Представление о Вселенной. Галактика Млечного пути (ГМП). Солнце как одна из звезд ГМП. Основные параметры Солнца
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГУ ВПО «Бурятская Государственная Сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова»
Кафедра почвоведения и агрохимии
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТА
ТЕМА 1. Представление о Вселенной
ЗЕМЛЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ. СТРОЕНИЕ
ЗЕМНОГО ШАРА И ПЛАНЕТ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ
Представление о Вселенной. Галактика Млечного пути (ГМП). Солнце как одна из звезд ГМП. Основные параметры Солнца
Вселенная— в широком смысле, весь окружающий нас материальный мир во всех его многообразных формах и проявлениях, безграничный во времени и пространстве. Вселенная составляет предмет изучения всех естественных наук. В более узком смысле слова, под Вселенной понимается мир небесных тел с законами их движения и развития и их распределение во времени и пространстве (Геологический словарь, том 1. Изд-во «Недра», М., 1978).
Основными членами Вселенной являются звезды. Звезд, подобных Солнцу, во Вселенной огромное количество. Все тела во Вселенной группируются в различные системы и связаны друг с другом силами взаимного тяготения. Тела каждой системы имеют общее движение в пространстве. Солнечная система представляет собой часть более крупной системы, называемой местной звездной системой. Местная звездная система — это составная часть более крупной системы — Галактики.
Галактика Млечного путисостоит из миллиардов звезд, удаленных от нас на громадные расстояния. В Галактике насчитывается более 150 млрд. звезд.
Строение Галактики сложное, она распадается на подсистемы, различающиеся формой и типом входящих в нее звезд. К подсистемам отнесены также всевозможные группы, скопления, светлые и темные туманности — гигантские облака разреженного вещества.
Таким образом. Галактика — это исполинская звездная система. Из конца в конец ее свет проходит за 80 тыс. лет (световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год). Толщина Галактики — около 10 тыс. световых лет.
Основные параметры Солнца.Солнце — ближайшая к нам звезда, центральное тело нашей Солнечной системы, одним из спутников которой является Земля. Линейный диаметр Солнца равен 1 391 980 км. Объем в 1301 раз больше объема Земли. Масса равна 1,98 • 10 » кг, плотность 1,41 г/см , хотя в центре она может достигать 160 г/см\ Температура наружных слоев составляет около 6000°, а в близи центра — около 20 000 000°. Химический состав Солнца в основном определяется водородом и гелием. Солнечный газ находится в состоянии плазмы (высокотемпературной электропроводящей среды в магнитном поле). Излучает за счет термоядерных реакций, происходящих около его центра. Количество энергии, излучаемой Солнцем, составляет 5.4310 77 кал/мин. Земля же получает менее одной двухмиллиардной доли этого количества энергии.
Солнечная система и ее строение.В состав солнечной системы входят Солнце и девять вращающихся вокруг него планет, а также спутники, астероиды, кометы, метеориты, пыль и газ в рассеянном состоянии.
Диаметр солнечной системы составляет 12 млрд. км. В Солнечной системе выделяют две группы планет: планеты земной группы и планеты-гиганты. К первой группе относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон, а ко второй — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Как и Земля, все планеты вращаются вокруг своих осей и обращаются вокруг Солнца. Марс меньше массы Земли в 9 раз, а Меркурий — в 20 раз. Уран и Нептун тяжелее в десятки раз, а, например, Юпитер на 3 порядка.
Планеты земной группы
Меркурий— ближайшая к Солнцу и самая маленькая по своим размерам планета Солнечной системы. Масса Меркурия равна 0,3310 27 г. Несмотря на небольшие размеры — диаметр 4880 км, радиус 2440 км. Меркурий имеет необычайно высокую среднюю плотность — 5,42 г/см , т.е. значительно выше плотности Луны, размеры которой ненамного меньше Меркурия. Меркурий имеет одну из самых вытянутых эллиптических орбит среди планет Солнечной системы. Полный оборот вокруг Солнца он делает за 88 земных суток, а вокруг своей оси Меркурий вращается очень медленно — один полный оборот за 58,65 суток. Температура на поверхности дневной стороны планеты поднимается до +437°С, на теневой она падает до -173°С. Среднее расстояние от Солнца — 53 млн. км. Живые организмы земного типа не могут существовать и развиваться в условиях таких температур. Нет здесь и воды. Это мертвая безжизненная планета, поверхность которой напоминает луноподобный пейзаж, плотно усеянный кратерами размерами от 50 до 200 км и более.
Венерапо своим размерам и массе очень близка Земле. Масса Венеры 4,87-10″ г, средний радиус — 6050 км, средняя плотность — 5,245 г/см . Период обращения вокруг Солнца = 225 суткам. Венера очень медленно вращается вокруг своей оси — один оборот за 243,16 суток, причем имеет обратное вращение (навстречу Земле). Это значит, что Солнце восходит на западе, а заходит на востоке. Продолжительность суток на Венере равна 117 земным суткам.
Венера имеет очень мощную атмосферу гигантской плотности. На поверхности планеты давление атмосферы составляет 100 атм, что соответствует давлению на глубине моря 1000 м.
Находясь ближе к Солнцу, Венера получает в 2 раза больше тепла, чем Земля — 3,6 кал/см»-мин. Температура на поверхности планеты +480°С, больше, чем на Меркурии. Такая высокая температура объясняется парниковым эффектом, создаваемым венерианской атмосферой. В свою очередь атмосфера, поглощая и задерживая солнечный свет, также нагревается. Часть тепла, проходя толщу атмосферы, нагревает поверхность планеты. Атмосфера Венеры на 97% представлена углекислым газом, на долю кислорода приходится 0,01%, азота — 2%, водяных паров — 0,05%.
Парниковый эффект, создаваемый углекислотой, препятствует переизлучению тепла и охлаждению поверхности даже во время длинной венерианской ночи. Отсутствие значительных перепадов приземной температуры объясняет необычайно низкие скорости ветра (1-3 м/сек) у поверхности планеты.
Облачный слой Венеры начинается с высоты 35 км и тянется до высоты 70 км. Нижний ярус облаков состоит из 80%-ной серной кислоты. На этих высотах дует постоянный ветер с востока на запад со скоростью 100-140 м/сек.
На планете нет магнитного поля, что свидетельствует о том, что ядро Венеры отличается от земного ядра. Примерно 15% поверхности Венеры занимают относительно древние породы. На них накладываются более молодые базальтовые равнины и еще более молодые, чем равнины, громадные действующие базальтовые вулканы.
Марс— четвертая по счету от Солнца красная планета, которая намного меньше Земли. Орбита Марса проходит значительно выше земной — почти на 60 млн. км. Масса Марса 0,64-10 27 г, радиус 3394 км, средняя плотность 3,94 г/см . Продолжительность марсианского года — 687 земных суток, период вращения вокруг оси такой же как у Земли, — 24 часа 34 минуты 22,6 секунды. Наклон оси к плоскости орбиты также близок к земному — 24°. Это обеспечивает смену сезонов года и существование «климатических» поясов — жаркого экваториального, двух умеренных и двух полярных тепловых поясов. Однако ввиду значительной удаленности от Солнца (Марс получает в 2,3 раза меньше солнечного тепла, чем Земля) контрасты тепловых поясов и сезонов года здесь иные. Полуденная температура на марсианском экваторе достигает +10°, а на полярных шапках падает до -120°С.
На Марсе очень разреженная атмосфера, давление которой на поверхности составляет всего 0,01 атм. Она состоит на 95% из углекислого газа, азота — 2,5%, аргона — 2%, кислорода — 0,3% и водяных паров — 0,1 %.
Поверхность Марса представлена базальтовыми равнинами в северном полушарии и возвышенностями — в южном. На Марсе существуют очень крупные вулканы, например вулкан Олимп имеет высоту 21 км и диаметр 600 км. Это самый крупный вулкан на всех планетах Солнечной системы.
В южном полушарии Марса располагается грандиозный каньон Домены Маринер, представляющий собой глубокий до 10 км рифт (линейно-вытянутая щелевидная или ровообразная структура глубинного происхождения — с англ. rift — расселина, ущелье), протянувшийся на 4000 км в широтном направлении. Таких структур на Земле нет.
Внешние планеты-гиганты
Юпитер— самая большая планета в Солнечной системе. По своему объему Юпитер превосходит Землю почти в 1300 раз, а по массе — в 318 раз. Ввиду этого Юпитер обладает мощной силой притяжения и может удерживать вокруг себя легкие газы. Атмосфера Юпитера состоит из атомарного водорода и его соединений (метана, аммиака, гелия), присутствует также углекислый газ и водяной пар. На долю водорода приходится 74%, гелия — 26%. Юпитер обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем, во много раз превышающим магнитное поле Земли. Юпитер имеет малую среднюю плотность — 1,33 г/см .
Его среднее расстояние от Солнца более 5 астрономических единиц (1 а.ед. = 150 млн. км, т.е. расстоянию от Земли до Солнца). Юпитер вместе со своими 16 спутниками обращается вокруг Солнца со средней скоростью около 13 км/сек. И делает один оборот примерно за 12 земных лет. Период вращения Юпитера самый короткий из всех планет — 9 час 50 мин на экваторе.
Внешний вид планеты определяется полосчатой системой разновысотных и различно окрашенных облаков. На Юпитере существуют устойчивые ветры, дующие в одном направлении и достигающие скорости 150 м/сек.
Сатурнзанимает второе место по размерам среди планет-гигантов, но его плотность очень небольшая — 0,69 г/см . Облачный покров Сатурна очень похож на покров Юпитера не только но составу, но и по своей структуре, образуя разновозрастные пояса. Атмосфера Сатурна состоит в основном из водорода и гелия и обладает мощностью в несколько тысяч километров.
Для Сатурна характерно наличие знаменитых колец, образующих целую систему, находящуюся в плоскости экватора планеты. Диаметр колец составляет 270 тыс. км, а мощность всего 100 м. Множество колец представляют собой тончайшие образования, состоящие из кусочков льда воды, размером от нескольких сантиметров до нескольких метров. Каждое из колец имеет сложную структуру чередования темных и светлых полос, вложенных друг в друга. На основании изучения космических снимков была выдвинута гипотеза, предполагающая, что в каждой светлой линии кольца находится один из мелких спутников Сатурна, с поверхности которого непрерывно испаряются частицы наподобие «дыма». Этот шлейф составляет темную часть колец. Таких мелких тел может быть более 1000. Кольца хорошо отражают радиосигналы, что позволяет предполагать наличие ферромагнитных частиц в «дыму» колец.
Уранпревосходит Землю по своим размерам в 4 раза и по массе в 14,5 раз. Вращается Уран в сторону, противоположную той, в которую вращается большинство остальных планет. Ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты — отклонена от вертикали на 98°. Планета как бы лежит на своей орбите. Уран обладает магнитным полем, напряженность которого немного меньше поля Земли. Уран меньше Юпитера, но его плотность близка к плотности Юпитера. В атмосфере Урана преобладают водород и гелий, а также присутствуют частицы льда метана. Уран окружен системой тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем у Сатурна.
Нептун— самая маленькая из планет-гигантов, но обладает самой большой среди них плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра, окруженного оболочками из жидкого водорода, льда воды и мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также из льда воды, метана и гидросульфида аммония. У Нептуна существует система колец, имеющих в разных участках различную толщину.
Плутонхарактеризуется очень вытянутой эллипсовидной орбитой, которая пересекает орбиту Нептуна при вращении Плутона вокруг Солнца. Разреженная атмосфера Плутона окружает ледяную поверхность планеты, состоящей из льда, азота, метана и монооксида углерода, из-за наличия отрицательных температур — 240°С, господствующих на этой самой дальней планете.
Некоторые планеты имеют спутники: Земля — Луну, Марс — два спутника (Фобос и Деймос), у Урана известны 7 спутников, у Сатурна- 16, у Юпитера-17. Всего у планет Солнечной системы известно 46 спутников.
Кроме девяти больших планет в Солнечной системе имеются тысячи малых. Они вращаются вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Размеры этих планет (их называют астероидами)от сотен километров до сотен метров и меньше.
К Солнечной системе относится множество комет,движущихся по очень вытянутым орбитам. Главная их особенность — наличие хвоста, состоящего из сильно разреженных газов и пыли, который тянется нередко на миллионы километров и появляющегося под действием солнечных лучей. Центральной частью кометы является ядро, состоящее из твердых частиц и льда.
В состав Солнечной системы входят также бесчисленное множество метеоритов— каменных и металлических глыб и более мелких тел (до размера песчинок и пылинок). Метеориты часто проникают в атмосферу Земли со скоростью от 10 до 200 км/сек. Яркий след раскаленного метеорита в атмосфере называют метеором(падающей «звездой»).
Метеориты делятся на три основных класса:
1) железные — сидериты, состоящие главным образом из никелистого же
леза;
2) железо-каменные — сидеролиты, содержащие примерно в одинаковых
количествах железо и силикатные минералы;
3) каменные — аэролиты, представленные силикатными минералами с включением никелистого железа.
Среди известных метеоритов преобладают каменные — их около 80%.
В состав метеоритов входит более 60 химических элементов, слагающих различные минералы: оливин, пироксены, никелистое железо, графит, алмазы, углеродистые соединения железа и др. Изучение метеоритов помогает в познании строения и происхождения Вселенной.
Источник
Что скрывает Млечный Путь: сведения, которые мы знаем, и популярные теории
Планета Земля, Солнечная система, миллиарды других звезд и небесных тел – все это наша галактика Млечный Путь — огромное межгалактическое образование, где все подчиняется законам гравитации. Данные о том, каковы истинные размеры галактики, являются только приблизительными. И самое интересное, что таких образований, больших или меньших, во Вселенной сотни, может быть даже тысячи.
Галактика Млечный Путь и что ее окружает
Все небесные тела, включая планеты Млечного пути, спутники, астероиды, кометы и звезды, постоянно находятся в движении. Рожденные в космическом вихре Большого взрыва, все эти объекты пребывают на пути своего развития. Одни имеют более древний возраст, другие — явно моложе.
Ощутить визуально галактические границы невозможно. Еще 100 лет назад научный мир даже не подозревал о том, что наша галактика Млечный Путь не единственная во Вселенной. Только благодаря стараниям американцам Эдвина Хаббла стало понятным, что Вселенная буквально напичкана гравитационными образованиями. Есть среди них совсем маленькие галактики, есть средних размеров, подобные нашей, а есть настоящие гиганты. Яркий тому пример, ближайшая к Млечному пути галактика Андромеда, которая больше в 2-2,5 раза. Что касается карликовых галактик, то их судьба незавидна. Им выпала роль быть спутниками более крупных образований, которые впоследствии поглотят их.
Наш межгалактический мегаполис в компании с галактиками Андромеда и Треугольник образуют Местную группу, которая соответственно уже является частью более крупного образования — Местного сверхскопления Девы.
Основные характеристики и параметры
Млечный Путь – типичная спиральная галактика класса SBbc, у которой есть перемычка. Диаметр Млечного Пути составляет 100 тыс. световых лет. В пределах этих границ пребывает от 200 до 400 миллиардов звезд различных типов, каждая из которых находится на определенной стадии своего развития. Толщина галактического диска варьируется в пределах 1000 световых лет.
Масса галактики Млечный Путь включает в себя не только массу звезд. Большая часть галактического диска — это масса темной материи и межзвездного газа. Все это вместе составляет колоссальный вес, равный 4,8·10¹¹ M☉. Другими словами, Млечный Путь в 150 млрд. раз тяжелее нашего Солнца.
Гравитационное образование вращается вокруг центра, при этом отдельные части галактики вращаются с разной скоростью. Если в центре скорость вращения галактического диска достаточно умеренная, то на периферии этот параметр достигает значений 200-250 км/с. На одном из этих участков, ближе к центру галактического диска, расположено Солнце. Расстояние от него до центра галактики составляет 25-28 тыс. световых лет. Полный оборот вокруг центральной оси гравитационного образования Солнце и Солнечная система совершают за 225-250 млн. лет. Соответственно, за всю историю своего существования Солнечная система только 30 раз облетела вокруг центра.
Место галактики во Вселенной
Следует отметить одну примечательную особенность. Положение Солнца и соответственно, планеты Земля очень удобно. В галактическом диске постоянно происходит процесс уплотнения. Вызван этот механизм несоответствием скорости вращения спиральных ветвей и движения звезд, которые перемещаются в пределах галактического диска по своим законам. Во время уплотнения происходят бурные процессы, сопровождающиеся мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце и Земля уютно расположились в коротационной окружности, где подобная бурная деятельность отсутствует: между двумя спиральными ветвями на границе рукавов Млечного Пути — Стрельца и Персея. Этим объясняется и то спокойствие, в котором мы пребываем столь длительное время. Уже более 4,5 млрд. лет нас не затрагивают космические катаклизмы.
Строение галактики Млечный Путь
Галактический диск не однороден по своему составу. Как и другие спиральные гравитационные системы, Млечный Путь имеет три различаемых области:
- ядро, сформированное плотным звездным скоплением, насчитывающим миллиард звезд разного возраста;
- сам галактический диск, сформированный из скоплений звезд, звездного газа и пыли;
- корона, сферическое гало — область в которой располагаются шаровые скопления, карликовые галактики, отдельные группы звезд, космическая пыль и газ.
Вблизи плоскости галактического диска располагаются молодые звезды, собранные в скопления. Плотность звездных скоплений в центре диска выше. Вблизи центра плотность составляет 10000 звезд на один кубический парсек. В районе, где находится Солнечная система, плотность звезд составляет уже 1-2 светила на 16 кубических парсеков. Как правило, возраст этих небесных тел не более нескольких миллиардов лет.
Межзвездный газ также концентрируется вокруг плоскости диска, подчиняясь центробежным силам. Несмотря на постоянную скорость вращения спиральных ветвей, межзвездный газ распределен неравномерно, образуя большие и малые зоны облачности, туманности. Однако основным галактическим строительным материалом является темная материя. Ее масса преобладает над совокупной массой всех небесных тел, входящих в состав галактики Млечный Путь.
Если на схеме строение галактики достаточно понятно и прозрачное, то в реальности рассмотреть центральные области галактического диска практически невозможно. Газопылевые облака и скопления звездного газа скрывают от нашего взора свет из центра Млечного пути, в котором живет настоящий космический монстр — сверхмассивная черная дыра. Масса этого сверхгиганта составляет приблизительно 4,3 миллиона M☉. Рядом со сверхгигантом располагается черная дыра меньших размеров. Дополняют эту мрачную компанию сотни карликовых черных дыр. Черные дыры Млечного пути являются не только пожирателями звездной материи, но и выполняют функцию родильного дома, выбрасывая в пространство огромные сгустки протонов, нейтронов и электронов. Именно из них образуется атомарный водород — главное топливо звездного племени.
Перемычка — бар находится в области ядра галактики. Ее длина составляет 27 тыс. световых лет. Здесь царствуют старые звезды, красные гиганты, звездной материей которых питаются черные дыры. В этой области сконцентрирована основная часть молекулярного водорода, который выступает основным строительным материалом процесса звездообразования.
Геометрически структура галактики выглядит достаточно просто. Каждый спиральный рукав, а их у Млечного пути целых четыре, берет свое начало из газового кольца. Рукава расходятся под углом 20⁰. На внешних границах галактического диска основным элементом является атомарный водород, который распространяется от центра галактики к периферии. Толщина водородного слоя на окраинах Млечного пути значительно шире, чем в центре, при этом плотность его крайне низкая. Разряжению водородного слоя способствует воздействие карликовых галактик, которые неотлучно следуют с нашей галактикой на протяжении десятков миллиардов лет.
Теоретические модели нашей галактики
Еще древние астрономы пытались доказать, что видимая полоса на небосклоне — это часть огромного звездного диска, вращающегося вокруг своего центра. Этому утверждению способствовали проводимые математические подсчеты. Получить представление о нашей галактике удалось только спустя тысячи лет, когда в помощь науке пришли инструментальные методы исследования космоса. Прорывом в исследовании природы Млечного пути стала работа англичанина Уильяма Гершеля. В 1700 году он сумел опытным путем доказать, что наша галактика имеет форму диска.
Уже в наше время исследования приняли другой оборот. Ученые делали ставку на сравнении движения звезд, между которыми было разное расстояние. Методом параллакса Якоб Каптейн сумел примерно определить диаметр галактики, который по его расчетам составляет 60-70 тыс. световых лет. Соответственно было определено и место Солнца. Оказалось, что оно располагается сравнительно далеко от бушующего центра галактики и на приличном удалении от периферии Млечного пути.
Основополагающей теорией существования галактик является теория американского астрофизика Эдвина Хаббла. Ему принадлежит идея классифицировать все гравитационные образования, деля их на эллиптические галактики и образования спирального типа. Последние, спиральные галактики представляют самую обширную группу, в которую входят образования различных размеров. Крупнейшей из недавно открытых спиральных галактик является NGC 6872, диаметр которой превышает 552 тыс. световых лет.
Ожидаемое будущее и прогнозы
Галактика Млечный Путь выглядит компактным и упорядоченным гравитационным образованием. В отличие от своих соседей, в нашем межгалактическом доме довольно спокойно. Черные дыры планомерно воздействуют на галактический диск, уменьшая его в размерах. Этот процесс уже длится десятки миллиардов лет и сколько еще будет продолжаться — неизвестно. Единственная угроза, которая нависает над нашей галактикой, исходит от ее ближайшей соседки. Галактика Андромеда стремительно сближается с нами. Ученые предполагают, что столкновение двух гравитационных систем может произойти через 4,5 млрд. лет.
Подобная встреча-слияние будет означать конец того мира, в которм мы привыкли жить. Млечный Путь, меньший по размерам, будет поглощен более крупным образованием. Вместо двух крупных спиральных образований во Вселенной появится новая эллиптическая галактика. До этого времени наша галактика сумеет расправиться со своими спутниками. Две карликовые галактики — Большое и Малое Магеллановы Облака — Млечный Путь поглотит через 4 млрд. лет.
Источник