нию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки – протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших и больших размеров, и, наконец, сформировались 9 больших планет. Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты.

Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно присоединились к этим планетам либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны благодаря гравитационному воздействию планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые, в конечном счете, объединились в одно тело – Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя в литературе продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

2.20. Солнце как звезда

Солнце – центральное тело Солнечной системы – представляет собой очень горячий плазменный шар. Солнце – ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца – 1,99×1030 кг (в 332 958 раз больше массы Земли). В Солнце сосредоточено 99,87% массы всей Солнечной системы. Расстояние от Земли до Солнца составляет в среднем 1,496×1011 м (астрономическая единица). Диаметр Солнца – 1,392×109 м (в 109 раз больше диаметра экватора Земли).

Солнце как звезда является типичным желтым карликом. Скорость его движения относительно совокупности ближайших звезд – 19,7×103 м/с. Солнце расположено в одной из спиральных ветвей нашей Галактики на расстоянии около 10 кпс от её центра. Период обращения Солнца вокруг центра Галактики – около 200 млн. лет. Возраст Солнца – около 5 млрд. лет.

Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением вышележащих слоев. Температура также растет по мере приближения к центру. В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоев, постепенно переходящих друг в друга.

В центре Солнца температура составляет 15 млн. градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области радиусом примерно в 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Вещество приходит в движение и начинает само переносить тепло.

Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его атмосферой. Распространяясь в верхние слои солнечной атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере (нижней части атмосферы Солнца), передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы – хромосферы и короны.

Корона представляет собой сильно разреженную высоко ионизованную плазму с температурой 1-2 млн. градусов. Горячая плазма сильно излучает и поглощает радиоволны. Поэтому наблюдаемое солнечное радиоизлучение на метровых и дециметровых волнах возникает в солнечной короне.

Солнечной активностью называют совокупность явлений, периодически возникающих в солнечной атмосфере. Проявления солнечной активности тесно связаны с магнитными свойствами солнечной плазмы. Возникновение активной области начинается с постепенного увеличения магнитного потока в некоторой области фотосферы. Примерно на тех же участках наблюдается увеличение яркости в белом свете – факелы.

43

Через 1-2 дня в активной области возникают солнечные пятна в виде маленьких черных точек – пор. Многие из них вскоре исчезают, и лишь отдельные поры за 2-3 дня превращаются в крупные темные образования. Важнейшая особенность пятен – наличие в них сильных магнитных полей, достигающих напряженности в несколько тысяч эрстед. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля. Магнитное поле подавляет конвективные движения газа, переносящие энергию из глубины вверх. Вследствие этого в области пятна температура оказывается меньше примерно на 1000 К. Большей частью пятна возникают группами, в которых выделяются два больших пятна.

Самое мощное проявление солнечной активности – это вспышки. Они происходят в сравнительно небольших областях хромосферы и короны, расположенных над группами солнечных пятен. По своей сути вспышка – это взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы. Продолжается вспышка обычно около часа. Общее количество энергии, выделяющейся при взрыве, составляет от 1023 до 1025 Дж. При этом энергия магнитного поля переходит в другие формы. В электромагнитное излучение переходит примерно половина всей энергии. Это излучение может наблюдаться в видимых, ультрафиолетовых, рентгеновских лучах и даже гамма-лучах. Другая половина энергии вспышки идет на ускорение, иногда до релятивистских скоростей, элементарных частиц, главным образом электронов и протонов. Поток таких частиц добавляется во время вспышек к общему потоку космических лучей, наблюдаемых вблизи Земли. Излучение солнечных вспышек оказывает особо сильное воздействие на верхние слои земной атмосферы и ионосферу и приводит к возникновению целого комплекса геофизических явлений.

Наиболее грандиозными образованиями в солнечной атмосфере являются протуберанцы – сравнительно плотные облака газов, возникающие в солнечной короне, вследствие выбросов вещества из хромосферы. Типичный протуберанец имеет вид гигантской светящейся арки, опирающейся на хромосферу и образованной струями и потоками более плотного и холодного, чем окружающая корона, вещества.

Области на Солнце, в которых наблюдаются интенсивные проявления солнечной активности, называются центрами солнечной активности. Эпоху, когда количество центров солнечной активности наибольшее, считают максимумом солнечной активности, а когда их совсем нет или почти нет – минимумом. Максимумы и минимумы чередуются в среднем с периодом 11 лет. Это составляет так называемый одиннадцатилетний цикл солнечной активности.

Самые внешние и наиболее горячие слои солнечной атмосферы – солнечная корона – как бы испаряются в межпланетное пространство. Таким образом, возникает поток вещества, текущего от Солнца, который представляет собой дующий от него плазменный ветер. Поток частиц составляет в среднем сотни миллионов частиц (главным образом, протонов и электронов) через квадратный сантиметр за секунду. На расстоянии Земли этот ветер «обдувает» верхние слои земной атмосферы со скоростью около 450 км/с. В каждом кубическом сантиметре вещества, проносящегося мимо Земли, содержится в среднем 5 протонов и столько же электронов.

Солнечный ветер вытягивает далеко в межпланетное пространство силовые линии солнечных магнитных полей, концы которых прочно удерживаются солнечной атмосферой. Вращение Солнца придает силовой линии форму спирали. Вследствие этого общая структура межпланетной среды имеет вид спиральных секторов, причем в пределах каждого из этих секторов магнитное поле направлено примерно одинаково. Земная магнитосфера находится под постоянным воздействием солнечного ветра. Особенно заметно она реагирует на прохождение через границы секторов, когда резко меняются направление и величина напряженности магнитного поля в солнечном ветре, а также скорость и плотность потока плазмы. Под влиянием солнечного ветра магнитосфера Земли принимает характерную обтекаемую форму.

Земное магнитное поле защищает верхние слои земной атмосферы от непосредственного воздействия солнечного ветра. Тем не менее, в областях высоких географических широт частицы солнечного ветра имеют возможность непосредственно проникать в верхние слои земной атмосферы. При этом они пополняют энергичными частицами области радиационных поясов и вызывают полярные сияния.

Солнечные пятна являются областями с очень сильным магнитным полем, превышающим собственное поле Солнца в тысячи раз. В годы повышенной активности Солнца эти приэкваториальные области формируют межпланетное магнитное поле. Потоки плазмы, выбрасываемые из

44

этих областей, несут с собой магнитное поле, которое оказывает в последствии сильное влияние на магнитосферу Земли, а через нее на ионосферу. На Земле солнечная активность проявляется как явно, в виде увеличения числа магнитных бурь и их силы, повышения интенсивности северных сияний, так и неявно, влияя на урожайность сельскохозяйственных культур, интенсивность роста деревьев, изменяя вероятность вспышек эпидемиологических заболеваний (холера, дизентерия, чума).

2.21.Мегамир: звезды, туманности

Вночном небе невооруженным газом можно видеть около 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится все более затруднительным. В астрономические каталоги «поштучно» занесены все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около

миллиона. А всего доступно нашему наблюдению около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 1022.

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звез- ды-карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.

Взвездах сосредоточена основная масса (98-99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды – мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца.

Астрономы не могут наблюдать жизнь одной звезды от начала до конца, потому что даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет – дольше жизни всего человечества. Изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд, т.е. звездную эволюцию, астрономы изучают на основе сопоставления характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции.

Срок жизни звезды и то, во что она превращается в конце жизненного пути, полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд – всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни – около 15 млрд. лет. После того, как звезда исчерпает свои источники энергии, она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.

Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.

Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Если масса превышает критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается – образуется нейтронная звезда. Если же масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет черная дыра.

Белые карлики – конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения – это так называемый предел Чандрасекара – равна примерно 1,4 массы Солнца.

Солнце в будущем – это белый карлик.

Грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, которое запечатлено во многих исторических летописях разных народов, – это вспышка сверхновой звезды, которую иногда было видно даже днем. Установлено, что в среднем в каждой галактике вспышка сверхновой происходит раз в несколько десятилетий. В максимуме своего блеска она может быть столь же яркой, как остальные сотни миллиардов звезд галактики вместе взятые.

45

Как впервые предположили в 30-е годы XX века Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная нейтронная звезда. Эта гипотеза подтвердилась после открытия в 60-х годах пульсара – быстровращающейся нейтронной звезды в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца; он возник на месте вспышки сверхновой 1054 года.

Нейтронная звезда – это конечное состояние эволюции звезд массой более десяти солнечных. Она представляет собой очень экзотический космический объект. Ее радиус – всего 10-20 км, а масса в 1,5-2 раза больше солнечной. Максимально возможная масса нейтронной звезды носит название предела Оппенгеймера-Волкова, который в любом случае не больше трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это предельное значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра.

Черная дыра – космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин «черная дыра» введен в науку американским физиком Джоном Уилером в1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров.

Поскольку черные дыры не светятся, то единственный путь судить о них – это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.

Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры – это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1.

Вещество звезд находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Вещество звезд представляет собой плазму. И потому, строго говоря, звезда – это не просто газовый шар, а плазменный шар. Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах – давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (нейтронные звезды – пульсары, барстеры – источники рентгеновского излучения и др.; вещество в них состоит в основном из нейтронов).

Звезды в космическом пространстве не распределены равномерно. Они образуют звездные системы:

•кратные звезды (двойные, тройные и т.д.);

•звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов);

•галактики – грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около

150-200 млрд. звезд).

Предполагается, что у многих (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.

Туманности

Туманности – светящиеся или темные облака межзвездного газа и пыли. Существует несколько видов туманностей.

Газовые туманности, как и звезды, в основном состоят из водорода. Кроме того, в них есть другие химические элементы – гелий, азот, кислород и более тяжелые. Размеры туманностей огромны: от одного края до другого свет идет несколько лет, а общая масса туманности обычно составляет десятки, сотни, а иногда и тысячи масс Солнца.

46

Газовые диффузные туманности могут иметь самый разнообразный вид. Так, в созвездии Лебедя находятся туманности, получившие за свой вид названия: Пеликан, Северная Америка. В созвездии Единорога есть туманность Розетка.

Диффузные туманности подразделяются на эмиссионные, спектры излучения которых состоят в основном из эмиссионных линий; отражательные, имеющие непрерывный спектр с линиями поглощения, соответствующий спектру звезды, освещающей туманность; темные – плотные, несветящиеся газопылевые облака, поглощающие излучение светлого фона неба.

Эмиссионные туманности – это облака ионизированного газа вокруг горячих звезд, ультрафиолетовое излучение которых является источником энергии свечения газа туманности. Они имеют размеры до десятков парсек. Температура в центральных областях туманности равна 800010000 К, на периферии – несколько ниже. Эмиссионная туманность расширяется под действием давления горячего газа. Если на пути встречаются небольшие уплотнения межзвездного газа и пыли, расширяющаяся туманность огибает их. В результате этого образуются плотные сгустки – глобулы, яркие ободки – римы, вытянутые жгуты, кометообразные туманности.

Отражательные туманности представляют собой плотные газопылевые облака, освещаемые расположенными неподалеку звездами спектральных классов В5-В9. Такие туманности меньше по размеру и значительно менее яркие, чем эмиссионные; их светимость в десятки раз ниже светимости освещающих их звезд.

Темные туманности представляют собой плотные газопылевые облака, вблизи которых нет возбуждающих или освещающих их звезд. Они видны на фоне Млечного Пути или светлой туманности как светлые образования. Наиболее плотные из них называются угольными мешками. Наряду с большими клочковатыми, размытыми или волокнистыми диффузными туманностями существуют туманности очень маленькие, правильной округлой формы – планетарные. Их назвали так за внешнее сходство с дисками планет, наблюдаемыми в телескоп.

В центре каждой планетарной туманности находится слабая, очень горячая звезда – ядро. Температура планетарных туманностей доходит до 10000-20000 К, степень ионизации элементов выше, чем в диффузных туманностях, и падает от центра к краю. Планетарные туманности расширяются со скоростью 10–30 км/с. Размеры планетарных туманностей достигают 0,1-1 пс, масса очень мала, она составляет всего лишь десятые или даже сотые доли массы Солнца. Образование планетарных туманностей и их ядер является закономерным результатом эволюции определенного типа звезд – красных гигантов. В конце жизни красный гигант сбрасывает внешние слои газа, которые образуют медленно расширяющуюся оболочку. «Обнажившаяся» горячая внутренняя часть звезды сжимается и превращается в ядро планетарной туманности. Постепенно остывая, ядро превращается в обычный белый карлик, а сама планетарная туманность расширяется и со временем рассеивается в межзвездной среде.

У планетарных туманностей наблюдаются разные формы. Известно выше 1000 планетарных туманностей. Остатки вспышек сверхновых звезд – еще один тип эмиссионных туманностей. Это относительно слабые (исключение составляет Крабовидная туманность) протяженные туманности, как правило, симметричной формы, часто отличающиеся удивительно тонкой ажурной структурой. Вспышка сверхновой – катастрофический процесс в конце эволюции звезды, при котором массивная внешняя оболочка звезды отделяется и с высокой скоростью выбрасывается наружу, а центральная часть сжимается. При этом возникает сферическая ударная волна, распространяющаяся в межзвездной среде со скоростью 10 тыс. км/с. Через сотни лет на месте катастрофы наблюдается туманность, представляющая собой выброшенное при взрыве вещество. Наиболее известные туманности этого типа – Крабовидная и Кассиопея А. Спектральные наблюдения таких туманностей показали, что они продолжают разлетаться. Ударная волна, вызванная разлетом оболочки сверхновой, постепенно замедляется, сгребая и выметая окружающий межзвездный газ. За тысячи и десятки тысяч лет образуется плотная оболочка межзвездного газа, свечение которой мы наблюдаем как тонковолокнистые туманности, такие как Петля Лебедя, Петля в Единороге. Эти туманности продолжают расширяться, со временем их свечение ослабеет и оболочки рассеются.

Генетическая связь туманности со звездами определяет круговорот вещества во Вселенной. Звезды образуются из газовой материи, обогащают ее тяжелыми элементами в результате происходящих в них ядерных реакций и затем выбрасывают вещество в межзвездную среду: непрерывно в процессе эволюции (в виде звездного ветра), путем сброса оболочек планетарных туманно-

47