29. Обычной областью применения общей теории относительности являются огромные, астрономические масштабы расстояний. Согласно теории Эйнштейна, на этих масштабах отсутствие масс означает, что пространство является плоским, как показано на рис. 3.3. Пытаясь объединить общую теорию относительности и квантовую механику, мы должны резко изменить фокусировку и исследовать свойства пространства в микроскопическом масштабе. Мы продемонстрировали это на рис. 5.1 путем последовательного увеличения масштаба и перехода к уменьшающимся областям пространства. По мере того, как мы увеличиваем масштаб, на первых порах не происходит ничего особенного; можно видеть, что на первых трех уровнях увеличения на рис. 5.1 структура пространства сохраняет свои основные свойства. Если подходить с сугубо классической точки зрения, мы могли бы рассчитывать на то, что такая спокойная и плоская структура пространства будет сохраняться все время, вплоть до любого, произвольно малого масштаба расстояний. Однако квантовая механика радикально меняет эту картину. Объектом квантовых флуктуации, управляемых соотношением неопределенностей, является все – даже гравитационное поле.

  Хотя классическая теория говорит, что гравитационное поле в пустом пространстве равно нулю, квантовая механика показывает, что оно будет нулевым в среднем, а его текущее значение будет изменяться за счет квантовых флуктуаций. Более того, соотношение неопределенностей говорит нам, что размер флуктуации гравитационного поля будет возрастать при переходе ко все меньшим областям пространства. Квантовая механика показывает, что никому не нравится, когда его загоняют в угол; уменьшение пространственной фокусировки ведет к росту флуктуаций. Поскольку гравитационное поле проявляется в кривизне пространства, эти квантовые флуктуации выражаются в его чудовищных деформациях. Мы можем наблюдать проявление таких деформаций на четвертом уровне увеличения на рис. 5.1. При переходе к еще меньшему масштабу расстояний, такому, как на пятом уровне рис. 5.1, мы видим, что случайные квантово-механические флуктуации гравитационного поля соответствуют такому сильному искривлению пространства, что оно совсем перестает напоминать мягко искривленные геометрические объекты типа резиновой пленки, которую мы использовали в качестве аналогии в главе 3. Скорее оно принимает вспененную, турбулентную и скрученную форму, показанную в верхней части рисунка. Джон Уилер предложил для описания такого хаоса, обнаруживаемого при изучении ультрамикроскопической структуры пространства (и времени), термин квантовая пена' – описывающий незнакомую нам область Вселенной, в которой обычные понятия «налево и направо», «вперед и назад», «вверх и вниз» (и даже «до и после») теряют свой смысл. Именно на таких малых расстояниях мы сталкиваемся с фундаментальной несовместимостью общей теории относительности и квантовой механики. Понятие гладкости геометрии пространства, являющееся основным принципом общей теории относительности, рушится под напором неистовых флуктуации квантового мира, существующих в масштабе ультрамикроскопических расстояний. В ультрамикроскопическом масштабе основное свойство квантовой механики – соотношение неопределенностей – вступает в прямое противоречие с центральным принципом обшей теории относительности – гладкой геометрической моделью пространства (и пространства-времени).    На практике этот конфликт проявляется в весьма конкретном виде. Расчеты, основанные на совместном использовании уравнений общей теории относительности и квантовой механики, обычно дают один и тот же нелепый ответ: бесконечность. Подобно подзатыльнику, полученному от школьного учителя старых времен, бесконечность в ответе – это способ, с помощью которого природа сообщает, что мы делаем что-то не так, как надо⁶). Уравнения общей теории относительности не могут справиться с безумным хаосом квантовой пены.    Заметим, однако, что по мере того, как мы возвращаемся к обычным масштабам расстояний (проходя последовательность на рис. 5.1 в обратном порядке), неистовые случайные колебания, свойственные микроскопическим расстояниям, начинают гасить друг друга. В результате (точно так же, как среднее по банковскому счету нашего маниакального заемщика не обнаруживает никаких признаков его мании) понятие гладкости геометрии нашего пространства вновь становится точным. Это похоже на растровый рисунок в книге или газете: при взгляде издалека точки, образующие рисунок, сливаются и создают впечатление гладкого изображения, в котором вариации яркости плавно и незаметно изменяются от участка к участку. Однако если вы посмотрите на этот рисунок с более близкого расстояния, вы увидите, что он совсем не так гладок, как выглядит издалека. На самом деле он представляет собой набор дискретных точек, каждая из которых четко отделяется от других. Однако обратите внимание, что вы смогли узнать о дискретности рисунка, только рассмотрев его вблизи: издалека он выглядит гладким. Точно так же и структура пространства-времени кажется нам гладкой, за исключением тех случаев, когда мы исследуем ее с ультрамикроскопическим разрешением. Это объясняет, почему общая теория относительности работает на достаточно крупных масштабах расстояний (и времен), которые свойственны многим типичным астрономическим явлениям, но оказывается непригодной на микроскопических масштабах пространства (и времени). Центральный принцип гладкой и слабо искривленной геометрии соблюдается в большом масштабе, но нарушается под действием квантовых флуктуации при переходе к микроскопическим масштабам.    Основные принципы общей теории относительности и квантовой механики позволяют рассчитать примерный масштаб расстояний, при переходе к которому становятся очевидными разрушительные явления, показанные на рис. 5.1. Малость постоянной Планка, которая управляет интенсивностью квантовых эффектов, и слабость константы гравитационного взаимодействия приводят к тому, что планковская длина, куда входят обе этих величины, имеет малость, которая превосходит всякое воображение: одна миллионная от одной миллиардной от миллиардной от миллиардной доли сантиметра (10~33)⁷). Таким образом, пятый уровень на рис. 5.1 схематически изображает структуру Вселенной в ультрамикроскопическом, субпланковском масштабе расстояний. Чтобы дать представление о масштабах, приведем такую иллюстрацию: если мы увеличим атом до размеров Вселенной, то планковская длина станет равной высоте среднего дерева. Итак, мы видим, что несовместимость общей теории относительности и квантовой механики проявляется только в очень глубоко запрятанном королевстве Вселенной. У читателя может возникнуть вопрос, стоит ли вообще беспокоиться по этому поводу. Мнение физического сообщества по этому вопросу отнюдь не является единым. Есть физики, которые признают существование проблемы, но предпочитают применять квантовую механику и общую теорию относительности для решения таких задач, в которых типичные расстояния намного превосходят планковскую длину. Есть, однако, и другие ученые, которые глубоко обеспокоены тем фактом, что два фундаментальных столпа, на которых держится здание современной физики, в своей основе принципиально несовместимы, и неважно, что эта несовместимость проявляется только на ультрамикроскопическом масштабе расстояний. Несовместимость, говорят они, указывает на существенный изъян в нашем понимании физического мира. Это мнение основывается на недоказуемой, но глубоко прочувствованной точке зрения, согласно которой понимание Вселенной на ее самом глубоком и наиболее элементарном уровне может дать нам ее логически непротиворечивое описание, все детали которого будут находиться в гармоничном единстве. И уж точно большинство физиков, независимо от того, какое значение это противоречие имеет для их собственных исследований, согласятся с тем, что основа наших самых глубоких теоретических представлений о Вселенной не должна представлять собой математически противоречивое лоскутное одеяло, скроенное из двух мощных, но конфликтующих теорий.    Физики неоднократно предпринимали попытки модифицировать общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы разрешить это противоречие, однако эти попытки, среди которых были очень дерзкие и остроумные, терпели провал за провалом.

Вся физика сводится к одной теории?

“Природа проста и не роскошествует излишними причинами”.

М. В. Ломоносов

“Большие первоначальные успехи теории квантов не могли меня заставить поверить в лежащую в ее основе игру в кости... Физики считают меня старым глупцом, но я убежден, что в будущем развитие физики пойдет в другом направлении, чем до сих пор.”

А. Эйнштейн

Малоизвестный американский исследователь Энтони Гэррет Лизи предложил решение Единой теории всего, над которым уже десятки лет ломают головы лучшие умы человечества.

39-летний ученый опубликовал свои выводы в Интернете, заявив, что сумел добиться невозможного - объединить все известные физические законы и объяснить, таким образом, многие неразрешимые тайны мирозданья. 31-страничная статья Энтони Гэррета, не наделенного никакими научными степенями и званиями, вызвала смятение в научном мире.

Мнения ученых резко разделились. Одни отмечают, что «предложенное Лизи решение является исключительно простым и красивым». «Лизи удалось выполнить научное завещание Альберта Эйнштейна, который безуспешно работал над Единой теорией десятилетия и передал эту задачу будущим поколениям», - пишет по этому поводу авторитетный научный журнал «Нью Сайнтс». Другие полагают, что исследователь, мягко говоря, ошибается. По-настоящему обрадовались, пожалуй, только школьники: «Неужели больше не надо будет учить сто теорий по учебнику, а достаточно будет знать всего одну?» - таков смысл высказываний тинейджеров на форумах в Интернете…

Единая теория Лизи в единых формулах дает решения для четырех фундаментальных сил природы - сильного взаимодействия, слабого взаимодействия, электромагнитной силы и силы притяжения. При этом она объединяет две глобальные теории - квантовую механику и общую теорию относительности, при этом Лизи предсказывает существование двадцати видов новых элементарных частиц, которые еще неизвестны науке.

- Поиски Единой теории называют одной из главных целей современной физики, - поясняет доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института Академии наук (ФИАН) Евгений Кудрявцев. - Необходимо описать все: от элементарных частиц до всей Вселенной. Считается, что впервые эта задача возникла в работах Эйнштейна, пытавшегося объединить гравитацию и электромагнетизм, теорию относительности и квантовую механику.

30.     Карта звездного неба величественна и прекрасна. Во все времена – с первых мгновений появления человека и по сей день – оно притягивало к себе взоры всех жителей  третьей планеты от Солнца. Постижение звездного мира бесконечно, но начало познания неба просто, потому что  большинство небесных явлений повторяется несчетное количество раз.  Однообразно повторяется  суточный путь солнца, порядок восхода и захода звезд, вновь и вновь одинаково изменяются  фазы луны, происходят одни и те же сезонные изменения на небосводе… Эти явления настолько срослись с жизнью, став ее неотъемлемой частью, что ими пользуются растения, животные, люди. Дуб «знает», когда его почкам следует распускаться; птицы, совершая перелеты с севера на юг и обратно, хорошо ориентируются благодаря небесным светилам (оказывается, у них тоже есть свои навигационные звезды, как у людей, и они почти никогда не сбиваются с пути); человек способен проснуться без часов строго в определенный момент времени. Все это примеры астрономического ориентирования, выработанного живыми организмами  бессознательно, в процессе своей эволюции.

       Когда появляется человек разумный, он, естественно, начинает  интересоваться всем происходящим вокруг него, в том числе и на небе; начинает осознанно  ориентироваться во времени и пространстве, хотя очень многим явлениям пока еще не может дать однозначного, научного объяснения.

         Но в  первую очередь внимание древних людей к светилам и различным природным  явлениям привели практические потребности. Первобытным охотникам нужно было знать циклы жизни животных, пути их миграции, а земледельцам требовались знания о смене времен года, о начале и окончании  засушливых или дождливых  сезонов… Древние земледельцы были самыми зависимыми от погодных условий и сезонных изменений, поэтому они быстро учились  определять начало нового года в целом и каждого сезона в отдельности по положению звезд на небосклоне.

         Тысячи лет ночуя под открытым небом, человек заметил, что от вечера к вечеру, от ночи к ночи звезды остаются одними и теми же и не изменяют своего взаимного расположения, совершая  над его головой аналогичные круговые передвижения.  Со временем он выделил для себя наиболее яркие звезды и несколько приметных фигур – созвездий. 40 тысяч лет назад они имели не такой вид, как сейчас. Большая Медведица имела вид колотушки, а привычной нам фигуры Ориона  вообще не было. Но и те созвездия позволяли ориентироваться ночью и следить за жизнью и движением ночного неба, потому что это были те же самые звезды, только расположенные на небесной сфере несколько иным образом.

         Поначалу люди древнего мира думали, что звезды находятся только над  плоской  Землей, плавающей в бескрайнем Вселенском океане. Затем они открыли, что небо поворачивается вокруг них, будто сфера, а звезды стали  считать дырами в этой сфере, через которые просачивается неземной, божественный свет.

         Интерес человека к тому, что находилось у него над головой, постоянно рос, заставляя его все больше времени уделять наблюдениям и изучению происходящих на небосводе явлений.  Вследствие того было замечено, что большинство звезд так же, как солнце и луна, восходят и заходят, но в полуночной (северной) части, где солнца никогда не бывает,  есть звезды, никогда не спускающиеся за горизонт, совершающие над головой наблюдателя замкнутые круговые  движения.

         Если находиться на одном месте и следить за восходом какой-нибудь звезды каждую ночь, ориентируясь на далекий недвижимый объект (дерево, вершину горы и т.д.), то можно обнаружить, что  она всегда  восходит в одном и том же месте горизонта. Но такая картина обстоит лишь со звездами. Луна же меняет  точки восхода и захода каждую ночь. Это происходит потому, что она не только движется вместе со звездами слева направо, но и вдобавок к этому ежесуточно  перемещается среди них справа налево. Внимательно наблюдая за движением луны, можно заметить, что она, находясь в одну из ночей рядом с яркой звездой, непременно вернется к ней через 27,3 суток. Обнаружив такую закономерность, люди открыли период времени, названный  ими лунным месяцем. Сейчас в науке он называется сидерическим периодом.  А смену лунных фаз мы теперь можем назвать синодическим периодом, или месяцем. Он длится чуть больше: 29,5 суток.  Смена фаз луны легла в основу первого в истории человечества календаря – лунного календаря. Его появление относят к периоду между IX и III тысячелетиями до н.э. Из истории Древнего мира мы знаем, что как раз в это время на нашей планете появляются первые государства,  усложняется язык общения людей, их мифология и мышление в целом.

         На этом открытия, связанные с луной, не закончились. Прослеживая месячное движение  главного ночного светила среди звезд, люди открыли, что оно движется в сравнительно узкой полосе небесной сферы, которую позже  нарекли поясом зодиака.   Пояс был разделен на 27 отрезков (так называемых «лунных станций»). Каждый отрезок состоял из группы звезд, удаленной от предыдущей на 13 градусов. Таким образом, при  перемещении по небосводу луна каждую ночь оказывалась в следующей группе.

         Значимым открытием стало еще и то, что по зодиаку перемещаются «блуждающие звезды», то есть планеты. Их начали выделять еще в древности. Самыми первыми были открыты Вечерняя и Утренняя звезды. Лишь спустя столетия астрономами выяснилось, что это одна и та же  планета – Венера.  Затем, после Венеры, открыли Юпитер, Марс и Сатурн – по степени яркости.  Меркурий, по всей видимости, открыли люди, которые специально занимались наблюдением неба (вероятнее всего, жрецы), потому что данную планету очень трудно заметить из-за  ее слишком  малой удаленности от Солнца.

         С движением солнца дело обстояло не на столько просто, ведь днем звезды становятся невидимы. Однако люди догадались, что можно наблюдать за дневным светилом несколько иным  способом, чем за луной. Наблюдатели стали  отмечать на горизонте место появления солнца и вскоре увидели, что каждый день оно понемногу изменяется. Замечая места его восходом и заходов, люди нашли в его движении определенную закономерность. Во время летних солнцестояний светило вставало и садилось ближе всего к северу, и  световой день  становился наиболее  продолжительным. Когда наступал период зимнего солнцестояния,  светило появлялось над горизонтом и скрывалось за ним далеко от севера, даря земле наиболее короткие дни.  В середине между «стояниями» по линии восток-запад расположились точки, где дважды в году солнце восходило, отмеряя день, равный ночи и ночь, равную дню. Такие моменты в природе стали называться равноденствиями.

         Когда лунный зодиак оказался разделен на  созвездия, выяснилось, что одно из них обязательно находится на рассвете над местом восхода солнца, а другое оказывается вечером над точкой его захода.  Зная созвездие, предшествующее  солнцу на рассвете, и созвездие, что следует за ним на закате, можно  достаточно легко определить, в каком созвездии между ними находится дневное светило. Именно так  люди древнего мира открыли годовое движение солнца по зодиаку.

         Наиболее важными на пути светила оказались те созвездия, в которых оно, согласно наблюдениям мест его восходов, миновало четыре особые точки, разделяющие его годовой путь на четыре равные отрезка. В средних  поясах планеты эти точки отмечали смену сезонов.  Весеннее равноденствие знаменовало возрождение природы. Затем, поднимаясь по эклиптике все выше, солнце достигало наивысшего могущества и вскоре вновь начинало  опускаться все ближе к горизонту, совершая все более короткие путешествия по небу. Наконец, после зимнего солнцестояния и  нескольких самых коротких дней, словно отдохнув от проделанного  за год пути, оно начинало его заново.

         Древние люди обожествляли солнце, наделяли его разумом и, считая его живым существом, совершали магические обряды, жертвоприношения, как бы воодушевляя  его на преодоление всех трудностей, встающих на его небесном пути, по которому оно шло от зимнего солнцестояния к летнему, чтобы подарить земле новое тепло и новый урожай.

         Итак, астрономические наблюдения, связанные с необходимостью ориентирования во времени и пространстве, начинаются на самой заре человеческой культуры. Уже в те далекие времена, за много лет до возникновения настоящей письменности и государств,  были сделаны многие важные открытия, связанные с передвижением солнца, луны и  других светил по небу. Так возникла древнейшая из всех существующих наук, наука астрономия.

         В конце каменного века (VI-III тысячелетия         до н.э.) в благоприятных климатических условиях по берегам рек Нила, Тигра и Евфрата, Инда и других появились земледельческие племена.  Они стали фундаментом великих древних цивилизаций.  Наблюдение за небом в этих  районах планеты превратилось в важное занятие для жрецов и звездочетов – древних астрономов.

         Проходили тысячелетия, астрономические знания постепенно накапливались. И что интересно, именно по уровню развития астрономии в том или ином государстве древней Земли  можно было довольно точно судить о его  общем развитии и уровне его культуры.

         Из всего вышесказанного следует такой вывод. Задолго до того как человек научился ориентироваться на Земле и создал географию, он уже ориентировался во Вселенной, создавая ее первые модели.  Сначала человек начал изучать небо и явления, происходившие на нем, и только лишь впоследствии принялся за исследование собственного мира – планеты Земля – и себя самого!

Энциклопедия о строении земли

Представления древних о Земле Правильное представление о Земле и ее форме сложилось у разных народов не сразу и не в одно время. Однако, где именно, когда, у какого народа оно было наиболее правильным, установить трудно. Уж очень мало сохранилось об этом достоверных древних документов и материальных памятников. По преданию, древние индийцы представляли себе Землю в виде плоскости, лежащей на спинах слонов. До нас дошли ценные исторические сведения о том, как представляли себе Землю древние народы, жившие в бассейне рек Тигра и Евфрата, в дельте Нила и по берегам Средиземного моря — в Малой Азии и Южной Европе. Сохранились, например, письменные документы из древней Вавилонии давностью около 6 тыс. лет. Жители Вавилона, унаследовавшие свою культуру от еще более древних народов, представляли Землю в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилония. Они знали, что к югу от Вавилона раскинулось море, а на востоке расположены горы, через которые не решались переходить. Поэтому им и казалось, что Вавилония расположена на западном склоне «мировой» горы. Гора эта окружена морем, а на море, как опрокинутая чаша, опирается твердое небо — небесный мир, где, как и на Земле, есть суша, вода и воздух. Небесная суша — это пояс 12 созвездий Зодиака: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы. В каждом из созвездий Солнце ежегодно бывает приблизительно в течение месяца. По этому поясу суши движутся Солнце, Луна и пять планет. Под Землей находится бездна — ад, куда спускаются души умерших. Ночью Солнце проходит через это подземелье от западного края Земли к восточному, чтобы утром опять начать свой дневной путь по небу. Наблюдая заход Солнца за морской горизонт, люди думали, что оно уходит в море и восходит также из моря. Таким образом, в основе представлений древних вавилонян о Земле лежали наблюдения за явлениями природы, однако ограниченность знаний не позволяла правильно их объяснить. Иначе представляли себе Землю древние евреи. Они жили на равнине, и Земля казалась им равниной, на которой кое-где возвышаются горы. Особое место в мироздании евреи отводили ветрам, которые приносят с собой то дождь, то засуху. Обиталище ветров, по их мнению, находилось в нижнем поясе неба и отделяло собой Землю от небесных вод: снега, дождя и града. Под Землей находятся воды, от которых кверху идут каналы, питающие моря и реки. Представления о форме всей Земли у древних евреев, по-видимому, не было. Очень многим география обязана древним грекам, или эллинам. Этот немногочисленный народ, живший на юге Балканского и Апеннинского полуостровов Европы, создал высокую культуру. Сведения о самых древних из известных нам представлений греков о Земле мы находим в поэмах Гомера «Илиада» и «Одиссея». В них говорится о Земле как о слегка выпуклом диске, напоминающем щит воина. Сушу со всех сторон омывает река Океан. Над Землей раскинулся медный небосвод, по которому движется Солнце, поднимаясь ежедневно из вод Океана на востоке и погружаясь в них на западе. Греческий философ Фалес (VI в. до н. э.) представлял Вселенную в виде жидкой массы, внутри которой находится большой пузырь, имеющий форму полушария. Вогнутая поверхность этого пузыря — небесный свод, а на нижней, плоской поверхности, наподобие пробки, плавает плоская Земля. Нетрудно догадаться, что представление о Земле как о плавающем острове Фалес основывал на том факте, что Греция расположена на островах. Современник Фалеса — Анаксимандр представлял Землю отрезком колонны или цилиндра, на одном из оснований которого мы живем. Середину Земли занимает суша в виде большого круглого острова Ойкумены («населенной Земли»), окруженного океаном. Внутри Ойкумены находится морской бассейн, который делит ее на две приблизительно равные части: Европу и Азию. Греция же расположена в центре Европы, а город Дельфы — в центре Греции («пуп Земли»). Анаксимандр считал, что Земля — центр Вселенной. Восход Солнца и других светил на восточной стороне неба и заход их на западной он объяснял движением светил по кругу: видимый небесный свод составляет, по его мнению, половину шара, другое полушарие находится под ногами.

Последователи другого греческого ученого — Пифагора (р. ок. 580 — ум. 500 до н. э.) — уже признали Землю шаром. Шаровидными они считали и другие планеты.

доказательства, что Земля не плоская, а выпуклая. Так, продвигаясь на юг, путешественники заметили, что в южной стороне неба звезды поднимаются над горизонтом пропорционально пройденному пути и над Землей появляются новые звезды, которые раньше не были видны. А в северной стороне неба, наоборот, звезды спускаются вниз к горизонту и потом совсем исчезают за ним. Выпуклость Земли подтверждалась также наблюдениями за удаляющимися кораблями. Корабль исчезает за горизонтом постепенно. Вот уже скрылся корпус корабля и над поверхностью моря видны только мачты. Потом исчезают и они. На этом основании люди стали предполагать, что Земля шарообразна.

Знаменитый древнегреческий ученый Аристотель (IV в. до н. э.) первым использовал для доказательства шарообразности Земли наблюдения за лунными затмениями: тень от Земли, падающая на полную Луну, всегда круглая. Во время затмений Земля бывает повернута к Луне разными сторонами. Но только шар всегда отбрасывает круглую тень.

Наконец, выдающийся астроном древнего мира Аристарх Самосский (конец IV — первая половина III в. до н. э.) высказал мысль о том, что не Солнце вместе с планетами движется вокруг Земли, а Земля и все планеты вращаются вокруг Солнца. Однако в его распоряжении было очень мало доказательств. И прошло еще около 1700 лет, прежде чем это удалось доказать польскому ученому Копернику.

Постепенно представления о Земле стали основываться не на умозрительном толковании отдельных явлений, а на точных расчетах и измерениях.

38. Туманность — участок межзвёздной среды, выделяющейся своим излучением или поглощением излучения на общем фоне неба. Ранее туманностями называли всякий неподвижный на небе протяжённый объект. В 20-е годы 20-го века выяснилось, что среди туманностей много галактик (напр., Туманность Андромеды). После этого термин туманность стал пониматься более узко, в указанном выше смысле

рль Месье (26.6.1730-12.4.1817) - французский астроном, член Парижской академии наук с 1770-го года. Родился в Бадонвиллере.  Математические и астрономические знания приобрел путем самообразования, стал опытным наблюдателем. С 1755-го года работал в Парижской обсерватории. Систематически вел поиски новых комет, с 1763-го по 1802-й год открыл 14 комет.

Шарль Месье создал первый каталог туманных объектов, в который вошли наиболее яркие туманные объекты звездного неба - галактики, светлые туманности, шаровые и рассеянные звездные скопления. Первое издание каталога вышло в 1774-м году и содержало 45 объектов. Первым объектом каталога была Крабовидная туманность, обнаруженная 12-го сентября 1758-го года. Каталог насчитывает 110 объектов. Новые объекты в него не вносятся. Объекты в каталоге пронумерованы, перед номером принято ставить букву М, как знак принадлежности каталогу Месье.

Более обширным каталогом туманных объектов является не менее известный каталог NGC, но он был составлен уже в конце ХIХ-го века. Многие объекты, входящие в каталог Месье, имеют по этой причине двойную нумерацию (с индексом М, говорящем о принадлежности к каталогу Месье и с индексом NGC).

Шарль Месье являлся членом Лондонского королевского общества (1764) и Берлинской академии наук, почетным иностранным Петербургской академии наук (1776).

Гала́ктика (др.-греч. Γαλαξίας — Млечный Путь) — гигантская гравитационно-связанная система из звёзд и звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, и тёмной материи. Все объекты в составе галактик участвуют в движении относительно общего центра масс^[1][2][3].

Галактики — чрезвычайно далёкие объекты, расстояние до ближайших из них принято измерять в мегапарсеках, а до далёких — в единицах красного смещения z. Именно из-за удалённости различить на небе невооружённым глазом можно всего лишь три из них: туманность Андромеды (видна в северном полушарии), Большое и Малое Магеллановы Облака (видны в южном). Разрешить изображение галактик до отдельных звёзд не удавалось вплоть до начала XX века. К началу 1990-х годов насчитывалось не более 30 галактик, в которых удалось увидеть отдельные звёзды, и все они входили в Местную группу. После запуска космического телескопа «Хаббл» и ввода в строй 10-метровых наземных телескопов число галактик, в которых удалось различить отдельные звёзды, резко возросло.

Галактики отличаются большим разнообразием: среди них можно выделить сфероподобные эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой (баром), карликовые, неправильные и т. д. Если же говорить о числовых значениях, то, к примеру, их масса варьируется от 10⁷ до 10¹² масс Солнца, для сравнения масса нашей галактики Млечный Путь 3·10¹² масс Солнца. Диаметр галактик — от 5 до 250 килопарсек^[4] (16—800 тысяч световых лет), для сравнения диаметр нашей галактики Млечный Путь около 100 000 световых лет. Самая большая известная на 2012 год галактика IC 1101 имеет диаметр более 600 килопарсек^[5].

Одной из нерешённых проблем строения галактик является тёмная материя, проявляющая себя только в гравитационном взаимодействии. Она может составлять до 90 % от общей массы галактики, а может и полностью отсутствовать, как в карликовых галактиках^[6].

В пространстве галактики распределены неравномерно: в одной области можно обнаружить целую группу близких галактик, а можно не обнаружить ни одной, даже самой маленькой галактики (так называемые войды). Точное количество галактик в наблюдаемой части Вселенной неизвестно, но, по всей видимости, их порядка ста миллиардов

• эллиптические(E),

• линзообразные(S0),

• обычные спиральные(S),

• пересеченные спиральные(SB),

• неправильные (Ir).

Эллиптические галактики - класс галактик с четко выраженной сферической структурой и уменьшающейся к краям яркостью. Они сравнительно медленно вращаются, заметное вращение наблюдается только у галактик со значительным сжатием. В таких галактиках нет пылевой материи, которая в тех галактиках, в которых она имеется, видна как тёмные полосы на непрерывном фоне звёзд галактики. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой — большим или меньшим сжатием.

Доля эллиптических галактик в общем числе галактик в наблюдаемой части вселенной — около 25 %.

Спиральныегалактики названы так, потому что имеют внутри диска яркие рукава звёздного происхождения, которые почти логарифмически простираются из балджа (почти сферического утолщения в центре галактики). Спиральные галактики имеют центральное сгущение и несколько спиральных ветвей, или рукавов, которые имеют голубоватый цвет, так как в них присутствует много молодых гигантских звезд. Эти звезды возбуждают свечение диффузных газовых туманностей, разбросанных вместе с пылевыми облаками вдоль спиральных ветвей. Диск спиральной галактики обычно окружён большим сфероидальным гало (светящееся кольцо вокруг объекта; оптический феномен), состоящим из старых звёзд второго поколения. Все спиральные галактики вращаются со значительными скоростями, поэтому звезды, пыль и газы сосредоточены у них в узком диске. Обилие газовых и пылевых облаков и присутствие ярких голубых гигантов говорит об активных процессах звездообразования, происходящих в спиральных рукавах этих галактик.

Многие спиральные галактики имеют в центре перемычку (бар), от концов которой отходят спиральные рукава. Наша Галактика также относится к спиральным галактикам с перемычкой.

Линзообразные галактики - это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть балдж, гало и диск, но нет спиральных рукавов. Их примерно 20% среди всех звездных систем. В этих галактиках яркое основное тело - линза, окружено слабым ореолом. Иногда линза имеет вокруг себя кольцо.

Неправильные галактики — это галактики, которые не обнаруживают ни спиральной ни эллиптической структуры. Чаще всего такие галактики имеют хаотичную форму без ярко выраженного ядра и спиральных ветвей. В процентном отношении составляют одну четверть от всех галактик. Большинство неправильных галактик в прошлом являлись спиральными или эллиптическими, но были деформированы гравитационными силами.

39. Эффект Доплера легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн (например, звука), распространяющихся в какой-либо среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, в вакууме имеет значение только относительное движение источника и приёмника^[1].

Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

В настоящее время общепризнанно, что повышение качества образования невозможно без внедрения в учебный процесс новых педагогических технологий, в том числе компьютерных. Сказанное в полной мере относится и к школьному курсу астрономии, компьютеризация которого позволяет наряду с моделированием различных астрономических явлений организовать практические работы, имитирующие процесс обработки наблюдательных данных. Такие работы призваны раскрывать механизм получения научных астрономических знаний. В этом и состоит основная цель предлагаемой практической работы "Красное смещение в спектрах галактик. Закон Хаббла".

Работа обеспечена компьютерной программой, состоящей из двух частей ("Определение постоянной Хаббла" и "Определение расстояний до далеких галактик по красному смещению в их спектрах") и справки, поясняющей историю открытия закона Хаббла. Следуя истории открытия, ученик получает список из 20-25 близких к нам ярких галактик с указанием для каждой ее лучевой скорости Vr и расстояния до нее R. При запуске первой части программы на экране дисплея возникает таблица для данных и система координат, в которой по оси абсцисс откладываются расстояния до галактик в Мпс, а по оси ординат - их лучевые скорости в км/с. По мере заполнения таблицы программа наносит положения галактик в выбранной системе координат.

По команде ученика программа осуществляет статистическую обработку данных по методу наименьших квадратов и строит для галактик график "лучевая скорость - расстояние". После этого ученик переходит к графическому определению постоянной Хаббла (Н). Поскольку лучевые скорости возрастают прямо пропорционально расстояниям до галактик, ученик выбирает точку примерно в середине построенного графика, фиксирует ее координаты (рис. 1) и вычисляет постоянную Хаббла.

Рис. 1. График "лучевая скорость - расстояние" для ярких галактик

Эта часть работы завершается ответами учащихся на следующие вопросы: Как астрономы в начале XX века определяли расстояния до галактик? Как были найдены лучевые скорости галактик? Почему закон Хаббла наиболее точно выполняется для далеких галактик? Каков физический смысл закона Хаббла? Почему все галактики, кроме нескольких самых близких, удаляются от нас и при том со скоростями, возрастающими прямо пропорционально расстояниям? Есть ли центр у расширяющейся Вселенной? Используя найденное в работе значение постоянной Хаббла, найти время, когда началось расширение Вселенной? Может ли расширение Вселенной смениться ее сжатием? Какая сила препятствует расширению?

Вторая часть работы посвящена использованию закона Хаббла для построения шкалы внегалактических расстояний. Для этого ученику предстоит определить по ее спектру лучевую скорость галактики.

На экране появляются поочередно спектры нескольких галактик (со спектрами сравнения лабораторного источника света), миллиметровая шкала под каждым из спектров и отчетная таблица.

Ученик заносит в отчетную таблицу свои измерения положений линий лабораторного спектра (L), по которым программа строит дисперсионную кривую (рис.2). Измерив положение линии ионизированного кальция H (l0=396,8 нм) в спектре галактики, ученик определяет по дисперсионной кривой смещенное значение этой линии l. Программа рассчитывает смещение линии (lD=l-l0), находит по эффекту Допплера лучевую скорость галактики и расстояние до нее по закону Хаббла.

Рис. 2. Спектр скопления галактик в созвездии Б.Медведицы

Подводя итог второй части работы, следует обобщить знания учащихся о способах определения расстояний до небесных объектов. Они должны вспомнить: Как определяют расстояния до объектов Солнечной системы? Как находят расстояния до ближайших звезд? Какие трудности возникают при определении расстояний до далеких звезд? Каковы основные методы оценки расстояний до галактик? Почему говорят, что закон Хаббла определяет шкалу внегалактических расстояний?

Выполняя практическую работу, учащиеся начинают лучше понимать основополагающую роль закона Хаббла в космологии и его значение как метода определения расстояний до далеких галактик. Они открывают для себя способы обработки наблюдательных данных и полнее осознают как было добыто астрономическое знание.

Подобные работы изменяют сам характер процесса обучения. Школьнику не просто передают готовые знания, а побуждают понять, как это узнали, способствуя, тем самым, развитию его познавательной и творческой активности.

40. Вселе́нная — фундаментальное понятие в астрономии — весь окружающий мир^[1][2][3]. На практике под Вселенной часто понимают часть материального мира, доступную изучению естественно-научными методами^[4].

Данное в начале определение можно поделить на две сущности: умозрительную (философскую) и некую материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти сущности, то следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую — астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления).

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба в составе гораздо большей системы, частью которой является исходная система.

Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой, или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой — всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных естественных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология. Именно эти аспекты знаний о Вселенной составляют предмет данной статьи.

Вселенная кончается на границе своего расширения, то есть там, где продолжает расширятся. Для нас это бесконечность, поскольку угнаться за ее скоростью мы не можем.

Вселенная имеет границы, но чтоб увидить эти границы - нужно бить четырехмерным, потому что за пределами Вселенной находится пространство с четырьма измерениями. И оно бесконечно. Но эта бесконечность - это только иллюзия.

Один квазар светится сильнее, чем вся наша Галактика, примерно в 10000 раз. Энергии среднего, ничем не примечательного, квазара хватило бы на то, чтобы снабжать всю Землю электроэнергией в течение нескольких миллиардов лет. А некоторые из квазаров излучают энергии в 60 тыс. раз больше.

Квазары – самые далекие из тех космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. По причине невероятной светимости, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд лет. Самая удивительная особенность этих объектов в том, что они небольшие по размеру, но выделяют поистине чудовищную энергию во всех областях спектра электромагнитных волн, особенно в инфракрасной области.

Слово квазар образовано из слов QUAsi stellAR – псевдозвездный. Глядя в телескоп на эти светящиеся точки, можно принять их за звезды. Но звездами они не являются. Это – некий светящийся радиоисточник в чистом виде.

По своим свойствам эти псевдозвездные радиоисточники похожи на активные ядра галактик. Многие астрофизики считают, что светимость этих объектов поддерживается не термоядерным путем. Энергия квазаров – это гравитационная энергия, которая выделяется за счет катастрофического сжатия, происходящего в ядре галактики.

Впрочем, гипотез и предположений относительно природы этих объектов существует множество.

Наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуется гипотеза, согласно которой квазар является огромнейшей черной дырой, которая втягивает в себя окружающее пространство. По мере приближения к черной дыре, частицы разгоняются, сталкиваются между собой – и это приводит к мощнейшему радиоизлучению. Если у черной дыры есть и магнитное поле, то оно к тому же собирает частицы в пучки – так называемые джеты – которые разлетаются от полюсов. Другими словами, то сияние, которое наблюдают астрономы – это все, что остается от галактики, погибшей в черной дыре.

По другим версиям, квазары – это молодые галактики, процесс появления на свет которых мы наблюдаем.

Некоторые из ученых предполагают, что, да, квазар – это молодая галактика, но которую пожирает черная дыра.

Как бы там ни было, астрофизики очень тесно связывают существование квазаров и судьбу галактик.

Следовательно, встреча с квазаром ничего хорошего не предвещает, так что нам остается только порадоваться тому, что ближайший из них, ЗС 273, находится на расстоянии 2 млрд световых лет.

Квазары, как уже говорилось, самые далекие из наблюдаемых объектов. И, соответственно, самые древние. Благодаря квазарам мы можем видеть Вселенную такой, какой она была от 2 до 10 млрд лет назад. Открытие квазаров в 1963 году оказало существенное влияние на космологию, на разработку теорий о возникновении Вселенной.

Квазары – одна из самых больших загадок, которые природа поставила перед человеком. И если решение этой загадки будет найдено – быть может, человек познает, к тому же, новые способы превращения материи и добычи энергии.

В 1963 г. некоторые источники радиоизлучения с угловыми размерами в 1" или

меньше были отождествлены со звездообразными объектами в оптическом диапазоне,

иногда окруженными диффузным ореолом или выбросами вещества. Изучено более 200

подобных объектов, названных квазарами (квазизвездными радиоисточниками).

Такие же оптические объекты, но не обладающие сильным радиоизлучением, были

открыты в 1965 г. и названы квазизвездными галактиками (квазагами), а вместе с

квазарами их стали называть квазизвездными объектами.

Квазары, как и активные ядра галактик, обладают избытком излучения в

инфракрасной и рентгеновской областях спектра.

В спектрах квазаров наблюдаются эмиссионные линии, типичные для диффузных

туманностей, а иногда и резонансные линии поглощения.

В первое время отождествление этих линий было затруднено необычайно сильным

красным смещением: линии, обычно расположенные в ультрафиолетовой области

спектра, в ряде случаев оказываются в видимой области. Хотя высказывалась

возможность того, что причина красного смещения линий в спектрах квазаров иная,

чем у далеких галактик, скорее всего оно говорит об огромных скоростях удаления

квазаров. Расстояния, найденные по красным смещениям, показывают, что квазары -

самые далекие из известных нам объектов. Если это действительно так, то они

позволяют изучить свойства вещества на протяжении огромных расстояний более 109

пс, которым соответствуют масштабы времени в миллиарды лет.

Ближайший квазар 3С 273 (номер по Третьему Кембриджскому каталогу), наблюдаемый

как объект 13m, удален от нас на 500 млн. пс. Гигантские галактики с такого

расстояния выглядели бы слабее 18m; следовательно, мощность оптического

излучения квазаров в сотни раз больше, чем у самых ярких галактик. Наряду с

мощным оптическим излучением квазары излучают много энергии и в радиодиапазоне,

примерно столько же, сколько такие радиогалактики, как Лебедь-А. До сих пор

никакими оптическими наблюдениями не удается непосредственно измерить угловой

диаметр квазаров.

Наиболее удивительным свойством квазаров оказалась переменность излучения

некоторых из них, открытая сначала в оптическом, а затем и в радиодиапазоне.

Колебания светимости происходят неправильным образом за время порядка года и

даже меньше (до недели!). Отсюда можно сделать вывод, что размеры квазаров не

превышают пути, проходимого светом за время существенного изменения светимости

(иначе переменность не наблюдалась бы) и заведомо меньше светового года, т.е. не

более десятков тысяч астрономических единиц.

Квазары во многом напоминают активные ядра галактик. Об этом говорят их малые

угловые размеры, распределение энергии в спектре, переменность их оптического и

радиоизлучения, наблюдаемая в некоторых случаях. Ряд особенностей сближает

квазары с ядрами сейфертовских галактик. К ним прежде всего относится сильное

расширение эмиссионных линий в спектрах, указывающее на движения со скоростями,

достигающими 3000 км/сек. У некоторых квазаров наблюдаются облака выброшенного

вещества, что говорит о взрывном характере происходящих в них явлений,

приводящих к высвобождению огромных энергий, по порядку величины сравнимых с

излучением радиогалактик. По-видимому, аналогичные процессы происходят в мощных

радиогалактиках типа Лебедь-А и вызывают взрывы ядер некоторых других галактик.

Интерпретация поразительных свойств квазаров встречается с большими трудностями.

В частности, если эти объекты действительно очень далеки, то необходимо найти

пока еще не известные процессы, приводящие к выделению огромных энергии. Чтобы

избежать этих трудностей, иногда делаются попытки рассматривать квазары как

сравнительно близкие тела, а большие красные смещения спектральных линий отнести

за счет явлений, не связанных с быстрым удалением. Возможно, квазары - огромные

плазменные образования с массами порядка миллиарда солнечных, которые излучают

энергию и выбрасывают горячий газ в результате своего гравитационного сжатия.

42.

Рассмотрим на простом примере как можно сравнить размеры звезд одинаковой температуры, например Солнца и Капеллы. Эти звезды имеют одинаковые спектры, цвет и температуру, о светимость Капеллы в 120 раз превышает светимость Солнца. Так как при одинаковой температуре яркость единицы поверхности звезд тоже одинакова, то, значит, поверхность Капеллы больше, чем Солнца в 120 раз, а диаметр и радиус ее больше солнечных в корень квадратный из 120, что приближенно равно 11 раз. Определить размеры других звезд позволяет знание законов излучения

Результаты таких вычислений полностью подтвердились, когда стало возможным измерять угловые диаметра звезд при помощи оптического прибора - звездного интерферометра. Звезды очень большой светимости называются сверхгигантами. Красные сверхгиганты называются такими и по размерам. Бетельгейзе и Антарес в сотни раз больше Солнца по диаметру. Более далекая от нас VV Цефея настолько велика, что в ней поместилась бы Солнечная система с орбитами планет до орбиты Юпитера включительно !!! Между тем массы сверхгигантов больше солнечной всего лишь в 30-40 раз. В результате даже средняя плотность сверхгигантов в тысячи раз меньше чем плотность комнатного воздуха. При одинаковой светимости размеры звезд тем меньше, чем эти звезды горячее. Самыми малыми среди обычных звезд являются красные карлики. Массы их и радиусы - десятые доли солнечных, а средние плотности в 10-100 раз выше плотности воды. Еще меньше красных белые карлики - но это уже необычные звезды. У близкого к нам и яркого Сириуса ( имеющего радиус вдвое больше солнечного ) есть спутник, обращающийся вокруг него с периодом 50 лет. Для этой двойной звезды расстояние, орбита и массы хорошо известны. Обе звезды белые, почти одинаково горячие

Следовательно, поверхности одинаковой площади излучают у этих звезд одинаковое кол-во энергии, но по светимости спутник в 10 000 раз слабее, чем Сириус. Значит, его радиус меньше в 100 раз, т.е. он почти такой же как Земля. Между тем масса у него почти такая же как и у Солнца. Следовательно белый карлик имеет огромную плотность - около 109 кг/м3. Существование газа такой плотности было объяснено таким образом : обычно предел плотности ставит размер атомов, являющихся системами, состоящими из ядра и электронной оболочки. При очень высокой температуре в недрах звезд и при полной ионизации атомов их ядра и электроны становятся независимыми друг от друга. При колоссальном давление вышележащих слоев это "крошево" из частиц может быть сжато гораздо сильнее, чем нейтральный газ. теоретически допускается возможность существования при некоторых условиях звезд с плотностью, равной плотности атомных ядер. На примере белых карликов мы видим как астрофизические исследования расширяют представление о строении вещества ; пока такие условия в лаборатории создать невозможно. Поэтому астрономические наблюдения помогают развитию важнейших физическихНа фотографиях далеких галактик вспышки сверхновых стали замечать довольно часто, но эти открытия были случайными и не могли дать сведений, необходимых для объяснения причины и механизма этих грандиозных вспышек. Однако в 1936 году астрономы Бааде и Цвикки, работавшие на Паломарской обсерватории в США, начали планомерный систематический поиск сверхновых. В их распоряжении был телескоп системы Шмидта, позволяющий фотографировать области в несколько десятков квадратных градусов и дающий очень четкие изображения даже слабых звезд и галактик. Сравнивая фотографии, одной области неба, полученные через несколько недель, можно было легко заметить появление новых звезд в галактиках, хорошо различимых на снимках. Для фотографирования выбирались области неба, наиболее богатые близкими галактиками, где их число на одном снимке могло достигать нескольких десятков и вероятность обнаружить сверхновые была наибольшей. представлений.

В 1937 году Бааде и Цвикки удалось открыть 6 сверхновых. Среди них были довольно яркие звезды 1937С и 1937D (астрономы решили обозначать сверхновые, добавляя к году открытия буквы, показывающие очередность открытия в текущем году), достигшие в максимуме соответственно 8 и 12 звездной величин. Для них были получены кривые блеска - зависимость изменения блеска со временем - и большое количество спектрограмм - фотографий спектров звезды, показывающих зависимость интенсивности излучения от длины волны. Этот материал на несколько десятилетий стал основным для всех исследователей, пытавшихся разгадать причины вспышек сверхновых.

К сожалению, вторая мировая война прервала так успешно начавшуюся программу наблюдений. Систематический поиск сверхновых на Паломарской обсерватории был возобновлен только в 1958 году, но уже с более крупным телескопом системы Шмидта, позволявшим фотографировать звезды до 22-23 величин. С 1960 года к этой работе присоединился ряд других обсерваторий в разных странах мира, где имелись подходящие телескопы. В СССР такая работа велась на Крымской станции ГАИШ, где установлен телескоп-астрограф с диаметром объектива 40 см и очень большим полем зрения - почти 100 квадратных градусов, и в Абастуманской астрофизической обсерватории в Грузии - на телескопе Шмидта с входным отверстием 36 см. И в Крыму, и в Абастумани было сделано немало открытий сверхновых. Из других обсерваторий наибольшее число открытий приходилось на обсерваторию Асиаго в Италии, где работали два телескопа системы Шмидта. Но все же Паломарская обсерватория оставалась лидером и по числу открытий, и по предельной звездной величине доступных для обнаружения звезд. Общими усилиями в 60-х и 70-х годах открывали до 20 сверхновых за год, и их число стало быстро расти. Сразу после открытия начинались фотометрические и спектроскопические наблюдения на крупных телескопах.

В 1974 году умер Ф.Цвикки, и вскоре поиск сверхновых на Паломарской обсерватории был прекращен. Число открываемых сверхновых уменьшилось, однако с начала 80-х годов снова начало расти. Были начаты новые программы поиска на южном небе - в обсерватории Серро эль Робле в Чили, к тому же открывать сверхновые стали любители астрономии. Оказалось, что с помощью небольших любительских телескопов с объективами 20-30 см можно довольно успешно искать вспышки ярких сверхновых, систематически наблюдая визуально определенный набор галактик. Наибольшего успеха добился священник из Австралии Роберт Эванс, которому удавалось с начала 80-х годов открывать до 6 сверхновых в год. Неудивительно, что астрономы-профессионалы шутили о его "прямой связи с небесами".

В 1987 году была открыта ярчайшая сверхновая XX века - SN 1987A в галактике Большое Магелланово Облако, являющейся "спутником" нашей Галактики и удаленной от нас всего на 55 килопарсек. В течение некоторого времени эта сверхновая была видна даже невооруженным глазом, достигнув в максимуме блеска около 4 звездной величины. Однако наблюдать ее можно было только в южном полушарии. Для этой сверхновой были получены уникальные по точности и продолжительности ряды фотометрических и спектральных наблюдений, и сейчас астрономы продолжают следить, как развивается прВ середине 80-х годов стало ясно, что эпоха фотографии в астрономии заканчивается. Стремительно совершенствовавшиеся ПЗС-приемники во много раз превосходили фотографическую эмульсию по чувствительности и регистрируемому диапазону длин волн, практически не уступая ей по разрешению. Изображение, полученное ПЗС-камерой, можно было сразу видеть на экране компьютера и сравнивать с полученными ранее, а для фотографии процесс проявления, сушки и сравнения занимал в лучшем случае сутки. Единственное оставшееся преимущество фотопластинок - возможность фотографирования больших областей неба - также оказалось для поиска сверхновых несущественным: телескоп с ПЗС-камерой мог получить по отдельности изображения всех галактик, попадающих на фотопластинку, за время сравнимое с фотографической экспозицией. Появились проекты полностью автоматизированных программ поиска сверхновых, в которых телескоп по заранее введенной программе наводится на выбранные галактики, а полученные изображения сравниваются компьютером с полученными ранее. Только если обнаружен новый объект, компьютер подает сигнал астроному, который и выясняет, действительно ли зафиксирована вспышка сверхновой. В 90-х годах такая система, использующая 80-см телескоп-рефлектор, начала работать в Ликской обсерватории (США).

Доступность простых ПЗС-камер для любителей астрономии привела к тому, что от визуальных наблюдений они переходят к ПЗС-наблюдениям, и тогда для телескопов с объективами 20-30 см становятся доступными звезды до 18 и даже 19 величины. Внедрение автоматизированного поиска и рост числа любителей астрономии, занимающихся поиском сверхновых с помощью ПЗС-камер, привел к лавинообразному росту числа открытий: в настоящее время открывется более 100 сверхновых в год, а общее количество открытий превысило 1500. В последние годы был начат также поиск очень далеких и слабых сверхновых на крупнейших телескопах с диаметром зеркала 3-4 метра. Оказалось, что исследования сверхновых, достигающих в максимуме блеска 23-24 величины, могут дать ответы на многие вопросы о строении и судьбе всей Вселенной. За одну ночь наблюдений на таких телескопах, оснащенных самыми совершенными ПЗС-камерами, можно открыть более 10 далеких сверхновых

Почти для всех сверхновых, открываемые в настоящее время, удается получить хотя бы один спектр, и для многих известны кривые блеска (в этом также велика заслуга любителей астрономии). Так что объем доступного для анализа наблюдательного материала очень велик, и казалось бы, все вопросы о природе этих грандиозных явлений должны быть решены. К сожалению, пока это не так. Рассмотрим подробнее основные вопросы, встающие перед исследователями сверхновых, и наиболее вероятные на сегодняшний день ответы на них.

41.Звёзды самого первого поколения пока непосредственно не наблюдаются. В астрономии принято деление звёзд по возрастам на 3 типа звёздного населения: I тип - звёзды с большим содержанием элементов тяжелее гелия (их называют собирательно "металлами"). Это наиболее молодой тип звёздного населения (моложе 6-7 млрд. лет), к которому относится наше Солнце и практически все звёзды, наблюдаемые невооружённым глазом. Звёздное население I типа образует диск нашей Галактики, видимый как Млечный Путь. II тип - старые звёзды с низкой металличностью (на 2 порядка меньше солнечной), составляющие шаровые звёздные скопления и сферическое гало нашей Галактики. Их возраст не менее 10 млрд. лет.

III тип - самые первые звёзды Вселенной, которые образовались около 13,5 млрд. лет и не имели в своём составе тяжёлых элементов, но синтезировали их на заключительном этапе жизни, когда они взорвались как сверхновые. Из межзвёздной среды, обогащённой этими элементами, и возникли звёзды последующих поколений. Самые ранние звёзды превышали Солнце по массе на 2 порядка, а поскольку массивные звёзды живут мало, их в нашу эпоху во Вселенной не осталось. Только заглянув на окраины наблюдаемого мира - на 13,5 млрд. световых лет вдаль (а это значит и на 13,5 млрд. лет назад) - можно надеяться увидеть эти самые первые звёзды. Вводимый сейчас (осень 2011г.) Атакамский большой радиотелескоп ALMA, как ожидается, поможет в этом. В ссылке, приведенной mordrag 123, говорится лишь о рекордно низкой металличности звезды, и о минимальном пороге содержания тяжёлых элементов для образования маломассивных звёзд.

43. Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах русского ученого А. Фридмана, который в 1922 г. показал, что искривленное пространство Не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения радиуса кривизны Вселенной, зависящие от средней плотности вещества в ней, причем в двух из них Вселенная бесконечно Расширяется, а в третьей – радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная Пульсирует).

Хотя открытие Э. Хабблом закона зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них подтвердило расширение Вселенной, сравнение экспериментально оцененной плотности вещества с критическим значением данного параметра, определяющим переход от расширения к сжатию, в настоящее время не дает возможности однозначно выбрать сценарий эволюции. Эти две величины оказались близки, а экспериментальные данные – недостаточно надежны.

Расширение Вселенной в настоящее время является обоснованным и общепризнанным фактом, позволяющим оценить возраст Вселенной. В соответствии с наиболее распространенными оценками он составляет 1018с ( 18 млрд лет). Следовательно, соврПо современным представлениям наша Вселенная в настоящий момент расширяется. Откуда это следует? Это следует, в частности, из экспериментально наблюдаемого эффекта красного смещения в спектрах излучения далеких галактик. В 2х словах идея заключается в следующем. Зная спектр излучения нашей Галактики, мы ожидаем, что галактики, схожие с нашей по строению, должны в среднем иметь такой же спектр. Однако эксперимент показывает, что чем дальше от нас находится изучаемая галактика, тем больше ее спектр смещен в красную сторону. А мы знаем, что подобное смещение может быть вызвано, в частности, эффектом Допплера, если изучаемая галактика удаляется от нас с некотрой скоростью. Помимо эффекта Допплера подобное смещение может быть вызвано и другими причинами, например, прохождением излучения сквозь поле силы тяжести. Однако тот факт, что красное смещение спектра обнаруживается у большинства галактик, независимо от направления на них, заставляет большинство специалистов придерживаться версии о расширяющейся Вселенной. Увеличение степени смещения спектра излучения по мере увеличения расстояния до наблюдаемых галактик свидетельствует о том, что скорость разбегания пропорциональна расстоянию между галактиками. Точная зависимость между скоростью и расстоянием в данный момент оспаривается различными специалистами. Однако за основу можно взять закон Хаббла, который утверждает линейную связь между скоростью и расстоянием с коэффициентом пропорциональности, называемым постоянной Хаббла. Итак, в любом случае мы имеем тот факт, что по мере удаления галактик друг от друга их скорость увеличивается. Мой первый вопрос к тем, кто что-то об этом знает: откуда берется ускорение галактик, какая сила его вызывает? Вопрос второй возникает после прочтения статьи: http://experiment.edu.ru/news.asp?ob_no=12557 (не знаю как долго она там пролежит, поэтому позволю себе привести ее текст здесь целиком)

Цитата:

Размер Вселенной составляет минимум 156 миллиардов световых лет. К такому выводу пришли ученые, проведя новые расчеты движения световых частиц в космосе. Как известно, возраст нашей Вселенной составляет 13,7 миллиардов лет. Таким образом, свет, который доходит до нас от самых дальних галактик, "путешествует" в космосе более 13 миллиардов лет. Но в действительности с самого начала, со времен Большого Взрыва, Вселенная продолжает непрерывно расширяться. "Всего" через миллион лет после Большого Взрыва наша Вселенная была в тысячу раз меньше, чем сейчас, сообщает CNN. "Все расстояние, которое свет преодолел в молодой Вселенной, нужно увеличить, учитывая расширение Вселенной, - объяснил Нейл Корниш, астрофизик из Государственного университета Монтаны. Как сообщил астрофизик, вследствие того, что Вселенная постоянно и очень быстро расширяется, фотонам света приходится преодолевать гораздо больший путь, компенсируя это расширение. Точка, из которой 13 миллиардов лет назад отправился в свой путь фотон, который сейчас достигает Земли, удалена от планеты на 78 миллиардов световых лет. Условно принимая нашу планету за точку отсчета и "центр", можно сказать, что это расстояние составляет радиус Вселенной, а ее диаметр вдвое больше, то есть 156 миллиардов световых лет. В новом исследовании ученые основывались на анализе данных первичной радиации. Кроме расчетов размеров Вселенной, они пришли к выводу, что существует странное космическое явление, сравнимое с "залом зеркал", которое приводит к тому, что объект видится сразу с двух сторон. Ученые полагают, что благодаря этому эффекту есть возможность заглянуть в глубины космоса и увидеть нашу планету в ее ранней юности.

Итак вопрос второй. С какой скоростью расширяется Вселенная? Пусть 13 млрд лет назад галактика Х находилась от нас на расстоянии 13 млрд св лет. Тогда в настоящий момент мы может увидеть ее свет, дошедший, наконец-то, до нас. Однако даже если бы все эти 13 млрд лет эта галактика удалялась от нас со скростью света, то расстояние между нами составило бы 13(те, что были в начале)+13(те, что возникли за то время, что свет летел до нас)=26 млрд св лет. Откуда цифра 78 млрд св лет? Другой интересный вопрос связан с темой о гиперпрыжках by Sprite в этом же канале. Раширение Вселенной может происходить двумя способами. 1) Увеличением размера квантов пространства. (Видимо, не наш случай, ибо мы бы сразу отметили изменение скорости света, а так же, я полагаю, и кучу др. захватывающих спец. эффектов) 2) Рождением новых квантов пространства. В свете пункта 2 - раз можно рождать, то нельзя ли их и убивать? И использовать это "убийство" с целью сверхбыстрых перемещений?еменные модели предполагают «начало» Вселенной. Как же началась ее эволюция?

44. Обмен веществ и энергии — совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.

Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэргических) соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ (или получение в готовом виде) промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов из этих предшественников; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.

Для понимания сущности обмена веществ и энергии в живой клетке нужно учитывать ее энергетическое своеобразие. Все части клетки имеют примерно одинаковую температуру, т.е. клетка изотермична. Различные части клетки мало отличаются и по давлению. Это значит, что клетки не способны использовать в качестве источника энергии тепло, т.к. при постоянном давлении работа может совершаться лишь при переходе тепла от более нагретой зоны к менее нагретой. Т.о., живую клетку можно рассматривать как изотермическую химическую машину.

С точки зрения термодинамики живые организмы представляют собой открытые системы, поскольку они обмениваются с окружающей средой как энергией, так и веществом, и при этом преобразуют и то, и другое. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами. Тем не менее при наблюдении в течение определенного отрезка времени в химическом составе организма видимых изменений не происходит. Но это не значит, что химические вещества, составляющие организм, не подвергаются никаким превращениям. Напротив, они постоянно и достаточно интенсивно обновляются, о чем можно судить по скорости включения в сложные вещества организма стабильных изотопов и радионуклидов, вводимых в клетку в составе более простых веществ-предшественников. Кажущееся постоянство химического состава организмов объясняется так называемым стационарным состоянием, т.е. таким состоянием, при котором скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно уравновешивается скоростью их переноса из системы в среду. Т.о., живая клетка представляет собой неравновесную открытую стационарную систему.

В зависимости от того в какой форме клетки получают из окружающей среды углерод и энергию, их можно разделить на большие группы. По форме получаемого углерода клетки делят на аутотрофные — «сами себя питающие», использующие в качестве единственного источника углерода диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ) СО₂, из которого они способны строить все нужные им углеродсодержащие соединения, и на гетеротрофные — «питающиеся за счет других», не способные усваивать СО₂ и получающие углерод в форме сравнительно сложных органических соединений, таких, например, как глюкоза. В зависимости от формы потребляемой энергии клетки могут быть фототрофами — непосредственно использующими энергию солнечного света, и хемотрофами — живущими за счет химической энергии, освобождающейся в ходе окислительно-восстановительных реакций (см. Дыхание тканевое). Подавляющее большинство аутотрофных организмов является фототрофами. Это — зеленые клетки высших растений, сине-зеленые водоросли, фотосинтезирующие бактерии. Гетеротрофные организмы чаще всего ведут себя как хемотрофы. К гетеротрофам относятся все животные, большая часть микроорганизмов, нефотосинтезирующие клетки растений. Исключение составляет небольшая группа бактерий (водородные, серные, железные и денитрофицирующие), которые по форме используемой энергии являются хемотрофами, но в то же время источником углерода для них служит СО₂, т.е. по этому признаку они должны быть отнесены к аутотрофам.

Гетеротрофные клетки, в свою очередь, можно разделить на два больших класса: аэробы, которые в качестве конечного акцептора электронов в цепи переноса электронов используют кислород, и анаэробы, где такими акцепторами являются другие вещества. Многие клетки — факультативные анаэробы — могут существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Другие клетки — облигатные анаэробы — совершенно не могут использовать кислород и даже гибнут в его атмосфере.

Рассматривая взаимоотношения организмов в биосфере в целом, можно заметить, что в смысле питания все они так или иначе связаны друг с другом. Это явление носит название синтрофии (совместного питания). Фототрофы и гетеротрофы взаимно питают друг друга. Первые, являясь фотосинтезирующими организмами, образуют из содержащегося в атмосфере СО₂ органические вещества (например, глюкозу) И выделяют в атмосферу кислород; вторые используют глюкозу и кислород в процессе свойственного им метаболизма и в качестве конечного продукта обмена веществ вновь возвращают в атмосферу СО₂. Этот круговорот углерода в природе теснейшим образом связан с энергетическим циклом. Солнечная энергия преобразуется в ходе фотосинтеза в химическую энергию восстановленных органических молекул, которая используется гетеротрофами для покрытия своих энергетических потребностей. Химическая энергия, получаемая гетеротрофами, особенно высшими организмами, из окружающей среды, частично превращается непосредственно в тепло (поддержание постоянной температуры тела), а частично — в другие формы энергии, связанные с выполнением различного рода работы: механической (мышечное сокращение), электрической (проведение нервного импульса), химической (биосинтетические процессы, протекающие с поглощением энергии), работы, связанной с переносом веществ через биологические мембраны (железы, кишечник, почки и др.). Все эти виды работы суммарно могут быть учтены по теплопродукции.

Между обменом веществ и обменом энергии существует одно принципиальное различие. Земля не теряет и не получает сколько-нибудь заметного количества вещества. Вещество в биосфере обменивается по замкнутому циклу и т.о. используется многократно. Обмен энергией осуществляется иначе. Она не циркулирует по замкнутому циклу, а частично рассеивается во внешнее пространство. Поэтому для поддержания жизни на Земле необходим постоянный приток энергии Солнца. За 1 год в процессе фотосинтеза на земном шаре поглощается около 10²¹ кал солнечной энергии. Хотя она составляет лишь 0,02% всей энергии Солнца, это неизмеримо больше, чем та энергия, которая используется всеми машинами, созданными руками человека. Столь же велико количество участвующего в кругообороте вещества. Так, годовой оборот углерода составляет 3310⁹ т.

Другим, не менее важным для живых организмов элементом, чем углерод, является азот. Он необходим для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Главным резервом азота на Земле служит атмосфера, почти на ⁴/₅ состоящая из молекулярного азота. Однако вследствие химической инертности атмосферного азота большинство живых организмов его не усваивают. Лишь азотфиксирующие бактерии обладают способностью восстанавливать молекулярный азот и таким образом переводить его в связанное состояние. Связанный азот совершает беспрерывный круговорот в природе. Восстановленный азот, попадающий в почву в виде аммиака как продукт обмена веществ животных или образуемый азотфиксирующими бактериями, окисляется почвенными микроорганизмами до нитритов и нитратов, которые попадают из почвы в высшие растения, где восстанавливаются с образованием аминокислот, аммиака и ряда других азотсодержащих продуктов. Эти соединения попадают в организм животных, питающихся растительной пищей, затем в организм хищных животных, поедающих травоядных, и все еще в восстановленной форме возвращаются в ночву, после чего весь цикл повторяется снова.

Валовый (суммарный) обмен вещества и энергии. Законы сохранения вещества и энергии послужили теоретической основой для разработки важнейшего метода исследования обмена веществ и энергии —установления балансов, т.е. определения количества энергии и веществ, поступающих в организм и покидающих его в форме тепла и конечных продуктов обмена. Для определения баланса веществ необходимы достаточно точные химические методы и знание путей, по которым различные вещества выделяются из организма. Известно, что главными пищевыми веществами являются белки, липиды и углеводы. Как правило, для оценки содержания белков в пище и в продуктах распада достаточно определить количество азота, т.к. практически весь азот пищи находится в белках, в т.ч. в нуклеопротеинах; незначительным количеством азота, входящим в состав некоторых липидов и углеводов, в опытах по определению азотистого баланса можно пренебречь. Определение липидов и углеводов в пищевых продуктах требует специфических методов, что же касается конечных продуктов обмена липидов и углеводов, то это почти исключительно СО₂ и вода.

При анализе конечных продуктов обмена необходимо принимать во внимание пути выделения их из организма. Азот выделяется главным образом с мочой, но также и с калом и в небольшом количестве через кожу, волосы, ногти (см. Азотистый обмен). Углерод выделяется почти исключительно в форме СО₂ через легкие, но некоторое его количество выделяется с мочой и калом. Водород экскретируется в виде Н₂О преимущественно с мочой и через легкие (водяной пар), но также через кожу и с калом.

Баланс энергии определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при сжигании веществ в калориметрической бомбе, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, т.к. некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Важной величиной, характеризующей особенности обмена отдельных веществ, является дыхательный коэффициент (ДК), который численно равен отношению объема выдыхаемого СО₂ к объему поглощенного О₂. Калорическая ценность, ДК и величина теплообразования, рассчитанная на 1 л потребленного О₂ для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4,1; липидов — 9,3; белков — 4,1; величина теплообразования (в ккал на 1 л потребленного О₂) для углеводов — 5,05; липидов — 4,69; белков — 4,49.

Интенсивность обмена веществ и энергии может быть определена прямыми и непрямыми методами. В прямых методах с помощью большого калориметра путем тончайшего измерения температуры определяют отдачу тепла, одновременно производят полное определение баланса отдельных пищевых веществ. В непрямых методах, значительно более простых, измеряют лишь отдельные параметры обмена, чаще всего количество потребленного О₂ и выделенного СО₂ за определенное время и, кроме того, для оценки интенсивности белкового обмена определяют количество азота, выделенного за это время с мочой. Поскольку содержание азота в белках приблизительно постоянно и составляет в среднем 16 г на 100 г белка, 1 г выделенного азота соответствует 6,25 1 белка, вовлеченного в метаболизм. Зная количество белка, метаболизированного за время опыта, рассчитывают, сколько О₂ пошло на окисление белка и сколько СО₂ выделилось за счет белка. Эти количества вычитают из общего количества О₂ и СО₂, измеренного в ходе опыта. В результате получают так называемые небелковые О₂ и СО₂. Из их соотношения находят небелковый ДК. С помощью данных, помещенных в таблице 1, по величине небелкового ДК находят теплопродукцию за счет небелковых веществ и долю углеводов и липидов в этой теплопродукции. Т.о., на основании данных о количестве поглощенного О₂, выдыхаемого СО₂ и выделенного с мочой азота за определенный период времени может быть вычислена теплопродукция и установлены количества белка, углеводов и липидов, катаболизировавшихся за этот период.

Звездные, супермассивные, и, возможно, черные дыры промежуточной массы являются примерами скрытого вещества называемого темным веществом (скрытой массой). Темное вещество является материалом, который не может быть увиден с любым типом телескопов, но может обнаруживаться через свои гравитационные эффекты. Эти эффекты наблюдаются, как специфические на орбитах звезд и газа в группах галактик и галактике. Астрономы пришли к осторожному выводу, что большая часть вещества во Вселенной, приблизительно 80 процентов, существует в виде темного вещества. Осторожному, из-за того, что они не знают, что это такое. Два известных типа темного материала, нейтронные звезды и черные дыры, считаются незначительной частью общего количества темного вещества.

Независимо от того, каков темный материал, он сформировал Вселенную такой, какой который мы ее знаем. Без гравитационного потенциала темного вещества, похоже, Вселенная оставалась бы слишком устойчивой в гравитационном отношении, чтобы сформировать галактики, звезды, и планеты.

Через анализ наблюдений галактик и групп галактики, и с помощью теоретических предпосылок формирования таких структур, астрофизики могут определить, из чего должно состоять темное вещество (материя). Кандидат, который наилучшим образом воспроизводит наблюдаемую Вселенную, является общим классом темной материи называемой "холодный темный материал" - гипотетические субатомные частицы оставшиеся из плотной ранней Вселенной. Холодный темный материал получает свое имя с предположения, что эти темные частицы материала перемещались медленно, когда галактики и группы галактики начали формироваться.

Что мог холодный темный материал? Одна возможность предложенная теорией суперструн для элементарных частиц - neutralino, которые могли производится в избытке в первую триллионную долю секунды Большого Взрыва, и предположительно имели массу около 100 масс протонов. В другом конце спектра масс - axion, который имеет массу значительно меньше, чем протон или даже электрон. Но ни они, ни любая другая из многих других темных частиц в кандидаты для скрытой массы, не наблюдались когда-либо экспериментально. Но даже наиболее неуловимая частица может оставить след, и астрономы и физики-экспериментаторы могут изумляться, что когда-нибудь скоро, природа темного материала может проявить себя. Тем не менее, решение проблемы скрытой массы (темного вещества) могло быть лишь «куском пирога» по сравнению с достижением знаний в природе темной энергии.

45. К статье СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Вопрос о том, как образовалась Солнечная система, пожалуй, наиболее трудный в планетологии. Для ответа на него у нас пока мало данных, которые помогли бы восстановить протекавшие в ту далекую эпоху сложные физические и химические процессы. Теория формирования Солнечной системы должна объяснить множество фактов, включая ее механическое состояние, химический состав и данные изотопной хронологии. При этом желательно опираться на реальные явления, наблюдаемые вблизи формирующихся и молодых звезд. Механическое состояние. Планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости. Большинство из них вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Солнце. Все это указывает, что предшественником Солнечной системы был вращающийся диск, который естественно образуется при сжатии самогравитирующей системы с сохранением момента импульса и следующим из этого увеличением угловой скорости. (Момент импульса, или угловой момент планеты, - это произведение ее массы на расстояние от Солнца и на орбитальную скорость. Момент Солнца определяется его осевым вращением и приблизительно равен произведению массы на радиус и на скорость вращения; осевые моменты планет пренебрежимо малы.) Солнце содержит в себе 99% массы Солнечной системы, но только ок. 1% ее момента импульса. Теория должна объяснить, почему большая часть массы системы сосредоточена в Солнце, а подавляющая часть момента импульса - во внешних планетах. Имеющиеся теоретические модели формирования Солнечной системы указывают, что вначале Солнце вращалось значительно быстрее, чем сейчас. Затем момент импульса от молодого Солнца передался внешним частям Солнечной системы; астрономы полагают, что гравитационные и магнитные силы затормозили вращение Солнца и ускорили движение планет. Уже два века известно приблизительное правило регулярного распределения планетных расстояний от Солнца (правило Тициуса - Боде), но объяснения ему нет. В системах спутников внешних планет прослеживаются те же закономерности, что и в планетной системе в целом; вероятно, процессы их формирования имели много общего. См. также БОДЕ ЗАКОН. Химический состав. В Солнечной системе наблюдается сильный градиент (различие) химического состава: близкие к Солнцу планеты и спутники состоят из тугоплавких материалов, а в составе далеких тел много летучих элементов. Это означает, что в эпоху формирования Солнечной системы существовал большой градиент температуры. Современные астрофизические модели химической конденсации предполагают, что исходный состав протопланетного облака был близок к составу межзвездной среды и Солнца: по массе до 75% водорода, до 25% гелия и менее 1% всех прочих элементов. Эти модели успешно объясняют наблюдаемые вариации химического состава в Солнечной системе. О химическом составе далеких объектов можно судить на основании значения их средней плотности, а также по спектрам их поверхности и атмосферы. Значительно точнее это удалось бы сделать путем анализа образцов планетного вещества, но пока у нас есть только образцы с Луны и метеориты. Исследуя метеориты, мы начинаем понимать химические процессы в первичной туманности. Однако процесс агломерации крупных планет из мелких частиц пока остается неясным. Изотопные данные. Изотопный состав метеоритов указывает, что формирование Солнечной системы происходило 4,6 ? 0,1 млрд. лет назад и длилось не более 100 млн. лет. Аномалии изотопов неона, кислорода, магния, алюминия и др. элементов свидетельствуют, что в процессе коллапса межзвездного облака, породившего Солнечную систему, в него попали продукты взрыва близкой сверхновой звезды. См. также ИЗОТОПЫ; СВЕРХНОВАЯ ЗВЕЗДА. Формирование звезд. Звезды рождаются в процессе коллапса (сжатия) межзвездных газо-пылевых облаков. Детально этот процесс пока не исследован. Имеются наблюдательные факты в пользу того, что ударные волны от взрывов сверхновых звезд могут сжимать межзвездное вещество и стимулировать коллапс облаков в звезды. См. также ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС. Перед тем как молодая звезда достигнет стабильного состояния, она проходит стадию гравитационного сжатия из протозвездной туманности. Основные сведения об этом этапе эволюции звезд получают, изучая молодые звезды типа Т Тельца. По-видимому, эти звезды еще находятся в состоянии сжатия и их возраст не превышает 1 млн. лет. Обычно их массы от 0,2 до 2 масс Солнца. У них видны признаки сильной магнитной активности. В спектрах некоторых звезд типа Т Тельца присутствуют запрещенные линии, которые возникают только в газе низкой плотности; вероятно, это остатки протозвездной туманности, окружающие звезду. Для звезд типа Т Тельца характерны быстрые флуктуации ультрафиолетового и рентгеновского излучения. У многих из них наблюдаются мощное инфракрасное излучение и спектральные линии кремния - это указывает, что звезды окружены пылевыми облаками. Наконец, звезды типа Т Тельца обладают мощным звездным ветром. Считается, что в ранний период своей эволюции Солнце также проходило через стадию Т Тельца, и что именно в этот период летучие элементы были вытеснены из внутренних областей Солнечной системы. Некоторые формирующиеся звезды умеренной массы демонстрируют сильный рост светимости и сброс оболочки за время менее года. Такие явления называют вспышками типа FU Ориона. По крайней мере однажды такую вспышку испытала звезда типа Т Тельца. Считается, что большинство молодых звезд проходит через стадию вспышек типа FU Ориона. Причину вспышки многие видят в том, что время от времени возрастает темп аккреции на молодую звезду вещества из окружающего ее газо-пылевого диска. Если в ранний период эволюции Солнце также испытало одну или несколько вспышек типа FU Ориона, это должно было сильно повлиять на летучие вещества в центральной части Солнечной системы. Наблюдения и расчеты показывают, что в окрестности формирующейся звезды всегда есть остатки протозвездного вещества. Из него может сформироваться звезда-компаньон или планетная система. Действительно, многие звезды образуют двойные и кратные системы. Но если масса компаньона не превосходит 1% массы Солнца (10 масс Юпитера), то температура в его ядре никогда не достигнет значения, необходимого для протекания термоядерных реакций. Такое небесное тело называют планетой. Теории формирования. Научные теории формирования Солнечной системы можно разделить на три категории: приливные, аккреционные и небулярные. Последние привлекают сейчас наибольший интерес. Приливная теория, по-видимому, впервые предложенная Бюффоном (1707-1788), непосредственно не связывает между собой формирование звезды и планет. Предполагается, что пролетевшая мимо Солнца другая звезда путем приливного взаимодействия вытянула из него (или из себя) струю вещества, из которого сформировались планеты. Эта идея сталкивается с множеством физических проблем; например, выброшенное звездой горячее вещество должно распыляться, а не конденсироваться. Сейчас приливная теория непопулярна, поскольку не может объяснить механические особенности Солнечной системы и представляет ее рождение как случайное и крайне редкое событие. Аккреционная теория предполагает, что молодое Солнце захватило вещество будущей планетной системы, пролетая сквозь плотное межзвездное облако. Действительно, молодые звезды обычно встречаются вблизи крупных межзвездных облаков. Однако в рамках аккреционной теории трудно объяснить градиент химического состава в планетной системе. Наиболее разработана и общепринята сейчас небулярная гипотеза, предложенная Кантом в конце 18 в. Ее основная идея состоит в том, что Солнце и планеты формировались одновременно из единого вращающегося облака. Сжимаясь, оно превратилось в диск, в центре которого образовалось Солнце, а на периферии - планеты. Отметим, что эта идея отличается от гипотезы Лапласа, согласно которой сначала из облака сформировалось Солнце, а затем по мере его сжатия центробежная сила отрывала с экватора газовые кольца, сконденсировавшиеся позже в планеты. Гипотеза Лапласа сталкивается с трудностями физического характера, которые не удается преодолеть уже 200 лет. Наиболее удачный современный вариант небулярной теории создал А.Камерон с коллегами. В их модели протопланетная туманность была примерно вдвое массивнее нынешней планетной системы. В течение первых 100 млн. лет формировавшееся Солнце активно выбрасывало из нее вещество. Такое поведение характерно для молодых звезд, которые по имени прототипа называют звездами типа Т Тельца. Распределение давления и температуры вещества туманности в модели Камерона хорошо согласуется с градиентом химического состава Солнечной системы. Таким образом, наиболее вероятно, что Солнце и планеты сформировались из единого сжимающегося облака. В центральной его части, где плотность и температура были выше, сохранились только тугоплавкие вещества, а на периферии сохранились и летучие; этим объясняется градиент химического состава. В соответствии с этой моделью формирование планетной системы должно сопровождать раннюю эволюцию всех звезд типа Солнца. Рост планет. Существует множество сценариев роста планет. Возможно, планеты сформировались в результате случайных столкновений и слипаний небольших тел, названных планетезималями. Но, может быть, мелкие тела объединялись в более крупные сразу большими группами в результате гравитационной неустойчивости. Не ясно, происходила ли аккумуляция планет в газовой или безгазовой среде. В газовой туманности перепады температуры сглаживаются, но когда часть газа конденсируется в пылинки, а остатки газа выметает звездный ветер, прозрачность туманности резко возрастает, и в системе возникает сильный градиент температуры. До сих пор не вполне ясно, каковы характерные времена конденсации газа в пылинки, аккумуляции пылинок в планетезимали и аккреции планетезималей в планеты и их спутники

Звезды второго поколения

Когда большая звезда вспыхивает как Сверхновая, некоторое количество ее вещества выбрасывается в пространство и постепенно смешивается с уже находящимся там разреженным газом. Выброшенное взрывом звездное вещество богато всеми элементами вплоть до железа, так как все они имелись в звезде в момент взрыва. Более того, выброшенное взрывом вещество должно также содержать и элементы более сложные, чем железо. Эти элементы не могут образовываться без поглощения энергии, и в обычной звезде они не образовались бы. Однако в Сверхновой энергия вырабатывается столь чудовищно быстро, что часть ее, возможно, расходуется, так сказать, на постройку более сложных, чем железо, атомов. Так должны возникать атомы всех элементов вплоть до урана, наиболее сложного из всех элементов, встречающихся в заметных количествах в земной коре. Весьма вероятно даже, что образуются элементы и более сложные, чем уран. Подобных трансурановых элементов на Земле в естественных условиях не существует, так как они чрезвычайно неустойчивы. Конечно, и сам уран неустойчив — он постоянно распадается и, пройдя через определенные стадии, превращается в свинец. Однако распад урана происходит так медленно, что даже через 4,5 миллиарда лет (что равно почти всей жизни Земли) еще сохраняется половина его первоначального количества. Распад же трансурановых элементов происходит гораздо быстрее, и если какие-нибудь из них и существовали в период образования Земли, к настоящему времени они все уже исчезли. Однако Сверхновые, пожалуй, намекают нам, что в них — хотя бы мимолетно — появляется элемент калифорний, стоящий в таблице элементов на шесть мест дальше урана. Блеск многих Сверхновых, по-видимому, уменьшается наполовину за 55 дней. А одна из разновидностей калифорния — калифорнии-254 — обладает именно таким периодом полураспада. Возможно, здесь существует какая-то связь Во всяком случае, после того, как Сверхновая вспыхнула себе на гибель и возникший белый карлик отправился в свое путешествие вокруг центра Галактики, движение газовой оболочки, выброшенной взрывом, затормозится из-за трения о разреженный газ в межзвездном пространстве, и она надолго задержится в той области пространства, где произошел взрыв, и будет «загрязнять» этот газ Эта область, которая прежде содержала только разреженный водород, теперь будет содержать некоторое количество гелия и еще меньшее количество более сложных атомов А если из этого загрязненного вещества образуется звезда? Она все-таки будет состоять почти из одного водорода. Она проживет многие миллиарды лет, на протяжении которых источником энергии, питающей ее излучение, будет слияние ядер водорода в ядра гелия (при условии, что ее масса с самого начала не окажется слишком большой). Но доля сложных атомов в ее составе будет больше, чем можно было бы ожидать. По-видимому, именно так обстоит дело с нашим Солнцем. По-видимому, Солнце — звезда «второго поколения», образовавшаяся в области, где перед этим существовала другая звезда, погибшая во взрыве. Если бы Солнце первоначально на 100% состояло из водорода, ему потребовалось бы 20 миллиардов лет, чтобы достичь нынешнего уровня содержания водорода, равного 81%. Если же оно с самого начала содержало только 87% водорода, то для достижения нынешней стадии ему потребовалось бы всею 5—6 миллиардов лет. Именно так, скорее всего, и было. Планеты, возникавшие на окраинах медленно сгущающегося газового облака, из которого образовалась солнечная система, также должны были в конце концов сформироваться из материала, содержащею значительную примесь более сложных атомов Земля, которая в самом начале была слишком мала и горяча, чтобы удерживать водород и гелий, почти вся состоит из более сложных атомов. У Земли есть ядро, включающее почти треть ее массы, и почти все оно — жидкое железо. Это показывает нам, какое количество железа выплюнула в пространство взорвавшаяся Сверхновая, чье собственное ядро было нашпиговано железом. Фред Хойл даже высказал несколько лет назад предположение, что Солнце когда то, подобно Сириусу, было компонентом двойной звезды и что его спутник вспыхнул как Сверхновая. Так Хойл пытался объяснить химический состав планет, а также их очень большой момент количества движения — ведь они должны были получить значительную часть момента количества движения взорвавшейся звезды. Однако, если мы примем эту гипотезу, нам придется ответить на вопрос, куда девался белый карлик, который должен был образоваться из Сверхновой. Предположение Хойла оригинально и интересно, но большинство астрономов с ним не соглашается.

Солнце - самый большой объект в солнечной системе, оно содержит более чем 99.8% массы всей солнечной системы (остаток массы принадлежит практически только одному Юпитеру, массы остальных планет несущественны).

В настоящее время Солнце состоит примерно из 75% водорода и 25% гелия по массе (92.1% водорода и 7.8% гелия по числу атомов); все остальные химические элементы (так называемые "металлы") содержат только 0.2% общей массы. Это соотношение медленно меняется со временем, по мере того как в ядре Солнца водород превращается в гелий. Внешние слои Солнца испытывают дифференциальное вращение: на экваторе поверхность вращается со скоростью один оборот за 25.4 дня; а около полюсов скорость вращения медленнее и составляет примерно 36 дней. Такое поведение объясняется тем, что Солнце не является твердым телом, как Земля. Сходное вращение наблюдается у газовых планет гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна). Дифференциальное вращение распространяется и вглубь Солнца, однако его ядро вращается, по-видимому, как твердое тело. Условия в солнечном ядре (которое занимает примерно 25% от его радиуса) чрезвычайно экстремальные. Температура достигает 15.6 миллионов градусов Кельвина, а давление - 250 миллиардов атмосфер. Газ в ядре более чем в 150 раз плотнее воды.

Излучаемая Солнцем энергия вырабатывается в ядерных реакциях ( эрг/сек или 386 миллиардов миллиардов мегаватт). Каждую секунду около 700,000,000 тонн водорода превращается в 695,000,000 тон гелия и 5,000,000 тонн (= эрг) энергии в форме гамма лучей. Пока эта энергия (излученная в виде гамма квантов) путешествует наружу по направлению к поверхности, она постепенно поглощается и переизлучается в виде волн все большей длины так, что когда она достигает поверхности, она превращается в видимый свет. Последние 20% пути к поверхности энергия переносится конвекцией, а не излучением. Конвекция - это перемещение вещества в целом, потоками или пузырями, наподобие того, как ведет себя кипящая вода. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают свое тепло окружающей среде, а охлажденный солнечный газ опускается вниз.

Видимая поверхность Солнца называется фотосферой, ее температура порядка 5800 К. На поверхности Солнца хорошо видны темные области, называемые солнечными пятнами. Солнечные пятна - это "холодные" области, с температурой около 3800К (они выглядят темными только по сравнению с окружающими областями). Пятна могут достигать очень больших размеров, до 50,000 км в диаметре (для сравнения диаметр - Земли 12,760 км.). Пятна (рис. 1) - это проявление чрезвычайно сложного магнитного поля Солнца, и их природа не до конца понятна (см. также раздел Солнечный цикл).

Над фотосферой лежит небольшая область, называемая хромосферой. Сильно разряженная область лежащая над хромосферой, называется короной. Она простирается на миллионы километров в космос, но бывает видна только во время затмений (рис.2). Температура короны порядка 1,000,000 К.

Магнитное поле Солнца очень сильное (по земным меркам) и очень сложное. Магнитосфера Солнца (другое название - гелиосфера) простирается вплоть до орбиты Плутона. В дополнение к теплу и свету Солнце также излучает поток заряженных частиц малой плотности (в основном электроны и протоны). Этот поток называют солнечным ветром, и он пронизывает солнечную систему со скоростью 450 км/час. Для изучения солнечного ветра был запущен спутник "Улисс", имеющий уникальную орбиту, проходящую через солнечные полюса. Данные, полученные со спутника "Улисс" показывают, что солнечный ветер крайне нерегулярен и уходит от полярных областей Солнца со скоростью в 750 км/сек вдвое большей, чем на низких широтах.

Эффектные петли и протуберанцы часто видны на лимбе Солнца (см. заставку и обложку). Их существование также обязано магнитному полю Солнца.

46. Начало формирования Солнца, планет и других малых космических тел Солнечной системы 4,6 млрд. лет назад положил гравитационный коллапс части огромного межзвездного молекулярного облака. Толчком для начала коллапса, очевидно, стало спонтанное уплотнение вещества из-за естественной динамики облака или вследствие ударной волны от взрыва сверхновой звезды. Обладая большей массой и силой гравитации, уплотнение притягивало к себе все больше вещества из облака, поэтому с течением времени в этом месте образовалась звезда – Солнце. Из оставшейся части облака образовался протопланетный диск, из которого сформировалось большое количество протопланет. Потом около 100 млн. лет длился процесс столкновений и слияний протопланет между собой, пока на орбитах не осталось 8 наиболее массивных планет, которые известны сейчас.

Основные свойства планет Меркурий

Столкновение, после которого образовалась Луна

Меркурий в результате подобных столкновений лишился большей части своей мантии и спутников. Это ближайшая планета к Солнцу и наименьшая планета Солнечной системы. Вместе с Венерой, Землей и Марсом входит в состав планет земной (внутренней) группы. Его масса равна 0,055 массы Земли и состоит он, как и все планеты земной группы, в основном из силикатов и металлов. У Меркурия довольно разреженная атмосфера, состоящая из атомов, выбитых солнечным ветром с поверхности планеты. Из известных его геологических особенностей можно выделить наличие большого количества ударных кратеров, зубчатых откосов, простирающихся на сотни километров. Кроме того, у Меркурия сравнительно большое железное внутреннее ядро и тонкая кора.

Венера

Венера по размерам близка к Земле. Ее масса составляет 0,815 земной. Имеет схожее с Землей строение, так как состоит из толстой силикатной оболочки вокруг ядра из железа и обладает атмосферой. На поверхности Венеры наблюдаются признаки геологической активности. Температура на ее поверхности превышает 400°С  - это самая горячая планета. Как полагают, это  следствие парникового эффекта, возникающего в ее достаточно плотной атмосфере, насыщенной углекислым газом. У Венеры нет спутников и магнитного поля, которое могло бы удерживать атмосферу. Атмосфера не истощается, предположительно благодаря вулканическим извержениям.

Земля

Земная группа: Меркурий, Венера, Земля, Марс

Земля – это самая крупная и плотная из планет внутренней группы. Она во многом уникальна. Например, только у Земли наблюдается тектоника плит, существует гидросфера, а вопрос о существовании жизни где-либо кроме Земли до сих пор остается открытым. Атмосфера Земли отличается содержанием свободного кислорода, а кроме этого – у Земли самый большой спутник (Луна) из всех планет внутренней группы.

Марс

Марс по своим размерам меньше Земли и Венеры. Его масса составляет 0,107  земной. У него, как и у Венеры, атмосфера состоит из углекислого газа, правда, она менее плотная. На его поверхности есть впадины и вулканы, самый большой из которых, Олимп, достигает высоты 21,2 км. Это свидетельствует о прошлой геологической активности, которая закончилась около 2 млн. лет назад. Наблюдатели зафиксировали красный цвет поверхности Марса, который объясняется большим количеством оксида железа, содержащимся в грунте. Два спутника планеты Фобос и Деймос предположительно являются астероидами, захваченными силой гравитации.

Юпитер

Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун

Такие планеты, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун входят в группу планет газовых гигантов (внешняя группа). Такое название частично объясняет размеры и состав данных планет. По своей массе Юпитер в 318 раз больше Земли. В основной своей массе он состоит из водорода и гелия. Юпитер удерживает на орбитах вокруг себя 65 спутников, крупнейший из которых, Ганимед, по размерам больше Меркурия и обладает вулканической активностью.

Сатурн

Сатурн выделяется своей обширной системой колец. Кольцами обладают все планеты-гиганты, но с Земли наиболее заметна система колец Сатурна. По своей массе он в 95 раз тяжелее Земли, но его плотность невелика и сравнима с плотностью воды. У Сатурна выявлено 62 спутника, наибольший из которых – Титан. Он выделяется среди всех спутников Солнечной системы  благодаря своей заметной даже с Земли атмосфере.