Метод исследования вселенной называется

Метод исследования вселенной называется

1. Вселенная как объект науки

1.1. Вселенная как объект исследования

Объектом естествознания является природа, то есть весь окружающий нас мир. Самым общим понятием, охватывающим весь материальный мир, является понятие » Вселенная «. Оно может считаться эквивалентом понятия «природа». В более узком смысле под Вселенной понимается окружающий нас мегамир — совокупность макроскопических тел и их систем астрономического (то есть гигантского) масштаба. Макроскопические тела — это физические системы, состоящие из огромного количества частиц (атомов и молекул). Более конкретно, мегамир — это мировое пространство, небесные тела и их системы, космические газ, пыль, электромагнитные поля, космические элементарные частицы. Вселенную, рассматриваемую, как единое целое, подчиняющуюся общим законом, называют космосом. Значение слова «космос» в греческом языке — «порядок, гармония, красота». Это слово родственно слову «косметика», смысл которого «искусство украшать». Считается, что впервые Вселенную как гармоничную, упорядоченную систему назвал космосом древнегреческий ученый Пифагор. Понятие «космос» часто используют в качестве синонима понятия «Вселенная». В популярной литературе «космическое» очень часто противопоставляют «земному», хотя Земля тоже объект Вселенной.

Наблюдаемая область Вселенной называется Метагалактикой. Ее границы по мере совершенствования астрономических инструментов расширяются, но существует принципиальный предел, обусловленный конечностью скорости света. В настоящее время радиус Метагалактики равен 10 миллиардов световых лет, то есть расстоянию, которое электромагнитные волны проходят за 10 миллиардов лет (скорость света 300000 км/с).

В этом пособии будет также использоваться термин «мегамир», так как он наиболее абстрагирован от понятий конкретных наук и более других терминов наполнен физическим содержанием.

Основные сведения о мегамире могут быть получены двумя путями: экспериментальным и теоретическим. Последний подход не является полностью независимым, так как любая теоретическая модель опирается на экспериментальные факты, а вот для ее исследования используют более подробный математический аппарат. Экспериментальное изучение космических объектов и всего мирового пространства базируется также на двух основах: непосредственное исследование свойств объектов при помощи лабораторного оборудования и наблюдение объекта, то есть исследование его электромагнитного излучения. Контактное (лабораторное) исследование вещества космических тел не является чем-то исключительным. В лабораториях Земли исследовались горные породы с Луны, доставленные пилотируемыми аппаратами «Аполлон» и автоматическими станциями «Луна-16» и «Луна-20», многочисленные метеориты, по современным воззрениям являющиеся обломками астероидов. Контактное изучение при помощи соответствующей аппаратуры проводились на поверхностях Луны, Венеры, Марса. Многочисленные искусственные научные спутники и автоматические межпланетные станции непосредственно изучали при помощи приборов физические свойства околоземного и межпланетного пространства. Этот метод исследования будет расширяться, ему будут доступны для изучения другие планеты Солнечной системы и многочисленные спутники этих планет.

Однако, пока еще основной метод исследования объектов мегамира — изучение их электромагнитного излучения. Это обусловлено тем, что контактное исследование неприменимо для раскаленных объектов (звезд). К тому же объекты, более удаленные от Земли, чем тела Солнечной системы, очевидно, останутся и в настоящем и в будущем недоступными для контактного исследования. Космическое электромагнитное излучение регистрируется в очень большом интервале частот: от 10 7 Гц ( l = 30 м — длинноволновое радиоизлучение ) до 10 27 Гц ( l = 3*10 -19 м = 3*10 -10 нм- сверхжесткое g -излучение ). Полный анализ распределения мощности излучения по спектру несет чрезвычайно много информации о физических свойствах каждого космического тела. Зная расстояние, которое определяется из астрометрического или астрофизического анализа можно найти такие параметры объекта, как его температура, размеры, химический состав и, даже, не прибегая к построению моделей внутреннего строения, оценить возраст объекта, его прошлое и будущее.

Приборы для собирания и исследования космического электромагнитного излучения называются телескопами. Главной частью телескопа является объектив , который воспринимает поток излучения. Данная физическая величина прямо пропорциональна квадрату диаметра объектива телескопа и, следовательно, во много раз больше потока регистрируемого человеческим глазом. В зависимости от диапазона регистрируемого космического излучения телескопы могут быть оптическими , радиотелескопами , рентгеновскими, g -телескопами и т.д. В качестве объективов оптических телескопов используются металлические (или с металлическим покрытием) параболоидные зеркала. Такие телескопы называются рефлекторами . Для исследования оптической части спектра используются также рефракторы , в которых объективом является система линз. Небольшие оптические телескопы чаще всего — рефракторы, а средние и крупные — рефлекторы.

Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий; вплоть до середины XX века, это происходило почти исключительно оптическими методами. Это связано с тем, что человеческий глаз оставался единственно возможным приемником электромагнитного излучения, к тому же очень чувствительным. Кривая видности (спектральной чувствительности) человеческого глаза соответствует кривой распределения энергии в спектре Солнца. Поэтому доступной областью излучения космических тел был диапазон от 0.4 до 0.7мкм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими ; изучалось только расположение светил и их видимое движение на небесной сфере.

Такие наблюдения с использованием угломерных инструментов позволили сформулировать первые научные модели мира — Птолемея и Коперника. Сейчас астрономы научились определять расстояния, как до тел Солнечной системы, так и более удаленных объектов: звезд и галактик. Тем самым удалось представить геометрическую структуру мира.

Оптические наблюдения и в настоящее время не потеряли своего значения. Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Так, радиоволны принесли информацию об активных галактиках , о строении ядер галактик , в том числе и нашей Галактики , тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью . Наблюдения в рентгеновском и g -диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни ( пульсары , черные дыры и т.д.).

Наука, изучающая мегамир, называется астрономией . Астрономия — составная часть естествознания. Она является самой древней из естественных наук. Из потребностей астрономии возникла математика. Астрономия стимулировала появление физики. Так, астроном Г.Галилей является основоположником механики. С другой стороны в XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, и возникла симбиотическая наука — астрофизика , которая изучает физические свойства космических тел. В настоящее время Вселенную изучают представители разных наук. Нейтринное излучение Солнца находится в ведении «чистых» физиков. В контактных исследованиях космических тел участвуют физики, химики, инженеры, космонавты. В будущем науки, изучающие мегамир, будут более обширными и глубокими, чем их земные аналоги.

Природа материальна и мегамир, как часть природы, тоже материален. Материя существует вне нашего сознания, но может быть воспринята нашими органами чувств и познана разумом человека. Материальный мир существует в двух формах: в виде вещества и в виде физических полей. Вещество во Вселенной наблюдается в виде двух субстанций: как дискретные объекты и как диффузное вещество.

Основные типы дискретных объектов: это горячие объекты — звезды и холодные объекты, представителями которых могут считаться, например, планеты.

Звезды — это массивные плазменные объекты, на определенной достаточно длительной стадии своего существования, излучающие за счет энергии термоядерного синтеза , происходящего в их недрах. Звезды составляют главный компонент видимого вещества Вселенной. Основным параметром звезды является ее масса. Масса определяет все другие характеристики звезды, и даже время ее жизни. Важными характеристиками звезд оказываются: полная мощность излучения ( светимость ), поверхностная температура и радиус. Массы известных звезд зафиксированы в пределах 0.1 — 80 масс Солнца. Масса Солнца равна 2*10 30 кг и в астрономии часто используется как единица массы, тоже относится и к светимости Солнца (3.86*10 26 Вт). Наименьшее значение масс звезд — 0.02 — 0.08 масс Солнца; при меньших значениях массы температура в центре звезды недостаточна для начала термоядерных реакций. Верхний предел массы определяется возможностью существования звезды как единого целого. Светимости звезд заключены в очень больших пределах: от 10 -5 L до 10 +5 L, то есть звезды большой светимости излучают в 10 миллиардов раз больше, чем звезды самой малой светимости.

Пределы поверхностной температуры звезд также велики. Существуют очень холодные звезды, с температурой поверхности около 2000 К и даже менее и очень горячие звезды, с температурой до 50000 К. Холодные звезды излучают преимущественно в красной и инфракрасной областях спектра, например, Бетельгейзе — a Ориона, m Цефея. Горячие звезды излучают в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, например Вега — a Лиры, ядра планетарных туманностей. Косвенной характеристикой распределения энергии в спектре звезды является ее цвет, холодные звезды выглядят красноватыми, а горячие оказываются белыми или голубыми.

Мощность излучения единицы поверхности звезды, рассматриваемой как абсолютно черное тело , пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры ( закон Стефана-Больцмана ). Из наблюдений получено, что отношение предельных светимостей звезд одной и той же температуры на три порядка превышает мощность излучения с единицы поверхности. Отсюда следует интересный вывод, что звезды с одинаковой температурой поверхности могут иметь разные размеры. Действительно, все звезды делятся по размерам на три группы: звезды с размерами близкими к размеру Солнца — так называемые звезды-карлики , звезды с размерами, существенно превышающими размеры Солнца ( звезды-гиганты и сверхгиганты ) и сверхплотные звезды , размеры которых сравнимы с размерами Земли. Между этими группами звезд существует генетическая связь. Эволюционируя, звезда проходит через все стадии, то есть может быть звездой — карликом, гигантом и плотным образованием.

Из всех звезд лучше всего изучена ближайшая к Земле звезда — Солнце . По принятой терминологии Солнце — желтый карлик с температурой поверхности около 6000 К. Радиус Солнца составляет 700000 км, что примерно в 110 раз больше радиуса Земли. Солнце состоит из водорода и гелия, причем водорода в 3 раза больше, чем гелия. Источником энергии Солнца являются реакции синтеза водорода в гелий. Такие реакции могут происходить только при очень высокой температуре — 15 миллионов Кельвинов, при этом два протона и два нейтрона объединяются и образуют ядро атома гелия. Зона термоядерных реакций занимает 0.3 радиуса Солнца. В процессе термоядерного синтеза выделяется очень много энергии, которая в виде квантов электромагнитного излучения диффундирует к поверхностным слоям Солнца. В глубоких слоях Солнца передача энергии происходит преимущественно посредством лучеиспускания, в более высоких слоях вещество становится менее прозрачным и передача энергии идет посредством массопереноса — конвекции. В поверхностном слое Солнца — фотосфере снова основную роль играет лучеиспускание. В гигантах и сверхгигантах с низкой поверхностной температурой область термоядерного синтеза представляет собой слоевой источник горения водорода вокруг изотермического гелиевого ядра. Вследствие приближения источника энергии к поверхности, звезда распухает, ее размеры могут в десятки или сотни раз превысить размеры Солнца.

Планеты — это маломассивные холодные объекты, в которых не могут идти термоядерные реакции. Светят планеты за счет отражения света звезды, вокруг которой они обращаются. По-видимому, планетные системы существуют вокруг многих звезд, но из-за слабости их излучения они не могут быть непосредственно наблюдаемы с Земли. Различные косвенные методы позволяют предположить наличие у некоторых звезд холодных спутников, которые возможно являются планетами.

Астрономическому и физическому исследованию доступны покатолько планеты Солнечной системы. Вокруг Солнца по современным данным обращается девять больших планет и несколько тысяч малых планет.

Большие планеты — это шарообразные тела, обращающиеся вокруг Солнца по почти круговым, точнее эллиптическим орбитам с небольшими эксцентриситетами. Большие планеты подразделяются на две большие группы: планеты земной группы и планеты-гиганты .

Планеты земной группы (наиболее близкие к Солнцу): Меркурий , Венера , Земля и Марс . Это твердые объекты. Земля и Венера по массе и радиусу сравнимы друг с другом, однако атмосфера Венеры состоит преимущественно из углекислого газа, тогда как атмосфера земли азотно-кислородная. Углекислый газ обладает сильным парниковым эффектом. Он пропускает видимый свет и не пропускает от планеты тепловое излучение. Вследствие этого на Венере очень высокая поверхностная температура — до 500њС. Плотный облачный покров полностью закрывает поверхность планеты.

Планеты Меркурий и Марс меньше, чем Земля. Меркурий давно потерял свою атмосферу, а вот на Марсе она еще есть, но очень разреженная. Поверхности Меркурия и Марса покрыты, как и Луна, большим количеством кратеров. Кратеры это результат ударного взаимодействия планет с метеоритами на ранней стадии существования планетной системы.

К планетам-гигантам относятся Юпитер , Сатурн , Уран , Нептун . Размеры Юпитера и Сатурна примерно в 10 раз больше размеров Земли. Все эти планеты имеют газовую природу. В глубоких слоях газ переходит в жидкое состояние. Химический состав этих планет такой же, как у Солнца: водород и гелий. Планеты — гиганты являются несостоявшимися звездами, их масса оказалась недостаточной для начала термоядерных реакций.

Самой удаленной планетой от Солнца (большая полуось орбиты — 40 астрономических единиц) является Плутон . Эта планета еще мало изучена, но она по физическим условиям напоминает планеты земной группы или так называемые малые планеты. По орбите Плутона движутся много небольших тел, названных плутино («плутончики»)

Орбиты малых планет, иначе называемых астероидами , расположены в основном между орбитами Марса и Юпитера. Малые планеты оправдывают свое название. Самый большой из известных астероидов — это Церера с размером около 1000 км, остальные еще меньше. Их неправильные формы очевидны у тел малой массы. Орбиты некоторых малых планет вытянуты и даже заходят внутрь орбиты Меркурия. Есть гипотезы о существовании трансплутоновых планет, но пока нет наблюдений этих объектов.

Многие большие планеты имеют спутников. Форма спутников большой массы — шарообразная, а вот все мало массивные спутники имеют неправильную форму. Не обнаружены спутники только у Меркурия и Венеры, а наибольшее их число у Юпитера и Сатурна до трех десятков у каждой планеты. Ежедневно открываются все более мелкие и удаленные от планет-гигантов спутники. Спутники планет Солнечной системы весьма разнообразны по своим физическим характеристикам и внутреннему строению. Есть спутники с атмосферами и без них, спутники ледяные, каменные, состоящие из серы и т.д.

В Солнечную систему, кроме Солнца, планет и их спутников, входит многочисленная семья комет . Это объекты, состоящие из протопланетного вещества или по некоторым данным из межзвездного вещества и в основном находящиеся далеко за пределами орбиты Плутона. Под действием массивных объектов, в том числе и ближайших звезд, кометы изменяют свою орбиту и устремляются к Солнцу. По мере приближению к нему у кометы образуется обширный хвост из газа и пыли, который под действием корпускул солнечного ветра и давления солнечного света вытягивается от Солнца. Хвост является характерным и эффектным образованием кометы. Ежегодно открывают несколько комет, обычно слабых. Яркие кометы, проходящие близко от Солнца, наоборот являются достаточно редким явлением. К счастью, вторая половина XX века оказалась благоприятной для наблюдений ярких комет. Это кометы Мркоса, Аренда-Ролана, Икейа-Секи, Хиакутаке 1996г. Весной 1997г. была прекрасно видна комета самая большая комета XX столетия комета Хейла-Боппа. У больших комет длина хвоста доходит до астрономической единицы, а голова близка к размерам Солнца. Обогнув Солнце, комета снова уходит в космические дали. Известно так же, что, по крайней мере, большинство комет является периодическими. Так, комета Галлея возвращалась к Земле 31 раз, последнее ее прохождение около Солнца состоялось в 1986 году.

Диффузное вещество Вселенной представляет собой пыль и газ . В Солнечной системе космическая пыль концентрируется к плоскости планетных орбит. С Земли межпланетная пыль видна в виде светящегося конуса, вытянутого вдоль эклиптики. Такое явление называется зодиакальным светом , оно хорошо видно в южных районах нашей страны. Газовая компонента Солнечной системы представляет собой, например, солнечный ветер — поток корпускул от Солнца, а так же редкие частицы межпланетного газа.

В галактиках, особенно спиральных, межзвездная пыль концентрируется к их плоскостям. На фотографиях галактик, повернутых к земному

Источник