Астрофизика небесных тел. 1. Планетарное строение на примере солнечной системы
 Скачать 0.75 Mb.
|
|
1. Планетарное строение на примере солнечной системы. Солнечной системой называют систему небесных тел, в состав которой входит Солнце и множество других астрономических объектов, вращающихся вокруг него. Это планеты, спутники планет, астероиды и другие тела. Солнечная система не уникальна, на сегодняшний день обнаружены тысячи других планетных систем. Располагается Солнечная система в галактике Млечный путь, в районе, известном как Рукав Ориона. До сих пор не единого мнения о том, где следует проводить границы нашей планетной системы. Ряд ученых предлагают учитывать влияние солнечного ветра на межзвездное пространство. Там, где ветер останавливается межзвездным веществом, проходит граница, которую называют гелиопаузой. Гелиопауза находится на расстоянии примерно в 113–120 астрономических единиц (а.е.) от Солнца. Однако некоторые астрономы выделяют ещё и гравитационную границу Солнечной системы, или сферу Хилла. Она ограничивает участок космического пространства, в котором солнечная гравитация преобладает над гравитацией других звезд. Для Солнца такая сфера имеет радиус примерно в световой год, или 63 тыс а.е.  Рис.1. Модель Солнечной системы Главным телом в Солнечной системы является, естественно, Солнце. На него приходится 99,86% массы всей Солнечной системы. На сегодняшний день достоверно известно о 8 планетах, вращающихся вокруг светила. Из них ближайшие четыре относятся к планетам земного типа, а следующие четыре являются газовыми гигантами. Между этими двумя группами располагается пояс астероидов, который называют главным, а за орбитой Нептуна, последнего газового гиганта, находится ещё одно скопление астероидов, пояс Койпера. В 2006 году был введен новый термин – карликовая планета. Они похожи на обычные планеты, а отличаются только тем, что на их орбите есть другие крупные тела. На 2019 год 5 объектов получили статус карликовых планет, но, по оценкам астрономов, их может быть значительно больше. В состав планетной системы включают и спутники, вращающиеся вокруг планет. Некоторые из них, например, Ганимед и Титан, настолько велики, что превосходят по размерам Меркурий, самую маленькую из планет.  Рис.2. Иллюстрация Солнца Солнце – это одна из сотни миллиардов звезд Млечного пути. Его диаметр равен примерно 1,4 млн км, то есть он более чем в 100 раз превышает диаметр Земли. Масса светила оценивается в 2•1030 кг. Эта огромная величина, которая больше массы Земли в 333 тыс раз. На поверхности Солнца температура составляет 5500° С. Однако над поверхностью есть область, которая называется короной. Интересно, что ее температура может достигать 1,5 млн градусов. До сих пор непонятен механизм, из-за которого солнечная корона так сильно нагревается. В центре светила располагается ядро диаметром 300 тыс км. Температура здесь оценивается в 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Столь экстремальные условия являются необходимыми для реакции термоядерного синтеза. В ходе нее атомы водорода объединяются и превращаются в гелий, а также выделяется тепло. Именно этот процесс и является основным источником тепла для всей Солнечной системы. На сегодняшний день в Солнце состоит на 73,4% из водорода и на 24,9% из гелия. Понятно, что в ходе термоядерного синтеза водород исчезает (каждую секунду расходуется более 4 млн тонн этого элемента), поэтому раньше его доля в составе звезды была больше, в будущем же она будет сокращаться.  Рис.3. Иллюстрация планет Солнечной системы Плоскость, в которой лежит орбита Земли, называется эклиптикой. С высокой степенью точности можно утверждать, что орбиты всех остальных планет лежат в этой же плоскости, максимальное отклонение в 7° наблюдается у Меркурия. При этом все планеты крутятся в одну сторону, что является косвенным доказательством того факта, что когда-то всё вещество Солнечной системы было единым целым. Движение планет хорошо описывается законами Кеплера. Согласно им, орбиты представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которого располагается Солнце. Ближайшая к звезде точка орбиты называется перигелием, а наиболее отдаленная носит название афелий. Скорость движения планет меняется. Она возрастает при приближении к перигелию и падает при приближении к афелию. Планеты, расположенные ближе к светилу, совершают один оборот за меньший промежуток времени. Планеты не только вращаются вокруг звезды, но и крутятся относительно собственной оси вращения. Условно считают, что 1 поворот вокруг звезды соответствует году на планете, а поворот вокруг собственной оси соответствует одним суткам. Так, на юпитерианские сутки равны примерно 10 часам, а юпитерианский год равен 11,86 земным годам. Планеты земной группы объединяет то, что они имеют твердую оболочку, над которой сразу начинается атмосфера. Их размеры относительно невелики, и у них либо очень мало спутников, либо их вообще нет. У землеподобных планет нет колец, как у Сатурна. Состоят планеты в основном из твердых пород и тяжелых элементов: кислорода, железа, кремния. Считается, что в центре каждой планеты земной группы находится металлическое ядро, окруженное мантией, в которой преобладает кремний. На поверхности же располагается относительно тонкая кора. Внешние планеты Солнечной системы являются так называемыми газовыми гигантами. Они очень велики по своим размерам (в сравнении с Землей) и не имеют твердой поверхности, на которую хотя бы теоретически мог бы высадиться человек. Значительную их часть составляет атмосфера, которая на низких высотах из-за роста давления превращается в жидкость. При этом четкой границы между жидким океаном и атмосферой нет. Под океаном в условиях ещё более высокого давления находится твердое ядро. Состоят планеты-гиганты в основном из водорода, его доля колеблется от 80% у Нептуна и до 96% у Сатурна. Вторым по распространенности является гелий. На все остальные элементы приходится не более 1-3%. У всех планет-гигантов много спутников, крупнейшие из которых по размерам превышают габариты карликовых планет. Также вокруг каждой планеты-гиганта есть кольца, которые заметнее всего у Сатурна. 2. Структура Галактики «Млечный путь» В структуре Млечного Пути выделяют три основные части: диск диаметром около 30 килопарсеков (около 100 000 св. лет), центральное сферическое вздутие балдж (англ. bulge) и гало, которое простирается на большое расстояние. Большая часть газовых и пылевых облаков вместе с множеством ярких молодых звезд лежат в плоскости диска, собираясь в спиральные рукава, отходящие от центра. Наша Солнечная система располагается в средней части спирального рукава в 8 килопарсеках от центра Галактики. Плоскость орбит планет Солнечной системы образует угол приблизительно 60° с плоскостью галактического диска, поэтому полоса Млечного Пути на небосводе наклонена к плоскости эклиптики (см. рис. 4).  Рис.4. Структура Млечного Пути Балдж имеет форму огромного немного уплощенного мяча для регби, в нем велика плотность звезд. Гало имеет форму, близкую к сферической, и содержит ряд шаровых звездных скоплений, отдельные звезды и горячий газ. Плотность вещества в гало ниже, чем в диске и балдже, а простирается оно дальше диаметра диска. Солнце движется вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Но ввиду огромных размеров Галактики полный оборот Солнце совершает за 220 миллионов лет, т. е. за время, прошедшее с гибели динозавров (65 миллионов лет назад), Солнце прошло только около четверти своей орбиты. Галактика выглядит (с учетом разницы в размерах) как Солнечная система в процессе ее формирования. В частности, подобно тому как дальние от Солнца планеты совершают оборот за большее время, чем ближние, внутренние части Галактики обращаются быстрее внешних. Это приводит к образованию спиральных рукавов и объясняет их изогнутую форму. Полное число звезд различных масс, возрастов и светимостей в Галактике оценивается в несколько сотен миллиардов, лишь небольшая их часть доступна наблюдению даже в крупные телескопы. Расстояния между соседними звездами в диске Галактики велики (световые года): например, от Солнца до ближайшей соседней звезды расстояние 4,2 световых года. Вблизи ядра Галактики плотность звезд значительно больше, чем в диске, и расстояния между звездами меньше в 1500 раз. В центре Галактики в кубе со стороной 1 световой год может быть более 10 млн звезд, на краю диска звезды встречаются значительно реже. Но явной внешней границы у Галактики нет. Кроме звезд, в Млечном Пути есть много межзвездного вещества в виде облаков газа и пыли (около 15 % массы звезд). Газ и пыль распределены в Галактике неоднородно, нередко в ней наблюдаются темные облака пыли, которые заслоняют находящиеся за ними звезды. Но если эти плотные облака освещены яркими звездами, то они отражают этот свет и становятся видимыми. Если вблизи или внутри газопылевого облака имеется горячая звезда, то она возбуждает свечение газа, и мы видим светящуюся туманность. 3. Структура Вселенной Вселенная — это весь материальный мир, разнообразный по формам, которые приобретает материя и энергия. Вселенная состоит из пустот (войдов) и галактических нитей, которые можно разбить на сверхскопления, скопления, группы галактик, а затем и на галактики. Галактики состоят из звезд, звездных скоплений, межзвездного газа, пыли и темной материи. Звезды или группы звезд образуют звездные системы. В их состав могут входить незвездные объекты (планеты, спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль), которые образуют планетные системы.  Рис.5. Вселенная в пределах 500 млн световых лет, показывает ближайшие галактические стены и сверхскопления Войды (от англ. void — пустота) — участки космического пространства, в которых концентрация галактик в десятки раз меньше средней. Они окаймлены скоплениями и сверхскоплениями галактик. Размеры войдов составляют около 10-30 мегапарсек. Большие войды (англ. supervoids) могут достигать в размерах 150 мегапарсек и вероятно охватывают около 50% объема Вселенной. Галактические нити (англ. galaxy filament) — крупнейшие из известных космических структур Вселенной в форме нитей из галактик со средней длиной 50-80 мегапарсек (163-260 миллионов световых лет), лежащие между большими пустотами (войдами). Нити могут формировать «большие стены» — относительно плоские структуры скоплений и сверхскоплений. Сверхскопления галактик (англ. supercluster) — физически связанные сплющенные группировки скоплений галактик и групп галактик. Группы и скопления галактик образуют вытянутые волокна (цепочки). Протяженность цепочек 10-100 мегапарсек, толщина около 1 мегапарсек. Богатые скопления (то есть такие, которые состоят из большого количества членов) расположены на концах цепочек или в местах их разветвления. Сверхскопление содержит сеть волокон (или одно волокно) и одно или несколько богатых скоплений. Соседние сверхскопления соединены цепочками. Между цепочками сверхскоплений расположены войды. Скопления галактик (англ. galaxy cluster) — гравитационно связанные системы галактик, размеры которых могут достигать 108 световых лет. Массы скоплений варьируются от 1013 до 1015 масс Солнца. Выделяют три вида скоплений: регулярные, иррегулярные, промежуточные. Регулярные (или правильные) скопления имеют округлую форму в проекции на небесную сферу, их характеризует значительный рост концентрации к центру. Иррегулярные (или неправильные) скопления характеризуются неправильными внешними контурами и уменьшением концентрации к центру. Группы галактик (англ. galaxy group) — пространственно отделены и гравитационно связанные объединения галактик, которые насчитывают до ста членов. Объединения с количеством членов более ста обычно называют скоплениями галактик, хотя четко определенной границы между ними нет. Галактика (англ. galaxy) — гравитационно связанная система из звезд, звездных скоплений, межзвездного газа, пыли и темной материи. Галактики (за исключением нашей) — чрезвычайно далекие астрономические объекты. В видимой части Вселенной есть около двух триллионов галактик. В пространстве они распределены неравномерно. Галактики отличаются большим разнообразием. Среди них можно выделить: шаровидные эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой (баром), карликовые, неправильные и т.д. Масса галактик варьируется от 107 до 1012 масс Солнца. Диаметр галактик — от 5 до 250 килопарсек (16-800 тысяч световых лет). Самая большая известная галактика IC 1101 имеет диаметр более 600 килопарсек. Звезда (англ. star) — огромное раскаленное, самосветящееся небесное тело, в недрах которого эффективно происходят (или происходили) термоядерные реакции. Форма звезд близка к сферической. Есть как одиночные, так и кратные звезды (двойные, тройные и т.д.). В зависимости от температуры поверхности звезды бывают голубыми, белыми, желтыми и красными. Массы звезд изменяются от 0,05 до 80 масс Солнца. Звездное скопление (англ. star clusters) — гравитационно связанная группа звёзд, которая имеет общее происхождение и подвижная в гравитационном поле галактики как единое целое. Звездная система (англ. star system) — это система, состоящая из звезды или группы звезд, и, возможно, планетных систем из меньших тел, объединенных гравитацией. Планетная система (англ. planetary system) — незвездные объекты, вращающиеся вокруг материнской звезды. Это могут быть планеты, спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. Планета (англ. planet) — это небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды или ее остатков, достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции, и которое сумело очистить окрестности своей орбиты. Спутник (англ. satellite) — небесное тело, вращающееся по определенной траектории (орбите) вокруг другого объекта в космическом пространстве под действием гравитации. Астероид (англ. asteroid) — твердое небесное тело диаметром от 1 до 1000 км, которое движется по орбите в звездной системе. Метеороид (англ. meteoroid) — небольшое твердое небесное тело, движущееся в межпланетном пространстве. Комета (англ. comet) — небольшое тело звездных систем, которое вращается вокруг звезды и имеет так называемую кому (атмосферу) и/или хвост. Кома и хвост кометы — это последствия испарения поверхности ядра кометы под действием солнечного излучения. Ядро состоит из льда и мелких пористых каменистых частиц. Ядра имеют диаметры от нескольких сотен метров до десятков километров. Космическая пыль (англ. cosmic dust) — частицы в космосе размером от нескольких молекул до 0,1 мм. Межзвездный газ (англ. interstellar gas) — газ, заполняющий пространство между звездами. Он прозрачен в видимом свете. Средняя концентрация атомов межзвездного газа составляет менее 1 атома в 1 см³. Темная материя (англ. dark matter) — один из компонентов Вселенной, существование которого обнаружено недавно только по гравитационным воздействиям на видимую материю и на фоновое излучение, поскольку она не излучает и не рассеивает электромагнитное излучение, а также не участвует в сильном (ядерном) взаимодействии.  |