11 класс
Квантовая физика. Астрофизика
Глава 12. Элементы астрофизики
Астрономия — наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем.
Астрофизика — раздел астрономии, изучающий физическую основу небесных тел и их взаимодействий.
C древнейших времён наблюдения небесных тел были основой развития наук, в частности математики и физики. Астрономические наблюдения позволяют изучать природу и гравитационное взаимодействие физических тел большой массы, находящихся на огромных расстояниях, процессы, протекающие при очень высоких значениях температуры и давления. Эти условия невозможно воспроизвести в земных физических лабораториях, поэтому именно астрономические методы исследований дают богатый экспериментальный материал для развития многих разделов физики. Среди них — общая и специальная теория относительности, квантовая механика, физика элементарных частиц и ядерная физика. Астрофизика тесно связана с космологией — наукой о происхождении и развитии Вселенной как единого целого.
В данной главе рассказано об основных физических свойствах разных типов небесных объектов — планет и их спутников, комет и астероидов, звёзд на разных стадиях их эволюции, звёздных скоплений, галактик и скоплений галактик. Кроме того, вы познакомитесь с представлениями о строении и эволюции Вселенной.
§ 73. Солнечная система
Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы мира.
Солнечная система включает в себя Солнце, все объекты, обращающиеся вокруг него, — большие и карликовые планеты с их спутниками, астероиды, кометы и межпланетные частицы — метеороиды. Объекты Солнечной системы движутся но небу относительно далёких звёзд. Это позволяло древним астрономам выделять их в особую группу небесных светил — планет. При этом физическая природа Солнечной системы долго оставалась неясной.
До изобретения телескопа человечеству было известно семь объектов Солнечной системы, не считая самой Земли. Это Солнце, Луна и пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Солнце и Луна — самые яркие объекты неба и единственные светила, видимые глазом в виде дисков. Планеты были видны как точечные объекты и отличались от звёзд своим перемещением. Юпитер, изредка Mapc и особенно Венера также выделялись своей яркостью; при хорошей и безоблачной погоде зоркие люди могли увидеть Венеру на дневном небе.
Большинство древнегреческих учёных считали Землю центром всей Вселенной. Солнце, Луна и планеты в этой картине обращались вокруг Земли. Хотя это представление и было ошибочным, точность математического представления, доведённого до совершенства Клавдием Птолемеем, позволяла вычислять положения планет на небе в произвольный момент времени. Но геоцентрическая система мира Аристотеля — Птолемея (рис. 12.1) была чисто кинематической: она не объясняла физическую причину движения небесных тел.
Гелиоцентрическая система мира (рис. 12.2), предложенная польским астрономом Николаем Коперником (1473—1543), давала более простое математическое объяснение характера видимого движения планет. Земля в этой системе также являлась планетой, обращающейся вокруг Солнца. Но и эта теория была кинематической и не описывала в точности видимые движения планет.
Планеты солнечной системы.
Понять физическую основу движения тел в Солнечной системе стало возможно после открытия Кеплером трёх законов обращения планет вокруг Солнца. Их описание было приведено в учебнике физики для 10 класса.
Третий закон Кеплера принимает простой вид, если выразить период T в годах (периодах обращения Земли вокруг Солнца), а среднее расстояние а — в астрономических единицах (а. е.) 1.
1 Напомним, что астрономическая единица — среднее расстояние между Землёй и Солнцем (1 а. е. ≈ 150 млн км).
Тогда постоянная величина в третьем законе Кеплера обращается в единицу. Математическое выражение третьего закона Кеплера можно получить из закона всемирного тяготения для случая круговой орбиты с радиусом а. В соответствии со вторым законом Ньютона
где υ — орбитальная скорость планеты.
Период обращения планеты вокруг Солнца будет равен
Последнее выражение называют обобщённым третьим законом Кеплера. Он может использоваться для описания любого движения тела в центральном поле тяготения. Планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца с массой М. Если тело обращается вокруг другой центральной массы, то отношение T2 / a3 будет иным, и по нему можно будет определить массу центрального тела. Справедливость третьего закона Кеплера была подтверждена для спутников Юпитера, и в дальнейшем это позволило определить массу Юпитера (примерно 318 масс Земли). Подобным образом были определены массы всех планет Солнечной системы (кроме Меркурия и Венеры 2, у которых нет спутников), а также массы многих двойных звёзд.
2 Массы Меркурия и Венеры были в точности определены только в XX в. на основе анализа движения космических аппаратов около этих планет.
После изобретения телескопа прошло много времени, прежде чем в 1781 г. английский астроном Уильям Гершель (1738—1822) открыл седьмую планету — Уран. В ходе наблюдений было замечено отклонение Урана от траектории, соответствующей закону всемирного тяготения. Это отклонение не исчезало, даже если учесть влияние на Уран всех известных больших планет. Учёные предположили, что это вызвано гравитационным воздействием на Уран ещё одной неизвестной планеты. Более того, французскому астроному и математику Урбену Леверье (1811 —1877) удалось вычислить её положение на небе. В указанном им месте в 1846 г. была обнаружена планета Нептун* .
3 Независимо от Леверье аналогичные расчёты выполнил английский математик и астроном Джон Адамс (1819—1892). На основе расчётов Леверье немецкий астроном Иоганн Галле (1812—1910) обнаружил планету Нептун.
Эта планета стала первым объектом, найденным благодаря точным расчётам на основе физических законов. Её среднее расстояние от Солнца составляет около 30 а. е.
Пo своим физическим свойствам восемь больших планет Солнечной системы (рис. 12.3) чётко делятся на две группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).
Планеты земной группы располагаются ближе к Солнцу, имеют меньший размер, более высокую среднюю плотность вещества и твёрдую поверхность. Эти планеты обладают ядрами, богатыми железом. Меркурий, самая маленькая и близкая к Солнцу планета, практически не имеет атмосферы, так как молекулы горячего газа не удерживаются слабым притяжением планеты и улетают в космос. Среди планет земной группы Венера обладает самой плотной атмосферой, состоящей в основном из углекислого газа. Задерживая собственное инфракрасное излучение планеты, он создаёт сильный парниковый эффект, увеличивая температуру поверхности Венеры почти до 500 °C. Несмотря на относительно малое содержание углекислого газа, парниковый эффект наблюдается и на Земле, увеличение температуры составляет 35—40 °C. Атмосфера Марса разрежена, а средняя температура поверхности равна -50 °C.
По сравнению с планетами земной группы планеты-гиганты характеризуются существенно большими размерами и массой, меньшей средней плотностью вещества и не имеют твёрдой поверхности. Самые большие планеты Солнечной системы — Юпитер и Сатурн — примерно в 10 раз больше Земли по размерам. Они состоят в основном из водорода и гелия. Ядра этих планет, находящиеся под огромным давлением, состоят из металлического водорода. Юпитер и Сатурн быстро вращаются вокруг своих осей (примерно за 10 часов), и их диски заметно сплюснуты у полюсов. Отличительной особенностью Сатурна является кольцо 4, заметное уже в небольшие телескопы. Оно очень тонкое (всего около 1 км в толщине) и состоит из отдельных частиц и камней, обращающихся вокруг Сатурна. К настоящему времени тонкие кольца открыты у всех остальных планет-гигантов.
4 Оно было обнаружено в 1656 г. Гюйгенсом.
Значительную часть недр Урана и Нептуна составляет водяной лёд. Как и в случае Юпитера и Сатурна, в их атмосферах много водорода и гелия. Кроме того, водородные соединения — метан, аммиак и сероводород — при низких температурах могут образовывать облака. Уран и Нептун быстро вращаются вокруг своей оси (период около 16 ч).
По современным представлениям, планетная система образовалась около 4,6 млрд лет назад вместе с самим Солнцем. В то время молодая Солнечная система была заполнена большим количеством протопланетных тел разных размеров. В процессе своего движения они могли сталкиваться под действием гравитационных сил, образуя более крупные тела. Менялись и орбиты будущих планет — некоторые тела перемещались ближе к Солнцу, а другие, наоборот, покидали Солнечную систему. Процесс формирования планетной системы в её современном виде занял около 100 млн лет.
Луна и спутники планет.
Планеты Солнечной системы могут сами выступать в роли центральной массы для своих спутников. Спутники есть у всех планет, кроме Меркурия и Венеры, изучение их движения использовалось для определения масс планет. Больше всего спутников у планет-гигантов: у Юпитера к настоящему моменту известно 79 спутников, у Сатурна — 62 спутника. Большая часть спутников имеет малые размеры, но имеются и крупные. В частности, спутник Юпитера Ганимед и спутник Сатурна Титан превосходят по диаметру планету Меркурий (однако они уступают ему по массе). Низкая температура позволяет Титану иметь плотную азотную атмосферу с облаками из жидкого метана. Титан и четыре спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) видны в небольшие телескопы (рис. 12.4). У планеты Уран к настоящему моменту известно 27 спутников, у планеты Нептун — 14 спутников, среди которых наиболее крупным является Тритон.
У планет земной группы спутников гораздо меньше, и ими обладают только Земля и Марс. Спутники Марса — Фобос и Деймос — представляют собой каменные глыбы неправильной формы размером 15—20 км. Единственный естественный спутник Земли — Луна (рис. 12.5) — входит в число семи самых крупных спутников планет Солнечной системы. Но Луна — единственный среди них спутник планеты земной группы, и она уступает своей планете, Земле, по массе всего в 81 раз — для всех остальных спутников это число значительно больше. Поэтому Землю можно называть двойной планетой.
Значительная масса Луны приводит к тому, что и Земля вращается вокруг общего с Луной центра масс. Но так как масса Земли всё же больше, этот центр масс располагается ближе к центру Земли, внутри нашей планеты. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны равно 384 400 км. Как и большинство спутников планет, Луна вращается с одинаковой угловой скоростью вокруг Земли и вокруг своей оси (рис. 12.6, а) и повёрнута к Земле одной стороной. Если бы Луна вообще не вращалась вокруг своей оси (рис. 12.6, б), мы бы видели её разные полушария.
Притяжение Луны вызывает на Земле явление приливов, особенно заметное на скалистых берегах морей и океанов. Приливное взаимодействие приводит к медленному увеличению среднего расстояния между Землёй и Луной (на 4 см в год). На ранних стадиях существования Солнечной системы Луна располагалась значительно ближе к Земле. По современным представлениям, Луна образовалась из множества осколков столкновения молодой Земли с протопланетой размером с Марс, полностью разрушившейся при ударе. «Эти осколки двигались по близкой околоземной орбите, частично объединяясь друг с другом. Столь мощное столкновение стало причиной быстрого осевого вращения Земли, которого нет у Меркурия и Венеры. Угловая скорость Земли раньше была существенно выше, чем сейчас, в настоящее время осевое вращение Земли замедляется. Через несколько миллиардов лет Земля будет повёрнута к Луне одной стороной, как и Луна к Земле, а длительность земных суток увеличится в 50 с лишним раз.
Карликовые планеты и астероиды.
В конце XVIII в. было высказано предположение, что между орбитами Марса и Юпитера должна существовать ещё одна планета. Были начаты её поиски, и 1 января 1801 г. итальянский астроном Джузеппе Пиацци (1746—1826) обнаружил планету, названную Церерой (рис. 12.7).
Она не была видна невооружённым глазом, и её малая яркость указывала на достаточно небольшие размеры (по современным данным, диаметр Цереры составляет около 1000 км). В последующие годы в этой же области Солнечной системы было обнаружено ещё несколько похожих объектов меньших размеров. Стало понятно, что вместо одной планеты был обнаружен новый класс объектов Солнечной системы, которые были названы астероидами («звёздоподобными») или малыми планетами. Большая часть астероидов обращается вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым, и расположенным между орбитами Марса и Юпитера. Некоторые астероиды имели вытянутые эллиптические орбиты и подходили близко к Земле. Сейчас подобные объекты являются объектами особого внимания (в силу астероидной опасности), их орбиты уточняются на основе постоянных наблюдений.
Общее число астероидов в Солнечной системе оценивается в сотни тысяч. Их размеры составляют от долей километра до тысячи километров. В течение многих десятилетий между учёными продолжались дискуссии о происхождении астероидов. Было высказано предположение, что искомая планета между Марсом и Юпитером действительно существовала, но по каким-то причинам была расколота на части, которые мы и наблюдаем в виде астероидов. Гипотетическая планета даже получила название Фаэтон. Однако подобная гипотеза не объясняла ряд некоторых наблюдаемых фактов, в частности малую массу астероидов. Даже будучи собранными вместе, астероиды образуют объект, в 1000 раз уступающий по массе Земле. В настоящее время считается, что астероиды представляют собой остаток «строительного материала» для планет, а Фаэтон, напротив, не смог образоваться из-за гравитационного воздействия Юпитера на движение протопланет в этой области Солнечной системы.
В XX в., с увеличением размеров и проницающей силы телескопов, стало возможным открывать не только малые астероиды «главного пояса» (между Марсом и Юпитером), но и объекты на окраинах Солнечной системы. После открытия Нептуна было высказано предположение о существовании за ним ещё одной, девятой большой планеты. В 1930 г. американский астроном Клайд Томбо (1906—1997) открыл Плутон (рис. 12.8), который считался девятой большой планетой до начала XXI в. Однако её свойства, в первую очередь размеры и масса, существенно отличались от свойств планет-гигантов.
В первые годы XXI в. было открыто большое количество похожих объектов за орбитой Нептуна — транснептуновых объектов. В соответствии с решением Международного астрономического союза от 2006 г. крупнейшие транснептуновые объекты (включая Плутон), а также самый большой астероид Церера стали называться карликовыми планетами.
Некоторые из транснептуновых тел имеют вытянутые эллиптические орбиты. Один из таких объектов, Седна, в настоящее время располагается в 76 а. е. от Солнца, но наиболее удалённая точка её орбиты находится от Солнца более чем на 1000 а. е. На рисунке 12.9 показана орбита Седны (красная) в сравнении с орбитами Юпитера (оранжевая), Сатурна (жёлтая), Урана (зелёная), Нептуна (синяя) и Плутона (сиреневая).
В последние годы в движении самых далёких известных объектов Солнечной системы была обнаружена особенность, которая может быть вызвана воздействием настоящей большой девятой планеты с массой, существенно большей массы Земли. Так это или нет — покажут наблюдения.
Кометы и метеорные потоки.
C древних времён люди обращали внимание на странные «хвостатые светила» (кометы), подчас очень яркие. В XVII в. английский астроном Эдмунд Галлей (1656—1742) обратил внимание, что несколько ярких комет, наблюдавшихся в последние века, имели похожие орбиты, и предположил, что это одна и та же комета, движущаяся по сильно вытянутой орбите, подходя к Солнцу и Земле один раз в 75—76 лет.
Он предсказал следующее появление кометы в XVIII в., которое подтвердилось. Комета получила имя Галлея (рис. 12.10).
К настоящему времени известно, что большинство наблюдавшихся комет, особенно ярких, имеют орбитальные периоды в сотни и тысячи лет либо же движутся по параболическим траекториям, приходя во внутренние области Солнечной системы только один раз. И лишь малая часть комет, испытав тесные сближения с планетами-гигантами, переходят на орбиты с меньшим периодом.
Размеры кометных ядер не превышают нескольких километров. Они состоят из водяного льда и частиц пыли. По мере приближения к Солнцу лёд начинает испаряться, образующийся газ под действием давления света улетает от Солнца и увлекает за собой частицы пыли. Рассеянный на газе и пыли солнечный свет виден как хвост кометы.
В каждое приближение к Солнцу ядро кометы теряет свою массу. Продукты распада — небольшие камни и пылинки (их называют метеорными частицами или метеороидами) продолжают движение вокруг Солнца по орбите, близкой к орбите «родительской» кометы. Если в какой-то момент Земля в своём движении вокруг Солнца пересекает орбиту кометы, то метеороиды могут вторгнуться в атмосферу Земли на скорости от 11 до 72 км/с и сгореть в ней. Оптическое явление, которое при этом наблюдается с Земли, называют метеором (или, что терминологически неверно, «падающей звездой»).
Если Земля попадёт в плотный рой метеороидов, то можно будет наблюдать явление, называемое метеорным потоком или метеорным дождём. Частицы, образующие метеорный поток, движутся по параллельным линиям, но из-за эффекта перспективы (аналогично сходящимся вдали прямым железнодорожным путям) они будут казаться вылетающими по направлению из одной точки, называемой радиантом потока. Обычно метеорные потоки называют по созвездиям, содержащим радиант. Наиболее известные метеорные потоки: Персеиды (рис. 12.11) в августе (комета Свифта — Туттля), Ориониды в октябре (комета Галлея), Леониды в ноябре (комета Темпеля — Туттля). Особенно эффектны вспышки активности Леонид каждые 33 года, во время приближения кометы и наиболее плотной части потока к Земле. В 1833 и 1965 гг. можно было наблюдать до 150 000 метеоров в час!
Кометы являются самыми короткоживущими объектами Солнечной системы. Источник комет находится на самой окраине Солнечной системы, возможно, уже в межзвёздном пространстве. Облако ледяных кометных ядер получило название облака Оорта в честь нидерландского астронома Яна Оорта (1900—1992). Вероятно, облако Оорта — остаток протопланетного диска, из которого 4,5 млрд лет назад образовалась Солнечная система.
Вопросы:
1. Какие объекты включает в себя Солнечная система?
2. Чем отличается гелиоцентрическая система мира от геоцентрической?
3. Нa какие группы принято разделять планеты Солнечной системы?
4. Перечислите три самых ярких объекта земного неба.
5. У каких планет нет естественных спутников?
6. Что называют:
а) астероидами;
б) карликовыми планетами;
в) кометами;
г) метеорными потоками?
Приведите их примеры.
Вопросы для обсуждения:
1. У какого небесного тела период обращения вокруг Солнца больше — у астероидов главного пояса или у комет?
2. Период обращения самой далёкой от Солнца известной малой планеты Седны вокруг Солнца составляет около 12 000 лет. Большую его часть она проводит очень далеко от Солнца, за пределами возможностей наблюдения современными телескопами. Однако именно сейчас, в эпоху своего открытия, Седна подошла к ближайшей к Солнцу точке орбиты. Является ли это «счастливым случаем» для астрономов Земли?
Упражнения:
1. Планета Юпитер находится в 5,2 раз дальше от Солнца, чем Земля. За какое время она совершает полный оборот вокруг Солнца?
2. Расстояние от Земли до Луны равно 384 400 км, расстояние от Юпитера до его спутника По — 421 600 км. У какого из спутников период обращения вокруг планеты больше и во сколько раз? Учтите, что Юпитер существенно массивнее Земли.
