«Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной»
Мы продолжаем знакомить вас с книгами, вошедшими в лонг-лист премии научно-популярной литературы «Просветитель» 2017 года. Сегодня это «Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной» М. Я. Марова. В ней последовательно и подробно описываются как объекты Солнечной системы, так и другие космические объекты и явления, лежащие за ее пределами. Предлагаем вам познакомиться с первой главой, в которой речь, естественно, идет о Солнце. Фрагменты других книг — участников премии, опубликованные на сайте N + 1, можно найти здесь.
Солнце — центральное светило, вокруг которого обращаются все планеты и малые тела Солнечной системы. Это не только центр тяготения, но и источник энергии, обеспечивающий тепловой баланс и природные условия на планетах, в том числе жизнь на Земле. Движение Солнца относительно звезд (и горизонта) изучалось с древних времен, чтобы создавать календари, которые люди использовали, прежде всего, для сельскохозяйственных нужд. Григорианский календарь, в настоящее время используемый почти повсюду в мире, является по существу солнечным календарем, основанным на циклическом обращении Земли вокруг Солнца. Визуальная звездная величина Солнца равна 26,74 m , и оно является самым ярким объектом на нашем небе.
Солнце — рядовая звезда, находящаяся в нашей галактике, называемой просто Галактика или Млечный Путь, на расстоянии 2/3 от ее центра, что составляет 26 000 световых лет, или
10кпк, и на расстоянии
25пк от плоскости Галактики. Оно обращается вокруг ее центра со скоростью
220км/с и периодом 225–250 миллионов лет (галактический год) по часовой стрелке, если смотреть со стороны северного галактического полюса. Орбита является, как предполагают, приблизительно эллиптической и испытывает возмущения галактических спиральных рукавов из-за неоднородных распределений звездных масс. Кроме того, Солнце совершает периодические перемещения вверх и вниз относительно плоскости Галактики от двух до трех раз за оборот. Это приводит к изменению гравитационных возмущений и, в частности, оказывает сильное влияние на устойчивость положения объектов на краю Солнечной системы. Это служит причиной вторжения комет из Облака Оорта внутрь Солнечной системы, что ведет к увеличению ударных событий. Вообще же, с точки зрения различного рода возмущений, мы находимся в довольно благоприятной зоне в одном из спиральных рукавов нашей Галактики на расстоянии
2/3 от ее центра.
В современную эпоху Солнце расположено вблизи внутренней стороны рукава Ориона, перемещаясь внутри Местного Межзвездного Облака (ММО), заполненного разреженным горячим газом, возможно остатком взрыва сверхновой. Как мы увидим в гл. 10, эту область называют галактической обитаемой зоной. Солнце движется в Млечном Пути (относительно других близких звезд) по направлению к звезде Вега в созвездии Лира под углом приблизительно 60° от направления к галактическому центру; его называют движением к апексу. Интересно, что, так как наша Галактика также перемещается относительно космического микроволнового фонового излучения (CMB — Cosmic Microvawe Background, см. гл. 11) со скоростью 550км/с в направлении созвездия Гидры, результирующая (остаточная) скорость Солнца относительно CMB составляет около 370км/с и направлена к созвездию Льва. Заметим, что Солнце в своем движении испытывает небольшие возмущения от планет, прежде всего Юпитера, образуя с ним общий гравитационный центр Солнечной системы — барицентр, расположенный в пределах радиуса Солнца. Каждые несколько сотен лет барицентрическое движение переключается от прямого (проградного) к обратому (ретроградному).
Солнце сформировалось примерно 4,5 млрд лет назад, когда быстрое сжатие облака молекулярного водорода под действием гравитационных сил привело к образованию в нашей области Галактики переменной звезды первого типа звездного населения — звезды типа T Тельца (T Tauri). После начала в солнечном ядре реакций термоядерного синтеза (превращения водорода в гелий) Солнце перешло на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга–Рассела (ГР) (см. гл.6). Солнце классифицируется как желтая карликовая звезда класса G2V, которая кажется желтой при наблюдении с Земли из-за небольшого избытка желтого света в ее спектре, вызванного рассеянием в атмосфере синих лучей. Римская цифра V в обозначении G2V означает, что Солнце принадлежит главной последовательности ГР-диаграммы. Как предполагают, в самый ранний период эволюции, до момента перехода на главную последовательность, оно находилось на так называемом треке Хаяши, где сжималось и, соответственно, уменьшало светимость при сохранении примерно той же самой температуры. Следуя эволюционному сценарию, типичному для звезд низкой и средней массы, находящихся на главной последовательности, Солнце прошло примерно половину пути активной стадии своего жизненного цикла (превращения водорода в гелий в реакциях термоядерного синтеза), составляющего в общей сложности примерно 10 млрд лет, и сохранит эту активность в течение последующих приблизительно 5 млрд лет. Солнце ежегодно теряет 10 -14 своей массы, а суммарные потери на протяжении всей его жизни составят 0,01%.
По своей природе Солнце — плазменный шар диаметром приблизительно 1,5 млн км. Точные значения его экваториального радиуса и среднего диаметра составляют соответственно 695 500 км и 1 392 000 км. Это на два порядка больше размера Земли и на порядок больше размера Юпитера. Средний угловой размер Солнца при наблюдении с Земли равен 31 59 и изменяется в пределах от 31ʹ 27ʹʹ до 32ʹ 31ʹʹ, а наклон оси вращения к эклиптике 7,25°. Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки (если смотреть с Северного полюса мира), скорость вращения внешних видимых слоев составляет 7 284 км/час. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 сут., в то время как период на полюсах намного длиннее — 33,5 сут., т.е. атмосфера на полюсах вращается медленнее, чем на экваторе. Это различие возникает из-за дифференциального вращения, вызванного конвекцией и неравномерным переносом масс из ядра наружу, и связано с перераспределением углового момента. При наблюдении с Земли кажущийся период вращения составляет приблизительно 28 дней.
Дифференциальное вращение влияет на структуру магнитного поля и, в частности, приводит к закручиванию магнитных силовых линий. Петли магнитного поля, проецируемые к поверхности Солнца, вызывают солнечные пятна и протуберанцы. По существующим представлениям, за генерацию солнечного магнитного поля ответственна разновидность магнитного гидродинамического динамо, сочетающего взаимодействие полоидального и тороидального полей во внутренней конвективной зоне Солнца. С механизмом динамо связан 11-летний цикл солнечной активности и изменение полярности магнитного поля Солнца каждые 11 лет.
Фигура Солнца почти сферическая, ее сплюснутость незначительная, всего 9 миллионных долей. Это означает, что его полярный радиус меньше экваториального только на
10 км. Масса Солнца равна 1,99×10 33 г (
330 000 масс Земли), а средняя плотность составляет 1,41г/см 3 (почти в 4 раза меньше плотности Земли). Солнце заключает в себе 99,86% массы всей Солнечной системы. Ускорение силы тяжести (на экваторе) g=274,0 м/с 2 (27,94gE), вторая космическая скорость Ve = 617,7 км/с (в 55 раз больше, чем для Земли).
Эффективная температура солнечной «поверхности» (Teff = 5 777 K) относится к видимому слою — фотосфере, в то время как температура в центре ядра
1,57×10 7 K, а температура внешней атмосферы (короны)
5×10 6 K. При столь высоких температурах газы находятся в плазменном состоянии. Фотосфера, в основном, ответственна за все испускаемое излучение, поскольку газ, находящийся выше фотосферы, слишком холодный и слишком разряженный, чтобы излучать существенное количество света. Яркость Солнца огромна, она составляет 3,85×10 33 эрг/с и примерно соответствует планковскому излучению черного тела при температуре
Спустя примерно 1 млрд лет после выхода на Главную последовательность (по оценкам между 3,8 и 2,5 млрд лет тому назад) яркость Солнца увеличилась примерно на 30%. Совершенно очевидно, что с изменением светимости Солнца напрямую связаны проблемы климатической эволюции планет. Особенно это касается Земли, температура на поверхности которой, необходимая для сохранения жидкой воды (и, вероятно, происхождения жизни), могла быть достигнута только за счет более высокого содержания в атмосфере парниковых газов, чтобы компенсировать низкую инсоляцию. Эта проблема носит название «парадокса молодого Солнца». В последующий период яркость Солнца (также как и его радиус) продолжали медленно расти. По существующим оценкам, Солнце становится приблизительно на 10% ярче каждые один миллиард лет. Соответственно, поверхностные температуры планет (включая температуру на Земле) медленно повышаются. Примерно через 3,5 млрд лет от настоящего времени яркость Солнца возрастет на 40%, и к этому времени условия на Земле будут подобны условиям на сегодняшней Венере.
В настоящее время количество энергии, приходящейся на единицу площади поверхности Земли (солнечная постоянная, относящаяся к верхней границе атмосферы), составляет 1 368 Вт x м 2 , или
2 кал x см -2 x мин -1 . Это примерно одна миллиардная часть мощности солнечного излучения. В течение 11-летнего солнечного цикла (см. ниже) солнечная постоянная изменяется незначительно, в пределах
0,2%, хотя существенно изменяется спектральный состав излучения, прежде всего в УФ- и рентгеновском диапазонах длин волн. Эти небольшие в энергетическом отношении диапазоны оказывают решающее воздействие на состояние верхней атмосферы и околопланетного космического пространства. Атмосфера и облака ослабляют солнечный свет почти экспоненциально, и количество энергии, достигающей земной поверхности, почти на 30% меньше (
1 000 Вт/м 2 , чем при ясной погоде и когда Солнце находится вблизи зенита.
К концу своей жизни Солнце перейдет в состояние красного гиганта. Водородное топливо в ядре будет исчерпано, его внешние слои сильно расширятся, а ядро сожмется и нагреется. Водородный синтез продолжится вдоль оболочки, окружающей гелиевое ядро, а сама оболочка будет постоянно расширяться. Будет образовываться все большее количество гелия, и температура ядра будет расти. При достижении в ядре температуры
100 миллионов градусов начнется горение гелия с образованием углерода. Это, вероятно, заключительная фаза активности Солнца, поскольку его масса недостаточна для начала более поздних стадий ядерного синтеза с участием более тяжелых элементов — азота и кислорода (см. гл. 6). Из-за сравнительно небольшой массы жизнь Солнца не окончится взрывом сверхновой звезды. Вместо этого будут происходить интенсивные тепловые пульсации, которые заставят Солнце сбросить внешние оболочки, и из них образуется планетарная туманность. В ходе дальнейшей эволюции образуется очень горячее вырожденное ядро — белый карлик, лишенный собственных источников термоядерной энергии, с очень высокой плотностью вещества, который будет медленно охлаждаться и, как предсказывает теория, через десятки миллиардов лет превратится в невидимый черный карлик.
Читайте подробнее:
Маров М. Я. Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной. — М.: Физматлит, 2016.
Источник
Космос
В книге в сжатой и популярной форме излагаются современные представления о космосе и населяющих его телах. Это прежде всего Солнце и Солнечная система, планеты земной группы и планеты-гиганты, малые тела (кометы, астероиды, метеороиды, межпланетная пыль). Далее рассматриваются звезды, экзопланеты, галактики и галактические кластеры, обсуждаются проблемы астробиологии и, наконец, представляется общий взгляд на Вселенную. В каждом из этих разделов, наряду с обсуждением наиболее характерных физических особенностей небесных тел, особое внимание уделяется эволюционному подходу при анализе их природных свойств. В частности, вопросы происхождения Солнечной системы и планетных систем у других звезд (экзопланет) представлены в контексте общих проблем звездно-планетной эволюции (космогонии) и проблем астробиологии. Рассмотрены вопросы происхождения, эволюции и судьбы Вселенной (космологии) с позиций синергизма макро-и микрофизики, включая представления о существовании параллельных вселенных, наличии квантовых осцилляций и гипотетических топологических особенностей пространства-времени (кротовых нор).
Книга, сочетающая строгость и одновременно доступность изложения, представляет интерес как для преподавателей, студентов и школьников, так и для широкого круга читателей, интересующихся современными проблемами астрофизики и изучения космоса.
Книга вошла в длинный список премии «Просветитель» 2017 года.
Советский и российский астроном, академик РАН. …
Источник
Рецензии на книгу « Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной » Михаил Маров
Очень мелко напечатано. В остальном все нормально. Информация чётко и кратко без лишней воды по возможности
В целом книга мне очень понравилась. Были отдельные темы скучные, но были и главы, которые прочитывал запоем. Наибольший интерес вызвали разделы, посвященные планетам и спутникам нашей системы и вселенной. Что касается главе о вселенной, то коротко можно охарактеризовать «это космос!». Читаешь и боишься сойти с ума – это просто непостижимо человеческим рассудком.
Особое слово надо сказать про полиграфию. Цветная печать – в этой книге не роскошь, а необходимость. Трудно представить, как описывать космические темы, не используя цветные иллюстрации. И автор постарался, а издатель не подкачал. Не стоит смотреть на объем. Если убрать иллюстративный материал, текста окажется меньше половины книги. Автора тактичен, постоянно подписывая картинки «с любезного разрешения NASA» или другого научно-исследовательского центра. Но, к сожалению, почти всегда зарубежного. Не пытаясь точно подсчитать источники иллюстраций, навскидку, 90% — это NASA, еще процентов 8 европейские центры, по 1 на Википедию и РФ. Прискорбно! Сдается дело не в том, что мы теперь и иллюстративным материалом не богаты, а что легче испросить автору картинку у американцев, чем у своих институтов или Роскосмоса, где так трясутся над авторскими правами.
Понравился стиль изложения. Автор – ученый, работавший в практической области космонавтики, он не растекается по теме в массе слов, а говорит лаконично и по делу. В отличие от известных зарубежных популяризаторов астрофизики, здесь нет места философским рассуждениям. Хотя сами темы так и наводят на размышления в этом ключе. Приятно читать и то, что автор постоянно указывает какие вопросы нерешенные, что еще требуется для доказательств.
В этой связи могу заметить, что исследователь, будучи сам практиком, он и писал свою книгу таким образом, что интересней всего воспринимается то, о чем есть более полный материал. Все эти рассказы о взаимодействии галактик, об эволюции вселенной очень уж смахивают на полет запредельной высоты фантастики. Просто так устроен человек, что мы всегда пытаемся с высоты своего опыта объяснить все вещи мироздания. Раньше было проще – сослался на бога и на все любые вопросы, всегда отсылка к нему. Теперь же, когда видишь безграничность вселенной, и понимаешь, что если и есть скорости выше света, то и их не хватит облететь даже какую-то отдельную часть этого мегапрастранства, становится очевидным, что бога нет, а пределы человеческого познания все-таки ограничены. Автор в завершении приводит слова А. Эйнштейна, что самое непостижимое, что человек может все постичь. А мне кажется, что тут уместней вспомнить Э. Канта, считавшего, что больше определенных человеку возможностей, он познать не может. И это не просто мои философские разглагольствования. Автор постоянно указывает, сколь много информации получаем от новейших космических аппаратов. Убежден, что когда появится возможность запускать спутники за пределы нашей системы в количестве, сопоставимом с их числом на земной орбите, будущие космофизики будут писать, как перевернулись наши представления о вселенной. Сколько наук изучают природу Земли? Наверняка в будущем будут юпиристика, нептунистика и т.п. И этого все равно не будет достаточным, чтоб постичь все хитросплетения вселенной. Что же касается всяких бран и струн, то тут рекомендовал не уходить от методологии науки. Есть четкое разделение между теорией – тем, что уже доказано и гипотезой – то, что еще требует доказательств. Автор сам пишет, к примеру, что теория струн очень красивая с точки зрения математики, но реальных доказательств ее правомерности пока нет. Дак и будем тогда всё это называть, как положено – гипотезой.
Отдельная тема – проблема поиска внеземной жизни. Так как автор многое переписывал от биологов, то глава получилась тяжелой и не очень интересной. Вопрос дискуссионный, но все-таки замечу, что астрофизикам не хватает комплексного подхода. Это уже проявляется даже в обсуждении эволюции Земли как планеты. Ну почему нужно постоянно повторять, что якобы падение метеорита убило динозавров?! Палеонтологи так не считают! Обсуждаем вопрос, как могла зародиться жизнь на нашей планете. Автор явно стоит на позиции, что жизнь была занесена извне, благодаря астероидной бомбардировке. Но сколько нужно было бомбить Землю? Сколько для этого потребовалось космических объектов? Ведь понятное дело, что если на одном куске камня и были какие-то источники клеточной жизни, то их недостаточно, чтоб запустить процесс биологизации всей планеты. То есть, прежде всего, должны были быть условия на планете, позволявшие появиться жизни. А раз органический материал может появляться из неорганического благодаря определенным химическим процессам, то именно гипотезу автохтонного зарождения жизни и надо более тщательней разрабатывать..
В целом считаю, что книга достойна быть на одном уровне с известными произведениями К. Сагана, С. Хокинга и др., однако ей не хватает большого тиража, чтоб стать известной.
Источник