Общие черты астрономии. ЛЕКЦИИ ПО АСТРОНОМИИ. Астрономию, с древнегреческого наука о законах, которым подчиняются звезды ( звезда закон). Если расширить понятие и не ограничиваться звездами, это наука о движении и взаимодействии внеземных объектов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Массу Галактики оценили по тому гравитационному притяжению, которое удерживает ее звезды. Оказалось, что масса той части Галактики, которая лежит внутри орбиты Солнца, составляет не менее 1011 MСолнца, а общая масса Галактики 2∙1012MСолнца. Результаты, полученные по закону всемирного тяготения, озадачили астрономов. Потому что, когда они сложили массы всех видимых звезд и межзвездного газа, то получили существенно меньшую величину. И если масса всего, что мы видим, меньше массы, которая есть по расчетам, то остается предположить, что остальную массу мы не видим, ее можно обнаружить только по ее гравитационному воздействию. Материю, обладающую такими свойствами, назвали темной материей. Темная материя – это одна из тайн в современной астрономии. Свойства темной материи изучать очень трудно, так как она действительно темная – не излучает ничего. Ученые могут только приблизительно оценить ее массу в Млечном Пути и в других галактиках. Неопределенность природы темной материи и общей массы Галактики затрудняет подсчет числа звезд в Млечном Пути. Остается только предположить, что средняя масса звезды близка к массе Солнца, тогда общее их число в Галактике будет около 1011 (ста миллиардов). Каждая из них движется по своей орбите под действием суммарного гравитационного поля остальных звезд, межзвездной пыли и газа и темной материи. Не все звезды Галактики имеют одинаковый возраст, некоторые звезды образуются прямо сейчас. Возрастом Галактикиможно считать возраст (то есть время, прошедшее с рождения) самых старых звезд – это около 13 млрд лет. Возраст звезды, как мы говорили ранее, определяют по ее светимости, массе, типу. Таким образом, за 13 млрд лет образовалось 100 млрд звезд, т. е. каждый год в Галактике рождается 7–8 звезд. Правда, темп образования звезд в молодой Галактике, вероятно, был выше. Поговорим о звездах, которые входят в состав Галактики. Больше всего в Галактике тусклых, холодных красных карликов – звезд, лежащих на главной последовательности H-R диаграммы внизу, их массы 0,1–0,5 солнечных масс. Средняя масса звезд близка к массе Солнца (немного меньше). Звезд с массой более 30 солнечных в Галактике очень немного. Самые распространенные в Галактике звезды – красные и коричневые карлики – мы почти не видим, так как они очень тусклые. Ночной небосвод заполняют в основном редкие, но яркие гиганты, которые видны, даже если они расположены очень далеко от нас (см. рис. 4). Условно звезды Галактики делят на две популяции (иногда их называют двумя населениями). Звезды разных популяций отличаются: положением в Галактике, характером движения, составом, цветом и возрастом (см. рис. 5).  Параметры звезд Галактики разных популяций Не следует считать разделение на две популяции точным, оно является модельным упрощением, не все звезды можно уверенно отнести к одной из популяций. Существует гипотеза, что звезды популяции II образовались в период начального коллапса, а звезды популяции I образовались позже и продолжают образовываться сейчас. В Галактике существуют скопления (кластеры) звезд, которые удерживаются на сравнительно близких расстояниях друг от друга взаимным притяжением. Обратите внимание: кластеры – это не созвездия. В созвездиях звезды только кажутся близкими на небосводе, а в реальности могут располагаться очень далеко друг от друга. Звезды в таких скоплениях связаны не только пространственной близостью, но и общим происхождением и движением, как единое целое. Кроме звезд скопления содержат облака газа и пыли. Выделяют два основных типа скоплений: рассеянные и шаровые.  Расчеты показывают, что в центре Млечного Пути есть черная дыра. Центр Галактики наблюдать нелегко, так как видимый свет располагающихся вблизи центра объектов загораживают пылевые облака. Поэтому для наблюдения за центром Галактики используют другие диапазоны излучения (радио, инфракрасный, рентгеновский), которые позволили заглянуть за пылевые облака. Обнаружилось, что на расстоянии около 10 а.е. (это размер орбиты Юпитера) вокруг центра Галактики звезды вращаются со скоростью много сотен километров в секунду. Удержать такие быстрые звезды на орбитах может только очень сильное гравитационное поле, которое может создать только объект с массой, равной 4 миллионам солнечных. Но такого объекта астрономы в центре Вселенной не видят. Следовательно, это черная дыра. Вероятно, эта черная дыра образовалась от слияния множества черных дыр массой около 10 солнечных, являвшихся остатками взрывов сверхновых. Как мы говорили ранее, такими взрывами заканчивается эволюция массивных звезд. Образовавшаяся в центре Галактики черная дыра продолжает втягивать в себя межзвездное вещество и увеличиваться. Огромные ускорения поглощаемых черной дырой объектов вызывают интенсивное рентгеновское излучение, обнаруживаемое в центре Галактики. Как и отдельные звезды, Галактика постоянно меняется, и можно сделать предположения о ее эволюции. Межзвездный газ постоянно используется при образовании звезд. И хотя при гибели звезд часть их вещества возвращается в пространство в виде газопылевых облаков, но звездный ветер (аналогичный солнечному) и такие остатки сверхновых, как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, из этого процесса исключаются. Поэтому в Млечном Пути уменьшается количество межзвездного вещества для образования звезд. Другие звездные системы За пределами нашей Галактики видимая часть Вселенной заполнена звездами, которые также можно выделить в десятки миллиардов других звездных систем. Эти далекие огромные звездные облака также назвали галактиками (только со строчной буквы). Некоторые галактики похожи на Млечный Путь, другие отличаются формой, размерами или составом. В настоящее время природа таких различий еще не ясна астрономам, например, не ясно, почему одни галактики имеют форму диска, а другие – яйца. Только несколько галактик видны без телескопа, они выглядят на небосводе как очень тусклые объекты. В Северном полушарии осенью и зимой в созвездии Андромеды можно видеть бледное вытянутое пятно . Так она выглядит в телескопе. Раньше галактики принимали за облака звездной пыли, далекие звездные скопления. Только в 20-х годах прошлого века астрономы пришли к согласию в том, что многие такие объекты являются полноценными галактиками. Многие из них каталогизированы, получили имена, звездные координаты, фотографии, описания и т. п. Поговорим о классификации галактик. Американский астроном Хаббл (в честь него назван космический телескоп, позволяющий получать фотографии самых удаленных космических объектов) разделил галактики по форме на три типа: спиральные, эллиптические и неправильные. Мы знаем, что Млечный Путь является спиральной галактикой. Спиральные галактики могут иметь особенности, например, спиральные рукава могут начинаться не от центра галактики, а от концов «перемычки». Эллиптические галактики не имеют диска или спиральных рукавов, по форме они напоминают мяч (иногда мяч для регби). Звезды в них распределены практически равномерно по трем измерениям, разумеется, при уменьшающейся плотности звезд при удалении от центра. В эллиптических галактиках не обнаруживаются массивные голубые звезды. Галактики, названные неправильными, не похожи ни на спиральные, ни на эллиптические. Они меньше по размерам и выглядят как случайная смесь звезд и газовых облаков. Часто они бывают голубоватого света, потому что в них большую часть занимают звездные скопления с молодыми голубыми гигантами. Так выглядит в телескопе неправильная галактика Малое Магелланово Облако. Эта галактика видна невооруженным глазом (в Южном полушарии). Первым эту галактику целенаправленно наблюдал и описал Магеллан во время своего путешествия. При изучении спектров галактик было обнаружено, что большая часть спектральных линий в них сдвинута в сторону длинных волн (к красному концу спектра). Это явление назвали красным смещением, оно характерно для большинства галактик, за исключением самых близких к нам. Эффект Доплера Представьте себе источник волн, который излучает волны, и приемника, который их улавливает. Мы не конкретизируем природу волн – электромагнитные или механические – явление, о котором пойдет речь, наблюдается для любых волн. Оказывается, если источник и приемник движутся друг относительно друга в направлении распространения волн (то есть отдаляются или приближаются), то волна, принятая приемником, будет иметь длину волны, отличную от длины волны, испускаемой источником. Например, когда мимо нас проезжает автомобиль с включенной сиреной, при его приближении (когда он движется к нам) звук сирены звучит для нас как для приемника волн более высоким, а при отдалении – более низким. Слышны и изменения в звуке двигателя автомобиля  Рис Эффект Доплера Звезды являются источниками электромагнитных волн, и, если они движутся, длины принимаемых нами от звезд волн тоже должны изменяться. Так и есть. Только как обнаружить изменение, откуда мы знаем, волна какой длины излучается? Спектры излучения звезд являются линейчатыми, и набор линий строго определен составом звезды. Вот относительно длин волн этих линий мы и обнаруживаем смещение. Пусть λ – наблюдаемая длина волны определенной спектральной линии движущегося объекта, λ0 – длина волны этой линии, наблюдаемая в лабораторных условиях. Тогда скорость объекта  c – скорость света.Согласно эффекту Доплера, о котором вы можете узнать в ответвлении, красное смещение галактик говорит о том, что галактика удаляется от нас. При этом чем больше смещение, тем больше скорость удаления объекта. Оказывается, что скорость удаления галактики (величина красного смещения) тем больше, чем дальше от нас галактика. Т. е. все галактики «разбегаются» от нас. Но мы ничем не выделены во Вселенной, не являемся ее центром. Поэтому все галактики разбегаются от любого наблюдателя, т. е. явление красного смещения – это свойство пространства. Хаббл вывел простую формулу для этого эмпирического факта, названного законом Хаббла:  где  – скорость удаления галактики, d – расстояние до нее, H – постоянная Хаббла. Значение H зависит от выбора единиц измерений. принято измерять в км/с, а d – в мегапарсеках (Мпк), тогда H ≈ 70 км/(с∙Мпк). Верно и обратное: чем быстрее движется галактика (чем больше красный сдвиг спектральных линий), тем дальше она от наблюдателя. Поэтому формула Хаббла позволяет найти расстояние до галактики по красному смещению ее спектра. Формулу Хаббла нельзя применять для ближайших к Млечному Пути галактик, так как на их скорость оказывает влияние Млечный Путь. Эту формулу нельзя применять и для группы совместно движущихся галактик, например, когда две галактики вращаются вокруг общего центра масс.Говоря о массе нашей Галактики, мы ввели модель темной материи. Для других галактик тоже характерна такая нестыковка видимой и расчетной масс. Массу галактики можно определить двумя способами. Во-первых, зная светимость галактики и деля ее на светимость всех ее звезд, мы получаем количество звезд в галактике. Умножая это число на массу средней звезды, получаем полную массу. Во-вторых, мы, как и в случае Млечного Пути, можем получить массу галактики, измеряя скорости движения звезд, скоплений звезд, газовых туманностей на различных расстояниях от центра. Массы, определенные двумя способами, не совпадают, вторая больше на существенную величину (иногда на десятки процентов). Считается, что различие создается темной материей, сосредоточенной в центре галактики. Классифицировать галактики можно не только по форме и размерам. Поговорим о других признаках. Активными называют галактики, у которых в ядрах есть небольшие участки, излучающие необычайно много энергии. Некоторые из таких галактик излучают из области размером в 1 св. год столько энергии, сколько излучает весь Млечный Путь. Иногда активные галактики выбрасывают узкие струи газа, движущегося со скоростями порядка 10 000 км/с. Приблизительно 10 % всех галактик являются активными . Квазар – это сокращение от английского выражения quasi-stellarradiosource (похожий на звезду радиоисточник). Квазары выглядят как очень слабые звезды, но по мощности своего радиоизлучения (светимости в радиодиапазоне) они являются самыми яркими объектами на небе, превосходя в этом Млечный Путь в 1000 раз. В радиодиапазоне также обнаруживается смещение спектральных линий, и по формуле Хаббла получается, что квазары находятся на расстоянии порядка 10 млрд св. лет от Земли. Для объяснения сверхмощных излучений ядрами активных галактик и квазарами была предложена модель сверхмассивной черной дыры, содержащей от миллиона до нескольких миллиардов солнечных масс вещества. Вокруг черной дыры имеется так называемый аккреционный диск, по которому вещество (звезды, межзвездный газ и т. п.), как воронкой, засасывается черной дырой. Трение при вращательном движении и гравитация при движении к черной дыре разогревают газ настолько, что он может из небольшого объема излучать много энергии, причем в очень широком диапазоне длин волн Средние расстояния между звездами в миллионы раз больше размеров звезд. Средние расстояния между галактиками больше размеров галактик только в десятки раз. То есть галактики в сравнении со своими размерами сближены значительно теснее, чем звезды. Поэтому неудивительно, что галактики чаще, чем звезды, образуют скопления галактик. Так Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы Облака и другие близкие к нам звездные системы образуют так называемую Местную группу. Галактики Местной группы связаны тяготением и движутся вокруг общего центра масс. Сейчас известно около 4000 скоплений галактик. Средний размер скопления 8 Мпк (26 млн св. лет). Кроме галактик, скопления содержат газ. Как показали наблюдения на космических рентгеновских телескопах, скопления галактик являются мощными источниками рентгеновского излучения, которое испускает нагретый до температуры свыше 109 К очень разреженный межгалактический газ. Его концентрация оказалась небольшой: около 1000 атомов водорода в 1 м3. Но общее количество межгалактического газа сравнимо с массой всех галактик в скоплении. Чтобы удержать горячий газ в скоплении, необходима большая сила тяготения. Полная масса галактик, входящих в скопление, для этого недостаточна. Астрономы пришли к выводу, что и скопление должно быть заполнено большим количеством темной материи, способной удержать его от разрушения. . Жизнь во Вселенной По данным радиоуглеродного анализа ископаемых, жизнь на Земле существует по крайней мере 3,8 млрд лет (большую часть времени существования нашей планеты). Естественно, что в 600 млн лет существовали только примитивные формы жизни, сложные организмы возникли позже в результате биологической эволюции. Длительность существования и единство всех форм жизни на Земле указывают на то, что жизнь возникла из единого источника вскоре после образования Земли. Экспериментально доказано, что химические предшественники организмов (органические соединения, нуклеиновые и аминокислоты и т. п.) вполне могли возникнуть в условиях, существовавших на молодой Земле. Поэтому не представляется чем-то невозможным, что такие же условия могут или когда-то могли существовать еще где-то во Вселенной, и многие астрономы верят в то, что жизнь зарождалась во многих других местах Вселенной. Однако до сих пор все поиски ее в космосе были безрезультатными. Это не означает, что внеземной жизни нет, просто нам неизвестен достоверный факт, что она есть. Доказательств существования внеземной жизни действительно нет, но «отсутствие доказательств не то же самое, что доказательство отсутствия». Даже если бы жизнь существовала на многих объектах Солнечной системы, вряд ли мы ее смогли бы обнаружить в тех немногих местах, где люди или автоматические станции уже побывали. На Луне нет воды и атмосферы, и поиск жизни на ней бесперспективен. Марс кажется более подходящим для поиска жизни. Хотя условия там суровые, но все-таки Марс – самая похожая на Землю планета. Моделируя в лаборатории марсианские условия, ученые доказали, что некоторые земные организмы (бактерии и лишайники) на Марсе могли бы выжить, хотя не смогли бы нормально развиваться и размножаться. Известно, что в прошлом условия на Марсе были не так суровы. Например, на его поверхности обнаружены следы водных потоков, это указывает на то, что климат тогда был теплее, а атмосфера плотнее. И хотя жизнь на Марсе так и не была обнаружена, существуют проекты более тщательного поиска там ее следов (может быть, она была там прежде). Другие объекты Солнечной системы, где имеет смысл искать жизнь, – это подледные океаны таких спутников планет-гигантов, как Европа, Ганимед или Энцелад. Благодаря приливному сжатию и внутреннему радиоактивному нагреву вода подо льдом остается жидкой. Условия там похожи на те, что были в океане с подводными вулканами на молодой Земле. Сейчас разрабатываются проекты доставки подводных исследовательских аппаратов в океаны таких спутников. Основная проблема таких проектов – необходимость преодолевать многокилометровый слой льда.  Рис.. Проект исследования подледных водоемов спутников Сейчас считается, что жизнь на Земле возникла спонтанно, а не занесена из космоса. Однако считать это твердо доказанным нельзя. Например, на Землю падали метеориты с Марса. Эти метеориты образовывались при столкновениях с астероидами, астероид выбивает большой кусок поверхности Марса, который в качестве метеорита может достигнуть Земли и перенести на нее марсианский биологический материал (конечно, если он был в этом куске поверхности). Во всяком случае некоторые органические вещества в таких метеоритах обнаруживались. Падения таких метеоритов случались в ранней Солнечной системе достаточно часто, и, возможно, мы все являемся потомками древних микроскопических марсиан. Это не обязательно были марсиане, простые организмы могли попасть на Землю не только из Солнечной системы, потому что, будучи «запечатанными» в каменный метеорит, они могут перенести суровые условия длительного космического путешествия. Гипотеза заселения Земли организмами, возникшими где-то далеко во Вселенной, называется панспермией. Эта теория была популярна сто лет назад, но теперь понятно, что она не объясняет происхождение жизни, а просто переносит это событие куда-то далеко от Земли. С вероятными «обитаемыми» местами в Солнечной системе разобрались, но одиноки ли мы во Вселенной? Может быть, где-то в сотнях световых лет от нас существует планета, где ученики тоже изучают астрономию и обсуждают проблему существования жизни на других планетах и, в частности, на Земле. Одна группа ученых считает, что в огромной Галактике могут быть миллионы планет, где возникла жизнь, и среди них есть такие, где развилась цивилизация. Другая группа считает, что вероятность развития интеллекта настолько мала, что вряд ли где-то вне Земли есть еще одна цивилизация, по крайней мере в нашем ее представлении. Рассмотрим аргументы в пользу множественности обитаемых миров. Сторонники идеи множественности обитаемых миров рассуждают следующим образом. На Земле жизнь возникла и развилась цивилизация. Таких планет, как Земля, в одном только Млечном Пути множество. Чтобы оценить их число, сначала прикинем, сколько в Галактике звезд с массой, приблизительно равной массе Солнца. Оказывается, их около 10 % от общего числа звезд в Галактике, т. е. 1/10 от 1011 = 1010. Следующий вопрос: у скольких из них есть планеты, похожие на Землю? То есть имеющие жидкую воду. А это в основном зависит от наличия атмосферы и ее температуры, т. е. от типа звезды (ее светимости) и расстояния до планеты. Если считать, что таких планет будет тоже 1/10 от числа солнц, то у 109 планет физические условия подходят для возникновения жизни. Так как мы знаем, что жизнь на Земле развилась, по астрономическим меркам, очень быстро, можно считать, что вероятность возникновения жизни в подходящих условиях достаточно велика, т. е. она скорее порядка 1/100, а не 1/1 000 000. Другими словами, жизнь могла возникнуть в Галактике на 10 млн планетах. Вероятность развития и сохранения цивилизации, которая может погибнуть от внешних (например, столкновения с астероидом) и внутренних (войн, эпидемий и т. п.) причин, эти ученые оценивают величиной 1/1000. Следовательно, из 10 млн планет, где возникла жизнь, на 10 000 возникнет и сохранится развитая цивилизация. Конечно, приведенные оценки очень грубые и, возможно, слишком оптимистичные. Но давайте с ними согласимся и попробуем оценить расстояния между этими цивилизациями. Обратимся к чертежу. Пусть радиус диска Млечного Пути равен R, и пусть в нем есть N цивилизаций, которые равномерно распределены со средним расстоянием между ними d .  Рис. Расстояние между предполагаемыми цивилизациями Галактики Площадь диска Галактики  R2. Он плотно покрыт N цивилизациями радиуса d/ 2. Площадь покрытия (d/ 2)2, следовательно, R2 = N∙ (d/ 2)2, откуда d = 2R/ . Если R = 50 000 св. лет и N = 10 000, то d = 1000 св. лет. Таким образом, даже при завышенных оценках расстояния между цивилизациями так велики, что какая-либо коммуникация между ними невозможна.Аргументы в пользу единственности земной цивилизации. Сторонники этой идеи считают, что их оппоненты завышают вероятности в своих расчетах. Кроме того, они полагают, что цивилизации не вечны и их расцветы могут быть сдвинуты по времени. Так, если бы на Марсе была цивилизация, но всего лишь 200 лет назад по некоторой причине она прекратила свое существование, то мы не могли об этом узнать и связаться с ней, потому что на Земле еще не изобрели радио. Еще один аргумент сторонников единственности – это парадокс, сформулированный итальянским физиком Ферми. Предположим, что бурное технологическое развитие приведет к тому, что через 1000 лет мы сможем совершать путешествия между звездами. Перелетая от звезды к звезде, мы постепенно колонизуем всю Галактику. Даже если перелет от звезды до звезды будет длиться тысячи лет, на колонизацию Галактики нам понадобится только несколько миллионов лет. В масштабах истории Галактики — это ничтожное время и, если бы существовали другие цивилизации, то какие-то из них давно уже побывали бы на Земле. Конечно, Ферми делает некоторые вольные предположения. Например, он считает, (1) что все цивилизации стремятся к экспансии, (2) что цивилизации скорее ищут контакты, чем избегают их, и (3) что все цивилизации стремятся в космос. Изучение планет вне Солнечной системы интересно не только с точки зрения поиска жизни, но и с точки зрения закономерностей строения и эволюции Солнечной системы. Поэтому сотни лет астрономы мечтали обнаружить планеты, вращающиеся не вокруг Солнца, а вокруг других звезд Галактики. Но увидеть даже в мощный телескоп такие маленькие по сравнению с межзвездными расстояниями несветящиеся объекты было практически невозможно. Наконец в 1995 году первая экзопланета (планета вне Солнечной системы) была обнаружена. К настоящему времени обнаружено уже около 4000 экзопланет. Для поиска планет за пределами Солнечной системы применяют космические телескопы и используют методы, основанные на ослаблении света звезды, когда планета проходит по ее диску и частично заслоняет свет, или по измерению доплеровского смещения спектральных линий в звездном спектре из-за движения звезды вокруг общего центра масс звезды и экзопланеты. Большую часть обнаруженных экзопланет составляют планеты-гиганты. Это естественно, так как планеты типа Земли обнаружить значительно труднее. Таких экзопланет было найдено несколько сотен. Сейчас найдено около 40 экзопланет, движущихся на таких расстояниях от звезды, на которых они получают достаточно тепла для формирования условий, подходящих для возникновения жизни. Для оценки пригодности экзопланеты для жизни был введен индекс подобия Земле. Этот индекс учитывает все известные параметры планеты и ее звезды, которые считаются важными для возникновения жизни.  Теперь основная цель наблюдения экзопланет – обнаружение у них атмосферы и определение ее химического состава. Если в химическом составе атмосферы будут обнаружены кислород, углекислый газ, метан и т. п., то на такой планете возможно наличие жизни. |