Астрономия, учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений, Левитан Е. П., 1994
К сожалению, на данный момент у нас невозможно бесплатно скачать полный вариант книги.
Но вы можете попробовать скачать полный вариант, купив у наших партнеров электронную книгу здесь.
Также можно купить бумажную версию книги здесь.
Астрономия, учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений, Левитан Е. П., 1994.
§ 1. ПРЕДМЕТ АСТРОНОМИИ
1. Что изучает астрономия. Астрономия — наука о Вселенной. Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: а с т р о н — звезда и н о м о с — закон.
Астрономия изучает движение небесных тел, их природу, происхождение и развитие. Во Вселенной небесные тела образуют системы различной сложности. Например, Солнце и движущиеся вокруг него небесные тела составляют Солнечную систему. Земля — одна из ее планет. Вы знаете, что планеты светят отраженным солнечным светом. В отличие от них Солнце — самосветящееся небесное тело, представляет собой единственную звезду в Солнечной системе.
Звезды, видимые невооруженным глазом, составляют ничтожную долю звезд, входящих в нашу Галактику. Кроме нашей, существует множество других г а-л а к т и к. Свет от ближайших галактик идет к нам миллионы лет.
Небесные тела находятся в непрерывном движении, изменении, развитии. Планеты, звезды и галактики имеют свою историю, нередко исчисляемую миллиардами лет.
Астрономия — одна из самых увлекательных и прекрасных наук о природе — исследует не только настоящее, но и далекое прошлое окружающего нас мегамира, а также позволяет нарисовать научную картину будущего Вселенной.
СОДЕРЖАНИЕ
Как работать с учебником.
I. ВВЕДЕНИЕ В АСТРОНОМИЮ
§ 1. Предмет астрономии.
§ 2. Звездное небо.
§ 3. Изменение вида звездного неба в течение суток.
§ 4. Изменение вида звездного неба в течение года.
§ 5. Способы определении географической широты.
§ 6. Основы измерения времени.
II. СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
§ 7. Видимое движение планет.
§ 8. Развитие представлений о Солнечной системе.
§ 9. Законы Кеплера — законы движения небесных тел.
§ 10. Обобщение и уточнение Ньютоном законов Кеплера.
§ 11. Определение расстояний до тел Солнечной системы и размеров этих небесных тел.
III. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
§ 12. Система «Земля — Луна».
§ 13. Природа Луны.
§ 14. Планеты земной группы.
§ 15. Планеты-гиганты.
§ 16. Астероиды и метеориты.
§ 17. Кометы и метеоры.
IV. СОЛНЦЕ И ЗВЕЗДЫ
§ 18. Общие сведения о Солнце.
§ 19. Строение атмосферы Солнца.
§ 20. Источники энергии и внутреннее строение Солнца.
§ 21. Солнце и жизнь Земли.
§ 22. Расстояния до звезд.
§ 23. Пространственные скорости звезд.
§ 24. Физическая природа звезд.
§ 25. Связь между физическими характеристиками звезд.
§ 26. Двойные звезды.
§ 27. Физические переменные, новые и сверхновые звезды.
V. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
§ 28. Наша Галактика.
§ 29. Другие галактики.
§ 30. Метагалактика.
§31. Происхождение и эволюции галактик и звезд.
§ 32. Происхождение планет.
§ 33. Жизнь и разум во Вселенной (заключительный обзор).
Приложения.
I. Важнейшие даты в освоении космического пространства.
II. Подвижная карта звездного неба (ПКЗН).
III. Школьный астрономический календарь (ШАК).
IV. Основные сведения о Земле.
V. Основные сведения о Луне.
VI. Основные сведения о Солнце.
VII. Основные сведения о планетах.
VIII. Важнейшие параметры атмосфер планет земной группы.
IX. Названия наиболее ярких звезд.
X. Основные сведения о наиболее ярких звездах, видимых в России.
XI. Примерные темы рефератов.
XII. Список рекомендуемой литературы.
По кнопкам выше и ниже «Купить бумажную книгу» и по ссылке «Купить» можно купить эту книгу с доставкой по всей России и похожие книги по самой лучшей цене в бумажном виде на сайтах официальных интернет магазинов Лабиринт, Озон, Буквоед, Читай-город, Литрес, My-shop, Book24, Books.ru.
По кнопке «Купить и скачать электронную книгу» можно купить эту книгу в электронном виде в официальном интернет магазине «ЛитРес» , и потом ее скачать на сайте Литреса.
По кнопке «Найти похожие материалы на других сайтах» можно найти похожие материалы на других сайтах.
On the buttons above and below you can buy the book in official online stores Labirint, Ozon and others. Also you can search related and similar materials on other sites.
Источник
Астрономия. 11 класс. Левитан Е.П.
М.: 2018. — 240 с. М.: 1994. — 207 с.
В учебном пособии, написанном известным автором, который более полувека посвятил работе в области астрономического образования, рассматриваются вопросы классической астрономии, строение, природа и эволюция таких астрономических объектов, как звезды, звездные системы, галактики и Вселенная в целом. Курс астрономии обобщает естественно-научные знания, полученные учащимися за время обучения в школе, и дополняет физическую картину мира. В основу курса положены научные факты, законы и терии. Приводятся также гипотезы, связанные с новыми проблемами, которые решает современная астрономия. Учебный материал ориентирован на активное изучение и содержит задания, позволяющие обеспечить достижение личностных, метапредметных и предметных результатов образования.
Формат: pdf ( 2018, 240с.)
Смотреть, скачать: Купить в M y S hop или B ook24
ОГЛАВЛЕНИЕ
Как работать с учебным пособием 3
I. ВВЕДЕНИЕ В АСТРОНОМИЮ 5
§ 1. Предмет астрономии
§ 2. Звёздное небо 12
§ 3. Изменение вида звёздного неба в течение суток 15
§ 4. Изменение вида звёздного неба в течение года 19
§ 5. Способы определения географической широты 23
§ 6. Основы измерения времени 27
II. СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ 33
§ 7. Видимое движение планет
§ 8. Развитие представлений о Солнечной системе 37
§ 9. Законы Кеплера — законы движения небесных тел 42
§ 10. Обобщение и уточнение Ньютоном законов Кеплера 45
§ 11. Определение расстояний до тел Солнечной системы и размеров этих небесных тел 49
III. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ 56
§ 12. Система «Земля — Луна» 57
§ 13. Природа Луны 63
§ 14. Планеты земной группы 70
§ 15. Планеты-гиганты 86
§ 16. Астероиды и метеориты 96
§ 17. Кометы и метеоры 101
IV. СОЛНЦЕ И ЗВЁЗДЫ 110
§ 18. Общие сведения о Солнце —
§ 19. Атмосфера Солнца 116
§ 20. Источники энергии и внутреннее строение Солнца 125
§ 21. Солнце и жизнь Земли 129
§ 22. Расстояния до звёзд 135
§ 23. Пространственные скорости звёзд 139
§ 24. Физическая природа звёзд 143
§ 25. Связь между физическими характеристиками звёзд 147
§ 26. Двойные звёзды 150
§ 27. Физические переменные, новые и сверхновые звёзды 154
V. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ 162
§ 28. Наша Галактика
§ 29. Другие галактики 169
§ 30. Метагалактика 176
§ 31. Происхождение и эволюция звёзд и галактик 187
§ 32. Происхождение планет и их спутников 192
§ 33. Жизнь и разум во Вселенной (заключительный обзор) 198
ПРИЛОЖЕНИЯ 200
I. Некоторые важнейшие события в истории астрономии (за последние 6 тыс. лет)
II. Важнейшие даты в освоении космического пространства 216
III. Греческий алфавит 221
IV. Подвижная карта звёздного неба (ПКЗН) 222
V. Школьный астрономический календарь (IIIAK) 226
VI. Основные сведения о Земле
VII. Основные сведения о Луне
VIII. Основные сведения о Солнце 229
IX. Основные сведения о планетах 230
X. Важнейшие параметры атмосфер планет земной группы 231
XI. Названия наиболее ярких звёзд
XII. Основные сведения о наиболее ярких звёздах, видимых в России 232
XIII. Примерные темы рефератов 233
XIV. Список рекомендуемой литературы
XV. Список полезных интернет-ресурсов 235
Предметно-именной указатель 236
О том, как читать книги в форматах pdf , djvu — см. раздел » Программы; архиваторы; форматы pdf, djvu и др. «
Источник
Астрономия. 11 класс. Левитан Е.П.
Курс астрономии обобщает естественно-научные знания, полученные учащимися за время обучения в школе, и дополняет физическую картину мира. В основу курса положены научные факты, законы и терии
Содержание
Будто действовать с тренировочным пособием 3
I. Вступление В АСТРОНОМИЮ 5
§ 1. Объект астрономии
§ 2. Астральное небоскреб 12
§ 3. Модифицирование варианта астрального небосклона в движение дня и ночи 15
§ 4. Модифицирование варианта астрального небосклона в движение возраст 19
§ 5. Методы дефиниции географической широты 23
§ 6. Базы замера медли 27
II. Здание Ясный Порядка 33
§ 7. Видное перемещение орудие
§ 8. Формирование игр о Ясный порядку 37
§ 9. Законы Кеплера — законы перемещения лазурных тел 42
§ 10. Составление и мысль Ньютоном законов Кеплера 45
§ 11. Устройство расстояний по тел Ясный порядка и объемов данных лазурных тел 49
III. Телесная Натура ТЕЛ Ясный Порядка 56
§ 12. Конструкция «Территория — Спутник» 57
§ 13. Натура Луны 63
§ 14. Вселенной дольний категории 70
§ 15. Вселенной-великаны 86
§ 16. Астероиды и метеоры 96
§ 17. Кометы и метеориты 101
IV. Свет И Звездное небо 110
§ 18. Единые материал о Свет —
§ 19. Воздух Небесного светила 116
§ 20. Информаторы энергии и душевное здание Небесного светила 125
§ 21. Свет и жизнедеятельность Территории 129
§ 22. Интервала по звездного неба 135
§ 23. Пластические быстроты звездного неба 139
§ 24. Телесная натура звездного неба 143
§ 25. Ассоциация меж физиологическими чертами звездного неба 147
§ 26. Двойственные звездное небо 150
§ 27. Физиологические неустойчивые, новейшие и сверхновые звездное небо 154
V. Здание И Развитие Зароненной 162
§ 28. Наша Вселенная
§ 29. Остальные галактики 169
§ 30. Вселенная 176
§ 31. Возникновение и развитие звездного неба и галактик 187
§ 32. Возникновение орудие и их спутников 192
§ 33. Жизнедеятельность и ум в Зароненной (завершающий ликбез) 198
Прибавления 200
I. Некие важные действия в летописи астрономии (из-за крайние 6 тыс. парение)
II. Важные даты в изучении мирового места 216
III. Эллинистический азбука 221
IV. Сменная диаграмма астрального небосклона (ПКЗН) 222
V. Ученический большой книга (IIIAK) 226
VI. Главные материал о Миру
VII. Главные материал о Луне
VIII. Главные материал о Свет 229
IX. Главные материал о планетах 230
X. Важные характеристики воздухов орудие дольний категории 231
XI. Наименования более ясных звездного неба
XII. Главные материал о более ясных звездном небе, заметных в Рф 232
XIII. Приблизительные предмета рефератов 233
XIV. Перечень советуемой литературы
XV. Перечень нужных веб-ресурсов 235
Конкретно-именной книга 236
Предложения интернет-магазинов
Похожие страницы:
Добавить комментарий Отменить ответ
Рубрики
Самые читаемые
- Spotlight 8. Английский в фокусе. 8 класс. Контрольные задания Ваулина 82.5k просмотров
- Русский язык. 4 класс. Тематический контроль знаний учащихся. Зачетная тетрадь. Голубь В.Т. 54.4k просмотров
- Математика. 5 класс. Дидактические материалы. Мерзляк А.Г. и др. 50.3k просмотров
- ВПР. Английский язык. 7 класс. 10 типовых вариантов. Морозова Е.П. и др. 40.3k просмотра
- Английский язык. 10 класс. Книга для учителя. Комарова Ю.А., Ларионова И.В. и др. 30.5k просмотра
- Русский язык. 10-11 классы. Учебник. Греков В.Ф., Крючков С.Е., Чешко Л.А. 30.5k просмотра
- Русский язык. 2 класс. Тематический контроль знаний учащихся. Зачетная тетрадь. Голубь В.Т. 30k просмотров
- Русский язык. 3 класс. Тематический контроль знаний учащихся. Зачетная тетрадь. Голубь В.Т. 29.5k просмотров
- ВПР. Английский язык. 11 класс. Типовые задания. 10 вариантов. Гулов А.П. 28.2k просмотра
- ЕГЭ. История. Картографический практикум: тетрадь-тренажер. 27.8k просмотров
На сайте собраны школьные учебники для учеников младших классов, а также для старшеклассников. Здесь вы можете в ознакомительных целях совершенно бесплатно просмотреть онлайн учебник по любому школьному предмету.
Онлайн библиотека вмещает в себе более 3000 учебников, которые вы можете посмотреть абсолютно бесплатно. База постоянно обновляется и пополняется. К сожалению учебников так много, что все их не удалось разместить к 1 сентября. Вам больше не придется искать в интернете часами: скачать учебник или скачать книгу. Мы сделали все за вас, теперь вы можете просматривать книги прямо с сайта, не скачивая программ для просмотра, или выполняя другие операции. Учебный процесс станет еще приятнее и удобнее. Наш сайт также доступен с мобильных устройств, поэтому вы можете пользоваться учебниками прямо на уроке.
Все учебные пособия взяты в открытом доступе или присланы нашими посетителями. Если у вас есть электронные версии учебной литературы не представленной на нашем сайте и вы готовы поделиться с другими, мы с удовольствием их добавим. Школьные учебники можно читать онлайн с телефона, компьютера (ПК) и планшета.
Источник
Учебник Астрономия 11 класс Левитан
317 Л/ф, 46 Вопросы-задания для самоконтроля 1. Сформулируйте законы, лежащие в основе небесной механики. 2. На чем основывался Кеплер, открывая свои законы? 3. В чем заключается обобщение Ньютоном законов Кеплера? 4. Докажите, что формула (15), полученная Кеплером из анализа дгшных наблюдений, есть частный случай формулы (17). б*. Почему иногда говорят, что Нептун был открыт «на кончике пера»? в. Какую важную физическую характеристику можно вычислить из обобщенного Ньютоном третьего закона Кеплера? 7*. Сравните массу Урана с массой Земли, зная, что один из спутников Урана (Титания) обращается вокруг планеты с периодом 8 сут 17 ч на расстоянии 438 тыс. км. 8*. За сколько времени Земля делала бы оборот вокруг Солнца, если бы масса Солнца была вдвое больше нынешней при том же расстоянии Земли от Солнца? § 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЙ ДО ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И РАЗМЕРОВ ЭТИХ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ 1. Определение расстояний по параллаксам светил. Допустим, что из точки А нужно определить расстояние до недоступной точки С (рис. 24). Для этого прежде всего тщательно измеряется расстояние до какой-нибудь доступной Ряс. 24. Определение расстояния до ведоступвого предмета. 47 Рис. 25. Горизонтальный параллакс светила. ТОЧКИ в. Отрезок АВ называется базисом. Далее из точек А VI В угломерным геодезическим инструментом измеряют Z.CAB и /ЛВС. Таким образом, в треугольнике АВС известны углы и сторона АВ = с. Остальные элементы косоугольного треугольника АВС можно вычислить по формулам тригонометрии. Угол АСВ, под которым из недоступного места виден базис, называется параллаксом. При данном расстоянии до предмета параллакс тем больше, чем больше базис. В пределах Солнечной системы в качестве базиса используют экваториальный радиус Земли. Рассмотрим прямоугольный треугольник (рис. 25), вершинами которого являются центр светила О,, центр Земли О и точка, изображающая местоположение наблюдателя К. Как следует из чертежа, наблюдатель видит светило на горизонте. Угол Pq, под которым со светила, находящегося на горизонте, был бы виден экваториальный радиус Земли, называется г о-ризонтальным экваториальным параллаксом светила. Конечно, со светила никто не наблюдает радиус Земли, а горизонтальный параллакс определяют по измерениям высоты светила в момент верхней кульминации из двух точек земной поверхности, находящихся на одном географическом меридиане и имеющих известные географические широты. Если горизонтальный параллакс (р^) найден, то расстояние до светила вычисляется по формуле: D = sinpo (19) где D — расстояние от центра Земли до центра какого-нибудь тела Солнечной системы; — экваториальный радиус Земли (сущность способа определения радиуса Земли будет изложена в § 12); — горизонтальный параллакс светила. 48 Наибольший горизонтальный параллакс имеет ближайшее к Земле небесное тело — Луна = 5702′). Параллаксы планет и Солнца составляют всего лишь несколько секунд дуги (pq = 8,79″). Поскольку углы малы, то их синусы можно заменить самими углами, т. е. sin
р^, если величина угла выражена в радианах. Но р^ обычно выражено в секундах дуги, поэтому sin р^ ■ _Ps_ —, так как 1 радиан = 206 265″ = 57,3° = 3438′ = 206 265″. Учитывая это, формулу (19) можно записать в виде: 206 265″ D= ———R Ро ®» (20) здесь pQ выражено в секундах дуги, а D в зависимости от Rq — либо в километрах (если — в километрах), либо в радиусах Земли. Пример 6. Зная горизонтальный параллакс Луны и экваториальный радиус Земли (6378 км), найти расстояние от Земли до Луны. Дано: р. = 5702″ /?ф = 6378 км Решение: 206 265″ D = Ро 206 265″ 6378 км Ответ 3422″ = 384 400 км « 384 400 км. 2. Радиолокационный метод. Он заключается в том, что на небесное тело посылают мощный кратковременный импульс, а затем принимают отраженный сигнал. Скорость распространения радиоволн равна скорости света в вакууме: с = 299 792 458 м/с. Поэтому если точно измерить время, которое потребовалось сигналу, чтобы дойти до небесного тела и возвратиться обратно, то легко вычислить искомое расстояние. Идея непосредственного метода определения расстояния до небесных тел (в частности, расстояния между Землей и Луной) была обоснована отечественными физиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Радиолокационные наблюдения позволяют с большой точностью определять расстояния до небесных тел Солнечной системы. Этим методом уточнены расстояния до Луны, Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера. Для космических полетов необходимо с большой точностью определять значение астрономической единицы. Еще 49 сравнительно недавно астрономическая единица была известна с точностью до нескольких десятков тысяч километров. Из радиолокационных наблюдений Венеры получено следующее значение астрономической единицы: 1 а. е. = (149 597 868 ± 0,7) км. Округленному значению астрономической единицы (149 600 000 км) соответствует параллакс Солнца Pq = = 8,7940″. 3*. Лазерная локация Луны. Вскоре после изобретения мощных источников светового излучения — оптических квантовых генераторов (лазеров) — стали проводиться опыты по лазерной локации Луны. Метод лазерной локации аналогичен радиолокации, однако точность измерения значительно выше. Оптическая локация дает возможность определить расстояние между выбранными точками лунной и земной поверхности с точностью до сантиметров. Такая высокая точность нужна для решения ряда задач космической геодезии, выяснения вопросов о движении земных континентов, дальнейшего развития космических исследований. 4. Определение размеров тел Солнечной системы. Прежде всего познакомимся с методом определения радиуса Земли. Принимая Землю за шар радиуса Л®, измеряют линейное (/, например, в километрах) и угловое (л, например, в градусах) расстояния между двумя пунктами земной поверхности, расположенными на одном географическом меридиане (рис. 26). Затем вычисляют длину дуги, соответствующую Г этого меридиана, а потом и радиус Земли. Пусть I — длина дуги AS, а центральный угол, опирающийся на эту дугу и равный разности географических широт точек А и В, АЛОВ = п (О — центр Земли), тогда длина дуги 1° мери- , а значит. диана будет равна — 360° Рис. 26. Земли. Вычисление радиуса 50 Рис. 27. Определение линейных размеров тел Солнечной системы. 180’/ (21) При наблюдениях небесных тел Солнечной системы можно измерить угол, под которым они видны земному наблюдателю. Зная этот угловой радиус светила р и расстояние до светила D, можно вычислить линейный радиус R (рис. 27): R = D sin р. Учитывая формулу (19), получим: (22) 81П р „ R — Ra 81П Ро а (22) А так как углы р и малы, то R = —R^. Ро ® (23) Пример 7. Во сколько раз линейный радиус Солнца превышает радиус Земли, если угловой радиус Солнца 16′? Дано: Ре = 16′ Ро “ 8,8″ Ro-’l Решение R _ Ро о Ro = R/r- Ро 16 -60» R®
109 Лф. 8,8″ Ответ: Rq
109 R, 51 Вопросы-задания для самоконтроля 1*. Зная угловое удаление Венеры от Солнца в элонгации и принимая орбиты Венеры и Земли за окружности, определите (как это сделал Коперник) расстояние до Венеры в единицах радиуса земной орбиты. 2. Что нужно знать для вычисления радиуса Земли? 3. Что нужно знать, чтобы вычислить расстояние до какого-нибудь тела Солнечной системы? 4. Что нужно знать, чтобы вычислить размеры какого-нибудь тела Солнечной системы? 5*. Каким оказалось расстояние между отражателем, находящимся на Луне, и телескопом, расположенным на Земле, если лазерные импульсы возвратились через 2,4354567 с? 6. Наибольший горизонтальный параллакс Марса 23″. Каково наименьшее расстояние от Земли до Марса? Что полезно знать, изучив тему «Строение Солнечной системы« 1. На протяжении многих веков господствовали геоцентрические системы мира, поддерживаемые церковью. 2. В XVI в. Николай Коперник обосновал гелиоцентрическую систему мира, которая правильно отражает строение Солнечной системы (в центре — Солнце; планеты, включая Землю, движутся вокруг Солнца) и лежит в основе научного мировоззрения. 3. Видимое петлеобразное движение планет объясняется тем, что мы наблюдаем их движение с обращающейся вокруг Солнца Земли. 4. Меркурий и Венера — нижние планеты, остальные — верхние. 5. Наиболее удобно наблюдать нижние планеты вблизи элонгаций, а верхние — вблизи противостояний. 6. Законы Кеплера (их три, и нужно знать их формулировки) уточняют учение Коперника, в котором орбиты небесных тел считались окружностями. 7. Ньютон аналитически вывел законы Кеплера из закона всемирного тяготения. 8. Закон всемирного тяготения и законы Кеплера — основа небесной механики; по этим же законам происходит движение искусственных небесных тел. 9. Нептун был открыт в результате учета возмущений в движении Урана. 10. Существуют различные способы определения расстояний до небесных тел Солнечной системы (по горизонтальному параллаксу, методом радиолокации и др.). 11. Астрономическая единица — основная единица расстояний в Солнечной системе (1 а. е. = 149,6 млн. км). 52 Что желательно уметь, изучив тему «Строение Солнечной системы» 1. Определять по «Школьному астрономическому календарю» и ПКЗН, какие планеты и в каких созвездиях видны на небе в данное время. 2. Находить планеты на небе, отличая их от звезд. 3*. По формулам (12) и (13) вычислять повторяемость заданных конфигураций нижних и верхних планет. 4. По формуле (15) определять сидерические периоды обращений планет по известным большим полуосям их орбит (и решать обратную задачу). 5*. Вычислять массу планеты, имеющей спутники. 6. По формуле (20) вычислять расстояние до небесного тела Солнечной системы (по известному горизонтальному параллаксу). 7. По формуле (23) вычислять линейные размеры небесных тел Солнечной системы, зная их угловые размеры и горизонтальный параллакс. III. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Эту тему мы начинаем с изучения природы небесных тел, движущихся вокруг Солнца, а Солнце будем изучать в неразрывной связи с другими звездами (гл. IV). Сравнение природы Земли с природой других планет и Луны позволит нам выявить общность физических свойств (а затем эволюции и происхождения!) этих небесных тел и вместе с тем получить представление об индивидуальных особенностях планет, относящихся как к разным группам (планеты типа Земли и планеты-гиганты), так и входящих в одну и ту же группу. Надо иметь в виду, что в результате наземных оптических и радиоастрономических наблюдений был накоплен ценный материал о природе планет и Луны. Однако лищь в последние 20—30 лет, благодаря успещному освоению околоземного космического пространства. Луны и планет, удалось получить уникальную информацию. Большой вклад в исследование небесных тел Солнечной системы внесли отечественные ученые. Россия — родина теоретической и практической космонавтики — по праву гордится тем, что в историю освоения космоса навсегда вощли полеты нащих космонавтов, начиная с исторического полета Ю. А. Гагарина (12 апреля 1961 г.); запуски искусственных спутников Земли (ИСЗ), начиная с первого ИСЗ, открывшего космическую эру (4 октября 1957 г.); полеты автоматических межпланетных станций (АМС) к Луне, Венере и Марсу; долговременные орбитальные научные станции, на борту которых работали наши космонавты и их зарубежные коллеги. Эти и некоторые другие даты основных вех освоения космоса приведены в приложении I. § 12. СИСТЕМА «ЗЕМЛЯ — ЛУНА» 1. Основные движения Земли. Земля — это третья по удаленности от Солнца планета. Она движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца по эллиптической орбите, 54 мало отличающейся от окружности. Одно из доказательств обращения Земли вокруг Солнца — кажущееся (параллактическое) смещение ближайших к нам звезд. Впервые такие смещения удалось обнаружить лишь в 30-х гг. XIX в. Второе основное движение Земли — вращение вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты под углом 6б°34′. При движении Земли вокруг Солнца ось ее остается параллельной самой себе. Из курсов природоведения и естествознания вы знаете, что смена времен года на Земле как раз и является следствием указанных трех причин: обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты и сохранения направления оси в пространстве. Кроме того. Земля движется в пространстве вместе со всей Солнечной системой и участвует во многих других движениях. 2. Форма Земли. Лишь в грубом приближении к действительности можно считать, что Земля — это шар, радиус которого определяется по формуле (21) методом, описанным в § 11.4. Однако геодезические измерения показали, что длина дуги 1° меридиана около экватора равна 110,6 км, а вблизи полюсов — 111,7 км, следовательно. Земля не шар, ее экваториальный радиус больше полярного. Объясняется это тем, что Земля вследствие своего вращения вокруг оси сжата у полюсов и по форме близка к эллипсоиду вращения. Сжатие эллипсоида может быть вычислено по формуле: а — Ь е = (24) где Е — сжатие Земли; а — большая полуось земного эллипсоида; Ь — его малая полуось. Данные, основанные на наблюдениях движения искусственных спутников Земли, позволили уточнить результаты наземных геодезических измерений сжатия Земли. Поскольку различие в экваториальном (6378,140 км) и полярном (6356,755 км) радиусах Земли небольшое (21,385 км), то при решении многих астрономических задач Землю можно считать шаром со средним радиусом, равным 6371 км. Зная средний радиус Земли и ее массу (как найти массу Земли, вы знаете из курса физики), легко вычислить среднюю плотность нашей планеты (5,5 • 10® кг/м®). 3. Луна — спутник Земли. Луна — ближайшее к Земле небесное тело. Радиус Луны примерно в 4 раза, а масса в 81 раз меньше соответственно радиуса и массы Земли. По 55 Первая четверть Орбита Луны Попнопуние Новолуние с О и Последняя четверть Рис. 28. Фазы Луны. этим физическим характеристикам естественный спутник нашей планеты нельзя считать маленьким по сравнению с Землей. Строго говоря, по эллиптической орбите вокруг Солнца движется общий центр масс системы «Земля — Луна*, находящийся внутри Земли. Систему «Земля — Луна* часто называют «двойной планетой*. Луна — не самосветящееся тело; она светит отраженным солнечным светом. В зависимости от положения, которое Луна занимает по отношению к Земле и Солнцу, мы видим то полную Луну (полнолуние), то половину видимого диска (первая или последняя четверть), то совсем не видим Луны (новолуние). Наблюдаемая с Земли освещенная часть лунного диска называется фазой Луны. Проследить смену лунных фаз можно по рисунку 28. В новолунии Луна бывает в то время, когда она располагается между Землей и Солнцем; в полнолунии Луна находится за Землей. После новолуния Луна «растет* от узкого серпа (направленного выпуклостью вправо) до полудиска (первая четверть) и далее до полного диска (полнолуние). После полнолуния Луна «убывает* до полудиска (выпуклость направлена влево, наступает последняя четверть), затем становится узким серпом и перестает быть видимой в новолунии. Полный цикл смен лунных фаз (синодический месяц) составляет примерно 29,5 сут (29,5Д). Угловой диаметр Луны на небесной сфере около 0,5° («30 ). Но он не остается постоянным, а изменяется из-за эллиптичности орбиты (примерно 33′ в перигее и 29’ в апогее). Эксцентриситет лунной орбиты е = 0,05, а большая полуось эллипса — 384400 км (среднее расстояние Луны от Земли). 56 Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27,3 сут (27,3^, сидерический месяц). За это же время Луна делает оборот вокруг своей оси, поэтому к Земле всегда обращено одно и то же полушарие Луны. Как и все другие небесные тела. Луна участвует в суточном вращении небесной сферы. Но в отличие от планет и Солнца, более удаленных от Земли, Луна быстро перемещается на фоне звездного неба (13° за сутки) с запада на восток, т. е. в направлении, противоположном суточному вращению небесной сферы. Этим объясняется явление, которое вы сами можете обнаружить. Каждый вечер, отмечая по часам моменты верхней кульминации Луны, вы убедитесь, что Луна приходит к небесному меридиану с опозданием примерно на 50 мин (т. е. кульминирует сегодня на 50 мин позже, чем вчера). 4. Солнечные и лунные затмения. Когда Луна при своем движении вокруг Земли полностью или частично заслоняет Солнце, происходят солнечные затмения. Во время полного солнечного затмения (рис. 29) Луна закрывает весь диск Солнца (это возможно благодаря тому, что видимые диаметры Луны и Солнца почти одинаковы). Полное солнечное затмение можно наблюдать лишь из тех точек земной поверхности, где проходит полоса полной фазы. Так называется полоса, которую как бы прочерчивает по земной поверхности сходящийся конус лунной тени (см. рис. 29). По обе стороны полосы полной фазы происходит частное затмение Солнца, во время которого Луна заслоняет не весь солнечный диск, а лишь часть его. Наблюдается частное солнечное затмение из тех мест земной поверхности, которые охватывает расходящийся конус лунной полутени (см. рис. 29). Ширина полосы полной фазы солнечного затмения и его Рис. 29. Схема полного затмения Солнца. 57 Рис. 30. Схема полного затмения Луны. продолжительность зависят от взаимных расстояний Солнца, Земли и Луны. Вследствие изменения расстояний видимый угловой диаметр Луны тоже изменяется. Когда он чуть больше солнечного, полное затмение Солнца может длиться до 7,5 мин, когда равен, то одно мгновение, если же он меньше, то Луна вообще не закрывает Солнце полностью. В последнем случае происходит кольцеобразное затмение: вокруг темного лунного диска видно узкое яркое солнечное кольцо. Полное солнечное затмение — очень красивое явление. Во время затмения Солнце имеет вид черного диска, окруженного нежным сиянием (короной). Дневной свет настолько ослабевает, что иногда можно видеть на небе яркие звезды и планеты. Ближайшее полное солнечное затмение, которое можно наблюдать с территории России (в районе Восточной Сибири), произойдет 9 марта 1997 г. Когда при движении вокруг Земли Луна попадает в конус земной тени, которую отбрасывает освещаемый Солнцем земной шар, происходит полное лунное затмение (рис. 30). Если же в тень Земли погружается лишь часть Луны, то происходит частное затмение Луны. Полное лунное затмение может длиться примерно 1,5 — 2 ч (столько времени, сколько требуется Луне, чтобы пересечь конус земной тени). Его можно наблюдать со всего ночного полушария Земли, где Луна в момент затмения находится над горизонтом. Поэтому в данной местности полные лунные затмения удается наблюдать значительно чаще солнечных. Во время полного лунного затмения Луны лунный диск остается видимым, но он приобретает обычно темно-красный оттенок. Это явление объясняется преломлением солнечных 58 лучей в земной атмосфере. Проходя через земную атмосферу, солнечные лучи рассеиваются и преломляются. Причем рассеивается в основном коротковолновое излучение (соответствующее синему и голубому участкам спектра, чем и обусловлен голубой цвет нашего дневного неба), а преломляется длинноволновое (соответствующее красному участку спектра). Преломляясь в земной атмосфере, длинноволновое солнечное излучение попадает в конус земной тени и освещает Луну. Легко сообразить, что солнечное затмение происходит, когда Луна бывает в новолунии, а лунное — когда в полнолунии. Однако далеко не в каждое новолуние и полнолуние происходят затмения. Дело в том, что плоскость, в которой Луна движется вокруг Земли, наклонена к плоскости эклиптики под углом примерно 5°. Чаще всего в году бывает только два солнечных и два лунных затмения. В 1982 г. было семь затмений — четыре частных солнечных и три полных лунных (это максимально возможное число затмений в год). Еще древние астрономы заметили, что через определенный промежуток времени лунные и солнечные затмения повторяются в определенном порядке. Этот промежуток времени был назван саросом (в переводе с египетского — повторение). Существование сароса объясняется закономерностями, наблюдаемыми в движении Луны. Сарос составляет 6585,32 сут (»18 лет 11 дней). В течение каждого сароса происходит 70 затмений, из них 42 солнечных и 28 лунных. Однако в данном месте Земли лунные затмения наблюдаются чаще, чем солнечные, так как лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли. Полные солнечные затмения в данной точке земной поверхности видны не чаще одного раза в 200—300 лет. Зная продолжительность сароса, можно приближенно предсказывать время наступления затмений. В настоящее время разработаны очень точные методы предсказания солнечных и лунных затмений. Астрономы неоднократно помогали историкам уточнять даты исторических событий, которые, по свидетельству летописей, совпадали с затмениями. В Москве очередное полное солнечное затмение будет наблюдаться 16 октября 2126 г. В европейской части России ближайшие полные лунные затмения можно будет наблюдать 4 апреля 1996 г., 27 сентября 1996 г. и 16 сентября 1997 г. В прошлом необычный вид Луны и Солнца во время затмений приводил людей в ужас. Жрецы, зная о повторяемости этих явлений, использовали их для подчинения и устрашения людей, приписывая затмения сверхъестественным силам. Давно уже перестала быть тайной причина затмений. Наблюдения затмений позволяют ученым получать 59 важные сведения об атмосферах Земли и Солнца, а также о движении Луны. Во время полных затмений Солнца создаются условия, благоприятные для наблюдения отклонения луча света звезды в поле тяготения Солнца. Это позволяет получить одно из важнейших доказательств теории тяготения Эйнштейна (общей теории относительности). Вопросы-задания для самоконтроля 1. Какие вы знаете движения Земли? 2. Пусть наблюдатель, двигаясь с Землей вокруг Солнца, следит на протяжении года за какой-нибудь звездой, при этом он может заметить самые незначительные ее перемещения на небесной сфере. Попытайтесь на чертеже изобразить наблюдаемую картину и скажите, почему параллактическое смещение звезд доказывает обращение Земли вокруг Солнца. 3*. Вычислите сжатие Земли, зная, что, по данным, полученным геодезистами Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым, малая полуось земного эллипсоида равна 6356,863 км, а большая — 6378,245 км. 4. Зная эксцентриситет и большую полуось орбиты Луны, вычислите наибольшее и наименьшее расстояния до Луны. 5. Докажите, что общий центр масс системы «Земля — Луна» находится внутри Земли. 6. Опровергните мнение о том, что если к Земле всегда обращена одна стороны Луны, то Луна не вращается вокруг своей оси. 7. Из факта примерного равенства угловых диаметров Луны и Солнца какой вы можете сделать вывод об истинных размерах этих небесных тел, зная их расстояния от Земли? 8. В чем причина солнечных (лунных) затмений? 9. Почему солнечные затмения происходят не каждое новолуние, а лунные — не каждое полнолуние? 10*. В каких точках своих орбит расположены Земля и Луна в момент кольцеобразного солнечного затмения? § 13. ПРИРОДА ЛУНЫ 1. Физические условия на Луне. Луна практически лишена атмосферы. Если допустить, что в прохплом у Луны была атмосфера, то легко понять, почему ее нет сейчас. Дело в том, что сравнительно небольшие (по массе) небесные тела (подобные Луне) не могут длительное время удерживать атмосферу. Уже при скорости 2,38 км/с (вторая космическая скорость для Луны) молекулы газа способны покинуть Луну. Нет на Луне и воды. Испарение воды образовало бы вокруг Луны газовую оболочку, которая быстро бы рассеялась. На небе Луны видны те же самые созвездия, что и на небе Земли. Из-за отсутствия атмосферы яркие звезды и 60 Рис. 31. Земля на небе Луны (снимок Земли перед заходом ее за край Луны). планеты видны на Луне и днем. Поэтому космонавты могут ориентироваться на Луне по звездам и днем и ночью. Ориентировка по звездам приобретает на Луне особое значение, так как там магнитный компас бесполезен. (Луна не имеет магнитного поля, подобного земному.) Меркурий и Венеру можно наблюдать с Луны даже в непосредственной близости от Солнца. Эффектное украшение неба Луны — наша Земля (рис. 31). Диск Земли примерно в 3,5 раза больше солнечного диска. На протяжении лунного дня, длящегося около двух земных недель, поверхность Луны сильно нагревается, а затем охлаждается в ночное время (ночь на Луне тоже длится почти две земные недели). Отсутствие атмосферы на Луне приводит к резким колебаниям температуры в течение лунных суток. В районе «подсолнечной» точки, т. е. там, где Солнце днем находится в зените, температура превышает 400 К (-Ы30 °С). На противоположной стороне Луны вблизи ♦ антисолнечной» точки поверхность Луны охлаждается почти до 100 К (-170 °С). Значит, на протяжении одних лунных суток (29,5 земных суток) температура изменяется на 300 К. Резкие колебания температуры, происходящие на Луне, относятся только к ее поверхности. Уже на глубине в несколько десятков сантиметров температура в течение лунных суток практически не изменяется. Это объясняется пло- 61 Рнс. 32. Видимая с Земли сторона Луны (вид в телескоп). хой теплопроводностью лунного грунта, который не успевает ни прогреться днем, ни охладиться ночью. Вы знаете, что Луна сейчас обращена к Земле одной стороной. Так было не всегда. Миллиарды лет назад Луна была ближе к Земле, чем сейчас, а периоды вращения Земли и обращения вокруг нее Луны составляли лишь несколько часов. На нынешнем этапе эволюции системы ♦ Земля — Луна» период вращения Луны совпал с периодом ее обращения. Это привело к двум важным следствиям. Во-первых, продолжительность солнечных суток на Луне равна синодическому месяцу (день и ночь на Луне длятся почти по две земные недели). Во-вторых, к Земле Луна всегда обращена одним полушарием (мы с Земли видим всегда одну и ту же сторону Луны). 62 2. Поверхность Луны. Даже невооруженным глазом на Луне видны обширные темные участки (моря) и светлые (материки). Более подробно их можно рассмотреть в школьный телескоп (рис. 32). Несмотря на то что в лунных морях нет ни капли воды, в науке сохранилась прежняя система наименований, предложенная еще в XVII в. В отличие от морей (сравнительно ровных участков лунной поверхности, покрытых темным веществом), материки представляют собой гористые районы. На обращенной к Земле стороне Луны материки занимают около 70%, а моря — 30% территории видимого с Земли полушария Луны (рис. 33). Рис. 33. Карта-схема крупнейших деталей видимого с Земли полушария Луны (вид в телескоп). вз Рис. 34. Луна в последней четверти (вил в телескоп). Характерная особенность лунного рельефа — кольцевые структуры (кратер ы). Только на видимой стороне кратеров диаметром более 1 км примерно 300 000. Среди них есть такие, диаметры которых превышают 200 км. Большинство крупных лунных кратеров имеют ровное дно, в центре которого возвышается горка. Многие лунные моря окаймлены протяженными горными хребтами. Хребты получили названия земных горных цепей (Кавказ, Альпы, Пиренеи и др.). В полнолуние в небольшой телескоп (призменный бинокль) хорошо видны Океан Бурь, Море Дождей, Море Ясности, а также кратеры (Тихо, Коперник, Кеплер), от которых расходятся протяженные лучевые системы. Когда Луна находится в других фазах, то вблизи границы освещенной и неосвещенной частей поверхности Луны (такая граница называется терминатором) кратеры выделяются особенно рельефно (рис. 34). В отличие от продолжающихся несколько столетий телескопических исследований видимой стороны Луны, исследование обратной ее стороны началось, когда впервые в истории науки обратная сторона Луны была сфотографирована автоматической станцией ♦ Луна-3» 7 октября 1959 г. Примерно через 6 лет (июль 1965 г.) другая наша автоматическая межпланетная станция (АМС) «Зонд-З», выведенная на гелиоцентрическую орбиту, передала новые фотографии. При этом удалось сфотографировать почти все области обратной стороны Луны, которые не попали в поле зрения фототеле- 64 визиониых устройств «Луны-3». Полученные снимки позволили составить карты и атласы обратной стороны Луны, лунные глобусы и полные карты, охватывающие почти всю поверхность Луны. На невидимом с Земли полушарии Луны преобладают материки (рис. 35). Средний диаметр крупного моря — Моря Москвы — достигает 460 км. Обнаружены мореподобные круглые или овальные образования, занимающие промежуточное место между лунными морями и крупнейшими Рис. 35. Участок поверхности обратной стороны Луны. 65 кратерами. Много на обратной стороне Луны и кратеров (самым крупным присвоены имена выдающихся деятелей науки — Ломоносов, Джордано Бруно, Циолковский, Жолио Кюри и др.). Нередко кратеры образуют длинные цепочки, тянущиеся на сотни километров. Большинство мелких и средних лунных кратеров образовалось в результате падения метеоритов, которые, достигая поверхности Луны, обладают такой кинетической энергией, что при ударе происходит взрыв. Метеорит разрушается, дробится; лунный грунт разлетается в разные стороны от места взрыва. Так образуются первичные кратеры. Чем их больше на данном участке лунной поверхности, тем больше возраст этого участка. Выброшенные при образовании первичных кратеров большие камни могут, падая на поверхность Луны, создавать вторичные кратеры. Возможно, что из таких вторичных кратеров состоят лучевые системы, которые хорошо видны в полнолуние у некоторых крупных молодых кратеров. Образование крупных кратеров, вероятно, связано и с бурной вулканической деятельностью, характерной для далекого прошлого Луны. 3. Лунные породы. Благодаря мягким посадкам автоматических станций на Луну, а затем и полетам на Луну американских астронавтов стали известны механические свойства лунного грунта и его химический состав. На Луне не оказалось толстого слоя пыли, которого когда-то опасались многие конструкторы лунников, но пыль на Луне есть. Она темно-серого цвета и по внешнему виду напоминает цемент. Образцы лунных пород внешне похожи на земные изверженные базальты. В состав их входят хорошо известные на Земле химические элементы (Si, А1, Fe, Са, Mg и др.). Но в лунных породах больше, чем в земных, содержится тугоплавких элементов (Ti, Zr, Cr и др.) и меньше — легкоплавких (РЬ, К, Na и др.). Химический состав различных участков поверхности Луны неодинаков. В поверхностном слое Луны (реголите) содержатся осколки магматических пород, шлакообразные частицы с оплавленными гранями. Многие образцы как бы обработаны песком. Их вид свидетельствует о том, что они длительное время подвергались своеобразной эрозии (ударам мелких метеоритов и обработке потоками частиц, непрерывно исходящими от Солнца). Из-за отсутствия воды минералов на Луне значительно меньше, чем на Земле. Микроорганизмов на Луне не обнаружено. Лунные породы относятся к очень древним — их возраст составляет примерно 4 млрд, лет, причем самыми «молодыми» (несколько более 3 млрд, лет) оказались образцы, доставленные из морских районов. 66 На Луне давно завершилась эпоха активного вулканизма. С течением времени уменьшалась и интенсивность метеоритной бомбардировки лунной поверхности. Благодаря этому на протяжении последних 2—3 млрд, лет вид Луны практически не изменялся. А на Земле, как вы знаете из курса географии, под воздействием воды и воздуха древний рельеф не мог сохраниться. Сравнение лунного и современного земного рельефа помогает воссоздать условия, в которых на Земле формировались запасы полезных ископаемых. Это необходимо знать для разработки научных основ поиска полезных ископаемых. Еще и сейчас происходят лунотрясения (напоминающие слабые землетрясения). Они зарегистрированы сейсмографами, установленными на Луне астронавтами. Данные этих приборов позволили исследовать внутреннее строение Луны, выделив кору (толщиной около 60 км), мантию (до 1000 км) и ядро (его радиус около 750 км). Вопросы-задания для самоконтроля 1. Чем отличаются физические условия на Луне от привычных нам земных? 2. Ось вращения Луны почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Будет ли на небе Луны а Малой Медведицы играть роль Полярной звезды? 3*. Каковы основные детали лунного рельефа? 4. Используя бинокль (школьный телескоп) и карту Луны, найдите большие моря и кратеры на поверхности Луны. (Постарайтесь наблюдать Луну при разных фазах!) § 14. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ По своим физическим характеристикам планеты делятся на две группы — планеты земной группы и планеты-гиганты. Мы дадим обзор главных особенностей обеих групп планет, на основе чего вы сумеете дать описание каждой планеты. 1. Общая характеристика планет земной группы. Планеты, относящиеся к земной группе, — Меркурий (рис. 36), Венера (рис. 37), Земля (рис. 38), Марс (рис. 39) — имеют небольшие размеры и массы (см. приложение VII), средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды; они медленно вращаются вокруг своих осей; у них мало спутников (у Меркурия и Венеры их вообще нет, у Марса — два крохотных, у Земли — один). 67 Рнс. Зв. Меркурий (фотография, сделанная с близкого расстояния). Рис. 37. Венера (один из снимков, переданных АМС). V Сходство планет земной группы не исключает и значительного различия. Например, Венера, в отличие от других планет, вращается в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца, причем в 243 раза медленнее Земли (сравните продолжительность года и суток на Венере). Период обращения Меркурия (т. е. год этой планеты) только на 1/3 больше периода его вращения вокруг оси (по отношению к звездам). Углы наклона осей к плоскостям их орбит у Земли и у Марса примерно одинаковы, но совсем иные у Меркурия и Венеры. А вы знаете, что это одна из причин, определяющая характер смены времен года. Такие же, как у Земли, времена года есть, следовательно, на Марсе (правда, каждое время года почти в два раза продолжительнее, чем на Земле). Не исключено, что по ряду физических характеристик к планетам земной группы относится и далекий Плутон — самая маленькая из 9 планет. Средний диаметр Плутона около 2260 км. Лишь вдвое меньше диаметр Харона — спутника Плутона. Поэтому не исключено, что система Плутон — Харон, как и система Земля — Луна, представляет собой «двойную планету». 2. Атмосферы. Черты сходства и различия обнаруживаются также при изучении атмосфер планет земной группы. В отличие от Меркурия, который, как и Луна, практически лишен атмосферы, Венера и Марс обладают ею. Современные данные об атмосферах Венеры и Марса получены в результате полетов наших («Венера», «Марс») и американских («Пионер-Венера», «Маринер», «Викинг») АМС. Сравнивая атмосферы Венеры и Марса с земной (см. приложение VIII), мы видим, что, в отличие от азотно-кислородной земной атмосферы, Венера и Марс имеют атмосферы, в основном состоящие из углекислого газа. Давление у поверхности Венеры более чем в 90 раз больше, а у Марса почти в 150 раз меньше, чем у поверхности Земли. Температура у поверхности Венеры очень высокая (около 500° С) и остается почти одинаковой. С чем это связано? На первый взгляд, кажется, с тем, что Венера ближе к Солнцу, чем Земля. Но, как показывают наблюдения, отражательная способность Венеры больше, чем у Земли, а потому Солнце примерно одинаково нагревает обе планеты. Высокая температура поверхности Венеры обусловлена парниковым эффектом. Он заключается в следующем: атмосфера Венеры пропускает лучи Солнца, которые нагревают поверхность. Нагретая поверхность становится источником инфракрасного излучения, которое не может покинуть планету, так как его задерживают содержащиеся в атмосфере Венеры углекислый газ и водяной пар, а также облачный покров планеты. В результате этого равновесие между притоком энергии 69 Рис. 38. Земля. Рис. 39. Марс (одва из наземных фотографий). и ее расходом в мировое пространство устанавливается при более высокой температуре, чем та, которая была бы у планеты, свободно пропускающей инфракрасное излучение. Мы привыкли к земным облакам, состоящим из мелких капель воды или ледяных кристалликов. Состав облаков Венеры иной: они содержат капельки серной и, возможно, соляной кислоты. Облачный слой сильно ослабляет солнечный свет, но, как показали измерения, выполненные на АМС «Венера-11» и «Венера-12», освещенность у поверхности Венеры примерно такая же, как у поверхности Земли в облачный день. Исследования, выполненные в 1982 г. АМС «Ве-нера-13» и «Венера-14», показали, что небо Венеры и ее ландшафт имеют оранжевый цвет. Объясняется это особенностью рассеивания света в атмосфере этой планеты. Газ в атмосферах планет земной группы находится в непрерывном движении. Нередко во время пылевых бурь, которые длятся по нескольку месяцев, огромное количество пыли поднимается в атмосферу Марса. Ураганные ветры зафиксированы в атмосфере Венеры на высотах, где расположен облачный слой (от 50 до 70 км над поверхностью планеты), но вблизи поверхности этой планеты скорость ветра достигает всего лишь нескольких метров в секунду. Таким образом, несмотря на некоторое сходство, в целом атмосферы ближайших к Земле планет резко отличаются от атмосферы Земли. Это пример открытия, которое невозможно было предсказать. Здравый смысл подсказывал, что планеты со сходными физическими характеристиками (например, Землю и Венеру иногда называют «планетами-близ-нецами») и примерно одинаково удаленные от Солнца должны иметь очень похожие атмосферы. На самом деле причина наблюдаемого различия связана с особенностями эволюции атмосфер каждой из планет земной группы. Исследование атмосфер планет земной группы не только позволяет лучше понять свойства и историю происхождения земной атмосферы, но и имеет значение для решения экологической проблемы. Например, туманы-смоги, образующиеся в земной атмосфере в результате загрязнения воздуха, по своему составу очень напоминают венерианские облака. Эти облака, как и пылевые бури на Марсе, напоминают нам о том, что необходимо ограничивать выброс пыли и разного рода промышленных отходов в атмосферу нашей планеты, если мы хотим на длительное время сохранить на Земле условия, пригодные для существования и развития жизни. Пылевые бури, во время которых на протяжении нескольких месяцев в атмосфере Марса удерживаются и распространяются над громадными территориями тучи пыли, заставляют задуматься над некоторыми возможными экологическими последствиями ядерной войны. 71 3. Поверхности. Планеты земной группы, подобно Земле и Луне, имеют твердые поверхности. Наземные оптические наблюдения позволяют получить о них немного сведений, так как Меркурий трудно рассмотреть в телескоп даже во время элонгаций, поверхность Венеры скрыта от нас облаками. На Марсе даже во время великих противостояний (когда расстояние между Землей и Марсом минимальное — около 55 млн. км), происходящих один раз в 15—17 лет, в крупные телескопы удается рассмотреть детали размерами около 300 км. И все-таки в последние десятилетия удалось многое узнать о поверхности Меркурия и Марса, а также получить представление о еще недавно совершенно загадочной поверхности Венеры. Это стало возможным благодаря успешным полетам автоматических межпланетных станций типа «Венера*, «Марс*, «Викинг», «Маринер*, «Магеллан», пролетавших вблизи планет или совершивших посадки на поверхность Венеры и Марса, и благодаря наземным радиолокационным наблюдениям. Поверхность Меркурия, изобилующая кратерами, очень напоминает лунную (рис. 40). «Морей» там меньше, чем на Луне, причем они небольшие. Диаметр меркурианского Моря Зноя 1300 км, как и Моря Дождей на Луне. На десятки и сотни километров тянутся крутые уступы, вероятно, порожденные былой тектонической активностью Меркурия, когда смещались и надвигались поверхностные слои планеты. Как и на Луне, большинство кратеров образовались в результате падений метеоритов. Там, где кратеров немного, мы видим сравнительно молодые участки поверх- Рис. 40. Участки поверхности Меркурия. 72 Рис. 41. Панорама поверхности Венеры, переданная на Землю АМС «Веиера-14». ности. Старые, разрушенные кратеры заметно отличаются от более молодых кратеров, хорошо сохранившихся. Каменистая пустыня и множество отдельных камней видны на первых фототелевизионных панорамах, переданных с поверхности Венеры автоматическими станциями серии «Венера» (рис. 41). Радиолокационные наземные наблюдения обнаружили на этой планете множество неглубоких кратеров, диаметры которых от 30 до 700 км. В целом эта планета оказалась наиболее гладкой из всех планет земной группы, хотя и на ней есть большие горные массивы и протяженные возвышенности, вдвое превышающие по размерам земной Тибет. Грандиозен потухший вулкан Максвелл, его высота 12 км (в полтора раза больше Джомолунгмы), поперечник подошвы 1000 км, диаметр кратера на вершине 100 км. Очень велики, но меньше, чем Максвелл, вулканические конусы Гаусс и Герц. Подобно рифтовым ущельям, тянущимся по дну земных океанов, на Венере также обнаружены рифтовые зоны, свидетельствующие о том, что и на этой планете когда-то происходили (а может быть, происходят и сейчас!) активные процессы (например, вулканическая деятельность). В 1983—1984 гг. со станций «Венера-15» и «Венера-16» проводились радиолокационные исследования, позволившие создать карту и атлас поверхности планеты (размеры деталей поверхности 1—2 км). Новый шаг в исследовании поверхности Венеры связан с применением более совершенной радиолокационной системы, установленной на борту амери- 73 канской АМС «Магеллан». Этот космический аппарат достиг окрестности Венеры в августе 1990 г. и вышел на вытянутую эллиптическую орбиту. Регулярная съемка проводится с сентября 1990 г. На Землю передаются отчетливые изображения, на некоторых из них хорошо различимы детали размером до 120 м (рис. 42—46). К маю 1993 г. съемкой было охвачено почти 98% поверхности планеты. Планируется завершить эксперимент, включающий не только фотографирование Венеры, но и проведение других исследований (гравитационного поля, атмосферы и др.) в 1995 г. Изобилует кратерами и поверхность Марса (рис. 47). Особенно много их в южном полушарии планеты. Темные области, занимающие значительную часть поверхности планеты, получили название морей (Эллада, Аргир и др.). Диаметры некоторых морей превышают 2000 км. Возвышен- Рис. 42. Кольцевые структуры на поверхности Венеры («короны») диаметром от 100 до 200 тыс. км (радиолокационное изображение, переданное «Магелланом», 1991 г.). 74 Рис. 43. Объемное изображение некоторых деталей ландшафта Венеры (радиолокационное изображение, переданное «Магелланом», 1991 г.). ности, напоминающие земные континенты, представляющие собой светлые поля оранжево-красного цвета, названы материками (Фарсида, Элисиум). Как и на Венере, здесь есть огромные вулканические конусы. Высота наибольшего из них <Олимпа) превышает 25 км, диаметр кратера 90 км. Диаметр основания этой гигантской конусообразной горы более 500 км. О том, что миллионы лет назад на Марсе происходили мощные вулканические извержения и смещались поверхностные пласты, свидетельствуют остатки лавовых потоков, огромные разломы поверхности (один из них — Маринер — тянется на 4000 км), многочисленные ущелья и каньоны. Возможно, что именно некоторые из этих образований (например, цепочки кратеров или протяженные ущелья) исследователи Марса еще 100 лет назад приняли за «каналы», существование которых впоследствии долгое время пытались объяснить деятельностью разумных обитателей Марса. Перестал быть загадкой и красноватый цвет Марса. Он 75 Рис. 44. Часть восточного края области Альфа на Венере. Куполообразные холмы возникли в результате подъема лавы на поверхность планеты. Холмы такой природы видны я на рисунке 43. Рис. 45. Область Западная Эйстла на Венере. Слева гора Сиф — вулкан, достигающий 2 км высоты (компьютерная обработка радиолокационного изображения, переданного «Магелланом», 1992 г.). Рис. 46. Гора Маат — вулкан, высотой около 8 км, на Венере (компьютерная обработка радиолокационного изображения, переданного «Магелланом», 1992 г.). 76 Рис. 47. Изображение Марса, составленное в начале 90-х годов американскими учеными, по данным фотографирования планеты с близкого расстояния хорошо заметен каньон Маринер протяженностью до 1000 км. объясняется тем, что грунт этой планеты содержит много глин, богатых железом. С близкого расстояния неоднократно фотографировались спутники Марса (рис. 48, 49) и передавались панорамы поверхности «Красной планеты* (рис. 50). Вы знаете, что почти 2/3 поверхности Земли занимают океаны. На поверхности Венеры и Меркурия воды нет. Открытые водоемы отсутствуют и на поверхности Марса. Но, как предполагают ученые, вода на Марсе должна быть, по 77 78 Рис. 50. Автоматическая американская станция «Викинг-1» на поверхности Марса (1978 г.). крайней мере, в виде слоя льда, образующего полярные шапки, или как обширный слой вечной мерзлоты. Возможно, вы станете свидетелями открытия на Марсе запасов льда или даже находящейся подо льдом воды. О том, что вода когда-то была и на поверхности Марса, свидетельствуют обнаруженные там высохшие руслоподобные извилистые ложбины. Вопросы-задания для самоконтроля 1. Какая из планет земной группы больше (меньше) других по размерам? Массе? Средней плотности? 2. Какие нужно знать физические характеристики планеты, чтобы вычислить ее среднюю плотность? 3. Происходила ли бы на Земле смена времен года, если бы ось Земли была перпендикулярна к плоскости орбиты нашей планеты? 4. В чем сходство и различие атмосфер планет земной группы? 5. В чем сходство и различие поверхностей планет земной группы? в*. Начертите (в выбранном вами масштабе) Джомолунгму, Максвелл и Олимп. 7*. Обоснуйте вывод о том, что нельзя считать Луну и планеты земной группы небесными телами, эволюция которых уже завершена. 8. В свое время кратеры образовались на всех планетах земной группы и на Луне. Где и почему они лучше (хуже) всего сохранились к настоящему врюмени? 9. Какое научное и практическое значение имеет изучение планет зем- 79 ной группы? 10. Проанализировав совокупность современных данных о Меркурии, Венере и Марсе, сделайте вывод о возможности существования жизни на этих планетах. 11. Что вы знаете теперь о Меркурии, Венере, Марсе? 12*. Используя «ШАК», выясните, когда Венера будет доступна вечерним наблюдениям, и постарайтесь в школьный телескоп рассмотреть ее фазу. § 15. ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ 1. Обпщя характеристика планет-гигантов. Продолжая работу с данными, включенными в приложение VII, вы сумеете выяснить отличие планет-гигантов от планет земной группы и найти черты сходства и различия у планет, относящихся к гигантам (Юпитер (рис. 51), Сатурн (рис. 52), Уран, Нептун). Все эти планеты (и особенно Юпитер!) имеют большие размеры и массы. Например, по объему Юпитер превосходит Землю почти в 1320 раз, а по массе — в 318 раз. Обратите внимание на низкую среднюю плотность (наименьшая она у Сатурна — 0,7 • 10® кг/м®). Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей', менее 10 ч требуется огромному Юпитеру, чтобы совершить один оборот. Причем, как выяснилось в результате наземных оптических наблюдений, экваториальные зоны планет-гигантов вращаются быстрее, чем полярные, т. е. там, где максимальны линейные скорости точек в их движении вокруг оси, максимальны и угловые скорости. Результат быстрого вращения — большое сжатие планет-гигантов (заметное при визуальных наблюдениях). Вы знаете, что Рис. 51. Юпитер. 80 Рис. 52. Сатурн. Рис. 53. Мозаичное изображение Юпитера, составленное по космическим фотографиям планеты (США). разность экваториального и полярного радиусов Земли составляет =21 км, а у Юпитера она равна 4400 км. Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют нйзкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8“. Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников-, у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 16, Сатурна — 17, Урана — 16 и только у Нептуна — 8. Замечательная особенность планет-гигантов — кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Не- 81 птуна. Из планет-гигантов лучше других исследованы Юпитер и Сатурн. 2. Особенности строения. Важнейшая особенность строения планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми средними плотностями планет-гигантов, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов — водорода и гелия), быстрым зональным врап^ением и некоторыми другими данными. Следовательно, все, что удается рассмотреть на Юпитере и Сатурне (на более далеких планетах детали вообще не видны), происходит в протяженных атмосферах этих планет (рис. 53). На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения (например, метан и аммиак), углеводороды (этан, ацетилен), а также различные соединения (в том числе содержащие фосфор и серу), окрашивающие детали атмосферы в красно-коричневые и желтые цвета. Таким образом, по своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы (§ 32). На фотографиях, переданных с борта американских АМС ♦Пионер» и ♦Вояджер», отчетливо видно, что газ в атмосфере Юпитера участвует в сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей. Предполагается, что наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно (овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) тоже представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь (рис. 54). Рис. 54. Большое Красное Пятно на Юпитере (♦Вояджер-1*, 1979 г., с расстояния 5 млн. км). 82 Потоки движущегося газа и устойчивые пятна видны и на снимках Сатурна, переданных автоматическими межпланетными станциями. «Вояджер-2» дал возможность рассмотреть и детали атмосферы Нептуна. Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. О его свойствах можно судить по некоторым дополнительным данным. Например, предполагают, что в недрах планет-гигантов вещество должно иметь высокую температуру. Как же такой вывод был сделан? Во-первых, зная расстояние Юпитера от Солнца, вычислили количество теплоты, которое Юпитер от него получает. Во-вторых, определили отражательную способность атмосферы, что позволило узнать, сколько солнечной энергии планета отражает в космическое пространство. Наконец, вычислили температуру, которую должна иметь планета, находящаяся на известном расстоянии от Солнца. Она оказалась близкой к -160“ С. Но температуру планеты можно определить и непосредственно, исследуя ее инфракрасное излучение с помощью наземной аппаратуры или приборов, установленных на борту АМС. Такие измерения показали, что температура Юпитера близка к -130° С, т. е. выше расчетной. Следовательно, Юпитер излучает энергии почти в 2 раза больше, чем получает от Солнца. Это и позволило сделать вывод о том, что планета обладает собственным источником энергии. Совокупность всех имеющихся сведений о планетах-гигантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел, т. е. рассчитать, каковы плотность, давление и температура в их недрах. Например, температура вблизи центра Юпитера достигает нескольких десятков тысяч кельвинов. В отличие от планет земной группы, обладающих корой, мантией и ядром, на Юпитере газообразный водород, входящий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем и в твердую (металлическую) фазу. Появление таких необычных агрегатных состояний водорода (в последнем случае он становится проводником электричества), связано с резким увеличением давления по мере погружения в глубину. Так, на глубине, несколько большей 0,9 радиуса планеты, давление достигает 40 млн. атм (4 • 10^^ Па). Возможно, что с быстрым вращением проводящего ток вещества, находящегося в центральных областях планет-гигантов, связано существование значительных магнитных полей этих планет. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Оно во много раз превосходит магнитное поле Земли, причем полярность его обратна земной (как вы знаете, у Земли вблизи северного географического полюса расположен юж- 83 Рис. 55. Участки поверхности спутника Юпитера — Ганимеда. Рис. 5в. Спутник Юпитера — Ио. 84 ный магнитный). Магнитное поле планеты улавливает летящие от Солнца заряженные частицы (ионы, протоны, электроны и др.), которые образуют вокруг планеты пояса частиц высоких энергий, называемые радиационными поясами. Такие пояса из всех планет земной группы есть только у нашей планеты. Радиационный пояс Юпитера простирается на расстояние до 2,5 млн. км. Он в десятки тысяч раз интенсивнее земного. Электрически заряженные частицы, движущиеся в радиационном поясе Юпитера, излучают радиоволны в диапазоне дециметровых и декаметровых волн. Как и на Земле, на Юпитере наблюдаются полярные сияния, связанные с прорывом заряженных частиц из радиационных поясов в атмосферу, а также мощные электрические разряды в атмосфере <грозы). 3. Спутники. Система спутников Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре. Четыре спутника, открытые Галилеем, называют галилеевыми спутниками. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Самый большой из них — Ганимед — превосходит по размерам Меркурий (но вдвое уступает этой планете по массе). Пролетая вблизи спутников Юпитера (а потом Сатурна), американские автоматические межпланетные станции «Пионер* и «Вояджер* передали на Землю фотографии с изображением их поверхностей, которые напоминают поверхности Луны и планет земной группы. Особенно похож на Луну Ганимед (рис. 55). Кроме кратеров, на Ганимеде много длинных хребтов и полос, образующих своеобразные ветвящиеся пучки. Уникальна поверхность Ио, на которой открыты действующие вулканы, и она буквально вся залита продуктами их извержения (рис. 56). Очень много кратеров на Каллисто. На фотографиях этого спутника видна многокольцевая структура («Бычий глаз*) диаметром 600 км с системой концентрических колец (до 2600 км в диаметре), веро- 85 ятно, порожденная ударом метеорита (рис. 57). Поверхность Европы испещрена тянущимися на несколько тысяч километров темными и светлыми трещинами (шириной 20—40 км). Самый близкий к Юпитеру спутник Амальтея, а также все далекие спутники, находящиеся за пределами орбит галилеевых спутников, имеют неправильную форму и этим напоминают малые планеты Солнечной системы (астероиды). Сфотографированы с близкого расстояния и некоторые спутники Сатурна (рис. 58). На поверхности этих небесных тел тоже обнаружено много кратеров. Некоторые из них очень велики (диаметр кратера на спутнике Тефия около 400 км, а на спутнике Мимас (рис. 59) около 130 км). Из Рис. 57. Спутник Юпитера — Каллисто (с расстояния 202 000 км). 86 Рис. 58. Спутник Сатурна Энцелад (а), спутник Сатурна Гиперион (б). 87 Рис. 59. Спутник Сатурна — Мимас (с кратером 130 км в диаметре). лвце больше Земли по диаметру? массе? 2. Вычислите среднюю плотность Солнца и полученный результат сравните с табличным (приложение VI), а также со средней плотностью Земли и 108 Юпитера. 3. Сравните (по размерам и массе) Солнце, Юпитер и Землю, изобразив эти небесные тела в масштабе. 4. Какова особенность врапде-ния Солнца вокруг оси? 5*. Пятна, появляющиеся вблизи экватора Солнца, совершают полный оборот (по отношению к земному наблюдателю) за 27 сут, т. е. почти на 2 сут больше периода вращения экваториальной области Солнца. Как объяснить это явление? в. Какие химические элементы особенно распространены на Солнце? 7. Опираясь на знания, полученные в курсах физики и химии, вспомните, какую роль сыграл гелий в физике низких температур, изучении строения атома, а также где сейчас используется гелий. 8. Что такое «солнечная постоянная»? 9. Какова эффективная температура Солнца и как ее можно определить? 10. В каком физическом состоянии находится вещество на Солнце? Что вам известно о распространенности и свойствах такого состояния вещества? § 19. СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ СОЛНЦА Условно в атмосфере Солнца выделяют три основных слоя: фотосферу (самый нижний слой), хромосферу и корону. 1. Фотосфера. Доступная непосредственному наблюдению светящаяся «поверхность» Солнца называется фотосферой. Никакой «поверхности* в обычном смысле этого слова Солнце, конечно, не имеет. На самом деле фотосфера представляет собой нижний слой солнечной атмосферы, толщина которого 300—400 км. Именно она излучает практически всю приходящую к нам солнечную энергию, так как из-за непрозрачности вещества фотосферы солнечное излучение из более глубоких слоев Солнца к н5м уже не доходит и их увидеть невозможно. Плотность фотосферы не превышает порядка 10"^ кг/м®, а число атомов преобладающего в фотосфере водорода — порядка 10*^ в объеме 1 см®. Температура в фотосфере растет с глубиной, в среднем она близка к 6000 К. На рисунке 72 показан участок фотосферы, сфотографированный с помощью телескопа, поднятого на стратостате. На нем видно крупное солнечное пятно и множество зерен (гранул). Гранулы ярче и, следовательно, горячее, чем окружающие его участки фотосферы. Размеры гранул неодинаковы и составляют в среднем несколько сотен километров. Время существования отдельных гранул — около 8 мин. Непрерывно появляющиеся и исчезающие гранулы свидетельствуют о том, что вещество, из которого состоит фотосфера, находится в движении. Один из видов движений в фотосфере и подфотосферных слоях — вертикальный подъем 109 и опускание вещества. Такое колебательное движение связано с конвекцией: начиная с некоторой глубины (примерно 0,3 радиуса Солнца) вещество на Солнце перемешивается, подобно воде в сосуде, подогреваемой снизу. Гранулы — это верхушки конвективных потоков, проникающих в фотосферу. Гранулы всегда наблюдаются на всей поверхности Солнца, которую иногда сравнивают с кипящей рисовой кашей. Другие детали фотосферы (пятна, факелы) появляются лишь время от времени. Еще задолго до изобретения телескопа люди замечали на неярком заходящем Солнце или на Солнце, видимом сквозь легкие облака, темные пятна. Прежде не только не знали, что представляют собой пятна, но и не допускали мысли о том, что пятна находятся на Солнце. Лишь теперь, спустя три с половиной столетия с тех пор, как Галилей доказал, что пятна — это реальные образования на поверхности Солнца, начинает выясняться их физическая природа. Солнечные пятна значительно крупнее гранул. Диаметры наибольших пятен достигают десятков тысяч километров. Пятна — непостоянные, изменчивые детали фотосферы, существующие от нескольких дней до нескольких месяцев. Иногда на Солнце не бывает пятен совсем, а иногда одновременно наблюдаются десятки крупных пятен. Многолетние наблюдения пятнообразовательной деятельности Солнца показали, что имеются циклические колебания числа пятен. Средняя продолжительность цикла составляет примерно 11 лет (рис. 73). Центральная часть пятна — ядро (или тень) — окружена волокнистой полутенью (см. рис. 72). Вблизи края солнечного диска круглое пятно видно как эллиптиче- V.'v / ' Рис. 72. Участок фотосферы Солнца. 110 Рис. 73. Цикличность наблюдаемых на Солнце пятен. ское, а совсем близко от края диска — как узкая полоска полутени. Это можно объяснить тем, что пятно представляет собой коническую воронку, глубина которой примерно 300—400 км. Пятна кажутся темными лишь по контрасту с фотосферой. На самом деле температура ядра (самой холодной части пятна) около 4300 К, т. е. выше температуры электрической дуги, на которую, как известно, невозможно смотреть без защитных очков. Линии в спектре пятен заметно расщеплены. Это явление объясняется тем, что вещество пятен подвержено действию сильных магнитных полей. Обычно пятна наблюдаются группами (рис. 74). Пятно в группе, которое располагается первым по направлению вращения Солнца, называется головным, последнее пятно в группе — хвостовым. Головные и хвостовые пятна имеют противоположную полярность, например головные — северный магнитный полюс, а хвостовые — южный, т. е. в целом группа пятен напоминает гигантский магнит. Магнитное поле пятен в тысячи раз превосходит общее магнитное поле Солнца. Поэтому солнечные пятна подобны «магнитным островам» в фотосфере Солнца. Замечательно, что в соседних 11-летних циклах группы пятен изменяют свою по- 111 Рис. 74. Большая группа солнечных пятен. лярность. Например, если в данном 11-летнем цикле все головные пятна групп в северном полушарии Солнца имели северный магнитный полюс, то в следующем цикле северный магнитный полюс будет у хвостовых пятен. Магнитное поле пятен — одна из наиболее важных характеристик. Именно с магнитным полем связана и причина появления солнечных пятен. Дело в том, что сильное магнитное поле способно замедлить конвекцию плазмы. В местах, где конвекция замедлена, на поверхность поступает меньше энергии, там образуются более холодные и темные участки фотосферы — солнечные пятна. Фотосферные факелы — детали более светлые (а значит, и более горячие), чем фотосфера. Если группа пятен находится вблизи края солнечного диска, то вокруг нее обычно видно множество факелов — факельное поле. Факелы возникают незадолго до появления солнечных пятен и существуют в среднем в три раза дольше пятен. В местах, где наблюдаются факелы, на поверхность Солнца выносится более горячее вещество, чем в других участках фотосферы. Это связано с местным усилением конвекции в подфотосфер-ных слоях. 2. Хромосфера. В моменты полных солнечных затмений хорошо видны внешние области атмосферы Солнца — хромосфера (розового цвета) и серебристо-жемчужная 112 корона. Яркость хромосферы и короны во много раз меньше яркости фотосферы. Из-за рассеяния солнечного света в земной атмосфере эти слабосветящиеся внешние оболочки не удается видеть вне затмения без специальных приспособлений. Хромосфера простирается до высоты 10—14 тыс. км. В ее самых нижних слоях температура около 5000 К, а затем, по мере подъема над фотосферой, она начинает постепенно расти, достигая в верхних слоях атмосферы (2 • 10“*— б-Ю-*) К. Вне затмения хромосферу можно наблюдать, если выделить очень узкий участок спектра и получить изображение Солнца в монохроматическом свете, длина волны которого соответствует какой-нибудь одной спектральной линии, например водородной линии Нц. Тогда можно увидеть, что хромосфера состоит из темных и светлых узелков, образующих сетку. Размеры ячеек хромосферной сетки значительно превосходят размеры гранул фотосферы, достигая 30— 50 тыс. км. Яркость хромосферы неодинакова. Наиболее яркие ее участки (хромосферные факелы) расположены над фотос^рными факелами и пятнами (рис. 75). В хромосфере наблюдаются самые мощные и быстро развивающиеся процессы, называемые вспышками. В ходе развития вспышки сначала увеличивается яркость небольшого участка хромосферы, но затем становится яркой область, охватывающая десятки миллиардов квадратных километров (рис. 76). Слабые вспышки исчезают через 5—10 мин, а самые мощные продолжаются несколько часов. Небольшие вспышки происходят на Солнце по нескольку раз в сутки, мощные наблюдаются значительно реже. Обычно вспышки появляются над пятнами, особенно над теми, которые быстро изменяются. По характеру явления (стреми- Рис. 75. Участок хромосферы над солнечным пятном. 113 Рис. 76. Развитие солнечной вспышки (14 июня 1970 г.). Рис. 77. Изменения протуберанца, наблюдавшегося в течение трех суток. 114 тельность развития, огромное энерговыделение — до 10^®— 10^® Дж) вспышки представляют собой взрывные процессы, при которых освобождается энергия магнитного поля солнечных пятен. Вспышки сопровождаются мощным ультрафиолетовым, рентгеновским и радиоизлучением. В межпланетное пространство выбрасываются электрически заряженные частицы (корпускул ы). На краю солнечного диска хорошо видны протуберанцы (рис. 77) — гигантские яркие выступы или арки, как бы опирающиеся на хромосферу и врывающиеся в солнечную корону. Спокойные протуберанцы существуют несколько недель и даже месяцев. Вещество протуберанцев поглощает и рассеивает идущее снизу излучение, а потому, проецируясь на яркий диск Солнца, протуберанцы выглядят как темные волокна. В отличие от спокойных протуберанцев, часто наблюдаются протуберанцы, для которых характерны очень быстрые движения и выбросы веществ в корону. 3. Солнечная корона. Внутренние области короны, удаленные от фотосферы на расстояние до одного радиуса Солнца, можно наблюдать не только во время солнечных затмений, но и вне затмения с помощью коронографа — специального телескопа, в фокусе объектива которого ставится зачерненный диск («искусственная Луна*). Коронографы устанавливают в горах на высоте не ниже 2000 м над уровнем моря, где солнечное излучение значительно меньше рассеивается земной атмосферой. Форма короны не остается постоянной (рис. 79). В годы, когда на поверхности Солнца много пятен, корона почти Рис. 78. Вид Солнца во время полного затмения (12 февраля 1980 г.). 115 круглая. Когда же пятен мало, корона сильно вытянута в плоскости экватора Солнца. Корона неоднородна: в ней наблюдаются лучи, дуги, отдельные сгущения вещества, полярные «щеточки» (короткие прямые лучи, наблюдаемые у полюсов) и т. д. Детали короны неразрывно связаны с пятнами и факелами, а также с явлениями, происходящими в хромосфере. Все детали короны вращаются с той же угловой скоростью, что и расположенные под ними участки фотосферы. Как далеко простирается корона? По фотографиям, полученным во время затмений, корону удается проследить на расстоянии до нескольких солнечных радиусов от края Солнца. Отдельные выбросы солнечной плазмы, которые как бы входят в состав сверхкороны Солнца, достигают земной орбиты. Сверхкорона была открыта радиоастрономическими методами. Огромная протяженность короны объясняется большими скоростями входящих в нее частиц, а значит, и высокой температурой короны. Этот вывод подтверждает исследование спектра короны. Ряд линий в спектре короны оставался загадочным вплоть до 40-х гг. Оказалось, что эти линии принадлежат многократно ионизованным атомам хорошо известных на Земле элементов, например атомам железа, лишенным 13 электронов. Такая высокая ионизация в очень разреженном веществе короны возможна при температуре не менее 10® К. Следовательно, наблюдая корону, можно изучать в космической лаборатории высокотемпературную разреженную плазму в естественных условиях. Поскольку средняя температура фотосферы около 6000 К, то она своим излучением не может нагреть солнечную корону до более высокой температуры. Согласно одной из гипотез, конвективные движения газа внутри Солнца создают сжатия и разрежения (волны), которые переносят энергию из внутренних слоев Солнца в его атмосферу. Энергия волнового движения нагревает вещество хромосферы и короны. Разреженный газ хромосферы и короны излучает мало и, получая большой приток энергии снизу, сильно нагревается. 4. Солнечная активность. Комплекс нестационарных образований в атмосфере Солнца (пятна, факелы, протуберанцы, вспышки и др.) называется солнечной активностью. Так, солнечные пятна всегда связаны с фотосферными факелами, вспышки и протуберанцы в большинстве случаев образуются над «возмущенной» фотосферой и т. д. Области на Солнце, где наблюдаются пятна, факелы, вспышки, протуберанцы и другие проявления солнечной активности, называются активными областями (или центрами активности). Как мы видели, центры активности, зарождаясь 116 о Рис. 79. Солвечная корона: а) в год максимума; б) в год минимума. на некоторой глубине под фотосферой, простираются в виде нескольких ярусов далеко в солнечную корону. Связующее звено между различными ярусами центров активности — магнитное поле. Не только появление пятен, но и солнечная активность в целом имеет 11-летнюю цикличность. В годы максимума солнечной активности на Солнце много центров активности (возмущенное Солнце). В годы минимума центров активности мало (спокойное Солнце) (рис. 79). Необычным был недавний максимум солнечной активности. Он отличался высокой активностью (в частности, большим числом пятен) и продолжительностью (растянутостью на несколько лет — примерно с 1989 по 1992 г.). 117 Вопросы-задания для самоконтроля 1. Что такое фотосфера Солнца? 2. Сравните приведенные в тексте параметры фотосферы с плотностью и числом частиц, содержащихся в объеме 1 см^ воздуха при комнатной температуре и нормальном давлении. 3*. Вычислите линейный диаметр пятна, зная, что его угловой диаметр равен 17,6". Сравните его с диаметром Земли. Можно ли без телескопа увидеть это пятно? (Считать, что невооруженным глазом можно увидеть предмет, угловой размер которого не менее 1'.) 4. Что представляют собой солнечные пятна? гранулы? факелы? 5. Почему солнечные пятна темнее, чем фотосфера? 6. Опровергните иногда встречающееся мнение о том, что появление солнечных пятен свидетельствует об остывании Солнца. 7. Какие правила необходимо соблюдать при наблюдении Солнца? 8*. Постарайтесь не только один раз увидеть пятна на экране, прикрепленном к биноклю или телескопу, но и проследить их развитие. 9. Какие явления наблюдаются в хромосфере и короне Солнца? 10. Почему в обычных условиях не видна солнечная корона? 11. Какова протяженность короны и физические условия в ней? 12. Что такое солнечная активность и какова ее цикличность? 13. Что вам известно о магнитных полях на Солнце? § 20. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ СОЛНЦА 1. Источники энергии Солнца. На протяжении миллиардов лет С!олнце ежесекундно излучает огромную энергию. Как и вообще все физические процессы, излучение Солнца и других звезд подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения и превращения энергии. Следовательно, энергия Солнца не может возникнуть из ничего и существуют источники, поддерживающие непрерывное излучение Солнца. Согласно современным представлениям, в недрах Солнца и других звезд происходят термоядерные реакции. В ходе этих реакций, сопровождающихся большим выделением энергии, одни химические элементы превращаются в другие. Вы знаете, что самый распространенный элемент на Солнце — водород. В недрах Солнца он ионизован и находится в виде ядер атомов водорода — протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные силы и начинаются реакции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов. Внутри Солнца водород превращается в гелий. 118 Рассмотрим один из возможных путей такого перехода. Слияние двух протонов (*Н) сопровождается образованием ядра тяжелого водорода дейтерия (^D) и испусканием двух элементарных частиц: позитрона (е*) и нейтрино (v). Кратко эту реакцию можно записать так: 1Н + 1Н — 2D + + V. (30) Если образовавшийся в результате взаимодействия протонов дейтерий сам вступит в ядерную реакцию с протоном, то возникнет ядро легкого изотопа гелия (®Не) и выделится энергия в виде коротковолнового гамма-излучения (у): 2d + 1Н — 2Не у (31) В дальнейшем слияние двух ядер ^Не приведет к образованию ядра гелия (^Не) и двух ядер водорода: зНе зне - ^Не + т + Ш. (32) Рассмотренная цепочка из трех реакций называется протон-протонным циклом. В результате цикла из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Какая же энергия выделяется при этом? Масса одного протона в атомных единицах составляет 1,008, четырех — 4,032. Поскольку масса одного ядра гелия 4,004, то разность 4,032 - 4,004 = 0,028 (дефект массы). Так как 0,028 : 4,032 = 0,007, то при синтезе 1 г гелия дефект массы составит примерно 0,007 г. Зная это и используя открытый Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии Е — тс^, подсчитаем, сколько энергии выделяется при «сгорании» 1 г водорода: Е = тс2 = 7 • 10-бкг • (3 • 10» м/с)2 « 6,3 • 10“ Дж (с= 3* 10®м/с — скорость света). Один из продуктов протон-протонного цикла — нейтрино. Эти частицы способны почти без взаимодействия с веществом проникать сквозь толщу всей звезды, унося некоторую энергию непосредственно из ее центральных областей. Огромная проникающая способность нейтрино делает их трудноуловимыми: их невозможно непосредственно зарегистрировать обычными счетчиками элементарных частиц. Но сделать это крайне важно и интересно, так как нейтринное излучение, в отличие от всех других видов излзщения, как бы позволяет «заглянуть» в недра Солнца. Нейтринные наблюдения Солнца (они уже проводятся с помощью нейтринных телескопов, установленных глубоко под Землей) позво- 119 лят выяснить, насколько верна общепринятая гипотеза об источниках энергии Солнца и подобных ему звезд. Открытие источника энергии звезд имеет важное значение для понимания процессов, происходящих внутри звезд. Кроме того, оно послужило толчком к поискам путей технического использования термоядерного синтеза в земных условиях (проблема управляемых термоядерных реакций). 2*. Внутреннее строение Солнца. Основываясь на данных о массе, светимости, радиусе Солнца, на физических законах (которые благодаря своей универсальности применимы не только на Земле, но и в условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, температуре и химическом составе на разных расстояниях от центра Солнца. Первые три параметра (давление, плотность, температура) возрастают с глубиной, достигая максимальных значений в центре Солнца. Химический состав Солнца тоже не остается одинаковым на разных глубинах; водород всюду на Солнце оказывается самым распространенным элементом, но процентное содержание водорода меньше всего в центре и больше всего в фотосфере Солнца и его атмосфере. Согласно современным данным, термоядерные реакции происходят только в центральных областях Солнца, простирающихся не далее 0,3 радиуса от его центра. Ближе к поверхности, где температура значительно меньше, чем около центра Солнца, источников энергии нет. Значит, энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза, должна быть передана наружу через огромную толщу раскаленной плазмы. От 0,3 до 0,7 радиуса Солнца (считая от центра) энергия передается излучением от слоя к слою. При этом слои не меняются своими местами, а энергия, излученная нижним слоем, поглощается верхним и затем переизлу-чается им и т. д. Происходит очень медленное, длящееся не менее миллиона лет ♦просачивание» излучения от центра Солнца к поверхности. Каждый последующий слой излучает кванты меньшей энергии, чем предыдущий. Поэтому хотя в центральных областях Солнца вырабатываются гамма-кванты, но далее они последовательно превращаются в кванты рентгеновского излучения, затем ультрафиолетового и, наконец, вблизи поверхности, в кванты видимого излучения. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его поверхности основным процессом переноса энергии из глубины наружу становится, как вы уже знаете, конвекция. Конвективная зона простирается до фотосферы, и о происходящей в подфотосферных слоях конвекции свидетельствует грануляция на поверхности Солнца. Равновесие Солнца обеспечивается тем, что силы тяготения, стремящиеся сжать газовый шар, уравновешива- 120 ются силами внутреннего газового давления. Исходя из этого, оценим давление и температуру в центре Солнца. Выделим внутри Солнца столбик с площадью основания S и высотой h = Rq. Сила газового давления (F) вблизи центра уравновешивается весом столбика вещества, т. е. F=P. Вес рассматриваемого вещества можно рассчитать по его массе: Р = mg, а поскольку т= pV= pSRq, то Р= pSR^. Принимая с целью упрощения расчетов р - и вычисляя g из закона всемирного тяготения при г=Лд/2, получим GM„ Р Ро®^© (я„/2)*‘ (33) Так как давление есть Р = то давление в центре Солнца можно оценить по формуле: ^ 4GpgAfg (34) Откуда Рц = 1,07* 10^® Па. Более строгие вычисления дают Рц = 2 • IQie Па. Плотность в центре Солнца на самом деле не равна средней плотности, а на порядок выше ее, т. е. р^ * 10 рд (так как Рд = 1,4* 10® кг/м®, то Рц = 1,4» 10'* кг/м®1). Несмотря на огромную плотность вещества, даже в центре Солнца расстояния между частицами велики по сравнению с размерами частиц. Но в таком случае к веществу в центре Солнца применимо уравнение Менделеева — Клапейрона: Р - Л рР’ где р — давление газа; R = 8,31 Дж/(моль*К) — универсальная газовая постоянная; М, Т и р — соответственно молярная масса, абсолютная температура и плотность газа. Отсюда Т = рМ 121 и получаем формулу для приближенного вычисления температуры в центре Солнца: Т Др„ (35) Аналогичные рассуждения позволяют сделать оценки р и Т не только для центра Солнца, но и, например, для глубины, равной половине радиуса
л» 1 г„„ = ПК 0,12 ПК = 8,33 ПК. ^сЕ. лет ^ ^>26 СВ. лет • 8,33 = 27,1 св. лет. Ответ: г^ = 8,33 пк. ^св. лет = 27,1 СВ. лет. 2. Видимые и абсолютные звездные величины. Уже из первого знакомства со звездным небом вы знаете о том, что яркость звезд неодинакова. Со времен древнегреческого астронома Гиппарха (II в. до н. э.) используется понятие «звездная величина». Считая, что расстояния до звезд одинаковы, предполагали, что, чем звезда ярче, тем она больше. Наиболее яркие звезды отнесли к звездам первой величины (сокращенное обозначение 1™, от лат. magn-itudo — величина), а едва различимые невооруженным глазом — к шестой (6″*). Сейчас мы знаем, что звездная величина характеризует не размеры звезды, а ее блеск, т. е. освещенность, которую создает звезда на Земле. Но шкала звездных величин сохранилась и уточнена. Блеск звезды 1”* больше блеска звезды 6″* ровно в 100 раз. Следовательно, разность в 5 звездных величин соответствует различию в блеске ровно в 100 раз. Обозначим через х число, показывающее различие в блеске в одну звездную величину, тогда X® = 100. Найдем значение х из этого равенства: 5 Ig X = Ig 100, откуда 5 Ig х = 2, или Ig х = 0,4, тогда х= 2,512. Если обозначить блеск звезды, звездная величина которой равна /П|, через /j, а блеск звезды, звездная величина которой равна mg, через /g, то 5 Астрономия 11 класс 129 2,512′ *•> (39) Светила, блеск которых превосходит блеск звезд 1″*, имеют нулевые и отрицательные звездные величины (0™, -1″* и т. д.). К ним относятся несколько наиболее ярких звезд и планет, а также, конечно. Солнце и Луна. Шкала звездных величин продолжается и в сторону звезд, не видимых невооруженным глазом. Есть звезды 7″*, 8″* и т. д. Для более точной оценки блеска звезд используются дробные звездные величины 2,3″* 7,1″* 6,2′» 14,5′» и т. д. Пример 9. Во сколько раз Капелла ярче Денеба? Из таблицы (см. приложение X) найдем звездную величину Капеллы (т^ = +0,2′») и Денеба (wig = +1,3′»). Дано: = +0,2′» mg = +1.3′» — ? Решение: f = 2,512 ‘»**'»4 lg7^= (Шо-т,) Ig 2,512, а так как h Ig 2,512 = 0,4, то для Капеллы и Денеба: lg^ = 0,4-1,1-0,44; т^=2,75. Ответ: -^ = 2,75. *9 Так как звезды находятся от нас на различных расстояниях, то их видимые звездные величины ничего не говорят о светимостях (мощности излучения) звезд. Поэтому в астрономии, кроме понятия «видимая звездная величина», используется понятие «абсолютная звездная величина». Звездные величины, которые имели бы звезды, если бы они находились на одинаковом расстоянии (Гд = 10 пк), называются абсолютными звездными величинами (М). Пусть какая-нибудь звезда удалена от нас на расстояние г. Обозначим ее видимую звездную величину через т, абсолютную — через М. Воспользовавшись формулой (39), запишем: Т= 2,512 «»I, где I п Iq — блеск звезды (точнее, создаваемая ею на Земле освещенность), отнесенный к расстояниям г и Гд = 10 ПК. 130 Поскольку освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, то L ^0 или 7-= 10^ л Поэтому 102 = 2,512 Отсюда, логарифмируя, найдем: 2 — 2 Ig г = 0,4 [М — т), или M-m = 5- 5 1gr. Тогда Af=m + 5-5 1gr. (40) По формуле (40) можно вычислить абсолютную звездную величину, если известны видимая звездная величина и расстояние до звезды. Абсолютная звездная величина Солнца Mq = +4,8″’. Если абсолютная звездная величина звезды определена другим способом, например по спектру звезды, то из формулы (40) можно найти расстояние до звезды: , т-М + 5 Ig Г =-г—= 0,2 (т-М) + 1. (41) Вопросы-задания для самоконтроля 1. Что используется в качестве базиса при определении годичных параллаксов звезд? Почему? 2. Какие единицы применяются при измерении расстояния до звезд? Каково соотношение между этими единицами? 3. Сколько времени пришлось бы лететь к Проксиме Кентавра космическому кораблю, способному развить скорость 17 км/с? 4. Во сколько раз Сириус ярче Полярной звезды? 5*. Экваториальные координаты яркой звезды а = 18‘*37“, 6 = +3S4T. Какая это звезда? Вычислите расстояние до нее в парсеках, если известно, что видимая и абсолютная звездные величины соответственно равны 0,1′» и 0,5′». в. Какие два метода определения расстояний до звезд вы знаете? 131 § 23. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СКОРОСТИ ЗВЕЗД 1. Введение. Итак, звезды находятся от нас на различных расстояниях, т. е. никакой «сферы звезд» не существует. Но не существует и неподвижных звезд. Астрономические наблюдения доказывают, что звезды движутся. Скорость, с которой звезда движется в пространстве относительно Солнца, назовем пространственной скоростью. Обозначим вектор пространственной скорости одной из звезд через v (рис. 81). Его можно представить как сумму двух составляющих векторов, один из которых (тангенциальная скорость v^) перпендикулярен лучу зрения (т. е. направлению звезда — наблюдатель), а другой _,направлен по лучу зрения (лучевая скорость v^). Тогда по теореме Пифагора модуль пространственной скорости будет равен V = • (42) Рассмотрим методы определения модулей векторов и 1*. Собственные движения и тангенциальные скорости звезд. Уже в XVIII в. стало ясно, что экваториальные координаты звезд в течение длительных промежутков времени изменяются. Эдна из причин этого явления — движение звезд в пространстве. Угловое перемещение звезды на небесной сфере за год называется собственным движением. Оно выражается в секундах дуги в год и обозначается буквой ц. Наибольшим собственным движением обладает звезда Барнарда (в созвездии Змееносца), у которой ц = 10,3″. Зная ц, можно вычислить модуль тангенциальной скорости v^. Действительно, расстоянию г до звезды соответствует годичный параллакс звезды л. Если л выражено в радиа-а нах, то г = —, где а = 1 а. е. Собствен- Я ному движению звезды ц (тоже выраженному в радианах) соответствует линейное смещение г ц. Учитывая Рис. 81. Пространственная скорость звезды. сказанное выше, г ц ^ а — . Зная пере- 132 мещение звезды за год, легко найти ее скорость v^, разделив это перемещение на время t^, равное году: 7lt(\ Так как 1 а. е. = 1,496 • 10® км, а ^o “ 3,16 • 10’с, то тангенциальная скорость, выраженная в километрах в секунду, будет равна ^ = 4,74 ^ (43) 2. Эффект Доплера н определение лучевых скоростей звезд. Лучевые скорости определяют по спектрам звезд. При этом используется явление, которое называют эффектом До п л е р а. Сущность эффекта Доплера состоит в том, что линии в спектре источника, приближающегося к наблюдателю, смещены к фиолетовому концу спектра, а линии в спектре удаляющегося источника — к красному концу спектра (по отношению к положению линий в спектре неподвижного источника). Почему же меняется частота излучения, воспринимаемая наблюдателем? Пусть расстояние от источника до наблюдателя будет ct (где с — скорость света, t — время, за которое свет преодолевает расстояние до наблюдателя). За время t источник испускает волн (Vq — частота излучения). Если источник неподвижен, то на отрезке ct как раз и укладывается v^t волн. Но если источник движется (например, удаляется со скоростью оД, то число волн уложится на отрезке, длина которого ct + v^. Перейдем от частоты к длинам волн (рис. 82). Длина волны Хц, которую принимает наблюдатель от неподвижного ис- ct точника, будет X,, = — (или известное вам из физики со- с ‘»® отношение Хд = —), а длина волны, которую наблюдатель »о принимает от удаляющегося источника, будет , _ С ч с ^2 2 с, 0) in к с 4) X 10- 10-5 I и п а 1 1 1 1 Сверхгиганты 1 Г иганты ■ Солнце — Белые карлики сэ о о о о о о 0 о S о о — о о ° о о rs| ^ 00 1 1 1 1 1 ьс о 0 ” т m 1 DBA F G К м М -1-5 -МО -М5 Рис. 83. Диаграмма «спектр-светимо ггь*. 140 Рис. 84. Диаграмма «масса — светимость». диаграммы сгруппированы гиганты, сверхгиганты и белые карлики. Диаграмма «спектр — светимость* показывает, что звезды данного спектрального класса не могут иметь произвольную светимость и, наоборот, звезды с определенной светимостью не могут иметь любую температуру. Диаграмма ♦спектр — светимость* отражает важную закономерность в мире звезд, основываясь на которой астрономы исследуют эволюцию звезд (§31). 2. Соотношение «масса — светимость*. Существует связь между массой звезды и ее светимостью. Наглядное представление об этом дает диаграмма (рис. 84), по одной оси которой отложены массы звезд, а по другой — их светимости (или абсолютные звездные величины). Из диаграммы видно, что, чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Светимость пропорциональна примерно четвертой степени массы звезды (L
m‘‘). 3*. Вращение звезд различных спектральных классов. Вы знаете, что наше Солнце вращается вокруг оси, причем его вращение легко обнаружить по перемещению деталей фотосферы (например, пятен). Рассмотреть какие-либо детали хотя бы на ближайших звездах почти невозможно даже в самые крупные современные телескопы. Однако, анализируя спектры звезд, удалось на основе эффекта Доплера доказать, что звезды тоже вращаются вокруг осей, и определить скорости вращения. Некоторые звезды (преимуще- 141 ственно относящиеся к спектральным классам О и В) вращаются с очень большой скоростью, достигающей на экваторе 200—400 км/с, т. е. в 100—200 раз быстрее Солнца. Вопросы-задания для самоконтроля 1. Как строится диаграмма «спектр — светимость»? 2. Чем интересна диаграмма «спектр — светимость»? Пользуясь диаграммой «спектр — светимость», ответьте: а) существуют ли звезды спектрального класса А с абсолютной звездной величиной, равной +4′»? б) Может ли светимость звезды спектрального класса В превышать светимость Солнца в 10 000 раз? в) Существуют ли звезды, светимость которых в 100 раз меньше светимости Солнца, а температура около 30 000 К? 3. Пользуясь диаграммой «спектр — светимость», оцените абсолютную звездную величину Солнца (G2), Бетельгейзе (М2), Денеба (А2). 4. Как связана светимость с размерами звезды? 5. Как строится диаграмма «масса — светимость»? в. Звезды каких спектральных классов наиболее массивны? 7. Звезды каких спектральных классов имеют наибольшие скорости вращения вокруг своих осей? 8. Какие созвездия и наиболее яркие звезды в них видны сегодня вечером? § 26. ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ 1. Оптические двойные и физические двойные звезды. Невооруженным глазом вблизи М и ц а р а (средней звезды в ручке ковша Большой Медведицы) видна более слабая звезда (S'») — А л ь к о р. Угловое расстояние между Мица-ром и Алькором около 12′, а линейное расстояние между этими звездами примерно 1,7* 10’* а. е. Это пример оптической двойной звезды: Мицар и Алькор рядом проецируются на небесную сферу, т. е. видны в одном направлении, но физически между собой не связаны. Если предположить, что Мицар и Алькор движутся вокруг общего центра масс, образуя физическую двойную систему звезд, то период обращения составил бы около 2 • 10® лет! Обычно же звезды, связанные силами тяготения (компоненты двойной системы), образуют более тесные пары, а периоды обращения их компонентов не превышают сотен лет, а иногда бывают значительно меньше. Двойственность — распространенное явление среди звезд: почти половина звезд входит в состав двойных или более сложных (кратных) систем. В качестве примера рассмотрим звезду а Близнецов (Кастор). Расстояние между компонентами (А и В) этой системы примерно 142 равно 100 а. е., а период обращения — около 600 лет. Звезды А и В Кастора, в свою очередь, тоже двойные. Но их двойственность невозможно обнаружить при визуальных или фотографических наблюдениях, потому что компоненты находятся на расстоянии всего лишь нескольких сотых долей астрономических единиц (соответственно малы и периоды обращения). Двойственность таких тесных пар (их называют спектральнодвойными звездами) выявляется лишь в результате исследования их спектров, в которых наблюдается периодическое раздвоение спектральных линий. Эффект Доплера позволяет объяснить раздвоение линий тем, что мы видим суммарный спектр, получающийся от наложения спектров звезд, которые движутся в разных направлениях (одна из них в данный момент удаляется от нас, а другая приближается). Нередко двойственность тесных пар звезд можно выявить, изучая периодические изменения их блеска. Если направление от наблюдателя на центр масс двойной звезды проходит вблизи плоскости орбиты, то наблюдатель видит затмения, при которых одна звезда на время заслоняет другую. Такие звезды называются затменными двойными или затменными переменными. По многократным наблюдениям затменной переменной звезды можно построить кривую блеска. Если сравнить звездные величины в минимуме и максимуме блеска, то мы получим амплитуду изменения блеска. Измерив промежуток времени между двумя последовательными максимумами (или минимумами), найдем период изменения блеска. На рисунке 85 изображена кривая блеска типичной затменной переменной звезды ^ Персея, названной арабами Алголом (глаз Дьявола), а рядом показано взаимное расположение компонентов. Из анализа кривых блеска затменных переменных звезд можно определить ряд важных физических характеристик звезд, например их радиусы. 2. Определение масс звезд из наблюдений двойных звезд. К системам двойных звезд применимы закон всемирного тяготения и обобщенные Ньютоном законы Кеплера. Остановимся на этом подробнее. Пусть массы главной звезды и ее спутника будут Mj и М^, Р — период обращения спутника, А — большая полуось его орбиты. Тогда, обозначив через Mq и Мф массы Солнца и Земли, Т® — сидерический период обращения Земли, а — большую полуось земной орбиты, можно написать: IM, ^ + » а’ (48) 143 о 10 20 30 40 50 60 70 Часы Рмс. 85. Кривая блеска р Персея. Если принять массу Солнца за единицу (Mq= 1) и учесть. что 100 000 км/с. 171 Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике (рис. 104). Это явление имеет свои особенности. Например, системы, подобные нашей Солнечной системе, кратным системам звезд или даже отдельным галактикам, в расширении Метагалактики не участвуют (этому препятствуют силы тяготения, действующие между Солнцем и планетами, звездами в кратных системах или между звездами, входящими в состав галактик). Следовательно, расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем, элементами которых являются галактики. Галактики в скоплениях иногда сравнивают с атомами нагреваемого вещества. При нагревании объем вещества увеличивается, возрастает расстояние между атомами, что, конечно, не отражается на размерах самих атомов. О другой особенности расширения Метагалактики вы уже знаете. Она заключается в том, что не существует центра, от которого разбегаются галактики. Наконец, постоянная Н, строго говоря, убывает со временем. Это происходило бы даже в том случае, если бы в формуле (54) при возрастании г скорость v оставалась постоянной, т. е. в случае движения по инерции. Но в действительности скорость уменьшается из-за тормозящего действия гравитации. Таким образом, в общем случае Н-Н (О- Расширения Метагалактики не только подтверждают наблюдения (оптические и радиоастрономические), но и были предсказаны теорией. В России в 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, А А. Фридман (1888—1925), основываясь на теории относительности А. Эйнштейна (1879—1955), показал, что геометрические свойства Вселенной должны изме- \ \л ‘ / ‘W ‘ I ч. ; \Ч У i Рис. 104. «Раэбегавие» галактик. 172 Альберт Эйнштейн (1879—1955). няться, т. е. расстояния между галактиками не могут оставаться постоянными. Открытие Хаббла, как вы знаете, свидетельствует о расширении Метагалактики. Если допустить, что в прошлом расширение Метагалактики происходило таким же темпом, что и сейчас, то можно рассчитать, когда началось расширение. Так как любые две галактики, отстоящие друг от друга на 1 Мпк, удаляются со скоростью 50—100 км/с, то ^ — величина,обратная постоянной Хаббла, — дает нам представление о промежутке времени от начала расширения Метагалактики. Этот промежуток времени, по разным оценкам, составляет 20— 13 млрд. лет. Расширение Метагалактики — самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное представление о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные процессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладавшего огромной температурой и плогпно»тью. !7Н 3*. Гипотеза «горячей Вселенной». Расчеты, выполненные астрофизиками, свидетельствуют о том, что вскоре после начала расширения вещество Метагалактики имело очень высокую температуру и состояло из элементарных частиц (например, нуклонов) и их античастиц. По мере расширения изменялись не только температура и плотность вещества, но и состав входящих в него частиц, так как многие частицы и античастицы аннигилировали, порождая электромагнитные кванты излучения. Последних в современной нам Метагалактике оказалось неизмеримо больше, чем атомов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная материя. Согласно этой гипотезе, нередко именуемой теорией «горячей Вселенной», потребовалось всего лишь несколько минут, чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с плотностью, близкой к плотности воды. Через несколько часов плотность стала сравнимой с плотностью нашего воздуха, а сейчас, по истечении миллиардов лет, оценка средней плотности вещества в Метагалактике приводит к значению порядка 10’^® кг/м®. Выполненные расчеты основаны на законах физики (механики, термодинамики, ядерной физики). Оказывается, что знание этих законов и некоторые предположения о распределении вещества в пространстве позволяют получить представление о процессах, которые происходили миллиарды лет тому назад. Существуют ли экспериментальные подтверждения гипотезы «горячей Вселенной»? Вероятно, сейчас мы можем ответить на этот вопрос положительно, так как в 1965 г. было сделано открытие, которое считается подтверждением идеи о том, что в прошлом вещество Метагалактики было очень плотным и горячим. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися посланцами той древней эпохи развития Метагалактики, когда еще не было никаких звезд, галактик, туманностей. Это электромагнитное излучение (его температура всего лишь 2,7 К) называется реликтовым. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участвует в расширении Метагалактики. Реликтовое излучение впервые было случайно открыто американскими учеными, изучавшими радиопомехи на волне 7,3 см. Очень важно, что, хотя это открытие сделано случайно, существование реликтового излучения было предсказано теоретиками. Одним из первых пpeдcкaзгL7I это излучение Дж. Гамов (1904—1968), разрабатывая теорию происхождения химических элементов, возникших в первые минуты после Большого Взрыва. Предсказание существования реликтового излучения и обнаружение его в космическом пространстве (А. Пензиас и Р. Вильсон, США) — еще один 174 убедительный пример познаваемости мира и его закономерностей. Исследование Вселенной основывается на открытых в земных условиях законах физики. Эти законы позволили создать современные методы исследования Вселенной и объяснить подавляющее большинство известных в настоящее время космических явлений. Однако не исключено, что в прюцессе познания Вселенной будут открыты пока неизвестные нам новые явления, новые типы космических объектов, новые источники энергии, а может быть, и новые законы природы. 4*. Космологические модели Вселенной. На стыке астрофизики, внегалактической астрономии, теоретической физики и новейших областей математики находится раздел астрономии, который называется космологией. Космология изучает не отдельные небесные тела и их системы, а строение Вселенной в целом и происходящие в ней процессы. С одним из таких процессов — расширением Метагалактики — мы уже познакомились и знаем, что, по существу, открытие этого явления было предсказано А. А. Фридманом. Он использовал упрощенную математическую модель Вселенной, которая называется однородной и изотропной. Современные представления о крупномасштабной структуре Вселенной не противоречат такой модели. Однако нужно помнить, что речь идет об известном упрощении картины строения Вселенной. Такое упрощение необходимо для математического исследования сложных процессов, происходящих в реальном мире. Структура и эволюция Вселенной наверняка гораздо сложнее упрощенных математических схем и моделей. Сейчас Метагалактика расширяется, а что будет с ней в дальнейшем? Теория А. А. Фридмана допускает различные возможности в зависимости от средней плотности материи во Вселенной (рис. 105). Например, если плотность материи меньше, чем величина, порядок которой 10″^® кг/м®, то мы живем в «открытом» мире, т. е. в бесконечной Вселенной, в которой галактики всегда будут удаляться друг от друга. Данные о средней плотности (» 10“®® кг/м®) как будто бы указывают на этот случай. Но если, например, будет показано, что в галактиках и скоплениях галактик существуют какие-либо скрытые массы вещества, то иной окажется средняя плотность. Тогда в отдаленном будущем расширение Метагалактики сменится сжатием. Однако даже в случае «закрытого» мира Вселенная не имеет никаких границ — она конечна, но и безгранична. Дело в том, что гигантские массы вещества искривляют пространство, оно перестает быть евклидовым, в нем лучи света не распространяются прямолинейно, а прямая линия уже не будет кратчайшим 175 Рмс. 105. Две основные космологические модели. расстоянием между двумя точками. В евклидовом пространстве бесконечность и безграничность совпадают, например плоскость (двухмерное евклидово пространство) бесконечна и безгранична. Пример двухмерного неевклидова, искривленного пространства — сфера. Сфера не имеет границ, она безгранична, но конечна, и ее площадь мы умеем вычислять. Трудно наглядно представить себе искривленное трехмерное пространство, но и оно, подобно двухмерному неевклидову пространству, может быть безгргшичным и конечным. Вопросы-задания для самоконтроля 1. Что такое Метагалактика? 2. С какими свойствами крупномасштабной структуры Вселенной вы познакомились? 3. В чем заключается закон Хаббла? Каков смысл входящей в него константы? 4*. Нанесите мелом несколько точек на поверхность футбольной камеры. Надувая камеру, проследите, как будут изменяться расстояния между точками. Выберите какую-нибудь одну точку («нашу Галактику»). Одинаково ли будут изменяться расстояния между ней и: а) соседними точками; б) далекими точками? 5. Сколько лет свет идет к нам от галактики, скорость удаления которой 6 • 10^ км/с? 6*. Вычислите, какими примерно будут: расстояние от Земли до Солнца, размеры Солнечной системы, расстояние до ближайшей звезды, размеры Галактики и расстояния до далеких квазаров, если представить себе Солнце в виде шарика диаметром 1 см. 7. Какие взрывные процессы во Вселенной вам известны? 8*. В чем сущность гипотезы «горячей Вселенной» и на каких данных наблюдений 17ь основана эта гипотеза? 9*. Зачем понадобилось теоретикам представление об однородной и изотропной Вселенной и в какой степени оно согласуется с данными наблюдений? 10. Приведите примеры из астрономии, показывающие познаваемость мира и его закономерностей. 11*. Какое мировоззренческое значение имеет правильное истолкование факта расширения Метагалактики? § 31. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИК И ЗВЕЗД 1. Введение. Небесные тела находятся в непрерывном движении и изменении. Десятки тысяч лет назад небо Земли украшали фигуры других созвездий, миллиарды лет назад вообще еще не было Земли, Луны, планет. Солнца, многих звезд и галактик. Когда и как именно они произошли, наука стремится выяснить, изучая небесные тела и их системы. Раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел, называется космогонией. Современные научные космогонические гипотезы — результат физического, математического и философского обобщения многочисленных наблюдательных данных. В космогонических гипотезах, присущих данной эпохе, в значительной мере находит свое отражение общий уровень развития естествознания. Дальнейшее развитие науки, обязательно включающее в себя астрономические наблюдения, подтверждает или опровергает эти гипотезы. Подтверждаются те гипотезы, которые не только могут объяснить известные из наблюдений факты, но и предсказать новые открытия. 2. Возраст галактик и звезд. Возраст Метагалактики оценивается l,5•10^® лет. По-видимому, близок к нему и возраст галактик, которые сформировались на одной из начальных стадий расширения Метагалактики. Каждая звезда тоже образовалась в какой-то определенный момент времени. От него и отсчитывается ее возраст. Звезды образовались не одновременно, а следовательно, должны встречаться «старые» и «молодые* звезды. Возраст звезд определяется различными методами. Естественно предположить, что звезды, входящие в скопление, возникли одновременно и имеют одинаковый возраст. Поэтому один из методов определения возраста звезд основан на определении возраста звездных скоплений. Самые «старые» звезды должны входить в длительно существующие скопления. Это шаровые скопления, возраст которых порядка 10’° лет. В шаровых скоплениях много 7 Астрономия И класс 177 красных и желтых звезд. (Их возраст достигает нескольких миллиардов лет.) Рассеянные скопления «моложе». Возраст белых и голубых сверхгигантов, которые есть в этих скоплениях, — порядка нескольких миллионов лет. Эти самые общие соображения подтверждаются данными спектральных наблюдений. В частности, в составе звезд, входящих в шаровые скопления, во много раз меньше элементов тяжелее гелия, чем, например, у Солнца. Теория эволюции звезд объясняет указанное явление тем, что «старые» звезды образовались из вещества, не содержащего тяжелых элементов (такие элементы просто еще не существовали, когда формировались самые «старые» звезды!). 3. Происхождение и эволюция звезд. Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Большинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно формировались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концентрируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивного звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами. Наиболее изученный газово-пылевой комплекс нашей Галактики находится в созвездии Ориона, он включает в себя туманность в Орионе, более плотные газово-пылевые облака и другие объекты. Представим себе холодное газово-пылевое облако. Силы тяготения сжимают его, оно принимает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и температура облака. Возникнет будущая, рождающаяся звезда (п р о т о 3 в е 3 д а). Температура ее поверхности пока еще мала, но протозвезда уже излучает в инфракрасном диапазоне, а поэтому рождающиеся звезды можно попытаться обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик!) сейчас ведутся на многих обсерваториях. Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, т. е. в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд. Термоядерные реакции начинаются, когда в процессе сжатия протозвезды температура в ее недрах станет порядка 10^ К. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения внешних частей звезды. Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солнца, продолжается всего лишь сотни ты- 178 сяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при большей температуре достигается равновесие. Поэтому, как вы знаете, у массивных звезд самые большие светимости. Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постепенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр — светимость*. Таких звезд, как мы знаем, больше всего. Время пребывания звезды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно четвертой степени ее массы (с. 141), то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в ст£щионарной стадии только несколько миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу, — миллиарды лет. Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород будет превращаться в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься и при этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5* 10^ К, гелий начнет превращаться в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Как показывают расчеты, светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превратится в красного гиганта или сверхгиганта. Такие звезды, как вы знаете, занимают особое положение на диаграмме «спектр — светимость» (с. 140). Многие звезды, по-видимому, не сразу становятся стационарными гигантами, а некоторое время пульсируют, как бы проходя в своем развитии стадию цефеид (с. 148). Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решающим образом зависит от массы звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но с массами, не большими 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются и в конце концов совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Это значит, что, по-видимому, многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь «потухшими звездами». 179 Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами (которые образовались внутри звезды и во время ее взрыва), а затем катастрофически сжаться до размеров шаров радиусом в несколько километров, т. е. превратиться в нейтронные звезды. Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 химических элементов, а во время взрыва сверхновых — остальные элементы периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. Вот почему о возрасте звезд можно судить по их химическому составу, определяемому методом спектрального анализа. А какова судьба звезды, масса которой более чем вдвое превышает массу Солнца? Такая звезда, потеряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду (с. 150), либо вообще не сможет достигнуть устойчивого состояния. В процессе неограниченного сжатия (к о л л а п -с а) она, вероятно, способна превратиться в удивительный объект — черную дыру. Такое странное название связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лучи и т. д.). Поэтому черную дыру нельзя увидеть ни в каком диапазоне электромагнитных волн. Но, как показали наши ученые, есть возможность обнаружить черные дыры. Дело в том, что черные дыры должны оказывать гравитационное воздействие на окружающие их тела. Не исключено, например, что черная дыра может быть в составе двойной звезды. Газ с поверхности обычной звезды будет непрерывно падать на черную дыру, образуя вокруг нее диск (рис. 106). Температура газа в этом вращающемся диске может достичь 10^ К. При температуре в миллионы кельвинов газ будет излучать в рентгеновском диапазоне (см. формулу (29)). Поэтому с точки зрения поиска черных дыр интересны компактные источники рентгеновского излучения. Если такой источник обнаружен (с помощью рентгеновских телескопов на ИСЗ) и если он имеет достаточно большую массу (для выяснения этого в конечном счете используются формулы (48) и (50)), то этот источник может оказаться нейтронной звездой или даже черной дырой. Наиболее вероятным кандидатом* считается рентгеновский источник Лебедь Х-1. Открытие этих интереснейших объектов, безусловно, станет одним из важных достижений науки. Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних представлений о происхождении галактик и звезд 180 Рис. lOe. Тесная двойная система звезд. Образование газового диска вокруг черной дыры. окажутся правильными. Но уже теперь нет сомнения в том, что звезды, во-первых, подчиняясь законам природы, рождаются, живут и умирают, а не есть однажды созданные и вечно неизменные объекты Вселенной, и, во-вторых, звезды рождаются группами, причем процесс звездообразования продолжается в настоящее время. Вопросы-задания для самоконтроля 1. Сравните круг вопросов, рассматриваемых космогонией, с тем, что составляет предмет космологии. 2*. Некоторым людям кажется, что очень просто придумать свою космогоническую гипотезу. Можете ли вы опровергнуть такое представление? 3. Всегда ли окружающий нас мега-мир был таким, как сейчас? 4. Каков возраст галактик и звезд? 5. Из какого вещества образовались звезды и галактики? в. Каковы основные этапы эволюции звезды? 7. Как влияет масса звезды на заключительные этапы ее эволюции? 7*. Проследите по диаграмме «спектр — светимость» 1Я1 основные этапы эволюции звезды, подобной нашему Солнцу. 8*. Какова плотность белого карлика, масса которого равна массе Солнца, а диаметр порядка диаметра Земли? Во сколько раз она меньше плотности нейтрюнной звезды, масса которой 2Мд, а радиус 10 км? §32. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ 1. Возраст Земли и других тел Солнечной системы. Определение возраста земной коры основано на исследовании содержания в ней радиоактивных элементов (урана, тория и др.), а также радиоактивных изотопов таких элементов, как калий, аргон и др. Как известно из физики, радиоактивные элементы непрерывно распадаются, причем процесс распада совершенно не зависит от внешних воздействий. При радиоактивном распаде образуются изотопы соседних элементов периодической системы Менделеева. Эти изотопы сами нередко оказываются радиоактивными, а значит, и они распадаются. Распад заканчивается, когда атомы радиоактивных элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических элементов и их изотопы. Например, распад урана (238U) завершается образованием нерадиоактивного изотопа свинца (2®®РЬ). Промежуток времени (Г), по истечении которого остается половина начального количества радиоактивных атомов, характеризует скорость распада и называется периодом полураспада. Для определения возраста земной коры используются медленно распадающиеся изотопы, например (Т
4,5 • 10® лет), радиоактивный изотоп калия <Т
1,3’10®лет) и др. Чтобы определить возраст земной коры, сравнивают содержание радиоактивных элементов и продуктов их распада в многочисленных пробах, взятых для анализа. Такое сравнение показывает, что возраст земной коры около .4,5 млрд. лет. Примерно таков же возраст Земли как оформившейся планеты. К 3,5—4,5 млрд, лет близок также возраст лунных пород и метеоритов. Солнце, конечно, не может быть моложе Земли и Луны. Скорее всего возраст Солнца (желтой звезды, находящейся в средней части главной последовательности диаграммы «спектр — светимость») — 5 млрд. лет. Сопоставление возраста Солнечной системы с возрастом Метагалактики (будем считать его равным 15 млрд, лет) показывает, что Солнце нельзя отнести к звездам «первого поколения». Скорее всего, в состав его и планет вошел газ, дважды побывавший в недрах более старых звезд. На ранних стадиях расширения Метагалактики, как вы уже знаете, вообще не было тяжелых химических элементов, ко- 182 торые впоследствии стали центрами конденсации твердых частиц, необходимых для формирования планет. 2. Основные закономерности в Солнечной системе. Космогоническая гипотеза о происхождении планет должна объяснить следующие основные закономерности, наблюдаемые в Солнечной системе: а) углы наклонения плоскостей орбит планет к плоскости эклиптики не превышают нескольких градусов (у Плутона 17°), причем плоскость эклиптики почти совпадает с плоскостью экватора Солнца; б) эксцентриситеты орбит планет очень малы; в) средние расстояния планет от Солнца подчиняются определенному закону (25); г) планеты движутся вокруг Солнца в том же направлении, в каком Солнце вращается вокруг своей оси (в том же направлении вокруг планет обращается большинство спутников); д) у большинства планет (за исключением Венеры и Урана) направление вращения вокруг оси совпадает с направлением обращения вокруг Солнца; е) на долю планет приходится 98% момента количества движения всей Солнечной системы; Солнце обладает лишь 2% момента количества движения; ж) почти 99,9% массы вещества Солнечной системы приходится на долю Солнца; з) по своим физическим характеристикам планеты резко делятся на две группы: планеты-гиганты и планеты земной группы. 3*. Первые космогонические гипотезы. Эти гипотезы появились значительно раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Значение первых космогонических гипотез состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел. Такой, например, оказалась гипотеза, предложенная немецким философом И. Кантом в середине XVIII в. Кант высказал догадку о том, что Солнечная система образовалась из облака пыли. Подробнее картина образования Солнечной системы вырисовывалась в гипотезе, предложенной в конце XVIII в. французским ученым Я. Лапласом. Лаплас рассматривал большую, медленно вращающуюся туманность, состоящую из разреженного горячего газа. При сжатии туманности скорость ее вращения возрастала, туманность сплющивалась. Из ее центральной части образовалось Солнце. По мере сжатия первичного Солнца угловая скорость его вращения во- 183 круг оси увеличивалась (в силу закона сохранения момента количества движения) и в плоскости экватора Солнца стали отделяться газовые кольца. Из концентрической системы этих колец возникли планеты. Картина получалась настолько наглядной, что очень долгое время гипотеза Лапласа была самой популярной. Однако в XX в. от гипотезы Лапласа пришлось отказаться, так как выяснилось, что она не может объяснить, например, распределение момента количества движения в Солнечной системе. 4. Современные представления о происхождении планет. На первый взгляд может показаться, что по сравнению с грандиозными проблемами космологии и звездной космогонии проблема происхождения Солнечной системы не очень трудна. На самом деле это не так. Проблема происхождения планет — очень сложная и далеко еще не решенная прю-блема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и многих других естественных наук (прежде всего наук о Земле). Дело в том, что пока можно исследовать только единственную планетную систему, окружающую наше Солнце. Как выглядят более молодые и более старые системы, вероятно, существующие вокруг других звезд, неизвестно. Чтобы правильно объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовались Солнце и другие звезды, потому что планетные системы возникают вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи. И все-таки, несмотря на трудности, ученые убеждены в том, что правильное объяснение будет найдено. Знать, как произошла наша планета, очень важно для дальнейшего развития геофизики, геохимии, геологии и других наук о Земле. Проблемами планетной космогонии в настоящее время занимаются ученые разных стран. В формирование современной планетной космогонии значительный вклад внесли отечественные ученые. Так, например, на протяжении полувека проблемами планетной космогонии занимался академик В. Г. Фесенков (1889—1972), всегда подчеркивавший, что должна существовать тесная связь между процессом формирования Солнца и процессом формирования планет. В начале 40-х гг. с космогонической гипотезой выступил академик О.Ю. Шмидт (1891—1956). Наиболее важные выводы планетной космогонии сводятся к следующему: а) Планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце (рис. 107). Эту туманность часто называют «допланетным» или «протопла-нетным» облаком. Считается, что Солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе. 184 Рис. 107. Важнейшие этапы формирования планет. хотя пока неясно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от «протосолнца». б) Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманности, ее удаление от ♦ протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение и т. д. Изменялась температура вещества туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем». Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (там, где сейчас планеты-гиганты). Теория, учитывающая все эти процессы, позволяет объяснить многие закономерности в Солнечной системе. в) Спутники планет (а значит, и наша Луна) возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, т. е. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманности. Пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты. Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц. Земля как планета в основном сформировалась за время порядка 100 млн. лет и вначале тоже была холодной. Последующий разогрев Земли происходил в результате ударов крупных тел (размером с астероиды), гравитационного сжа- 189 тия, распада радиоактивных элементов и некоторых других физических процессов. Постепенно в процессе гравитационной дифференциации вещества (т. е. в процессе разделения вещества, состоящего из тяжелых и легких химических элементов) в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро нашей планеты. Из более легких химических элементов и их соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородсодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились, а с появлением растений, способных «выдыхать* кислород, земная атмосфера начала обогащаться кислородом, наличие которого представляет одно из необходимых условий существования животного мира. Вопросы-задания для самоконтроля 1. Как определяют возраст земной коры, лунных пород, метеоритов? 2. Какие закономерности в Солнечной системе должна объяснить космогоническая гипотеза? 3. Существует ли связь между проблемами звездной и планетной космогонии? 4*. В чем суть гипотез Канта и Лапласа? 5. В чем сложность проблем планетной космогонии? 6. Как, согласно современным представлениям, образовались Земля и другие планеты? 7. Прекратилась ли эволюция Земли и планет после завершения формирования этих небесных тел как планет Солнечной системы? § 33. жизнь и РАЗУМ во ВСЕЛЕННОЙ (заключительный обзор) 1*. Эволюция Вселенной и жизнь. В курсе физики вы познакомились с физической картиной мира. Заканчивая изучение курса астрономии, вы должны иметь представление об астрономической картине мира, в основе которой лежат не только данные астрономических наблюдений, теории и гипотезы, но и важнейшие понятия и законы современной физики. Революционными вехами на пути развития астрономии были: обоснование идеи о шарообразности Земли, открытие Коперником гелиоцентрической системы мира, изобретение телескопа, открытие основных законов небесной механики, применение в астрономии спектрального анализа и фотографии, изучение структуры нашей Галактики, открытие Мета- 186 галактики и ее расширения, начало радиоастрономических исследований и, наконец, начало космической эры и эпохи непосредственных астрономических экспериментов в космическом пространстве. Благодаря этим открытиям постепенно вырисовывалась величественная картина мироздания, по сравнению с которой наивными сказками кажутся теперь старинные легенды о плоской Земле, неподвижно покоящейся в центре мира, и о небесной тверди с воткнутыми в нее серебряными звездами-булавками. В наши дни астрономия находится на переднем крае современного естествознания и развивается необычайно быстрыми темпами. Астрономическая картина мира — это картина эволюционирующей Вселенной. Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила явления (расширение Метагалактики, космическая распространенность химических элементов, реликтовое излучение), свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно эволюционирует. Эволюция Вселенной включает в себя эволюцию вещества и эволюцию структуры. Эволюция вещества сопровождалась понижением его температуры, плотности, образованием химических элементов. С эволюцией структуры связано возникновение сверхскоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников. С течением времени менялась и роль физических взаимодействий в процессе эволюции Вселенной. В мире планет, звезд и галактик основную роль играет гравитационное взаимодействие: им обусловлено движение и в значительной степени эволюция небесных тел и их систем. Но, кроме гравитационного, существуют еще три других вида взаимодействий — слабое, с которым связан, например, радиоактивный распад, сильное, с которым связан, например, синтез ядер атомов, и электромагнитное, с которым связано, например, взаимодействие квантов электромагнитного излучения с электронами и другими заряженными частицами. В «горячей Вселенной», представлявшей своеобразную «лабораторию высоких энергий», при фантастических температурах (10^®— 10®^ К!) различные виды физических взаимодействий ныне могут быть представлены единым взаимодействием. Исследование такой возможности представляет огромный интерес для физики и космологии, потому что свойства Вселенной оказываются неразрывно связаны со свойствами микромира. При температуре 10^® К и плотности 10^° кг/м® (такими параметрами характеризовалась плазма через 10’® с после «начала» расширения Метагалактики) вещество обладало свойствами, которые пока еще мало изучены. Еще меньше известно об особенностях процессов, происходивших еще раньше (при t = 10″®® С температура в Метагалактике была Т
10®® К). 187 Ученые предполагают, что следствием именно этих процессов стали такие фундаментальные свойства Метагалактики, как, например, ее расширение, или тот факт, что в Метагалактике небесные тела состоят из вещества, а не из антивещества. Таким образом. Вселенная предстает перед нами как бесконечно развертывающийся во времени и пространстве процесс эволюции материи. В этом процессе взаимосвязанными оказываются самые разнообразные объекты и явления микромира и мегамира. На определенном этапе эволюции материи при появлении подходящих условий во Вселенной возникает жизнь. Ее возникновение, существование и развитие также обусловлены рядом фундаментальных свойств Вселенной, выражающихся, например, в константах, характеризующих гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Ученые считают, что при значениях этих констант, например гравитационной постоянной, отличающихся от наблюдаемых, жизнь во Вселенной существовать просто бы не могла. Ясно, что жизнь не могла возникнуть и на ранних стадиях расширения Метагалактики. Но именно в первые минуты расширения при температурах более 10® К вещество уже имело «стандартный химический состав» (около 70% ядер атомов водорода и 30% ядер гелия). Если бы состав вещества был иным, то трудно сказать, какой стала бы дальнейшая химическая эволюция вещества Метагалактики. Вы знаете, что образовавшиеся в поздних стадиях расширения Метагалактики звезды оказались не только источниками энергии, но и теми объектами Вселенной, в недрах которых синтезировались необходимые для возникновения жизни химические элементы. Для существования жизни небезразлично и то, что Метагалактика расширяется. Если бы по каким-либо причинам несколько миллиардов лет назад началось сжатие Метагалактики, то постепенное повышение температуры превысило бы значение, при котором возможно существование жизни. Уже из приведенных примеров следует, что человек может величать себя не только сыном Солнца (по образному выражению К. А. Тимирязева), но и сыном Вселенной. 2. Проблема внеземных цивилизаций. Мы живем на небольшой планете, движущейся вокруг одной из бесчисленного множества звезд Вселенной. И поэтому трудно примириться с мыслью о том, что мы одиноки в беспредельной Вселенной. Большинство современных астрономов и философов считают, что жизнь — распространенное явление во Вселенной и существует множество миров, на которых обитают цивилизации. Уровень развития некоторых внеземных цивилизаций может быть неизмеримо выше уровня развития 188 земной цивилизации. Именно с такими цивилизациями землянам особенно интересно установить контакт. Подобная точка зрения основывается на следующих фактах и предположениях: а) В Метагалактике есть огромное число звезд, похожих на наше Солнце (хотя «двойников» Солнца отыскать трудно). б) Планеты, согласно современным представлениям, могли возникнуть не только у нашего Солнца, но и у многих других звезд. в) Медленное вращение вокруг осей звезд определенных спектральных классов может быть связано с тем, что вокруг этих звезд существуют планетные системы. г) Планетные системы есть, возможно, даже у некоторых из немногих ближайших к Солнцу звезд. д) Жизнь на Земле, как вы знаете из курса биологии, появилась в результате сложной и длительной эволюции неживой материи. При соответствующих условиях жизнь могла возникнуть и на планетах других звезд. Молекулярные соединения, необходимые для начальной стадии эволюции неживой материи, достаточно распространены во Вселенной и открыты даже в межзвездной среде. е) Не исключается возможность существования небелковых форм жизни, принципиально отличных от тех, которые распространены на Земле. Не все ученые столь оптимистически относятся к проблеме внеземных цивилизаций. Сторонники противоположной точки зрения считают, что жизнь, и особенно разумная жизнь, — исключительно редкое, а может быть, и уникальное явление во Вселенной. При этом обращается внимание на следующее: а) Вероятность того, что в процессе эволюции неживой материи возникает жизнь (а тем более разумная жизнь!), очень мала, так как в ходе такой эволюции появляется огромное число препятствий на пути образования и последующего усложнения живых клеток. б) Ничего конкретного о небелковых формах жизни науке не известно. в) В Солнечной системе высокоорганизованные формы жизни есть только на Земле. На Луне и, возможно, на Марсе, вопреки ожиданиям, не оказалось даже микроорганизмов, обладающих большой приспособляемостью к условиям обитания. Ушли в прошлое представления о каких-либо высших формах жизни на Венере и Марсе. г) Нет ни одного неопровержимого доказательства, что Землю когда-либо посещали посланцы других миров. д) Радиопоиски сигналов внеземных цивилизаций пока не увенчались успехом. 189 е) До сих пор не обнаружено никаких признаков инженерной (или какой-либо другой) деятельности внеземных цивилизаций, а это очень странно, если полагать, что внеземных цивилизаций много и некоторые из них вполне могли достигнуть высокого уровня развития. Нередко с деятельностью внеземных цивилизаций пытаются отождествить некоторые неопознанные летающие объекты (НЛО). Появление каких-то странных объектов на небе люди наблюдали со времен египетских фараонов, но первые официальные наблюдения НЛО обычно связывают с сообщениями о появлении НЛО в конце 50-х гг. нашего века. В США и в ряде других стран, включая нашу, стали активно работать различные группы и комиссии, которые занимались сбором информации и исследованием феномена, иногда именуемого АЯ (аномальные явления). Накоплены многие тысячи наблюдений НЛО. Эти объекты, по свидетельствам очевидцев, перемещаются по изломанным траекториям, быстро изменяют скорость движения, оказывают влияние на двигатели автомобилей, электроприборы и другие технические устройства. Большинство аномальных явлений оказались связанными с запусками ИСЗ и различными техническими экспериментами в атмосфере, астрономическими явлениями (яркие планеты), естественными атмосферными эффектами (необычное свечение неба, редкие формы облаков и др.). Неразгаданные НЛО вызывают оживленные споры и самые экзотические гипотезы. Например, допускают, что некоторые НЛО сходны с миражами, которые могут одновременно видеть множество людей. Выдвинута гипотеза и о существовании в космосе и на Земле «параллельных миров», с которыми при определенных условиях якобы способна контактировать психика людей (что и происходит во время появления НЛО). Наконец, есть сторонники гипотезы о том, что НЛО связаны с деятельностью внеземных цивилизаций (и даже появлением на Земле различных типов «гуманоидов»). Еще раз подчеркнем, что до сих пор внеземные цивилизации относятся к числу гипотетических объектов, поиск которых представляет большой интерес. Причем ученые не только ищут внеземные цивилизации, но и в теоретическом плане исследуют их возможные модели. Несомненно, что внеземные цивилизации и НЛО — это не одно и то же: большинство НЛО вообще не имеет никакого отношения к внеземным цивилизациям, а настоящие внеземные цивилизации (если они существуют!) могут проявлять себя и не в виде НЛО. Таким образом, проблема внеземных цивилизаций на самом деле сложнее, чем может показаться с первого взгляда. Можно спорить и приводить новые доводы в пользу или против реальности внеземных цивилизаций, но лишь дальней- 190 шие наблюдения и эксперименты позволят выяснить, существуют ли где-нибудь обитаемые миры или мы одиноки, по крайней мере, в пределах нашей Галактики. Поэтому ученые с интересом ожидают результатов начавшегося в 1992 г. американского эксперимента — «прослушивание» Вселенной с помощью нескольких телескопов, принимающих сигналы в большом диапазоне частот. Вопросы-задания для самоконтроля 1. Какие системы небесных тел вы теперь знаете? 2. В каких формах материя встречается во Вселенной? 3. Каково наиболее распрюстраневное состояние вещества во Вселенной? 4. Какие химические элементы наиболее распространены во Вселенной? 5. В веществе начавшейся расширяться Метагалактики не было химических элементов тяжелее гелия. В результате каких процессов возникали тяжелые элементы, из которых состоит наша планета и мы сами? 6. Основываясь на данных астрономии, приведите подтверждение того, что материя находится в непрерывном движении и изменении. 7. Докажите, что Земля и Луна продолжают эволюционировать и в настоящее время. 8. Опираясь на знания по астрономии и биологии, сформулируйте доводы в пользу (и против!) существования жизни и разума во Вселенной. 9*. В 1974 г. было отправлено в сторону шарового скопления в созвездии Геркулеса (расстояние 7000 ПК) радиопослание нашим братьям по разуму. Когда земляне в лучшем случае получат ответ? 10*. Сколько времени будут лететь до ближайших звезд АМС, которые в конце XX в. покинут Солнечную систему, имея скорость около 20 км/с? 11. Сравните прошлые представления о строении Вселенной (геоцентрическая система мира, гелиоцентрическая система мира) с современными. Что полезно знать, изучив тему «Строение и эволюция Вселенной» 1. В состав Галактики входят звезды, звездные скопления, туманности. В пространстве между звездами есть очень разреженная диффузная материя (преимущественно водород), магнитные и гравитационные поля. Межзвездное пространство пронизывают потоки космических лучей и электромагнитное излучение. 2. Солнце расположено вблизи галактической плоскости на расстоянии 10 кпк от центра Галактики, оборот вокруг которого оно совершает примерно за 2*10® лет (при скорости 250 км/с). 3. Галактика с ее спутниками, галактика в Андромеде и еще несколько ближайщих к нам галактик входят в Местную группу (систему) галактик. 191 4. В охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной (Метагалактике) существуют миллиарды галактик. 5. Мир галактик чрезвычайно разнообразен: он далеко не исчерпывается спиральными, эллиптическими и неправильными галактиками. 6. Многим галактикам, например радиогалактикам, свойственны различные проявления активности (включая взрывные процессы в ядрах галактик). 7. Самые далекие объекты Вселенной — квазары, которые, вероятно, представляют собой активные ядра галактик, находящихся от нас на расстоянии в несколько миллиардов световых лет. 8. Метагалактика расширяется. Чем дальше от нас внегалактические объекты (галактики, квазары), тем с большей скоростью они удаляются (закон Хаббла). 9. Величина, обратная постоянной Хаббла, позволяет оценить промежуток времени от начала расширения Метагалактики (— « 15 млрд. лет). 10*. Согласно гипотезе «горячей Вселенной», расширение Метагалактики началось от состояния материи, характеризующегося чрезвычайно высокой плотностью и температурой. В пользу этой гипотезы свидетельствует открытие реликтового излучения и данные о распространенности химических элементов во Вселенной. 11*. На ранних стадиях расширения Метагалактики в ходе реакций, происходивших между элементарными частицами, образовались ядра атомов водорода и гелия. Более тяжелые химические элементы появлялись как продукты ядерных реакций, происходивших в недрах звезд. Эти элементы рассеивались в пространстве (например, в результате взрывов сверхновых), и из них постепенно возникали новые небесные тела (звезды, планеты). 12. Строение и эволюцию Вселенной изучает космология. 13. Используемая в космологии модель однородной и изотропной Вселенной в известной мере подтверждается наблюдениями, из которых следует, что в больших масштабах, например превышающих размеры скопления галактик, Метагалактику можно считать однородной, 14. Согласно современным представлениям, звезды образуются путем сгущения и последующей эволюции облаков газа. 15. В зависимости от массы, которюй звезда обладает на конечной стадии своей эволюции, могут образовываться белые карлики, нейтронные звезды или, возможно, черные дыры. 192 16. Земля, Луна, а также планеты с их спутниками образовались из холодных тел и частиц, входивших в состав протопланетного облака. 17. Во Вселенной существуют и эволюционируют системы различной сложности, самые крупные из них — сверхскопления галактик. 18. Эволюционирует и Метагалактика, дальнейшая судьба которой (вечное расширение или сменяющее ее сжатие) во многом зависит от того, есть ли в ней на самом деле огромные массы какого-либо «скрытого вещества». 19. В XX в. впервые в истории человеческой цивилизации был достигнут такой уровень развития науки и техники, что появилась возможность с позиций науки подойти к исследованию проблемы жизни и разума во Вселенной. Но пока никаких признаков внеземной жизни не обнаружено. 20. Внегалактическая астрономия и космология убедительно свидетельствуют о всеобщей связи явлений и процессов в природе, о познаваемости мира и его закономерностей, о мощи разума, способного проникнуть в извечные тайны мироздания. Что желательно уметь, изучив тему «Строение и эволюция Вселенной» 1. Вычислять по формуле (53) расстояние до галактики, скорость удаления которой известна. 2. Оценивать возраст Метагалактики по постоянной Хаббла. 3. Анализировать различные возможности эволюции Метагалактики в зависимости от средней плотности материи во Вселенной. 4. Обосновывать свою точку зрения о возможности существования внеземных цивилизаций и их контактов с нами. 5. Находить на небе звезды а Волопаса, а Девы, а Льва. ПРИЛОЖЕНИЯ I. Важнейшие даты в освоении космического пространства Запуск первого в мире искусственного спутника Земли (начало космической эры) Фотографирование обратной стороны Луны («Луна-3») Первый в мире орбитальный полет космического корабля «Восток», пилотируемого Ю. А. Гагариным, — первый полет человека в космос Первый космический полет женщины (В. В. Терешкова; корабль «Восток-6») Первый выход человека из корабля в космическое пространство (А. А. Леонов; корабль «Восход-2») Первое фотографирование Марса с близкого расстояния (АМС «Маринер-4», США) Первая мягкая посадка на поверхность Луны («Луна-9»). Впервые с помощью телевизионной системы на Землю были переданы панорамы лунного ландшафта Первый межпланетный перелет (Зе.мля — Венера, АМС «Венера-3») Запуск первого искусственного спутника Луны («Луна-10») Первый облет Луны с возвращением АМС на Землю («Зонд-5») 4 октября 1957 г. 7 октября 1959 г. 12 апреля 1961 г. 16—19 июня 1963 г. 18 марта 1965 г. 15 июля 1965 г. 3 февраля 1966 г. 16 ноября 1965 г.— 1 марта 1966 г. 31 марта 1966 г. 15—21 сентября 1968 г. 194 Первая экспедиция на Луну (астронавты Н. Армстронг, Э. Олдрин, М. Коллинз; корабль «Аполлон-11») 16—24 июля 1969 г. Первая доставка лунного грунта с помощью автоматического аппарата («Луна-16») 12—24 сентября 1970 г. Первая доставка на Луну самоходной лаборатории «Луноход-1» («Луна-17») 17 ноября 1970 г. Первая мягкая посадка космического аппарата на поверхность Венеры («Венера-7») 15 декабря 1970 г. Первая долговременная орбитальная научная станция («Салют») 19 апреля— 12 октября 1971 г. Первая мягкая посадка на поверхность Марса («Марс-3») 2 декабря 1971 г. Первое фотографирование Юпитера с близкого расстояния (АМС «Пионер-10», США) Ноябрь—декабрь 1973 г. Первое фотографирование Меркурия с близкого расстояния (АМС «Маринер-10», США) 30 марта 1974 г. Первый международный космический полет — «Союз-19» (космонавты А. Леонов и В. Кубасов) и «Аполлон» (астронавты США — Т. Стаффорд, В. Бранд, Д. Слейтон) 15—21 июля 1975 г. Передача первых телевизионных изображений поверхности Венеры (АМС «Венера-9» и «Венера-10») 22 и 25 октября 1975 г. Создание первого пилотируемого орбитального научно-исследовательского комплекса «Союз-27» — «Салют-6» — «Союз-26» 11 января 1978 г. Первая американская научная орбитальная пилотируемая станция («Скайлэб») 14 мая 1973 г.— 11 июля 1979 г. Передача первых серий радиолокационных изображений поверхности Венеры (АМС «Венера-15», «Венера-16») 1983-1984 гг. Получение первых фотографий ядра кометы (комета Галлея, «Вега-1») 9 .марта 1986 г. 195 Рекордный по длительности космический полет (1 год) В. Г. Титова и М. X. Манарова (научная станция «Мир», выведенная на околоземную орбиту 20 февраля 1986 г.) (рис. 108). 21 декабря 1987 г. 21 декабря 1988 г. Сближение АМС «Вояджер-2» (США), запущенной к Юпитеру 20 августа 1977 г., с Юпитером — июль 1979 г., Сатурном — август 1981 г.. Ураном — январь 1986 г., Нептуном — август 1989 г. (фотографирование Рис. 108. «Мир» — долговременная орбитальная станция (Россия): 1 — модуль «Квант-2»; 2 — КК «Союз»; 3 — модуль «Квант»; 4 — станция «Мир»; 5 — .модуль «Природа»; 6 — модуль «Спектр»; 7 — корабль «Прогресс»; 8 — модуль «Кристалл». 196 Рис. 109. Траектория движения «Вояджера-2». этих планет, их спутников и колец) (рис. 109) Выведение с помощью «Спейс Шаттла» на околоземную орбиту американского теле-спока имени Хаббла (рис. 110) Получение первых фотографий поверхности астероида (Гаспра, АМС «Галилео», США) Новая радиолокационная съемка поверхности Венеры (АМС «Магеллан», старт с помощью корабля «Спейс Шаттл» 4 мая 1989 г.) 1979—1989 гг. 25 апреля 1990 г. 29 октября 1991 г. 1990—1995 гг.(?) II. Подвижная карта звездного неба (ПКЗН) Эта карта (она есть в «Школьном астрономическом календаре») поможет вам изучить звездное небо. Карту и накладной круг наклейте на картон. Вырез в накладном круге сделайте в соответствии с географической широтой места наблюдения. Например, для Москвы (ее широта 5545′) вырез можно сделать по линии с отметками 55°. Если отмеченный на накладном круге час наблюдения расположить против даты, указанной на звездной карте, то в вырезе накладного круга окажутся созвездия, которые в данное время видны на 197 .%йэ?:г?г5?л Ш- У! 7 1110 9 (1 Рис. 110. Космический телескоп имени Хаббла — КТХ (США): 1 — главное зеркало; 2 — модуль обслуживающих систем; 3 — вторичное зеркало; 4 — приспособление для защиты от боковых лучей; 5 — крышка; 6 — отсек оборудования; 7 — солнечные батареи; 8 — камера слабых объектов; 9 — высокоскоростной спектрограф; 10 — широкоугольная и планетная камеры; И — инструментальный отсек; 12 — спектрограф слабых объектов; 13 — спектрограф высокого разрешения; 14 — датчики тонкого гидирования. небе. Края выреза накладного круга отмечают горизонт (на нем обозначены точки севера, юга, востока и запада). Центр выреза соответствует точке над головой наблюдателя — зениту. Более подробное описание ПКЗН и рекомендации по работе с ней есть в «Школьном астрономическом календаре». III. «Школьный астрономический календарь» (ШАК) Такой календарь выпускается на каждый учебный год. В нем вы найдете сведения о различных астрономических яв- 198 лениях, которые можно наблюдать в интересующее вас время. Приобретите ШАК и познакомьтесь с его содержанием. Особое внимание уделите информации, содержащейся в первом разделе «Календаря-справочника наблюдателя», где сообщается о различных предстоящих астрономических явлениях в данном учебном году. Например, узнав, что сегодня вечером видна планета Марс, вы можете уточнить, в каком созвездии нужно искать эту планету. А подвижная карта звездного неба поможет вам отыскать это созвездие на небе и определить условия его видимости. ШАК содержит и другие разделы, которые наверняка заинтересуют многих из вас. IV. Основные сведения о Земле Экваториальный радиус Полярный радиус Средний радиус Сжатие Масса Средняя плотность Средняя скорость орбитального движения Ускорение свободного падения (для ф = 45″) Первая космическая скорость Вторая космическая скорость Третья космическая скорость (минимальная скорость, необходимая для полета за пределы Солнечной системы) Наклон плоскости экватора к плоскости орбиты Период вращения (по отношению к звездам) Продолжительность солнечных суток 6378,16 км 6356,78 км 6371 км 1 : 298,25 6 • 10^^ кг 5,5 • 10® кг/м® 29.8 км/с 9.8 м/с® 7.9 км/с 11,2 км/с 16,7 км/с 23″ 26′ 23- 56“ 24- У. Основные сведения о Луне Среднее расстояние от Земли Сидерический период обращения Период вращения вокруг оси Синодический период обращения Эксцентриситет орбиты Наклонение орбиты к плоскости эклиптики Средняя орбитальная скорость Наибольший видимый угловой диаметр Линейный диаметр Масса (масса Земли — Af® = 1,0) 384 400 км 27,3» 27,3′ 29,5* 0,05 5,1’ 1,03 км/с 33’40’ 3476 км 7,35-10®® кг (0,012 М^) 199 Средняя плотность 3,3 • 10^ кг/м^ Ускорение свободного падения на поверхности 1,62 м/с^ (0,16 Вторая космическая скорость (параболическая) 2,4 км/с VI. Основные сведения о Солнце Горизонтальный параллакс Среднее расстояние от Земли Наибольший видимый угловой диаметр Линейный диаметр Масса Средняя плотность Ускорение свободного падения Вторая космическая скорость на поверхности Линейная скорость точек на экваторе Солнца Период вращения точек экватора (сидерический период вращения экваториальной зоны) Синодический (наблюдаемый с Земли) период вращения точек экватора Температура фотосферы Температура солнечной короны Температура в центральных областях Солнечная постоянная Светимость Видимая звездная величина Солнца Абсолютная звездная величина Солнца Спектральный класс Средняя продолжительность цикла солнечной активности Расстояние от Солнца до центра Галактики Скорость движения Солнца вокруг центра Галактики Период обращения Солнца вокруг центра Галактики 8,794″ 1,496-10» км 32’31» 1,39-10® км (109 1>ф) 2 • 10®® кг (333 000 Мд) 1,4 • 10® кг/м® 274 м/с® (27,9 g^) 620 км/с 2 км/с 25,4^ 27,3^ 6-10® К 1.5- 10® К 1.5- 10^ К 1,4 кВт/м® 3,8-10®® Вт -26,8′» -1-4,8′» G2 11 лет 10’* ПК » 3,3 • 10* СВ. лет 250 км/с 2-10® лет 200 102 ЯДч-о ж SSP бр2 ^2’®S а й® § 1 ^ * 1 а 1 ^ i 3 06 |0 -® ю К «> « « * я i ® “=1 g co cot— — о© IsD bi© ^05 сл©«— О too to© to ^ © Среднее расстояние от Солнца, а. е. tot— ©to t— t— h- о о -o to © © © Сидерический период, годы poop p p p P P lOOOO о oo oto ©Орй.© ©I— oo ©©©tf^ © © 00 ® “ P P r> 1— t— © о © Орбитальная скорость, км/с t— © © © о ©© © to ^ (^ © © © © © о ttk.©»^0 © © о СЯ 4^ OOOO о -3H- oo о о о о Средний радиус, км t— © I © © © © 1 © ©1— ©© “4 © © ©© •о © © © P ^ © Наклон оси к плоскости орбиты, ° t— © ©to © © ••©oo |J>^© ^ CO p © © — ©p,^ S ^© H*** к X S X X ^ © © « о Период вращения p ^ ^ p ^ p p p p o©^^ © ©© to© Средняя плотность, 10« кг/м» Ot— ©t— © © © © © ©i^oi^ P <>00 •o o> © © Ускорение свободного падения, м/с^ 1— © © © © ©•— 1— PU to P r P P о r P to *0 © P^ © 1(11. © p(i. Вторая космическая скорость, км/с Oi- H*© © Ot— oo Ъ P SS ■J- о 00 о о©©© ^ М ©© © Масса, в мрссах Земли (Мщ=6 • 10*А кг) н-6 © НА Н» Н* © t— II © -0 © II Число спутников is s s ^^ s i s g i s ® и » Наличие атмосферы О « н о т S Ф п к м § ре н S У1П. Важнейшие параметры атмосфер планет земной группы Планета Земля Венера Марс Основной Щ 78 COj 95 СО2 95 химический О2 21 N2 3-5 N2 2—3 состав (в % Ат 0,93 Аг 0,01 Аг 1—2 КО всему HjO 0,1—1 HjO 0.01—0,1 ЩО 10-»—10-» объему 02
Источник