Размеры звезд. Плотность их вещества.. Доклад. Математика. 2009-01-12

Под Солнечной системойпонимается всё космическое пространство и вся материя, находящаяся в сфере притяжения Солнца. Солнечная система включает в себя Солнце, находящееся в центре, и планетную систему со спутниками. В состав Солнечной системы входят малые тела — астероиды, кометы, метеорные тела, а также межпланетная пыль, плазма и физические поля в указанных границах.

В планетную систему входят девять планет — это (по мере удаления их орбит от Солнца) Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Основные характерные особенности строения Солнечной системы:

1. Основная масса вещества Солнечной системы сосредоточена в Солнце, которое представляет собой рядовую звезду. На массу всех других составляющих системы приходится ¹/₇₀₀ часть массы Солнца. Таким образом, в Солнечной системе доминирует гравитационное поле Солнца.

2. Орбиты планет и большинства астероидов лежат почти в одной плоскости, незначительно наклоненной к плоскости солнечного экватора. Орбиты планет почти круговые, то есть их эксцентриситеты мало отличаются от нуля. Наибольшим наклоном и эксцентриситетом обладают Плутон и Меркурий.

3. Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении. Вращение Солнца вокруг своей оси происходит в ту же сторону, что и движение планет вокруг Солнца. Планеты вращаются вокруг своих осей в направлении, совпадающем с направлением их обращения вокруг Солнца. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, которые вращаются в противоположную сторону. Причем ось вращения Урана почти лежит в плоскости орбиты планеты. Наклон оси вращения других планет не превышает 60° к плоскостям их орбит. /

4. Планеты разделяются на две резко различающиеся группы: планеты земного типа и планеты-гиганты. Планеты земного типа — твердые тела, сравнительно небольшие, с маленькой массой, но большой плотностью, более медленным вращением и малым количеством спутников (или без них). Они расположены вблизи Солнца. К планетам земного типа относятся (по мере удаления их орбит от Солнца) Меркурий, Венера, Земля, Марс. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) — массивнее планет земной группы, с большими размерами, меньшей средней плотностью, большой скоростью вращения и многочисленными спутниками. Планеты-гиганты обладают мощными атмосферами, состоящими в основном из водорода и гелия.

5. Орбиты большинства спутников планет близки к круговым, а их движение происходит в том же направлении, в каком планеты движутся вокруг Солнца. Орбиты крупных спутников в основном имеют малый наклон к плоскости экватора своих планет.

Основные этапы происхождения и ранней эволюции Солнечной системы сегодня во многом определились. Можно выделить следующие этапы.

1. Около 4,6 млрд. лет назад произошел взрыв сверхновой звезды вблизи места рождения Солнечной системы. Ударная волна от взрыва распространилась в космическом пространстве. Под действием ударной волны газопылевое облако, оказавшееся на ее пути, начало сгущаться. В нем образовались уплотнения, обогащенные веществом сверхновой звезды. Таким образом, облако состояло из газа (водород, гелий) и разных по составу частиц, содержащих как металлы, так и редкие изотопы тяжелых химических элементов. Изначально медленно вращающееся уплотнение под действием сил гравитации начало сжиматься. Вращающийся шар изменил форму, превратившись в диск. В дальнейшем в центре диска образовалось молодое Солнце. Именно образующийся диск, а не просто Солнце поглощает большую часть момента количества движения.

2. Постепенно в диске газопылевого облака мельчайшие пылинки стали объединяться, захватывая газы из окружающего пространства. Из мелких частиц образовывались более крупные комки. А из них формировались зародыши будущих планет километровых размеров — планетезимали, а позднее сами планеты. Зона газопылевого диска была горячей вблизи сжимающегося и разогревающегося Солнца, холоднее в средней части диска и совсем холодной по краям. Во внутренней зоне легкие элементы (водород, гелий) под действием светового давления покидали центральные области диска, уходя на периферию. Поэтому вблизи Солнца планетезимали формировались полностью из каменистых минералов и соединений металлов. В конце концов они превратились в планеты земного типа. Частицы в средней холодной зоне покрывались льдом, ядра будущих планет-гигантов быстро росли, захватывая окружающий газ. В самой холодной внешней части диска конденсирующий материал был почти весь ледяной. Но его концентрация была недостаточной для формирования крупных планет. Множество отдельных ледяных планетезималей и глыб породили ядра комет и объектыпояса Койпера. Планета Плутон является одним из таких объектов.

Наблюдаемый на осеннем ночном небе в ясную безлунную ночь Млечный Путь древние греки назвали Галактикой. Еще Галилео Галилей в 1609 г. обнаружил в телескоп, что Млечный Путь состоит из огромного количества слабых звезд.

Млечный Путь проходит через оба полушария по большому Кругу небесной сферы. Линия, идущая вдоль середины Млечного Пути, названа галактическим экватором, а образующая его плоскость — галактической плоскостью. Галактическая плоскость наклонена к плоскости небесного экватора под углом 63°.

Количественные подсчеты звездных параметров в разных направлениях от галактического экватора одним из первых предпринял В. Гершель в 70-х гг XVIII в. Его подсчеты показали, что число звезд резко убывает по обе стороны от галакти­ческой плоскости. Дальнейшими исследованиями было установлено, что все звезды неба образуют единую звездную систему. В Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звезд Галактики — огромной звездной системы, имеющей форму плоского линзообразного диска поперечником около 30 и толщиной около 4 кпк (рис. 14.1). Шарообразное утолщение в середине диска Галактики называют балдж (от англ. bulge— вздутие). Центральная, наиболее компактная и плотная область Галактики называется ядром. Звездный диск Галактики имеет структуру в виде спиральных ветвей (рукавов).

Часть звезд нашей Галактики не входит в состав диска, а образует сферическую составляющую, называемую звездное гало, радиус которого составляет не менее 20 кпк. Гало окружает очень разреженная и большая по размерам (50—60 кпк) внешняя часть Галактики —корона.

Солнечная система в Галактике расположена далеко от центра (на расстоянии 10 кпк) и лежит почти в галактической плоскости.

Звездный состав Галактики очень разнообразен. Звезды по химическому составу, возрасту и характеру орбит условно разделили на два вида «населения».

К населению I относится большая часть звезд главной последовательности классов О, В, А, Е L, большинство звезд-гигантов, белые карлики, планетарные туманности. Возраст этих объектов составляет порядка нескольких миллиардов лет. Население I заполняет диск галактики. Более молодые объекты населения I связаны со спиральными ветвями Галактики. Это молодые горячие звезды, их скопления, долгопериодические цефеиды, новые и сверхновые звезды, газ, пыль.

В гало преобладает население II, которое включает шаровые звездные скопления, красные сверхгиганты, субкарлики, звезды с дефицитом тяжелых элементов. Это старое население Галактики, его возраст составляет порядка 15 млрд. лет. В центральных областях Галактики преобладают красные гиганты, сверхгиганты и звезды-карлики классов М и К. Ближе к центру Галактики обнаружены потоки плотного горячего газа, расширяющегося со скоростью 100—200 км/с. В самом центре Галактики в пределах 1 пк находятся точечные источники радио-, инфракрасного и рентгеновского излучения.

Природа населения короны пока не установлена.

Звездные скопления — гравитационно-связанные группы звезд, имеющие общее происхождение. Звездные скопления движутся в поле тяготения Галактики как единое целое. Звездные скопления являются структурными составляющими Галактики. По внешнему виду звездные скопления подразде­ляются на рассеянные и шаровые.

Рассеянное звездное скопление — это не имеющая правильной формы сравнительно неплотная группа звезд, содержащая от нескольких десятков до нескольких тысяч звезд. Ближайшие к нам рассеянные звездные

скопления находятся в созвездии Тельца. Это скопления Плеяды и Гиады. Сейчас известно около 1200 рассеянных звездных скоплений, все они концентрируются у галактической плоскости и, как другие объекты плоской составляющей Галактики, участвуют во вращении вокруг ее центра. Общее же число рассеянных скоплений в Галактике оценивается в 2 · 10⁴.

Шаровые звездные скопления имеют сферическую или эллипсоидальную форму и насчитывают от десятков тысяч до миллионов звезд. Диаметры таких звездных скоплений колеблются в пределах от 20 до 100 пк. Пространственная концентрация звезд резко возрастает к центру скопления, достигая десятков тысяч в кубическом парсеке. Шаровые скопления концентрируются вокруг центра Галактики и образуют протяженное гало. Всего в Галактике открыто около 130 шаровых скоплений, а их общее число составляет около 500. Звездное население шаровых скоплений состоит из красных гигантов и сверхгигантов, там нет ярких массивных звезд. Шаровые скопления нашей Галактики — одни из старейших ее составляющих. Их возраст насчитывает от 10 до 15 млрд. лет. В шаровых скоплениях встречаются переменные пульсирующие звезды, что позволяет определять расстояние до скоплений.

Помимо звездных скоплений различают еще один тип группировок молодых звезд, называемых звездные ассоциации. Этот термин в 1947 г. ввел советский академик В. А. Амбарцумян для разреженных группировок горячих звезд высокой светимости спектральных классов О и В. Некоторые звезды в ассоциациях настолько молоды, что еще не сформировались полностью. По своим характеристикам звездные ассоциации похожи на большие, очень молодые рассеянные скопления, но с меньшей степенью концентрации звезд к центру. Размеры ассоциаций колеблются в пределах от 30 до 200 пк, а число звезд — до нескольких сотен. Возраст ассоциаций оценивается в несколько миллионов лет.

Звездные ассоциации были обнаружены и в других галактиках, где они распределяются вдоль спиральных ветвей. В некоторых галактиках обнаружены сверхассоциации— большие комплексы горячих гигантов и газовых туманностей. К настоящему времени около 40 подобных звездных комплексов обнаружено и в нашей Галактике. Характерный размер комплексов — около 600 пк, их интегральная абсолютная звездная величина составляет от -14^m до -16^m, а масса — несколько миллионов масс Солнца.

Анализ собственных движений звезд привел к обнаружению движения Солнца среди звезд. Солнечная система движется в пространстве относительно звезд в направлении Веги. Та точка на небесной сфере (α = 270°, δ = 30°; созвездие Геркулеса), по направлению к которой движется Солнце (со скоростью 19,4 км/с по отношению к соседним звездам), называется апексом Солнца (от лат. apex— вершина). Вследствие собственных движений звезд с разными скоростями по истечении десятков тысяч лет вид созвездий меняется.

Изучение лучевых скоростей звезд в различных направлениях от Солнца позволило установить законы вращения Галактики. Способ для доказательства вращения Галактики был разработан в 1859 г. профессором Казанского университета М. А. Ковальским.

Исследования вращения Галактики позволили сделать следующие выводы:

1. Все звезды Галактики обращаются вокруг ее ядра по орбитам, близким к круговым.

2. Угловая скорость вращения убывает по мере удаления от центра.

3. Линейная скорость вращения сначала возрастает с удалением от центра Галактики, достигая максимума (около 250 км/с) на расстоянии Солнца, после чего очень медленно убывает.

4. Полный период обращения Солнца вокруг ядра Галактики составляет примерно 250 млн. лет (галактический год).

5. Звезды и скопления звезд сферической составляющей Галактики движутся по сильно вытянутым и наклоненным под разными углами к плоскости диска орбитам.

Как видим, движение звезд в Галактике сильно напоминает движение тел Солнечной системы.

Задание: описать условия видимости Луны на данный месяц по известным датам фаз Луны.

Какими будут условия видимости Луны на 25 июня 2004 г., если известны даты фаз Луны на этот месяц?

Ответ:

В приложениях к билетам указано, что 25 июня 2004 года Луна находится в фазе первой четверти. Это означает, что Луна видна с Земли на угловом расстоянии 90° к востоку от Солнца и солнечными лучами освещена правая от наблюдателя половина лунного диска. Луна восходит днем, при заходе Солнца находится на юге и заходит около полуночи.

Билет № 15

Вопрос № 1

Планеты земной группы.

Планета — небесное тело, движущееся вокруг Солнца в его гравитационном поле и отражающее солнечный свет. Масса планеты слишком мала для того, чтобы внутри нее могли протекать характерные для звездных недр ядерные реакции.

Планеты земной группы — планеты, по своим физическим характеристикам, химическому составу и строению похожие на Землю. К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. На долю планет земной группы приходится 0,4 % от суммарной массы всех планет Солнечной системы.

Характерной особенностью планет земной группы является их высокая средняя плотность. В основном они состоят из каменистых пород и соединений металлов, обладают твердой поверхностью и разреженными атмосферами. Планеты земной группы медленно вращаются вокруг своих осей. Если Марс делает один оборот чуть больше чем за сутки, то Меркурий — за 58,6 суток, а Венера совершает один оборот за 243 суток в направлении, обратном обращению планет вокруг Солнца. На Марсе, как и на Земле, происходят смены времен года.

Спутники имеют только Земля (один — Луна) и Марс (два — Фобос и Деймос).

Внутреннее строение планет по вертикали слоистое. Выделяют три основные оболочки (слоя): твердая кора, мантия и ядро.

Кора планеты — самая внешняя тонкая (10—100 км) твердая оболочка планетного тела.

Общая масса земной коры составляет всего 0,8 % от общей массы Земли.

Ядро планеты — наиболее плотная центральная часть планетных недр. Например, в центре Земли плотность составляет 13500 кг/м³, а температура — 6000 К. Масса ядра — около 30 % массы Земли. Земное ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое). Наиболее мощным ядром обладает Меркурий.

Источником нагрева недр планеты является выделение тепла при распаде радиоактивных элементов и гравитационной дифференциации. Гравитационная дифференциация представляет собой процесс постепенного перераспределения вещества по плотности — тяжелые элементы (железо, никель) стремятся к центру, а легкие элементы всплывают. Движение вещества внутри планеты влияет на кору, вызывая землетрясения, вулканические процессы. В настоящее время вулканические процессы происходят на Земле и, вероятно, на Венере.

Вулканизм— совокупность процессов, в результате которых магма и связанные с ней газы поднимаются из недр планетного тела на поверхность.

К внешним оболочкам планет относится атмосфера. Атмосфера — внешняя газовая оболочка небесного тела.

Для Земли внешней оболочкой является также гидросфера. Гидросфера — водная оболочка Земли, включающая всю химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Моря и океаны занимают 71 % земной поверхности.

На Марсе аналогом гидросферы является криосфера— лед в полярных шапках и в грунте, как вечная мерзлота. Из-за высокой температуры и малой массы у Меркурия практически отсутствует атмосфера.

Поверхность Венеры скрыта мощным облачным покровом, давление у поверхности почти в 100 раз выше, чем у Земли, а из-за парникового эффекта температура достигает 470 °С у поверхности планеты.

На Марсе разреженная атмосфера, давление у поверхности в 100—140 раз меньше, чем на Земле. Из-за этого наблюдается резкое суточное колебание температуры. Например, если днем на экваторе температура поднимается до 15 °С, то ночью она опускается до -65 °С; а на полюсах мороз достигает -123 °С. Марс — единственная планета, где наблюдаются глобальные пылевые бури.

Космические снимки показали, что поверхность Меркурия покрыта множеством кратеров самых разных размеров в основном ударного происхождения.

На Меркурии встречаются горы высотой до 4 км и уступы высотой до 3 км, тянущиеся на сотни и тысячи километров. Они, вероятно, появились в результате сжатия планеты. Днем температура поверхности Меркурия раскаляется до 430 °С, а через 88 суток ночью опускается до -170 °С.

Поверхность Марса существенно разнообразнее поверхности Меркурия. При наблюдении в телескоп на Марсе хорошо заметны его знаменитые полярные шапки.

Полярные шапки Марса — светлые, почти белые области вблизи полюсов Марса, состоящие из льда с примесью пылевых частиц.

На поверхности Марса встречаются ударные кратеры различных размеров, горы. Хорошо заметны крупные каньоны протяжностью в несколько тысяч километров, ширина которых достигает 100 км, а глубина — 5 км. Поражают своими размерами потухшие вулканы Марса. Так, вулкан Олимп поднимается на 27 км над своим основанием, поперечник которого составляет 600 км.- Загадочные марсианские долины, похожие на высохшие русла рек, были созданы водными потоками, которые иссякли более миллиарда лет назад.

Межзвездная среда — это вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри Галактики. Основная масса межзвездного вещества приходится на разреженный межзвездный газ и пыль. Вся межзвездная среда пронизывается магнитными полями, космическими лучами, электромагнитным излучением.

Основной компонент межзвездной среды — межзвездный газ, который состоит из водорода (70 % массы) и гелия (28 %). Остальную часть массы межзвездного газа составляют более тяжелые химические элементы (О, С, N, Ne, S, Аг, Fe и др.). Масса межзвездного вещества нашей Галактики (не считая короны) оценивается в 2 % от общей массы всей Галактики. В зависимости от температурных условий и плотности межзвездный газ наблюдается в трех состояниях: ионизированнном, атомарном и молекулярном.

Внеатмосферные наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне обнаружили очень горячий газ (водород) с температурой 10⁶ К, который заполняет большую часть объема Галактики. Такой горячий газ с низкой плотностью возникает в результате взрывов сверхновых звезд и потери вещества горячими гигантами в виде горячего звездного ветра. Плотность такого газа составляет 1,6 · 10^-3 частиц в 1 см³.

Основные данные о межзвездном газе получены радиоастрономическими методами, после того как в 1951 г. было обнаружено радиоизлучение нейтрального атомарного водорода на волне 21 см. Основная часть межзвездного газа сосредоточена в спиральных ветвях Галактики. В них газ распределен неравномерно: он собран в клочковатые образования размерами в десятки и сотни парсек. Около половины массы межзвездного газа содержится в гигантских молекулярных облаках со средней массой 10⁵ масс Солнца и диаметром около 40 пк.

Межзвездная пыль — это мелкие твердые частицы неправильной формы размером от 0,01 до 1 мкм. Они состоят из тугоплавкого ядра и оболочки из летучих соединений. Пыль играет значительную роль и активно участвует в протекающих во Вселенной процессах.

Кроме разреженного газа и пыли в межзвездном пространстве с огромными скоростями, близкими к световой, движется большое количество элементарных частиц и ядер различных атомов (электроны, ядра гелия и более тяжелых элементов). Потоки этих частиц называют космическими лучами. На площадь в 1м² в среднем ежесекундно попадает около 10 тыс. различных частиц.

Не все частицы, образующие космические лучи, приходят к нам из глубин Вселенной. Многие из них имеют солнечное происхождение — они рождаются при вспышках на Солнце. Основными источниками космических лучей в Галактике являются остатки сверхновых звезд и пульсары.

Наблюдения показывают, что радиоизлучение приходит к нам и из областей межзвездного пространства, где нет остатков сверхновых звезд. Следовательно, магнитное поле существует и в межзвездном пространстве.

Магнитная индукция межзвездного магнитного поля невелика — около 10 ¹⁰Тл (в сто тысяч раз меньше, чем у поверхности Земли). Линии индукции межзвездного магнитного поля в основном параллельны галактической плоскости и, изгибаясь, идут вдоль спиральных ветвей Галактики. Крупномасштабные магнитные поля обнаружены и в других галактиках.

Планеты-гиганты. Плутон.

Планеты-гиганты – планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; расположены за пределами Главного пояса астероидов. Сравнительно с планетами земной группы они обладают большими размерами, массами, более низкой средней плотностью, химическим составом и строением, мощными атмосфе­рами, быстрым вращением и большим количеством спутников. Основными компонентами мощных атмосфер являются водород и гелий. Планеты-гиганты окружены кольцами, состоящими из твердых тел небольшого размера. Все эти характеристики убывают от Юпитера к Нептуну.

Любая из планет-гигантов превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые. Крупнейшая планета Солнечной системы – Юпитер – в 11 раз по диаметру и в 300 с лишним раз по массе больше, чем Земля. Все планеты-гиганты имеют мощные протяженные атмосферы, состоящие в основном из молекулярного водорода и содержащие также гелий (от 6 до 15% по объему), метан, аммиак, воду и некоторые другие соединения, в том числе более сложные. Сжатие этих планет, которое заметно даже на первый взгляд, вызвано их быстрым вращением вокруг оси. Характерно, что экваториальные области планет-гигантов вращаются быстрее, чем области, находящиеся ближе к полюсам. На Юпитере различие периодов вращения на разных широтах составляет около 6 мин, а на Сатурне превышает 20 мин.

Средняя плотность у планет-гигантов мала, меньше плотности Земли в 4 раза, а у Сатурна даже меньше плотности воды. Они представляют собой крупные газообразные тела с чрезвычайно мощными атмосферами, состоящими главным образом из водорода и гелия. По средней плотности и химическому составу планеты-гиганты, особенно Юпитер, схожи с Солнцем и другими звездами.

Все четыре планеты-гиганта, в отличие от планет земной группы, не имеют твердой наружной поверхности. Их видимая поверхность — это облака, плавающие в водородно-гелиевой атмосфере.

В атмосферах планет наблюдаются светлые и темные овальные образования. Наиболее известное из них — Большое Красное Пятно на Юпитере, наблюдающееся в течение трех веков. Большое Красное Пятно — огромный и очень устойчивый вихрь, аналог земных ураганов и циклонов.

Сила ветра в атмосферах планет-гигантов огромна: от 600 м/с на Нептуне и до 180 м/с на Юпитере, причем эти скорости увеличиваются с приближением к поверхности планет. Температура верхнего слоя облаков уменьшается с удалением планет от Солнца. Так, у Юпитера температура на уровне облаков составляет -133 °С, у Сатурна -170 °С, а у Урана и Нептуна достигает -215 °С.

Открытие Нептуна было своего рода триумфом небесной механики: его присутствие в Солнечной системе сначала вычислили теоретически, а затем обнаружили на небе в предсказанном месте. Плутон — это планета, наиболее удаленная от Солнца. Плутон был открыт в 1930 году. Находясь на среднем расстоянии 39,44 а. е. от Солнца, он совершает оборот по орбите за 247,7 года. Орбита Плутона имеет самый большой наклон среди планет к эклиптике (17°) и вытянута настолько, что в перигелии Плутон подходит к Солнцу ближе, чем Нептун.

Американский астроном Джеймс Кристи в 1978 г. открыл у Плутона спутник, названный Хароном. Благодаря открытию спутника появилась возможность уточнить массу Плутона (1,3 · 10²² кг). Она оказалась меньше массы Земли в 460 раз, а Харон обладает массой в 7,2 раза меньшей, чем Плутон.

Диаметры Плутона и Харона соответственно составляют 2320 и 1270 км, а их средняя плотность — 2100 кг/м³. Это меньше плотности скальных пород, но вдвое больше плотности льда. Следует предположить, что эти небесные тела состоят из каменных пород и льда.

Планета вращается в обратную сторону относительно Земли. Периоды обращения Харона вокруг Плутона и вращения самой планеты совпадают и равны 6,4 суток.

Поверхность Плутона покрыта метановым льдом и поэтому имеет сероватый оттенок в отличие от красноватого Харона, на котором преобладают обычные скальные породы и водяной лед.

Таким образом, Плутон является самой маленькой среди больших планет. Кроме того, он (а не Земля) обладает самым массивным спутником (по отношению масс спутник/планета). Ледяной Плутон больше похож на далекую малую планету (астероид) или спутник внешней планеты, чем на полноценную планету. Плутон получил в 2006 году статус карликовой планеты.

Галактики – это гигантские, расположенные вне нашей Галактики, гравитационно связанные системы, состоящие из звезд и межзвездного вещества. По внешнему виду и характеру распределения яркости галактики подразделяются на эллиптические (Е), линзовидные (SO), спиральные (S) и неправильные (Ir).

Эллиптические галактики (Е) – галактики, имеющие круглую или эллиптическую форму. Звездная плотность в них плавно убывает от центра; пыли и газа почти нет. Около 14% изученных галактик принадлежит к эллиптическому типу.

Линзовидные галактики (SO) – галактики, внешне подобные эллиптическим галактикам, но имеющие сильно сплюснутый звездный диск. Число таких галактик почти 22%.

Спиральные галактики (S) – сильно сплюснутые системы звезд и межзвездного вещества с центральным уплотнением (балджем), в котором находится ядро галактики. От ядра отходят яркие спиральные ветви, состоящие из молодых звезд, газа и пыли. Около половины изученных галактик относится к спиральному типу.

Неправильные галактики (Ir) – маломассивные галактики неправильной структуры. Как правило, эти галактики отличаются высоким содержанием межзвездного газа и молодых звезд. Число таких галактик среди всех наблюдаемых около 4%.

Ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака (Ir) и туманность Андромеды (Sb). Самая далекая группа галактик обнаружена на расстоянии 13,5 млрд. св. лет. Само существование подобной структуры указывает, что галактики начали формироваться группами уже на ранней стадии существования Вселенной.

Галактики с активными ядрами – галактики, активность ядер которых проявляется в выбросах струй плазмы с почти световыми скоростями, в ускорении облаков газа и плазмы, вылетающих из центральных областей галактик. Ядра таких галактик являются мощными источниками рентгеновского излучения, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения и радиоизлучения. Около 1% всех наблюдаемых галактик принадлежит к галактикам с активными ядрами.

Массивные спиральные галактики с активными ядрами называют сейфертовскими галактиками (или просто сейфертами). Названы в честь американского астронома К. Сейферта, открывших их в 1943 г. В центре ядра галактики находится яркий звездообразный источник очень малого углового размера. Спектр его излучения совсем не такой как у звезд. Он, как правило, имеет нетепловой характер, т. е. не обусловлен излучением горячих тел. Важной особенностью излучения ядер является их переменность: иногда светимость ядра заметно меняется за несколько лет, месяцев или даже дней. В некоторых случаях наблюдается быстрое движение газа в ядре (со скоростями ~1000 км/с). Иногда газ образует длинные прямолинейные газовые струи (джеты).

Другой разновидностью галактик с активными ядрами являются радиогалактики. Это объекты, мощность излучения которых в радиодиапазоне одного порядка или больше, чем в оптических частотах. В отличие от сейфертовских они обычно относятся к массивным эллиптическим галактикам и отличаются мощным радиоизлучением, в десятки тысяч раз более интенсивным, чем радиоизлучение обычных галактик.

Слово «квазар» образовано от словосочетания «квазизвездные радиоисточники», то есть подобные на радиоизлучающие звезды. В начале 1960-х гг. по радиоизлучениям были обнаружены объекты, подобные активным ядрам галактик. Спектры квазаров содержат яркие эмиссионные линии, сильно смещенные в красную сторону, как у далеких галактик. Расстояния, определенные по красному смещению, оказались более 5 млрд. св. лет. На фотографиях квазары выглядят очень яркими по сравнению с удаленными галактиками и в радиодиапазоне излучают так же сильно, как близкие радиоисточники. Некоторые из квазаров наблюдаются с таких расстояний, на которых обычные галактики современным оборудованием уже не обнаруживаются.

До открытия квазаров считалось, что самые грандиозные проявления взрывных процессов — это вспышки сверхновых звезд, однако активность квазаров не похожа на активность обычных звезд. Природа активности радиоизлучения квазаров пока точно не установлена, однако с определенной уверенностью можно сказать:

1) квазары — самые далекие объекты, наблюдаемые во Вселенной;

2) значительная часть квазаров — это ядра далеких галактик, которые находятся в состоянии очень высокой активности;

3) квазары — самые мощные из известных в природе источников видимого и инфракрасного излучения, то есть это космические объекты с колоссальной поверхностной яркостью.

Немаловажным является вопрос о том, какое место занимают квазары среди других космических объектов — это уникальные образования или какие-либо промежуточные звенья эволюционного развития космических систем.

Физические условия на Луне. Спутники планет.

Луна— единственный естественный спутник Земли. Это тело шарообразной формы радиусом 1738 км. Масса Луны всего в 81 раз меньше массы Земли. Средняя плотность Луны равна 0,6 плотности Земли, а ускорение свободного падения в 6 раз меньше земного, то есть на лунной поверхности предметы весят в 6 раз меньше, чем на Земле. Солнечные сутки на Луне продолжаются синодический месяц (29,5 земных суток). На Луне нет воды в жидком виде и практически отсутствует атмосфера. За лунный день, который длится около 15 земных суток, поверхность успевает нагреться до 130 °С, а ночью охладиться до -170 єС.

Невооруженным глазом на лунной поверхности различимы светлые и темные участки. Темные, относительно ровные участки поверхности, названные «морями», занимают 17 % всей поверхности Луны. Более светлые гористые участки — «материки». Они занимают остальную поверхность и характеризуются наличием горных хребтов, кольцевых гор, кратеров.

Названия горных хребтов, тянущихся обычно вдоль окраин морей, позаимствованы у земных — Апеннины, Кавказ, Карпаты и др. Апеннины имеют максимальную высоту около 6 км, а Карпаты лишь — 2 км.

Самыми многочисленными образованиями на лунной поверхности являются кратеры от микроскопических размеров и до более 100 км в диаметре. Кратер состоит из кольцевого вала и внутренней равнины. У большинства «молодых» кратеров на дне возвышаются центральные горки. Удар крупного метеорита или небольшого астероида о поверхность Луны сопровождается взрывом. При взрыве происходит выброс лунного вещества, а на поверхности образуется кратер.

Космические исследования существенно развили наши знания о Луне. В 1959 г. советским аппаратом «Луна-3» была впервые сфотографирована обратная сторона Луны. В 1965г появилась первая полная карта Луны, составленная под научным руководством Ю. Н. Липского, в честь которого назван кратер на Луне.

Астронавты США Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин 20 июля 1969 г. стали первыми людьми, ступившими на Луну.

Поверхностный слой естественного спутника Земли толщиной около 10м состоит реголита— мелкообломочного материала. Реголит обладает малой плотностью (верхний слой 1200 кг/м³) и очень низкой теплопроводностью (в 20 раз меньше воздуха), поэтому уже на глубине около метра колебания температуры практически неощутимы.

Химический состав лунных пород очень близок к земным породам типа базальтов.

Космические станции в последнее время обнаружили запасы водяного льда в полярных областях Луны.

Существует несколько гипотез образования Луны. По одной из них рассматривается следующий механизм образования Луны. Земля, прошедшая основные стадии дифференциации вещества, столкнулась с крупным небесным телом (размером с Марс). Косой удар разрушил только верхние слои земных недр. На околоземную орбиту было выброшено вещество земной коры и мантии, из которого путем слияния сформировался спутник Земли.

В Солнечной системе на начало XXI в. известны 102 естественных спутника планет. Семь спутников, включая нашу Луну, имеют диаметр больше диаметра планеты Плутон, а Ганимед и Титан даже превосходят по размеру Меркурий. Еще девять спутников перешагнули тысячекилометровый рубеж, остальные имеют размер меньше 500 км.

Небольшие спутники (размером в десятки километров) представляют собой каменные или ледяные тела неправильной формы. Их поверхности усеяны кратерами, покрыты реголитом и мелкой пылью.

Средние по размерам спутники (в несколько сотен километров) в основном шарообразные и имеют низкую плотность. По внешнему виду они напоминают лунную поверхность.

Семь крупнейших спутников обладают большим разнообразием. По своему строению они больше похожи на планеты земной группы. Им присуще сложное внутреннее строение. Они обладают атмосферой, магнитным полем. Ио, спутник Юпитера, обладает силикатной (каменистой) корой толщиной 30 км, под ней на глубине 100 км находится жидкий океан магмы с температурой до 2000 К, который питает многочисленные вулканы. Остальные спутники покрыты ледяной оболочкой разной толщины, под которой расположена каменистая мантия. У Тритона (спутник Нептуна) ледяная оболочка толщиной 180 км лежит на водном океане с примесями аммиака и метана. Глубина океана — 150 км. По многим признакам под ледяной корой Европы (спутник Юпитера) также имеется слой жидкой воды или льда с водой.

На поверхности Тритона и Ганимеда (спутник Юпитера) видны следы тектонической деятельности: разломы, сжатия, трещины, мелкие хребты. Каллисто (спутник Юпитера) отличается от них наличием многочисленных кратеров ударного происхождения.

Ледяная оболочка Европы пересекается сетью светлых и темных узких полос. Это трещины в толстой ледяной коре, вызываемые приливными воздействиями Юпитера.

Наиболее мощную атмосферу имеет Титан (спутник Сатурна). Давление у поверхности в 1,5 раза превышает земное.

Из планет земной группы кроме Земли только Марс имеет два спутника, открытых в 1877 г. американским астрономом Асафом Холлом. Это небольшие каменистые тела неправильной формы размерами 27×19 км (Фобос) и 16×11 км (Деймос).

Так же как и звезды, галактики образуют группы и скопления. Около 40 ближайших галактик, наиболее массивные из которых наша Галактика и туманность Андромеды, образуют Местную группу галактик, размеры которой составляют несколько сотен килопарсек.

Более крупные объединения галактик образуют системы галактик. Они содержат до тысячи галактик, и их размер составляет несколько мегапарсек. Ближайшее крупное объединение галактик находится в направлении созвездия Девы на расстоянии около 20 Мпк. Размер этой системы составляет 5 Мпк.

Самое удаленное скопление галактик, до которого определено расстояние, находится в Волосах Вероники, до него 5200 Мпк. Только в самые крупные телескопы можно различить его ярчайшие галактики. Комплексы скоплений галактик размерами 30—60 Мпк, содержащих десятки скоплений, получили название сверхскоплений галактик. Скопление галактик в созвездии Девы является центральным сгущением в сверхскоплении галактик, в которое входит и наша Местная группа галактик. Общее число галактик нашего Сверхскопления, исключая карликовые, составляет около двух тысяч. Пока выявлено около 50 сверхскоплений. Структур более высокого ранга не обнаружено.

Совокупность наблюдаемых галактик всех типов и их скоплений, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику. Метагалактика — часть безграничной Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследования.

Одно из важнейших свойств Метагалактики — ее постоянное расширение, «разлет» скоплений галактик. О данном свойстве Метагалактики свидетельствует красное смещение в спектрах галактик. Метагалактика находится в состоянии приблизительно однородного и изотропного (одинакового во все стороны) расширения.

Гипотезу о расширении Вселенной на основе общей теории тяготения А. Эйнштейна и строгих расчетов высказал в 1922 г. советский ученый А. А. Фридман. Он получил решения, которые показали, что Вселенная не может быть стационарной. В зависимости от средней плотности вещества во Вселенной она должна либо расширяться, либо сжиматься. Нестационарная модель Вселенной утвердилась в науке лишь после того, как Э. Хаббл обнаружил разбегание галактик.

Из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия:

а) Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;

б) Вселенная сжимается;

в) во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

Таким образом, возникает вопрос: какой из трех указанных выше вариантов реализуется в нашей Вселенной?

При развитии модели расширяющейся Вселенной было показано, что существует некоторое значение критической плотности ρ_кр Вселенной, определяемой по формуле: ρ_кр = , где G — гравитационная постоянная, Н — постоянная Хаббла. Расчеты по данной формуле дают, что ρ_кр = 10 ^-26 кг/м³. По современным оценкам, плотность вещества во Вселенной близка к критическому значению. Если фактическая средняя плотность вещества во Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной должно смениться ее сжатием. Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической, то расширение будет продолжаться.

Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не меньше 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Если эти данные, полученные для Метагалактики, перенести на Вселенную, то получится, что ее средний возраст составляет около 15 млрд. лет. Это значение не противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд.

Модель горячей Вселеннойлежит в основе современной астрономической картины мира об эволюции Вселенной. В соответствии с этой моделью, на ранних стадиях расширения Вселенная характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой. Основы этой модели в 1946 г. были заложены трудами американского физика русского происхождения Г. А. Гамова. Его теория получила название Большого взрыва.

В модели горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень высокой плотностью материи, обладающей огромной энергией. Это начальное состояние материи называется сингулярностью— точечный объем с бесконечной плотностью. По мере расширения Вселенной температура падала от очень большой до очень низкой, что и обеспечило благоприятные условия для образования звезд и галактик.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. микроволнового фонового излучения Вселенной. Было обнаружено, что из космического пространства непрерывно приходит радиоизлучение на очень коротких длинах волн. Оно исходит не из отдельных источников, а отовсюду, из любой точки неба. Это излучение заполняет пространство между звездами и галактиками и несет в себе очень большую энергию. Поступаемое из космоса излучение, не связанное с активностью наблюдаемых звезд или галактик, назвали реликтовым излучением, то есть древним, остаточным. Согласно современным представлениям, реликтовое излучение возникло на раннем этапе расширения Вселенной, когда еще не существовало звезд и галактик. Важнейшим свойством этого излучения является то, что распределение энергии в его спектре похоже на распределение энергии в спектре абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Максимум излучения приходится на длину волны 1,1 мм.

Таким образом, реликтовое излучение — это тепловое микроволновое излучение, пронизывающее Вселенную по всем направлением с одинаковой интенсивностью. На Земле сейчас принимаются потоки реликтового излучения, которые возникли в горячей среде более 10 млрд. лет назад. Исследования реликтового излучения помогают понять те процессы, которые происходили во Вселенной миллиарды лет назад.

Итак, в основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или Большого взрыва. Вселенная возникла в результате взрыва из состояния сингулярности. Исходное состояние перед началом взрыва не являлось точкой в математическом смысле, оно обладало свойствами, выходящими за рамки сегодняшних научных представлений. Исходное состояние было неустойчивым и породило взрыв, то есть скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

На основании моделей Фридмана была разработана поэтапная физическая картина эволюции вещества начиная от взрыва. Спустя чуть более 3 мин после «начала» закончилось формирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра. Затем почти 500 тыс. лет шло медленное остывание. Когда Вселенная остыла примерно до 3 тыс. градусов, ядра водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться в нейтральные атомы. Как полагают ученые, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии,

сформировались первые звезды и галактики.

Существуют две теоретические модели будущего Вселенной — «открытая» и «закрытая».

«Закрытая» модельпредполагает, что Вселенная может быть представлена как грандиозная закрытая система, испытывающая множество эволюционных циклов. Цикл расширения сменяется циклом последующего сжатия до возвращения в сингулярное состояние, затем следует новый взрыв, и т. д. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет.

В «открытых» моделяхВселенной рассматриваются разные варианты ее «тепловой смерти». В соответствии с этими моделями уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, что в последующем приведет к отрыву планет от своих звезд, а звезды начнут покидать галактики. Затем центральные части галактик коллапсируют, образуя «черные дыры», и тем самым прекращают свое существование.

Инфляционная модельВселенной представлена в виде множества изолированных миров — доменов, возникших в результате Большого взрыва. Каждая мини-вселенная может иметь свои неповторимые условия, которые будут неизвестны и непостижимы для соседней. В каждом из доменов даже одни и те же физические константы отличаются по своим значениям. Вся видимая нами Метагалактика представляет один из таких доменов.