Тема 4.4. Астрономия.

Основные понятия и термины по теме:

Вселенная. Галактика. Звезда. Солнечная система.

План изучения темы:

1. Вселенная.
2. Галактика.
3. Звёзды.
4. Солнце.
5. Солнечная система.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Под Вселенной мы понимаем материальный мир, рассматриваемый с астрономической точки зрения. Космология – это физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. Во Вселенной медленно происходят изменения, носящие необратимый характер, например ее расширение. В XX веке стали известны два экспериментальных факта, подтверждающих расширение Вселенной. Ясно, что понятие размеров Вселенной весьма условно: реальная Вселенная безгранична и нигде не кончается. Радиус видимой части Вселенной не может превышать расстояние, которое излучение, распространяющееся со скоростью света, проходит за время, равное возрасту Вселенной.

В соответствии с решениями Фридмана уравнений Эйнштейна, 12–15 миллиардов лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В сингулярном состоянии в нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса.

В первое время после Большого Взрыва Вселенная расширялась очень быстро. Именно в это время образовались элементарные частицы и ядра основных химических элементов, составляющих Вселенную. Впоследствии скорость расширения Вселенной замедлилась, а температура значительно понизилась; во Вселенной стали формироваться галактики и звезды.

Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. В них сосредоточено все видимое вещество во Вселенной. Масса нашей Галактики равняется приблизительно 2∙ 10¹¹M , а диаметр составляет 30 кпк. Галактика состоит из диска, гало и короны. Центральная, наиболее компактная область Галактики называется ядром. Центральная, наиболее плотная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж. Звездный диск содержит основное количество звезд в нашей Галактике.

Распределение звезд в Галактике имеет две ярко выраженные особенности: во-первых, очень высокая концентрация звезд в галактической плоскости, и, во-вторых, большая концентрация в центре Галактики.

Помимо звезд в галактики входят газовые и пылевые туманности, шаровые и рассеянные звездные скопления, межзвездная пыль, а также другие объекты.

Галактика излучает во всех диапазонах электромагнитного излучения. Анализ вращения показал, что в Галактике помимо гало, балджа и диска, вместе с находящимся в них наблюдаемым газом, есть большие массы несветящегося вещества, названного скрытой массой. Масса Галактики с учетом скрытой массы оценивается примерно в 10¹² масс Солнца. Многочисленные наблюдения позволили Хабблу разделить галактики на эллиптические (E), спиральные (S) и неправильные (Ir). Наша Галактика является спиральной. Наблюдаемое разнообразие галактик – следствие различных условий, в которых они образовались. Существуют также активные галактики и квазары, излучающие в тысячи и миллионы раз больше энергии, чем обычные галактики.

Звезды – наиболее распространенные из всех наблюдаемых космических объектов Вселенной.

Важнейшим параметром звезд является масса. Звездами называются газовые шары, масса которых превосходит 0, 08 масс Солнца.

Изучая свечение звезд, их спектры, установили, что атмосферы звезд состоят из водорода, гелия и примеси некоторых других элементов. Именно в звездах имеются условия для формирования более тяжелых элементов, чем гелий.

Температуры и светимости звезд заключены в очень широких пределах, но эти параметры не являются независимыми. Светимость звезд сравнивают со светимостью Солнца. Абсолютная звездная величина Солнца M = +4, 82^m. Светимость Солнца: L = 3, 58·10²⁶ Вт. Существуют звезды, в сотни тысяч раз более яркие и в сотни тысяч раз более слабые, чем Солнце.

Звезды главной последовательности – это нормальные звезды, похожие на Солнце, в которых происходит сгорание водорода в термоядерных реакциях. Главная последовательность – это последовательность звезд разной массы. Самые большие по массе звезды располагаются в верхней части главной последовательности и являются голубыми гигантами. Самые маленькие по массе звезды – карлики. Они располагаются в нижней части главной последовательности.

Глубокий эволюционный смысл имеет диаграмма спектр–светимость.

Звезды образуются в результате гравитационной неустойчивости в холодных и плотных молекулярных облаках. Поэтому звезды всегда рождаются группами (скоплениями, комплексами). Стадия развития звезды, характеризующаяся сжатием и не имеющая еще термоядерных источников энергии, называется протозвездой. В течение сотен тысяч лет холодное газопылевое облако ощутимо сжимается; температура в центре облака увеличивается до миллионов кельвинов. По достижению температуры в несколько миллионов кельвинов в центре начинаются термоядерные реакции. Минимальная масса, которая необходима для этого, составляет 0, 08 M .

В звездах главной последовательности происходит реакции так называемого протон-протонного цикла.

Красные сверхгиганты и гиганты – это стадия звездной эволюции после исчерпания запасов водорода в центре звезды. Образуется протяженная конвективная оболочка, растет светимость звезды. При этом звезда уходит с главной последовательности вправо. Начинается рост температуры в центре звезды.

Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы. Звезды скромных размеров и небольшой массы, включая и Солнце, в конце жизни, после стадии красного гиганта сжимаются и сбрасывают оболочку, превращаясь в белые карлики. Белые карлики имеют массу, не превышающую 1, 2 M , радиус в 100 раз меньше солнечного. Их плотность в миллион раз больше солнечной.

Нейтронные звезды образуются при вспышках сверхновых звезд, если первоначальная масса звезды была 10–40 M либо при аккреции вещества на белый карлик в тесной двойной системе. Они быстро вращаются вокруг своей оси и обладают сильным магнитным полем. Движущиеся заряженные частицы генерируют электромагнитные волны, которые излучаются узким быстровращающимся пучком. Нейтронные звезды отождествляются с пульсарами.

Если конечная масса звезды больше 3 M , то звезда становится черной дырой. Гравитационное поле столь массивной звезды так сильно сдавливает ее вещество, что звезда не может остановиться на стадии нейтронной звезды и продолжает сжиматься вплоть до гравитационного радиуса. Предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике около десяти миллионов.

Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние от Земли до Солнца равно 1 а. е. (149, 6 млн км) – свет идет до Солнца всего 8 минут.

Размеры Солнца во много раз превышают не только размеры больших планет, но и расстояния от большинства спутников до планет. Радиус Солнца в 109 раз, а масса – в 330 000 раз больше радиуса и массы Земли.

В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли. Газ сжат здесь до плотности около 150 000 кг/м³. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот).

Основной источник энергии – протон-протонный цикл. Это очень медленная реакция (характерное время протекания – 7, 9∙ 10⁹ лет), так как она обусловлена слабым взаимодействием. Суть реакции состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия.

Строение Солнца удалось уточнить с помощью гелиосейсмологии (колебания поверхности Солнца – отзвук тех волн, которые распространяются в его глубинах). Атмосфера Солнца состоит из фотосферы, хромосферы и короны. Фотосферой называется та часть атмосферы Солнца, в которой образуется видимое излучение. Ее толщина составляет всего 700 км. В фотосфере наблюдаются гранулы(светлые мелкие образования, размером 1000–2000 км), пятна (холодные области фотосферы, температура пятен около 3500–4500 К, размеры крупных пятен могут превышать 100000 км), факелы (светлые образования, окружающие пятна, температура факелов может достигать 8000 К, размеры – 30000 км).

Выше фотосферы расположена хромосфера Солнца, протяженностью 10000–15000 км. Над хромосферой могут наблюдаться протуберанцы – причудливой формы арки, фонтаны, облака. Над хромосферой находится корона – самая разреженная и самая горячая часть атмосферы Солнца, размеры которой превышают размеры более низких слоев в сотни раз. Солнце – это звезда, которая образовалась после взрывов сверхновых, состоящая не только из водорода и гелия, но и содержащая железо и другие элементы, звезда, около которой есть планеты, содержащие много тяжелых элементов. Около Солнца смогла сформироваться планетная система, на третьей планете которой – Земле – возникла жизнь.

Солнечная система – это комплекс небесных тел, объединенных происхождением, упорядоченностью движения и общностью физических свойств. Центральным телом Солнечной системы является Солнце. Вокруг него по эллиптическим орбитам вращаются девять больших планет; периоды T их обращения связаны с большими полуосями орбит a третьим законом Кеплера:

Обычно для измерения расстояний, сопоставимых по масштабам с радиусами планетных орбит, применяется астрономическая единица – длина большой полуоси земной орбиты. 1 а. е. = 149 млн км. Вокруг большинства планет обращаются спутники. У Земли всего один спутник – Луна, а количество спутников Юпитера, Сатурна и Урана измеряется в десятках, причем каждый год открываются новые.

Помимо обращения вокруг Солнца каждая планета вращается вокруг своей оси.

По характеристикам планеты делятся на две группы. К планетам земной группы, состоящим, в основном, из скалистых и металлических пород и имеющим небольшие размеры, относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – расположены дальше от Солнца; их металлические ядра окутывает плотная атмосфера из водорода, гелия и других газов. Помимо больших планет в Солнечную систему входят малые планеты (астероиды), составляющие два пояса; один из них находится между орбитами Марса и Юпитера, а второй – пояс Койпера, – за орбитой Нептуна. В настоящее время полагают, что Плутон является одним из объектов пояса Койпера. Далеко за поясом Койпера находится еще одно пылевое облако – облако Оорта. Кроме того, в Солнечную систему входят многочисленные кометы, облетающие Солнце по сильно вытянутым орбитам, межпланетная пыль и газ.

Солнечная система – не единственная планетная система во Вселенной. В последние годы обнаружено более 70 внесолнечных планет с массами 0, 15–17 масс Юпитера, вращающихся вокруг расположенных недалеко от Солнца звезд.

Практические занятия: