Вступление

Эта книга посвящена молодым людям, студентам и школьникам, которых интересуют современные исследования в области астрономии и астронавтики. Много открытий в этих областях пришлось на начало XXI-го века. С течением времени неизбежно совершенствуется техника по изучению небесных тел. Космическое пространство предстает перед учеными во все больших подробностях. Человек путешествует на околоземные орбиты, планирует совершить путешествие на Марс и освоить Луну, как базу для дальнейшего изучения космического пространства. В этой небольшой книге представлены все самые интересные и свежие материалы, связанные с подобными исследованиями.

Краткая история астрономии. Имена

Еще с древних времен небо притягивало человека своей загадочностью. Людей интересовал небосвод, как способ ориентирования в пространстве (на местности) и во времени (смена времен года). Ориентированием по звездам в своих профессиях пользовались охотники, скотоводы, земледельцы и рыболовы. Астрономия послужила к созданию различных календарей, которые основывались на положении Солнца, Луны и звезд на небе. В разных культурах существовали разные календари. В Древней Греции, например, в каждом городе был свой календарь, со своими названиями и времяисчислением.

Астрономические знания накапливались тысячелетиями. Во все эпохи можно отметить великие имена, которые повлияли на астрономическую науку. В древние времена это были Аристарх, Плутарх, Клавдий, Птолемей. Все они были новаторами и их теории, суть которых была верна, переворачивали представления науки астрономии.

Среди знаменитых имен Средних Веков значатся астрономы Николай Коперник, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Джордано Бруно, Тихо Браге.

Стоить отметить, что астрономия тесно граничит с геометрией, математикой и физикой. Поэтому, несомненно, великие астрономы были изрядно подкованы и в этих науках.

В Новое время эстафетную палочку в развитии астрономической науки подхватили Исаак Ньютон, Лаплас, Уильям Гершель, Василий Яковлевич Струве и Камилл Фламарион.

В 20-м веке рывок в развитии астрономии было самым стремительным, так как появилась техника, строились мощные телескопы, в том числе, космический телескоп. Появился новый раздел астрономии – астрофизика, в котором проводился всеобъемлющий анализ световых волн.

К числу великих ученых-астрономов XX-го века можно отнести Альберта Эйнштейна, Артура Эддингтона, Джеймса Джинса, Александра Фридмана, Эдвина Хаббла.

Стоит отметить и тот факт, что астрономам, ученым смежных наук и инженерам в XX веке удалось запустить человека в космос и на Луну. Эти события также будут освещены в этой книге.

Галилео Галилей

Исаак Ньютон

Эдвин Хаббл

Начало Вселенной. Версия о Большом Взрыве

Вселенная началась с разлета вещества с огромной скоростью. Но это всего лишь наше предположение. Мы делаем этот вывод, наблюдая за современным поведением Вселенной. Самые дальние галактики отдалены от нас на 13–15 млрд. световых лет. Отсюда мы можем заключить, что примерно столько времени назад начался большой взрыв.

Состояние вещества до большого взрыва можно оценивать как сверхплотное: оно помещалось в размеры мельчайшей элементарной частицы. А потом началось расширение. Стоит отметить тот факт, что мы не обнаруживаем тел или любых космических структур, возраст которых превышал бы вычисленный срок, протекший с Большого Взрыва.

Представить себе состояние вещества до Большого Взрыва мы не в состоянии. Это все равно как если представить, что было до начала времени, потому что того состояния пространства и времени, скорее всего, не существовало. К тому же, некоторые теории склоняются к факту, что пространство было не трёхмерным, а более многомерным. Предположим, оно было шестимерным или семимерным. Но как оно выглядело? На каком принципе оно существовало? Лучшие умы человечества, возможно, могут понять это, но объяснить это простому человеку, какими являемся мы с вами, они не в состоянии. Но здесь лежит потенциал и для вас! Займитесь этим вопросом… Может, вам улыбнется удача, и вы сможете понять непонятное и объяснить необъяснимое.

О галактиках Млечный Путь и Андромеда. Классификация галактик.

Наша Солнечная система, состоящая из звезды по имени Солнце, девяти планет, их спутников, пыли, астероидов и комет, входит в галактику Млечный Путь. Наша галактика имеет колоссальные размеры: чтобы пролететь от края до края галактики, свету (!) потребуется около 100 000 лет.

Так, наблюдая в телескопы звезды, или, даже, невооруженным глазом ночное небо, мы видим некоторое прошлое тех небесных тел, которые предстают перед нами. Например, солнечный свет проходит расстояние до Земли за 8 минут. А свет звезд, которые удалены от нас намного больше, может проходить до нас несколько тысяч лет. Анализируя скорость света, мы можем представить себе, насколько большими расстояния могут быть от одного космического тела до другого.

Огромная звездная полоса, видимая ночью на небе, относится к галактике Млечный Путь. Расстояние от Солнца до центра нашей галактики примерно 27 700 световых лет.

Центр Млечного Пути называется Балджем, он составляет около 8 тыс. парсек[1] в поперечнике. В его структуру входит сверхмассивная черная дыра «Стрелец А.» Возможно, в нее также входит еще одна черная дыра средней мощности. А также в Центр галактики входят две перемычки, с которых начинаются «рукава».

Так как наша галактика является спиралевидной, она имеет «рукава». Наша Солнечная система находится в рукаве Ориона. Среди рукавов можно обозначить также Рукав Персея, Рукав Стрельца, Внешний Рукав, Рукав Щита-Центавра, Рукав Лебедя. А около центра галактики находятся Дальний и Ближний трёхпарсековые Рукава. Эти рукава и входящие в их состав звезды и газовые облака закручены в красивую спиралевидную фигуру.

В центре Млечного Пути, оказавшись на какой-нибудь планете, мы бы увидели небесное зарево даже ночью. Это объясняется тем, что в пределах 1000 лет от центра галактики звезды расположены очень плотно. Звезды там могут располагаться в пределах каких-нибудь нескольких световых дней.

(Картинка-Схема)

Галактика Андромеда, ближайшая к нашей галактике, также является спиралевидной. Ее можно увидеть на небе невооруженным глазом. Она удалена от нас на 2 млн. световых лет. Млечный путь и Андромеда имеют спутники из более мелких галактик. А вместе с галактикой Треугольника они образуют, так называемую, Местную группу галактик. Движение галактик Местной группы происходит под гравитационным влиянием всех остальных ее членов.

Ближайшая группа галактик к нашей Местной группе называется скопление Девы. Расстояние до него насчитывает 50 млн. световых лет. Скопление Девы огромно: оно располагается на небе на участке в 200 раз большем, чем занимает полная луна в ночном небе. Гравитационная сила этого скопления настолько велика, что оно влияет на движение нашей Местной группы: мы медленно движемся в ее сторону.

Эдвин Хаббл классифицировал галактики по трём типам: эллиптические, спиральные и неправильные.

Форма эллиптических галактик напоминает лимон или мяч для регби. Они не имеют рукавов, а их форма измеряется по степени уплощенности буквой E=0…7 (7 имеют галактики наиболее сплюснутые)

Тип спиральных галактик подразделяется на два подтипа: пересеченные спирали и нормальные спирали. Пересеченные спирали имеют перемычку, с которых начинаются рукава, а у галактик с нормальными спиралями рукава начинаются прямо из центра.

Галактики неправильного типа имеют клочковатую форму. Такие галактики содержат много газа (до 50 % от их общей массы).

Все звезды во Вселенной находятся в галактиках. Между галактиками нет никаких звезд. А сами галактики наклонены друг к другу под разными углами.

Солнце, и какие бывают звезды

Солнце является центром Солнечной системы. Солнце является также источником тепла и света, которые являются необходимыми условиями существования жизни на нашей планете.

Солнце имеет шарообразную форму, состоящую, в основном, из атомов водорода и гелия. Но также в нем присутствуют и атомы других элементов, таких как кислород, углерод, железо, сера, неон, азот, кремний, магний и некоторые другие. Вокруг раскаленного до 15 млн. градусов солнечного ядра, в котором происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий, находятся зоны циркулярной конвекции и радиационного переноса. К внешним слоям относятся фотосфера, хромосфера и корона.

Толщина фотосферы приблизительно 320 км, а ее температура достигает 5 800 К, но встречаются и зоны более холодные, с температурой 3 800 К.Они относятся к так называемым «солнечным пятнам», образованным магнитным полем Солнца. К верхним слоям температура фотосферы уменьшается до 4800 К.

Хромосфера является внешней оболочкой Солнца, она красноватого оттенка и имеет толщину в 10000 км. Ее поверхность постоянно извергает раскаленные массы и поэтому она не имеет четко выраженной границы. Температура хромосферы колеблется от 4000 К до 15000 К. Ее можно разглядеть только во время Солнечного затмения, либо в специально оборудованный телескоп.

Солнечная Корона простирается на миллионы км от Солнца. Она имеет температуру от 600 000 до 5000000 К за счет сложного взаимодействия магнитных эффектов. Ее излучение присутствует в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах. Поскольку она неравномерна, из ее слабых мест, наиболее холодных, вырывается «солнечный ветер» – поток ионизированных частиц, который образует магнитные бури и полярные сияния на Земле.

В недрах Солнца каждую секунду около 700 000 000 тонн водорода превращается в 695 млн. т гелия. При этом выделяется изрядное количество термоядерной энергии, которая пробирается к поверхности Солнца, поглощается им и производится заново, и, в результате, вырывается на поверхность, как видимый свет.

Вращение слоев Солнца дифференцировано, подобно газовым планетам. Экваториальная зона вращается быстрее полюсов: один оборот она совершает за 25,4 земных суток, в то время как зоны, близкие к полюсам, оборот производят за 36 дней. Спрессованное ядро Солнца тоже имеет свою скорость вращения, она равномерна и выше, чем скорость вращения верхних слоев.

Энергия Солнца является необходимым условием прохождения процесса фотосинтеза в растениях, и, как следствие, выработку кислорода для дыхания живых организмов. Также нефть и газ являются продуктами переработанных органических материалов с помощью процесса фотосинтеза. Солнечная энергия может быть использована солнечными электростанциями для переработки ее в электроэнергию. Ультрафиолетовое излучение используется для дезинфекции воды, различных предметов. С помощью него люди получают загар, и также оно стимулирует выработку витамина D.

Масса Солнца содержит до 99, 866 % всей массы Солнечной системы. Его диаметр превосходит земной в 109 раз, а объем в 1301000 раз.

Виды звезд

В сравнении с другими звездами во Вселенной Солнце является звездой-карликом и относится к категории нормальных звезд, в недрах которых происходит превращение водорода в гелий. Так или иначе, но виды звезд примерно описывают жизненный цикл одной отдельно взятой звезды. Материалом для звезд служат газообразования из молекул водорода и пыли. С течением времени, они соединяются и образуют, так называемую, протозвезду, температура которой имеет тенденцию постоянно повышаться. Когда температура протозвезды достигает отметки возможности проведения ядерного синтеза, она превращается в нормальную звезду. А дальше на развитие звезды главное влияние оказывает ее масса. В зависимости от нее определяется цвет и блеск светила, а также продолжительность его жизни. Яркость звезды определяется с учетом расстояний и может меняться от одной десятитысячной до миллиона Солнц. Если масса звезды не достигает одной двенадцатой массы Солнца, тогда она считается коричневым карликом. Такие звезды вырабатывают энергию в течение какого-то непродолжительного времени, но стать настоящими звездами не могут и обнаружить их чрезвычайно сложно.

Процесс старения звезд выглядит следующим образом. После того, как водород в недрах нормальной звезды перегорит, этот процесс начинает происходить в оболочке, в результате чего, размер звезды многократно увеличивается. Так рождаются красные гиганты и сверхгиганты.

Часть красных гигантов и сверхгигантов, в зависимости от массы, переходит в стадию планетарной туманности. Звезда сбрасывает свои наружные слои, обнажая ядро. Потом это ядро сжимается и превращается в белого карлика с исключительной плотностью.

Ситуация в звездах, масса которых превышает 1,4 массы Солнца, проходит по немного другому сценарию. Когда весь водород в ядре исчерпан, начинается превращение водорода в гелий в верхних слоях. А в ядре гелий превращается в углерод. В промежуточных слоях идет последовательное ядерное превращение более легких элементов в более тяжелые. В последней стадии ядро звезды состоит уже из железа, никеля и кобальта, а в слоях вокруг него идет ядерное горение кремния, неона, кислорода и гелия. Затем, достигая порога в 1,4 массы Солнца, ядро коллапсирует в нейтронную звезду. Все это происходит за считанные миллисекунды. Протоны соединяются с электронами и образуют нейтроны. Это ядро меняет размер с диаметра Земли до каких-нибудь 100 км в поперечнике. В момент, когда нейтроны внутри ядра достигают максимального сжатия, процесс останавливается. Ударные волны обрушиваются на падающий верхний материал, отсюда возникает энергия огромного количества частиц, называемых нейтрино, которая порождает взрыв верхних слоев, обнажая нейтронное ядро. Эти верхние слои разлетаются во все стороны с огромными скоростями. А ядро образует нейтронную звезду, плотность которой превосходит плотность воды в триллион раз! Нейтронная звезда совершает несколько оборотов в секунду, а магнитное поле в миллионы раз сильнее земного.

Особый вид нейтронных звезд – пульсары. Они могут излучать радиоволны, световые, рентгеновские и гамма-лучи.

Если масса нейтронной звезды превышает 2–3 массы Солнца, то она сжимается в черную дыру, сила тяготения которой не выпускает наружу даже свет. И внутри нее уже ничего не может остановить коллапс (сжатие) материи в бесконечно малую точку. Достоверно известно о существовании черных дыр, называемых A0620-00 и V-404 Лебедя, массы которых превышают массу Солнца в 16 и 6,3 раз соответственно.

Можно считать также, что вещество, отлетающее с планетарной туманности, и остатки от взрыва сверхновых образуют материал для образования новых звезд.

Схематично последовательность выглядит так:

Газообразная туманность -> Протозвезда -> Звезда типа Солнца -> Красный гигант -> Планетарная туманность -> Белый карлик

Или так (если масса звезды превышает солнечную более чем 1,4 раз):

Газообразная туманность -> Протозвезда -> Массивная звезда -> Красный сверхгигант -> Сверхновая звезда -> Нейтронная звезда -> Черная дыра

Имеются и другие виды звезд: пульсирующие, неправильные, вспыхивающие звезды, двойные и тесные двойные звезды.

Во Вселенной существуют переменные звезды – звезды, блеск которых имеет свойство меняться. Количество света меняется оттого, что звезды пульсируют или выбрасывают облако вещества. Если система состоит из двух звезд, то одна может закрывать другую, отсюда изменение блеска.

Иногда звезда-сверхгигант может сбрасывать с себя слои углеродной сажи, что заслоняет обзор звезды и вызывает резкое падение ее блеска. На некоторых звездах, Проксиме Центавра, например, причиной солнечных вспышек может служить магнитное излучение.

Примерно половина всех звезд нашей галактики являются двойными, так что одна звезда вращается вокруг другой, за счет силы взаимного тяготения. Например, парные звёзды – Мицар и Мицар В, расположенные в Большой Медведице.

Если двойные звезды расположены близко друг к другу, то силы тяготения стремятся растянуть каждую из них в форму груши. Эти две грушеобразные фигуры образуют трехмерную восьмерку, которая называется полостью Роша. Ее поверхность представляет собой критическую границу роста одной из звезд. Если размер звезды достиг этой границы, то вещество начинает перетекать с одной звезды на другую в точке, где полости соприкасаются. В такие системы могут входить нейтронные звезды в паре с Голубым гигантом или Белым карликом.

Все звезды проходят спектральную классификацию. На основании качественного описания спектра можно сделать вывод о температуре поверхности, светимости и особенностях химического состава. Последовательность этих классов имеет вид O – B – A – F – G – K – M, где звезды класса О самые горячие, а остальные, по порядку, имеют более холодную температуру.

Созвездия

Современная астрономия поделила небесную сферу на участки для упрощенного ориентирования на звездном небе. В древности созвездиями назывались группы звезд, которые образовывали различные фигуры.

До 19-го века созвездия определялись не точно: некоторые звезды являлись частью сразу двух созвездий, а некоторые участки звездного неба вообще не входили ни в одно созвездие.

В начале 19-го века была попытка провести четкие линии между созвездиями, но общего мнения относительно расположения их на небосводе не было.

Решением Римской Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза в 1922 году были утверждены 88 созвездий, а пять лет спустя были проведены между ними четкие линии. Хотя эти линии могут не совпадать с нынешними из-за микронаклона земной оси.

47 из 88 созвездий были известны уже в древности, в частности, их названия происходят из мифологии Древней Греции. Названия остальных созвездий произошли уже в 17–18 веках в процессе изучения южного неба.

12 созвездий, проходящих через Солнце, традиционно называют зодиакальными.

Официальный список созвездий:

Андромеда

Близнецы

Большая Медведица

Большой Пес

Весы

Водолей

Возничий

Волк

Волопас

Волосы Вероники

Ворон

Геркулес

Гидра

Голубь

Гончие псы

Дева

Дельфин

Дракон

Единорог

Жертвенник

Живописец

Жираф

Журавль

Заяц

Змееносец

Змея

Золотая рыба

Индеец

Кассиопея

Киль

Кит

Козерог

Компас

Корма

Лебедь

Лев

Летучая рыба

Лира

Лисичка

Малая Медведица

Малый конь

Малый лев

Малый пес

Микроскоп

Муха

Насос

Наугольник

Овен

Октант

Орел

Орион

Павлин

Паруса

Пегас

Персей

Печь

Райская птица

Рак

Резец

Рыбы

Рысь

Северная Корона

Секстант

Сетка

Скорпион

Скульптор

Столовая гора

Стрела

Стрелец

Телескоп

Треугольник

Тукан

Феникс

Хамелеон

Центавр

Цефей

Циркуль

Часы

Чаша

Щит

Эридан

Южная гидра

Южная корона

Южная рыба

Южный крест

Южный треугольник

Ящерица

Скрытое вещество Гало

При наблюдении с Земли нашей Вселенной и глубинном математическом и спектральном анализе видимой ее части астрономы пришли к выводу, что видимая Вселенная это только часть той Вселенной, которую мы можем изучать при помощи всевозможных телескопов и прочих устройств для исследования ее с Земли. Ученые пришли к такому выводу, рассчитав скорость движения некоторых галактик (В первую очередь, в скоплении Волос Вероники). Расчеты проводились по наблюдаемым скоростям движения галактик. Массы галактик, определяемые по скоростям, не соответствовали вычислению их по спектральному анализу. Получалось так, что скоростной анализ выводил результат, согласно которому массы галактик не соответствовали результатам вычислений по красному смещению. Из результатов этих анализов напрашивался вывод: большую часть объектов мы разглядеть вообще не в состоянии.

Другим подтверждающим фактом является то, что при такой массе скорости удаленных от центра звезд должны уменьшаться, а они не только не уменьшаются, но в отдельных случаях даже повышаются.

Во Вселенной нередко наблюдается такое явление – гравитационная линза. Это искажение видимости более дальних объектов более ближними за счет сил гравитации. Эта гравитация может исходить от малых планет (таких как Юпитер), черных и нейтронных дыр, карликовых звезд. Еще в этом могут принимать участие элементарные частицы (типа протонов, нейтронов.), которые нам неизвестны, и которые мы воспроизвести в земных условиях не можем. Это могут быть элементарные частицы с экзотическими физическими характеристиками.

Мы с уверенностью можем констатировать, что Вселенная на 1 % состоит из звезд, на 4 % из межзвездного газа и 95 % из неизвестно чего. Но видимая часть Вселенной продолжает изучаться, пускай и знания о ней, с учетом присутствия в ней скрытого вещества, являются неполными. При этом все, что мы уже узнали о Вселенной, является достоверным.

Обзор планет Солнечной системы