езды, у которых меняются блеск и спектр — переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Существуют очень крупные звезды — красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50 000 от солнечного (10–20 км); они называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов. Нейтронные звезды образуются из звезд с определенной массой железных ядер на поздних стадиях их эволюции.
Когда горючее исчерпывается, звезда начинает коллапсировать. Электроны останавливают коллапс обычной звезды. В недрах более массивных звезд гравитационное давление уменьшает расстояние между частицами до такого, в пределах которого начинает действовать слабая сила. Протоны начинают объединяться с электронами, превращаясь в нейтроны. Последние предотвращают дальнейший коллапс. «Внешние области звезды выбрасываются во внешнее пространство, и огромное количество энергии освобождается в таком процессе. Яркость звезды увеличивается на много порядков. Когда смотрят издалека, звезда кажется взорвавшейся, и такое явление называют вспышкой сверхновой звезды. Это то самое время, когда производятся самые тяжелые элементы из-за экстремальных температур, которые достигаются в этот период»[48]. «Быстрое сжатие (коллапс) железного ядра звезды приводит к образованию нейтронной звезды радиусом около 10 км и плотностью вещества, достигающей сотен миллионов см3»[49]. Энергия вращения преобразуется в направленное радиоизлучение, благодаря которому эти объекты были обнаружены в 1967 г. и названы пульсарами. Пульсары — космические источники радио-оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов — 0,03-4 с., у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд.
А в 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) — самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их.
К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В результате кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).
Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс. Таким образом, помимо Большого взрыва есть еще и меньшие взрывы, в результате которых рождаются звезды.
В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» — звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7 тыс. до 30 тыс. градусов) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.
Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда звезда увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет.
Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра».
Процесс эволюции звезд представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Процесс эволюции звезд.
Белые карлики и нейтронные звезды затем могут снова участвовать в процессе звездообразования. Наличие в спектре нашего Солнца следов углерода, кислорода и других элементов, которые не могли образоваться на самом Солнце, свидетельствует о том, что оно сформировалось из материала, некогда входившего в состав вырабатывавших тяжелые химические элементы звезд. Что касается «черных дыр», то помимо гипотезы образования из них новых вселенных, существует гипотеза об их постепенном испарении и последующем исчезновении. Через 30–50 млрд. лет все звезды, как предполагается, погаснут, а материал для образования новых светил будет исчерпан. Но к этому моменту наша Вселенная может породить новую (или новые) вселенные.
Дж. Бруно в своем сочинении «О бесконечности, вселенной и мирах», вышедшей в 1584 г., предположил, что Солнце лишь одна из великого множества звезд Вселенной. Это предвидение подтвердилось.
Солнце — плазменный шар (плотность — 1,4 г/см3) с температурой поверхности 6 тыс. градусов, в атмосфере которого — короне — происходят вспышки — протуберанцы. На Солнце имеются пятна — участки с температурой 1-100 млн. градусов, из которых под влиянием магнитного поля Солнца не вырывается свет до определенного момента, когда происходит взрыв и магнитное поле (магнитная буря) достигает Земли. Когда заряженные частицы Солнца проникают в полярные части Земли, их соединение с магнитным полем Земли приводит к свечению (полярное сияние). Излучение Солнца — солнечная активность — имеет цикл 11 лет.
Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Гелий обнаружили на Солнце в XIX в. и так как его не было на Земле, его назвали от имени Солнца — Гелиос. Первоначально Солнце состояло в основном из водорода, под действием гравитации он сжимался, температура увеличилась до 10 млн. градусов, электроны покидали атомы и начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий. На нынешнем Солнце эта реакция идет при температуре 15 млн. градусов. Исходя из имеющихся запасов водорода в Солнце, оно будет существовать приблизительно еще 5 млрд. лет. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел А. Эддингтон. Немецкий физик Г. Бете (Нобелевский лауреат 1967 г.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.
Скорость движения Солнца вокруг оси галактики — 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра расположена на расстоянии 40 трлн. км.
Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, составляет порядка 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космического облака, расположенного в окрестностях Солнца. На окраине нашей галактики взорвалась сверхновая звезда и ее ядро врезалось в облако газа. Обломки сверхновой образовали планеты вокруг Солнца, а оно само сформировалось в результате начавшихся термоядерных реакций. Предполагается, что частицы, из которых образовалось вещество солнечной системы, состояли из химического элемента железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали и конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды и соединения азота.
Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. То, что все планеты вращаются в одной плоскости, свидетельствует о том, что они образовались из одного диска. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 6 млрд. км. Расстояние от Солнца до Земли около 150 млн. км, что составляет 107 его диаметров.
Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ, в атмосфере Юпитера — аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения. Луна находится от Земли на расстоянии 400 000 км.
В начале 1970-х гг. была выдвинута гипотеза, что Луна сформировалась вместе с Землей, но затем с Землей столкнулось какое-то небесное тело и вылетевшие из нее расплавленные обломки соединились, образовав Луну. Эта гипотеза возникла потому, что собранный лунный грунт состоит из тех же пород того же возраста, что и земной, но расплавленных и без наличия воды.
1. На чем основывается модель расширяющейся Вселенной?
2. Что такое однородность и изотропность Вселенной?
3. Что такое «красное смещение»?
4. В чем различие понятий: «Вселенная», «бытие», «космос», «Универсум»?
5. Что такое точка сингулярности?
6. Что такое реликтовое излучение?
7. Каковы этапы Большого взрыва?
8. Как образовались галактики и звезды?
9. Из каких частей состоит наша галактика?
10. Что такое темное вещество и темная энергия?
11. Почему светят звезды?
12. Какие процессы происходят в недрах звезд?
13. Чем красные гиганты отличаются от обычных звезд?
14. Каковы основные концепции происхождения звездных систем?
15. Каковы основные концепции происхождения Солнечной системы?
16. Чем различаются космология, космогония, астрономия, астрофизика, космонавтика?