Физика

Тема 20: Астрономия

Урок 1: Введение в астрономию

Видео
Тренажер
Теория

Заметили ошибку?

Что и как изучает астрономия?

Шерлок Холмс утверждал, что он разбирается только в том, что ему необходимо для дела. Он различал грязь с разных улиц и определял сорт сигары по пеплу, но не знал, кто такая Жанна д’Арк и что Земля вращается вокруг Солнца. В чем-то он прав: человек достигает успеха, когда он увлечен одним делом и не распыляется. Но посмотрим на это под другим углом. Если человек научился считать ворон, сможет ли он сосчитать попугаев? Конечно! Это инструмент мышления, и его можно применять для решения многих задач.

Так и с другими инструментами и подходами: когда мы вырабатываем инструмент мышления, то начинаем смотреть на мир сквозь его призму. Научившись находить причинно-следственную связь, мы естественно ищем ее во всем: в движении чего-то, что мы толкнули; в промокших ногах и простуде; в отношениях между людьми и т. д. Мы научились делать обобщения и «изобрели» язык – всех индивидуально разных собак обобщили понятием «собака», и так со всеми словами. И с тем же подходом пришли к понятию модели в науке: абстрактное понятие «треугольник» позволяет одинаково описывать форму индивидуально разных реальных предметов. Шерлок Холмс не исключение из этого правила, он не изменил своим инструментам мышления. «…мои глаза говорят мне, что, скорее, Солнце вращается вокруг Земли», – как всегда у Холмса, логичный вывод из того, что он увидел.

Человек научился выявлять закономерности в окружающем его мире и явлениях, научился их применять – многие такие закономерности мы изучили на уроках физики. Естественно, что, глядя на звезды, человек замечает то, что привык замечать: что они смещаются, что их то видно, то не видно… И он задается теми же вопросами, которыми привык задаваться: «как?», «почему?».

Эти вопросы, касающиеся небесных тел, выделили в отдельную науку – астрономию, с древнегреческого – наука о законах, которым подчиняются звезды ( = звезда + закон). Если расширить понятие и не ограничиваться звездами, это наука о движении и взаимодействии внеземных объектов. По мере изучения этих вопросов возникли другие, вот некоторые из них:

происхождение внеземных объектов и Земли;
рождение Вселенной в результате «большого взрыва»;
последовательное образование химических элементов;
образование и гибель звезд и других небесных тел.

Наука предоставляет алгоритмы, при помощи которых собираются и упорядочиваются знания об объекте, о природе. Какие это объекты в астрономии – нам уже понятно. И среди методов те же, которыми мы уже неоднократно пользовались: сначала мы что-то наблюдаем, делаем предположения о том, что заметили, разрабатываем модели и гипотезы и ставим эксперименты, чтобы эти гипотезы проверить. Если проверка была неуспешной, то ученые уточняют модель, переформулируют гипотезу и вновь тестируют их. В этом суть научного метода.

Эксперимент без гипотезы не поставишь, это понятно, мы ведь создаем модельные условия. Но гипотезу можно даже поставить на первое место, перед наблюдением. Чтобы что-то наблюдать, нужно понимать, что мы наблюдаем. Какая-то часть гипотезы сидит у нас в голове, мы этого даже не замечаем. Например, что движущееся более важно, потому что оно может быть более опасным. Без гипотезы мы не знаем, на что обратить внимание, не различаем отдельные объекты – как для фотоаппарата без интеллекта любое изображение бессмысленно.

Наука и религии

Раньше во многих известных нам культурах считалось, что все происходящее в мире создают боги. Ветер дует благодаря богу ветра, урожай созревает благодаря богу плодородия и т. д. Мы знаем такие представления как языческие.

Года различных времен совершаются в строгом порядке,

Но не могли распознать, почему это так происходит,

И прибегали к тому, что богам поручали все это,

Предполагая, что все направляется их мановеньем.

(Лукреций. О природе вещей)

Такие представления были препятствием к тому, чтобы человек анализировал происходящие явления, находил закономерности и влиял на них. Какие могут быть закономерности, если все зависит от прихоти богов? Разбираться в них бессмысленно, нужно только ублажать богов подношениями и надеяться на их благосклонность.

Пришедшее на смену язычеству христианство и вообще монотеистические религии сыграли важную роль в развитии науки. Так как Бог один, и он Всеблагой, он все сделал по некоему закону, рационально, поскольку он разумен. А раз все происходит по Замыслу Божьему, то можно находить закономерности, формулировать законы и строить теории, чем и занялись ученые.

Понятно, что в астрономии сложно с экспериментами. Гораздо больше возможностей для наблюдения, и важно, как полученные с помощью наблюдений данные обработать. Вы наверняка слышали о средневековом споре: вращается ли Солнце и остальные планеты вокруг Земли или же Земля вращается вокруг своей оси, а также вместе с остальными планетами вокруг Солнца. К этому спору относится знаменитая фраза: «И все-таки она вертится», которую якобы произнес Галилей уже после того, как инквизиция заставила его отречься от своих убеждений.

Давайте разберемся в споре, из-за которого людей несколько столетий назад сжигали на кострах. Геоцентрическая система мира («гео» – Земля, то есть система мира, в которой Земля расположена в центре, и все планеты и Солнце вращаются вокруг нее) возникла естественно: каждый день наши предки видели, как Солнце, Луна и другие объекты движутся по небу. Эта модель (модель Птолемея, см. рис. 1) существовала довольно долго еще и потому, что давала вполне пригодные предсказания.

Рис. 1. Модель Птолемея

На уроках физики в модели кинематики мы определились, что движение относительно и определяется системой отсчета. «Назначить» таким центром можно что угодно, и рассматривать остальной мир относительно себя (и небесные тела относительно Земли) вполне естественно, что и предполагает модель Птолемея. Движение Солнца и Луны в такой системе отсчета описывалось неплохо, а вот с движением планет были проблемы.

Тихо Браге собрал большой массив данных о движении планет, которое оказалось гораздо сложнее, чем предсказывалось в геоцентрической модели (см. рис. 2). И переход к системе отсчета, связанной с Солнцем (гелиоцентрической системе) позволил описать это движение намного проще.

Рис. 2. Сложная траектория планеты в геоцентрической системе

Представляете гениальность догадки, когда сложное движение Марса (рис. 2) после идеи: «А что, если рассмотреть центр орбиты в центре Солнца?» превращается в простое движение по окружности? Но когда все вокруг убеждены в какой-то системе, предложить что-то принципиально новое, додуматься, что можно это систему поменять, дорогого стоит. В этом и важность вклада Николая Коперника, Галилео Галилея, Джордано Бруно и других ученых того времени.

В чем именно ошибочность геоцентрической системы?

Мы обсудили, как развивались представления об устройстве Солнечной системы, и теперь можем ответить, являлась ли заблуждением геоцентрическая система. С одной стороны, утверждение, что планеты Солнечной системы вращаются вокруг Земли, неверное, а с другой – движение можно рассматривать в любой системе отсчета, так почему бы не взять систему отсчета, связанную с Землей?

Действительно, работать в системе отсчета, связанной с Землей, не ошибка. Но ошибкой было считать, что траектории движения планет вокруг Земли близки к круговым и Земля находится в центре этих окружностей. Эту модель чаще всего подразумевают под геоцентрической (см. рис. 3). Центр окружности (приблизительной окружности), по которой движется Луна, действительно совпадает с Землей, и в этом смысле можно считать, что она вращается вокруг Земли.

Рис. 3. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы

Траектории движения планет близки к круговым в системе отсчета, связанной с Солнцем, и Солнце находится приблизительно в центре этих окружностей. В этом смысле планеты движутся вокруг Солнца. Их движение можно рассмотреть и относительно Земли, но в этой системе отсчета его будет сложнее описать.

Также развитие астрономии зависит от приборов: усовершенствовалась оптическая линза, созданы приемники излучения других спектров, не только оптического, получила развитие радиоастрономия. Появилась возможность запускать в космос ракеты, космические зонды, которые присылают нам все более качественные снимки небесных тел и даже пробы грунта. И все новые полученные данные ставят перед нами задачи, которые требуют новых гипотез.

Земля и Луна

Прежде чем подробно изучить модели и закономерности, которые были получены для небесных объектов, давайте вкратце ознакомимся с этими объектами. Начнем с особого объекта – Земли (см. рис. 4).

Рис. 4. Земля

Мы не видим ее на небе и до недавнего (по историческим меркам) времени наблюдали за остальными объектами только с Земли, не видя ее саму со стороны. Но Земля – это один из объектов в космосе, которые движутся друг относительно друга, и это движение можно рассматривать в разных системах отсчета. Мы уже обсудили две такие системы отсчета: связанную с Землей (она естественна для нас, находящихся на Земле) и связанную с Солнцем (она позволяет удобнее описать движение планет). Можно рассмотреть еще сколько угодно систем отсчета, и в них Земля ничем не выделяется среди других планет. Так что хоть на первый взгляд она и не воспринимается своими обитателями как космический объект, она является объектом изучения астрономии.

Наблюдения из точек за пределами Земли

Долгое время Земля не воспринималась человечеством как такой же космический объект, как другие планеты и не только. Это понятно, ведь мы проводили все наблюдения, находясь на Земле, и не могли увидеть ее со стороны. Анализируя результаты наблюдений, мы пришли к модели, в которой Земля ничем не выделяется среди других планет, но долгое время это подтверждалось косвенно. О форме и размере Земли можно судить, совершая кругосветные путешествия и измеряя расстояния, описать движение Земли в Солнечной системе можно, наблюдая за движением других объектов относительно Земли.

Но сейчас есть возможность непосредственно увидеть Землю со стороны и вообще наблюдать Вселенную из других мест, кроме Земли. Такая возможность появилась, начиная с первого советского искусственного спутника Земли. Наблюдателя там не было, но на искусственный спутник можно поместить камеру. Орбитальный полет Гагарина – это первый случай уже непосредственного наблюдения человеком Земли со стороны. Высадка американских астронавтов на Луне, запуска множество автоматических космических аппаратов к различным телам Солнечной системы – все это возможности проводить астрономические наблюдения в разных системах отсчета.

Земля – это вращающийся вокруг своей оси и движущийся по замкнутой орбите вокруг Солнца объект, по форме близкий к шару, с ядром, состоящим в основном из железа. Большую часть поверхности Земли покрывает вода, также вся планета окружена газовой атмосферой, содержащей азот, кислород и другие газы. Для нас этот шар огромен, но есть множество небесных тел крупнее Земли: это и большинство планет Солнечной системы, и Солнце, и другие звезды.

Знания о Земле позволяют астрономам строить гипотезы о свойствах других планет. Например, извержения вулканов и горячие фонтаны гейзеров говорят о том, что внутри Земля очень горячая. Извержения вулканов влияют на формирование земных ландшафтов, а потоки расплавленных металлов под земной корой определяют магнитное поле Земли. Увидев похожие ландшафты у наших ближайших соседей-планет: Венеры и Марса, – астрономы, естественно, предположили, что они тоже внутри раскаленные.

Ближайшее к Земле тело, которое видно на небе невооруженным глазом, – это Луна, единственный естественный спутник Земли. Луну можно считать шаром с радиусом, приблизительно в 4 раза меньшим, чем у Земли (приблизительно 6400 км у нашей планеты и, соответственно, около 1600 км у Луны). Этот шар вращается вокруг своей оси и вокруг Земли на расстоянии около 384 000 км. Причем вращается таким образом, что Луна всегда повернута к Земле одной стороной. Ее обратную сторону люди увидели впервые в 1959 году на фотографии, сделанной советской автоматической станцией «Луна-3», облетевшей Луну (см. рис. 5).

Рис. 5. Космический аппарат, отправленный на Луну, и сделанный им снимок

У Луны нет атмосферы, ее пустынная, пыльная и каменистая поверхность испещрена кратерами. Поверхности Луны и Земли так отличаются в том числе и из-за разных соотношений размеров и масс. Масса Луны в 80 раз меньше, чем масса Земли, а о соотношении радиусов мы уже сказали.

Точные значения масс и радиусов можно посмотреть в справочнике и, зная их, найти ускорение свободного падения и первую космическую скорость для Луны. Окажется, что ускорение свободного падения на Луне приблизительно в 6 раз меньше, чем на Земле, а первая космическая скорость – в 4,7 раза меньше. Например, поэтому у Луны практически нет атмосферы. Молекулы газов преодолевают притяжение Луны и улетают от нее (их средняя скорость выше первой космической для Луны).

Солнечная система

Кроме Земли, вокруг Солнца вращается множество других объектов. Среди них выделили самые крупные и сравнительно близкие (расстояния, сопоставимые с расстоянием от Солнца до Земли). Таких объектов выделили 8 и назвали их планетами.

Вот все планеты Солнечной системы в порядке удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (см. рис. 6).

Рис. 6. Планеты Солнечной системы

У планет разные размеры, поверхности, атмосферы. Перечислим любопытные факты о каждой из планет.

У Меркурия нет атмосферы, а поверхность покрыта кратерами – древними «шрамами» от ударов астероидов.
Поверхность Венеры полностью скрыта облаками из капель серной кислоты.
Земля из космоса выглядит очень красочно: белые облака, голубой океан, зеленые леса и желтые с красным пустыни.
Глубокие каньоны и плоские пустыни покрывают красноватую поверхность Марса. Когда-то они могли быть реками, озерами или даже океанами.
Сильнейшие ураганы проносятся в атмосфере самой большой планеты, Юпитера. Один из них, длина и ширина которого больше диаметра Земли, длится уже сотни лет.
Триллионы кусков льда вращаются вокруг второй по величине планеты – Сатурна, образуя светлые кольца.
Уран окружен темными кольцами из достаточно крупных объектов, которые, возможно, образовались из разрушившихся спутников Урана.
Облака метана движутся в синей атмосфере Нептуна.

Уран и Нептун можно видеть на небе, только воспользовавшись хорошим биноклем, остальные планеты видны невооруженным глазом. Мы их видим, потому что они освещены солнечным светом, то есть они «светят» отраженным светом Солнца. Но мы не замечаем, что именно это за свет, тем более на таком расстоянии, это просто небольшие светящиеся точки, поэтому невооруженным глазом их можно спутать со звездами (см. рис. 7).

Рис. 7. Изображение планет с любительского телескопа

Видимое движение планет

Расстояние от нас до звезд намного больше, чем до планет Солнечной системы, поэтому движение звезд трудно зарегистрировать, а заметное с Земли смещение занимает многие тысячи и миллионы лет. А вот планеты движутся вокруг Солнца на сравнимых расстояниях и со сравнимыми периодами (см. рис. 8), поэтому, находясь на одной из таких планет, мы замечаем движение остальных.

Рис. 8. Орбиты планет (масштабы изменены для наглядности)

На фоне звезд, кажущихся на ночном небе неподвижными, смещение планет можно отследить. Отсюда и название «планета»: на древнегреческом πλανήτης – «блуждающий, скиталец». В литературе встречается слово «фланировать», которое означает «прогуливаться, прохаживаться безо всякой цели»: «По широкому коридору, как маятники, фланировали классные дамы в синих форменных платьях».

Земля – планета средних размеров и массы. Масса Юпитера в 300 раз больше земной, он массивнее всех остальных планет, вместе взятых. На верхнем рисунке в одинаковом масштабе представлены первые четыре планеты. На нижнем рисунке в другом масштабе представлены 4 гигантские планеты в сравнении с Землей.

Рис. 9. Размеры планет

Еще одним хорошо заметным на небе объектом является Солнце. Солнце относят к звездам, оно обладает похожими свойствами с другими звездами. Это огромный шар, состоящий в основном из водорода и гелия. Диаметр Солнца в 100 раз больше земного, а масса больше в 300 000 раз. Земля по сравнению с Солнцем как булавочная головка по сравнению с волейбольным мячом, а Юпитер – как небольшая монета. Масса Солнца в 1000 раз больше суммарной массы планет (см. рис. 10).

Рис. 10. Солнце и его размеры в сравнении с планетами

На рисунке размеры Солнца и планет представлены в одном масштабе, но расстояния между этими объектами в этом же масштабе не поместились бы на рисунке. Землю (это на рисунке третья от Солнца белая точка) пришлось бы сдвинуть на 10 метров вправо, а Нептун (крайний голубой кружок) – приблизительно на 30 метров (зависит от размеров экрана вашего устройства).

Если бы на месте Солнца была такой же массы и размеров холодная планета, на движении Земли это могло бы не сказаться, но жизнь на Земле была бы невозможна. Определяющим здесь является не размер и масса, а производство огромного количества энергии. Внутри Солнца постоянно идет ядерная реакция превращения водорода в гелий. Эта энергия излучается с поверхности Солнца, освещая и нагревая планеты.

В ядерной реакции выделение энергии сопровождается уменьшением массы и, естественно, расходом топлива. А поскольку запасы топлива (массы) ограничены, Солнце со временем должно погаснуть. Солнце светило более 4 миллиардов лет, оно будет светить еще 5–6 миллиардов лет. Это астрономы выяснили, изучая другие звезды, среди которых есть и более старые, и более молодые по сравнению с Солнцем. Более того, астрономы часто наблюдают рождение новых и гибель старых звезд.

Солнце и восемь планет, вращающихся вокруг него, – это самые большие объекты Солнечной системы, к которой относят еще множество более мелких объектов, вращающихся вокруг Солнца. Это множество карликовых планет, миллионы астероидов и комет. К Солнечной системе относят и спутники планет. Некоторые из них сами могут иметь сравнимые с планетой Меркурий размеры.

Условность классификации

В природе нет четкого разделения небесных тел на звезды, планеты, астероиды и т. д. Мы сами решаем, как и по каким признакам их классифицировать. Да и небесные тела мы выделяем сами. Где граница планеты, состоящей из газа? А относить ли к планете ее атмосферу? Скорее всего, да. А где граница атмосферы, если она размыта? Относить ли объекты к Солнечной системе, если от Солнца один дальше другого, но второй движется вокруг Солнца? Такие границы условны. Как условна любая классификация.

Яркий пример – Плутон, который сейчас не относят к планетам (считают карликовой планетой). А до середины 2006 года его считали 9-й планетой Солнечной системы. Хотя самому Плутону «все равно», как мы его называем. На его свойства и поведение это никак не влияет.

Мы для своего удобства выделяем свойства, которые считаем важными. Например, то, что светится и выделяет энергию, называем звездой; холодное, крупное и вращающееся вокруг звезды – планетой, то, что вращается вокруг планеты, – спутником и т. д. И если мы находим объект, который объединяет разные свойства (например, слишком крупный и круглый для астероида, но слишком мелкий для планеты), то нет смысла спорить, куда его отнести. Мы эту классификацию придумали сами, поэтому можем решить, к какой группе отнести объект, или придумать для него новую (как с карликовыми планетами).

Рис. 11 – Орбиты планет Солнечной системы в двух масштабах

Рисунок A (см. рис. 11) выполнен в таком масштабе, при котором хорошо различимы орбиты так называемых внутренних планет Солнечной системы (Меркурия, Венеры, Земли, Марса), а масштаб рис. 11 B позволяет разглядеть орбиты дальних планет (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна). Между орбитами Марса и Юпитера (рис. 11 A) расположен пояс астероидов, имеющих разные размеры и неправильную форму. Относительно этого пояса часть планет и назвали внутренними. В этом поясе лежит орбита карликовой планеты Цереры. В отличие от астероидов она достаточно массивна, чтобы за счет гравитации принять круглую форму (см. рис. 12).

Рис. 12. Пояс астероидов (подсвечен на рисунке слева) и карликовая планета Церера (подсвечена на рисунке справа)

В то же время ее масса недостаточна, чтобы притянуть и захватить движущиеся по близким орбитам астероиды. Истинным планетам это удалось: они очистили свои орбиты от астероидов.

За орбитой Нептуна находится еще один пояс из огромного числа небольших по сравнению с планетами каменных и ледяных объектов – пояс Койпера. «Ледяных» не означает, что эти объекты обязательно содержат воду, лед может быть из твердого метана, углекислоты и т. д. На рис. 13 B приведены орбиты двух карликовых планет пояса Койпера: Плутона и Эриды. Как видно из рисунка, они тоже не смогли очистить свои орбиты от астероидов.

Рис. 13. Пояс Койпера (подсвечен на рисунке слева). Карликовые планеты Плутон и Эрида (подсвечены на рисунке справа)

Здесь же, на периферии Солнечной системы, движутся миллионы небольших комет. Разглядеть такие малые объекты на огромном расстоянии невозможно, но, когда комета приближается к Солнцу, ее лед испаряется и образуется видимый хвост. Он направлен в сторону от Солнца, это пары и пыль, на которые действует световое давление и солнечный ветер. Многие звезды, подобно Солнцу, имеют планетные системы. Астрономы внимательно ищут в космосе так называемые экзопланеты, спутники других звезд, в надежде найти такие, где есть условия для возникновения жизни.

Галактические скопления и Вселенная

Прежде чем перейти к объектам за пределами Солнечной системы, давайте договоримся, как удобнее измерять расстояния в таких масштабах. Астрономы имеют дело с расстояниями и временем, которые в обычных единицах измерения выражаются чудовищно большими числами, их мы называем астрономическими.

Большие расстояния, например 450 000 000 км, удобнее записывать в виде . Но удобство записи не единственная важная вещь. Мы вообще проводим измерения, чтобы величины можно было сравнивать, а сколько это – непонятно. Другое дело, если сказать: это три расстояния от Земли до Солнца. Для расстояний в пределах Солнечной системы так и поступают, только в науке единицу измерения важно четко определить. Траектория движения Земли вокруг Солнца не круговая, она вытянута, поэтому взяли среднее расстояние от Солнца до Земли, а это 149 597 870 700 м, и единицу измерения, равную этому расстоянию, назвали астрономической единицей (а.е.). Тогда расстояние от Солнца до Меркурия 0,4 а.е., до Нептуна – около 30 а.е. Сейчас размеры Солнечной системы оценивают в 100 000 а.е., на таком расстоянии могут оказаться некоторые вращающиеся вокруг Солнца кометы.

Для измерения расстояния до звезд и галактик а.е. слишком маленькая величина. Ближайшая к нам (после Солнца) звезда находится на расстоянии около , но многие звезды находятся на расстояниях в миллионы и даже миллиарды раз дальше. Как измерять такие расстояния?

Часто мы выражаем расстояние через время: «пять минут ходьбы» или «сутки на поезде». Не нужно даже подробно объяснять: это расстояние, которое проходит поезд за сутки. Астрономы пошли еще дальше, придумали единицу световой год – расстояние, которое свет проходит за год. Только со световым годом получилось лучше: темп ходьбы у каждого свой, и поезда бывают разные, а скорость света в вакууме фиксирована, вспомните из уроков физики, приблизительно 300 000 км/с.

Можете посчитать, какое расстояние с такой скоростью проходит свет за год, это приблизительно . Таким образом,

Иногда время, за которое свет преодолевает данное расстояние, не информативно. Давайте проведем аналогию со звуком: до того дерева так далеко, что звук от него распространяется 5 секунд. Представили? Ну, как-то представили. А такое объяснение: до того дерева так далеко, что слон выглядит как булавочная головка. Так понятнее? Для кого-то – да. По похожему принципу для решения некоторых задач в астрономии ввели еще одну величину: парсек. Это такое расстояние, с которого объект размером 1 а.е. виден под углом в одну угловую секунду (см. рис. 14). И это расстояние приблизительно равно:

Рис. 14. Определение парсека.

Основную информацию из космоса астрономы получают в виде электромагнитного излучения: это и видимый свет, и излучение других диапазонов, которые мы не видим, но регистрируем с помощью приборов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоволны разных диапазонов и другие). Например, здесь, на Земле, мы исследуем нагретые предметы по инфракрасному излучению, так же можно поступать и с небесными телами.

Все эти виды излучения распространяются с максимальной в природе скоростью 300 000 км/с. Удивительно, что поскольку свет имеет конечную скорость, то астрономы сегодня ощущают историю Вселенной. Когда мы смотрим на Парфенон, мы видим то, что было сделано в античности. Когда до нас письмо от родственников идет неделю и там написано: «Сегодня хороший день», мы понимаем, что это «сегодня» было неделю назад. Конечно, для родственников этот день тоже прошел неделю назад: если бы мы могли без преград на них посмотреть или хотя бы позвонить по видеосвязи.

Но современная физика не знает ничего более быстрого, чем свет. Поэтому если астроном наблюдает звезду, находящуюся на расстоянии 500 световых лет, то последние известия о состоянии этой звезды будут 500-летней давности, более поздних новостей нет. Для астронома «сейчас» – это момент прибытия света к его глазу. И это «сейчас» разное при наблюдении разных звезд – такая себе «машина времени», позволяющая видеть прошлое звезд.

У этого есть важное следствие. Наблюдая все более удаленные объекты, астрономы узнают о более ранних событиях во Вселенной. Поэтому очень большое значение приобрели огромные наземные и космические телескопы, которые позволяют увидеть объекты, удаленные на миллиарды световых лет, и тем самым увидеть Вселенную такой, какой она была миллиарды лет назад.

Звезды распределены не равномерно, и можно выделить их скопления – галактики. Ближайшие к Солнцу звезды образуют галактику, называемую Млечный путь. Название объясняется видом этой галактики на небе – светлая полоса, напоминающая пролитое молоко. Галактика Млечный путь – это скопление нескольких сотен миллиардов звезд, которое в мелком масштабе выглядит как плоское спиралевидное облако (см. рис. 15).

Рис. 15. Млечный путь с двух ракурсов и положение в нем Солнца

Рисунки построены по данным звездного каталога, в нем приведены небесные координаты всех известных звезд и их светимости. В построении структуры галактики (рис. B) также использованы данные телескопических наблюдений. Радиус орбиты Солнца (расстояние от центра галактики) – 27 000 св. лет, один оборот Солнце совершает за 210 миллионов земных лет.

Галактик во Вселенной великое множество. Все они, кроме звезд, содержат огромные облака газов и пыли. Некоторые из таких облаков значительно больше Солнечной системы и являются местом рождения и гибели звезд. Материя космических облаков может собраться и сжаться силами гравитации, образовав новую звезду. Иногда звезды взрываются, пополняя галактические облака газами и пылью. Своего рода круговорот материи.

Подобно тому, как скопления звезд образуют галактики, можно выделить и скопления (группы, кластеры) галактик. Наш Млечный путь относится к так называемой Местной группе, в ней несколько десятков галактик, а диаметр ее – несколько миллионов световых лет (см. рис. 16).

Рис. 16. Местная группа

В свою очередь Местная группа сама является членом еще большего скопления групп галактик, называемого сверхскоплением (суперкластером) Девы (см. рис. 17). Девы, потому что сверхскопление с Земли видно в направлении этого созвездия. Наше сверхскопление состоит из сотен галактических групп и кластеров и имеет размер более 100 миллионов св. лет.

Рис. 17. Сверхскопление Девы

И это не все известные небесные тела, известно множество других сверхскоплений, и скопление сверхскоплений назвали Великий Аттрактор. Оно имеет размер более 300 млн. св. лет и расположено в области созвездий Гидры и Кентавра. Скопление сверхскоплений (кластер суперкластеров) – это крупнейший известный объект во Вселенной. Больше него только сама Вселенная.

Возраст Вселенной астрономы оценивают в 13,8 млрд земных лет. Таким образом, радиус видимой Вселенной, т. е. расстояние, на котором мы в принципе можем что-то обнаружить, – это 13,8 млрд св. лет. Изображение самых дальних галактик, которые люди смогли получить с помощью самых современных телескопов, соответствует времени их возникновения. Сказанное не означает, что на расстоянии 13,8 млрд св. лет Вселенная заканчивается, что дальше ничего нет. Скорее это означает, что мы не можем ничего видеть за этим пределом.

Силы во Вселенной

Структуры Вселенной создает гравитация. Она удерживает Луну на земной орбите, Землю – на орбите вокруг Солнца, Солнце – на орбите вокруг центра Млечного пути и т. д. Из уроков физики вы знаете, что гравитация – основная сила в космических масштабах, а на меньших расстояниях доминируют другие силы: электромагнитные взаимодействия формируют атомы и молекулы, определяют их структуры и свойства; сильные взаимодействия превалируют на субатомных расстояниях, они создают элементарные частицы нейтроны протоны из кварков.

Слабые взаимодействия связаны с электромагнитными и, действуя вместе с ними в субатомных масштабах, играют основную роль в радиоактивном распаде. Поэтому от слабых взаимодействий зависит, будет ли светить звезда и насколько ярко. В отличие от других сил, которые притягивают или отталкивают материальные объекты, слабое взаимодействие играет основную роль в преобразовании материи из одной формы в другую, например массы в энергию.

Слабое взаимодействие можно буквально считать слабым только в сравнении с электромагнитным и сильным, в своем масштабе действия оно в триллионы триллионов раз сильнее гравитации. Уникальная роль гравитации в космосе определяется тем, что, во-первых, она медленнее других сил уменьшается с увеличением расстояния между объектами, и, во-вторых, всегда только притягивает объекты друг к другу (другие же силы в одних случаях притягивают объекты, а в других отталкивают их и могут компенсировать друг друга).

В науке постоянно возникают новые задачи, которые не всегда получается решить и подобрать хорошую гипотезу для их объяснения. Вот некоторые такие задачи. Наблюдения и расчеты указывают на то, что на звезды в галактиках и на галактики в скоплениях галактик действуют такие сильные гравитационные силы, какие не может обеспечить масса наблюдаемых объектов. Поэтому астрономы считают, что в указанных скоплениях имеются еще массы, которые не светят ни в какой части спектра и, следовательно, недоступны наблюдению. Их назвали темной материей.

Астрономы не знают, из чего она состоит и какие взаимодействия удерживают ее части. Но гипотеза, что она существует, объясняет движение звезд и галактик, и, по расчетам, гравитационного эффекта темной материи во Вселенной должно быть в пять раз больше, чем светящейся.

Расстояния между галактиками непрерывно увеличиваются, это расширение Вселенной началось 13,8 млрд лет назад во время так называемого Большого взрыва. Современная наука считает, что в этот момент образовались пространство и время, начался разлет материи. Однако в последние годы было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, т. е. какие-то неизвестные силы преодолевают гравитационное притяжение галактик, т. е. совершают определенную работу. Приходится предполагать, что в пустом пространстве есть энергия, обеспечивающая эту работу. Поскольку природа этой энергии неизвестна, ее тоже назвали темной энергией.

Если по формуле энергии привести в соответствие массу, то суммарная масса темной материи и темной энергии Вселенной во много раз превосходит суммарную массу всех наблюдаемых космических объектов (звезд, галактик, газовых облаков и т. д.).

Список литературы

Левитан Е. П. Астрономия. 11 класс: учеб. пособие для общеобразоват. организаций : базовый уровень. – М.: Просвещение, 2018.
Воронцов-Вельяминов Б.А., Страут Е.К. Астрономия 10-11, базовый уровень. – М.: Дрофа, 2019.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

Запишите адрес Земли, начиная с Солнечной системы.
Перечислите все карликовые планеты Солнечной системы и приведите их краткие характеристики.

Вернуться к теме Урок 2

Видеоурок: Введение в астрономию по предмету Физика за 11 класс.