 65*. Потеев, М.И. Концепции современного естествознания / М.И.Потеев. – СПб.: Изд-во «Питер», 1999. – 352 с. 66. Прохоров, М.Е. Разрыв Вселенной / М.Е.Прохоров [Элек-тронный ресурс]. – Режим доступа: http://www/astronet.ru/ db/msg/1187653. 67. Пущаровский, Ю.М. Строение, энергетика и тектоника мантии Земли / Ю.М.Иущаровский // Вестник РАН. – 2005. – Т. 75. – № 12. – С. 1115-1122. 68*. Рау, В.Г. Общее естествознание и его концепции: учеб. пособие / В.Г.Рау. – М.: Высш. шк., 2003. – 192 с. 69. Резанов, И.А. Этапы эволюции Земли / И.А.Резанов // Вестник РАН. – 2006. – Т. 76. ─ № 10. – С. 918─926. 70. Риордан, М. Первые микросекунды / М.Риордан, У.Зэйц // В мире науки. – 2006. ─ № 8. – С. 19─25. 71. Розенталь, И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная / И.Л.Розенталь, И.В.Архангельская. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 200 с. 72. Романов, В.П. Концепции современного естествознания. Курс лекций / В.П.Романов. – М.: МИЭТ, 2004. – 272 с. 73. Рубаков, В.А. Темная материя и темная энергия во Все-ленной: презентация лекции / В.А.Рубаков [Электронный ре-сурс]. – Режим доступа: http://elementy/ru/lib/25560/25567. 74. Рубаков, В.А. Физика частиц и космология: состояние и надежды / В.А.Рубаков // УФН. – 1999. – Т. 169. № 12. – С. 1299-1309. 75. Рубин, С.Г. Устройство нашей Вселенной / С.Г.Рубин. – Фрязино: Век 2, 2006. – 312 с. – (Наука для всех). 76. Рябов, В.А. Поиски частиц темной материи / В.А.Рябов, В.А.Царев, А.М.Цховребов // УФН. – 2008. – Т. 178. – № 11. – С. 1129-1164. 77*. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: учебник / А.П.Садохин. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 447 с. 78. Сажин, М.В. Анизотропия и поляризация реликтового из-лучения. Последние данные / М.В.Сажин // Успехи физиче-ских наук. – 2004. – Т. 174. – № 2. – С. 197-205. 79. Сажин, М.В. Современная космология в популярном из-ложении / М.В.Сажин. – М.: Едиториал УРСС, 2002. – 240 с.


http://www/astronet.ru/

http://elementy/ru/lib/25560/25567

126

80. Серебров, А.П. Фундаментальные исследования с уль-трахолодными нейтронами / А.П.Серебров // Вестник РАН. – 2009. – Т. 79. – № 1. – С. 23-35. 81. Смут III, Дж. Ф. Анизотропия реликтового излучения: от-крытие и научное значение / Дж.Ф.Смут III // УФН. – 2007. – Т. 177. – № 12. – С. 1294-1317. 82. Сорохтин, О.Г. Бактериальная природа оледенений Зем-ли / О.Г.Сорохтин // Вестник РАН. – 2005. – Т. 75. ─ № 12. – С. 1107─1114. 83*. Суханов, А.Д. Концепции современного естествознания: учебник / А.Д.Суханов, О.Н.Голубева. – М.: «Агар», 2000. – 452 с. 84. Торн, К.С. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна / К.С.Торн. – М.: Изд-во физ.-мат. лите-ратуры, 2007. – 616 с. 85. Трубицын, В.П. Тектоника плавающих континентов / В.П.Трубицын // Вестник РАН. – 2005. – Т. 75. - № 1. – С. 10-21. 86. Трухин, В.И. Геомагнитное поле и эволюция Земли / В.И.Трухин, Н.С.Безаева , Экология и жизнь. – 2007. ─ №1. – С. 38─43. 87. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. – М.: «Сов. Энциклопедия», 1976. – 655 с. 88. Физический энциклопедический словарь. – М.: Сов. эн-циклопедия,1983. – 928 с. 89. Хаин, В.Е. Взаимодействие атмосферы, биосферы и ли-тосферы – важнейший процесс в развитии Земли / В.Е.Хаин // Вестник РАН. – 2007. – Т. 77. – № 9. – С. 794-797. 90. Хокинг, С. От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени / С.Хокинг. – М.: Мир, 1990. – 168 с. 91. Хокинг, С. Природа пространства и времени / С.Хокинг, Р.Пенроуз. – СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2007. – 171 с. 92. Храмов, Ю.А. Физики: Биографический справочник / Ю.А.Храмов. – Киев: Наукова думка, 1977. – 510 с. 93. Чарап, Д.М. Объяснение Вселенной. Новая эра физики / Д.М.Чарап. – М.: Техносфера, 2007. – 192 с. 94. Чернин, А.Д. Физический вакуум и космическая анти-гравитация / А.Д.Чернин [Электронный ресурс]. – Режим до-ступа: http://www.astronet.ru/db/msg/-1174484.


http://www.astronet.ru/db/msg/-1174484

127

95. Чернин, А.Д. Космический вакуум / А.Д.Чернин // Успехи физических наук. – 2001. – Т. 171. – № 11. – С. 1154-1175. 96. Чернин, А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение / А.Д.Чернин // Успехи физических наук. – 2008. – Т. 178. – № 3. – С. 267-300. 97. Черняк, В.С. Три стадии творческой эволюции астрономии XVI – XVII вв.: от организмической к механической модели Вселенной / В.С.Черняк // Вопросы философии. – 2003. ─ № 11. – С. 69─84. 98. Шемякин, Е.И. Изменения магнитного поля Земли: причи-ны и возможные последствия / Е.И.Шемякин, С.С.Цыганков // Вестник РАН. – 2009. – Т. 79. – № 11. – С.1000-1005. 99. Шипунова, О.Д. Концепции современного естествознания: учеб. пособие / О.Д.Шипунова. – М.: Гардарики, 2006. – 375 с. 100. http:// elementy.ru/ 101. http:// www.krugosvet.ru/ 102. http://vz.ru/society/2006/6/17/37803.html/

Примечание: знаком

(*

) выделена рекомендуемая литера-

тура.


http://www.krugosvet.ru/

http://vz.ru/society/2006/6/17/37803.html/

128

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие……………………………………………………3 1. Звездная форма бытия космической материи……...…5 1.1. Характеристики звезд……………………………………9 1.2. Галактики…………………………………………………16 2. Эволюция звезд…………………………………………...28

3. Современные космологические модели Вселенной………………………………………………….42 4. Происхождение и развитие Вселенной……………….47 5. Солнечная система………………………………………55 5.1. Солнце……………………………………………….59 Планеты Солнечной системы………………………..62 5.2. Земля……………………………………………64 5.3. Луна……………………………………………..75 5.4. Меркурий……………………………………….79 5.5. Венера………………………………………….81 5.6. Марс…………………………………………….83 5.7. Юпитер…………………………………………86 5.8. Сатурн …………………………………………90 5.9. Уран ……………………………………………92 5.10. Нептун ……………………………………….94 5.11. Плутон ……………………………………….95

Вопросы для самопроверки ……………………….........98 Персоналии…………………………………………………99 Тезаурус……………………………………………………116 Список использованной и рекомендуемой литературы…………………………………………………120


Documents

514.мегамир учебное пособие