Географическая оболочка

В начальной стадии звезда состоит в основном из водорода. Когда температура в недрах звезды достигает 10 — 30 миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции, тип которых с повышением температуры изменяется. Идет процесс «выгорания» водорода, превращение его в гелий (четыре протона ядра атома водорода образуют ядро гелия, излишек массы превращается в энергию излучения)!!!. Выделение дополнительной энергии замедляет сжатие. Притяжение уравновешивается внутренним (газовым) давлением, а образование энергии — её получением. В таком состоянии (вторая стадия эволюции.) звезда может находиться миллиарды лет без заметных изменений.

В результате «выгорания»  водорода в ядре звезды ядро становится гелиевым и сжимается, что приводит к повышению температуры и распространению ядерных процессов на вышележащие ее слои. С образованием тяжелого гелия в этих слоях давление на ядро увеличивается, происходят дальнейшее сжатие и повышение температуры ядра до 100 и выше млн. градусов. В ядре начинается процесс превращения гелия в углерод, а затем образование азота, неона, магния. Огромное давление внутри звезды, вызванное повышением температуры, заставляет наружные ее слои расширяться. Размеры звезды растут, температура поверхности при этом уменьшается, светимость возрастает. Звезда превращается в красного гиганта (третья стадия эволюции). Возможно, в этой стадии звезда становится физически переменной: ее объем то увеличивается, то уменьшается, и, наконец, она вспыхивает, как новая. Возможно также, что, когда интенсивные ядерные реакции с выделением огромного количества энергии начинаются в наружных слоях звезды, она взрывается как сверхновая. При вспышках новых и взрывах сверхновых звезд межзвездное пространство обогащается гелием и другими более тяжелыми элементами, образовавшимися в звезде из водорода. Если из такой межзвездной материи образуются звезды второго, третьего и т. д. поколений, то ясно, что уже и начальной стадии они не могут состоять из чистого водорода.

Когда «горючее» звезды исчерпано, она испытывает сжатие, сначала медленное, затем катастрофически быстрое — коллапс. Если давление электронного газа внутри звезды способно задержать сжатие, атомы вещества «раздавливаются» на протоны и электроны и звезда превращается в белого карлика. Белые карлики почти не содержат водорода. Объем их невелик, а плотность очень большая. У звезд массой от 1,2 до 2 солнечных масс процесс идет дальше: электроны как бы вдавливаются в протоны и основная масса вещества превращается в нейтроны. Это нейтронные звезды — самые маленькие и самые плотные из известных звезд. Плотность их вещества равна плотности атомного ядра. Сила притяжения, в сотни миллиардов раз большая, чем на Земле, удерживает нейтроны. Нейтронные звезды излучают мало света, и поэтому заметить их на большом расстоянии трудно. Однако они могут быть источниками рентгеновского излучения, позволяющего их обнаружить. Пульсары — нейтронные звезды, излучение которых отличается почти строгой периодичностью.

Галактики. Звезды во Вселенной образуют различные системы. Грандиозные по количеству звезд и по размерам звездные системы — галактики. Их изучены десятки тысяч, самые дальние сфотографированные галактики находятся на расстоянии более 1 миллиарда световых лет². Радиотелескопы регистрируют галактики на расстоянии более 5 млрд. световых лет. Ближайшая к нам галактика — Туманность Андромеды находится на расстоянии 1 500 000 св. лет и видна как небольшое туманное пятнышко.

По форме галактики  бывают эллиптическими, спиральными, неправильными. Первые имеют форму от круглой до продолговатой. Яркость их от центра к периферии падает постепенно, и четкой границы такой галактики провести нельзя.

Спиральные галактики  состоят из более яркого центрального уплотнения — ядра — и выходящих из него спиральных ветвей, расположенных в одной плоскости. Неправильные галактики встречаются реже двух первых типов. Они лишены центрального уплотнения и симметричной структуры, светимость их сравнительно мала. Возможно, различные типы галактик соответствуют стадиям их эволюции.

Все галактики в той  или иной степени излучают радиоволны, но лишь у некоторых из них радиоизлучение имеет такую же мощность, как и  оптическое, т. е. в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем у обычных галактик.

Источниками радиоизлучения во Вселенной являются также удивительные космические объекты — квазары (сверхзвезды). По мощности радиоизлучения они могут уступать радиогалактикам, но по оптической светимости превосходят их. Это самые яркие источники света во Вселенной. Они представляют собой самостоятельные самые удаленные от нас космические объекты. Расстояние до них измеряется миллиардами световых лет, т. е. они находятся на краю доступной наблюдениям части Вселенной. Природа квазаров пока не выяснена. Некоторые ученые предполагают, что они распадаются на части, давая начало будущим галактикам (галактики — «осколки» взорвавшихся квазаров, дробящиеся дальше).

Доступная наблюдениям  часть Вселенной — Метагалактика расширяется во всех направлениях, т. е. расстояние между всеми галактиками увеличивается. Расширение Метагалактики — факт бесспорный. Если так, то ясно, что когда-то оно началось и что в начальный момент вещество могло находиться только в каком-то особом, сверхплотном (10⁹³ г/см³!) состоянии, совершенно необычном с нашей точки зрения. Температура тоже была необыкновенно высокой — до 10 млрд. градусов. Предполагается, что расширение началось примерно 10 – 13 млрд. лет назад взрывом чудовищной силы. «Осколки» сверхплотного вещества дали начало образованию звезд, звездных систем. Процесс их образования продолжается. Не случайно и сейчас во Вселенной так много мощных взрывов (новые, сверхновые, квазары). Доказательством гипотезы «взрывного» происхождения Метагалактики (а может быть, и всей Вселенной) явилось открытие реликтового радиоизлучения, не связанного ни с каким космическим телом, а равномерно исходящего из любого места Метагалактики.

Наша Галактика  — (Млечный Путь) объединяет более 150 млрд. звезд и более 100 млн. туманностей. Вместе с соседней галактикой — Туманностью Андромеды — она образует центр так называемой Местной системы галактик, состоящей из 3 гигантских спиральных и 15 карликовых эллиптических и неправильных галактик. Масса галактики около 130 млрд. солнечных масс. Наша Галактика спиральная, симметричная относительно главной галактической плоскости, диаметр которой составляет около 30 000 п.³ Звезды концентрируются в галактической плоскости и, особенно около центра Галактики, образуя центральное сгущение. В центре Галактики — ядро, выбрасывающее в год массу вещества, равную примерно 1 солнечной массе.

Толщина самой плотной  центральной части Галактики  в 10 — 12 раз меньше ее диаметра. От ядра Галактики отходят спиральные «рукава», форма которых определяется направлением силовых линий галактического магнитного поля. Через ядро проходит ось вращения Галактики. Общего периода вращения Галактика не имеет: на расстоянии 8 кп от центра он равен 212 млн. лет, на расстоянии 10 кп — 275 млн. лет.

Межзвездная среда Галактики  — межзвездный газ и космическая пыль. Преобладает водород, число атомов которого примерно в тысячу раз превосходит число атомов всех других элементов (кальций, натрий, кислород, калий, титан и др.) вместе взятых. Плотность межзвездного газа очень мала и составляет около галактической плоскости 5х10^-25 г/см³. (такую плотность можно создать в кубе с ребром 400 км одним обыкновенным выдохом человека)!!!.

Общая масса пыли в  Галактике и 10 раз меньше, чем  масса газа, и в 500 — 10 000 раз меньше, чем масса звезд. Даже около галактической  плоскости, где пыли больше, среднее  расстояние между пылинками больше 100 м. Газ и пыль перемешаны и распределяются неравномерно, образуя местами облака — галактические туманности. Туманности могут быть пыльными, с небольшой примесью газа и, наоборот, газовыми, с, примесью пыли (так называемая диффузная материя). Межзвездная среда Галактики уменьшает прозрачность межзвездного пространства: она поглощает свет звезд, ослабляя его.

Космические лучи в Галактике имеют как вне- , так и внутри галактическое происхождение. Наиболее мощный источник их внутри Галактики — взрывы сверхновых. Направление движения заряженных частиц определяется положением силовых линий магнитного поля Галактики и, поскольку линии эти замыкаются, космическим лучам трудно вырваться из Галактики. По сложным путям («накручиваясь» па магнитные силовые линии) космические лучи идут от источника до Земли миллиарды лет. Среди огромного количества звезд Галактики, несомненно, есть немало имеющих планетные системы. К таким звездам относится Солнце.

2.2. Строение и состав Солнечной системы.

Солнечная система — одна из множества различных по размерам и сложности систем составляющих Галактику. Она расположена на расстоянии около 10 000 п от центра Галактики, в 25 п к северу от галактической плоскости. Ближайшая к ней звезда Проксима Центавра, находящаяся на расстоянии 1,31 п. Центральное тело Солнечной системы — единственная в ее составе звезда — Солнце. В нем сосредоточено 99,86 % всей массы системы и только 2 % общего момента количества движения.

Кроме Солнца, в Солнечной  системе 9 больших планет, тысячи малых планет (астероидов), миллионы комет, метеорное вещество — межпланетный газ. Общая масса всех планет — 1/745 массы Солнца. Общая масса комет и астероидов меньше массы Земли. Солнечная система находится в постоянном движении.

Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллиптическим (близким к круговым) орбитам, лежащим почти в одной плоскости (рис. 1).

Одновременно с поступательным движением по орбитам планеты (кроме  Венеры и Урана) и их спутники вращаются  вокруг своих осей, в направлении орбитального движения. При этом положение осей вращения в пространстве длительное время почти не меняется. Сохраняется и величина периодов вращения, разная у разных планет. Вокруг своей оси вращается и Солнце в том же направлении, в каком движутся вокруг него по орбитам планеты.

При рассмотрении движения планет по орбитам около Солнца за основную координатную плоскость принимается плоскость земной орбиты — эклиптика.

Впервые правильную картину  движения планет Солнечной системы, доказывающую единство системы, создал Н. Коперник. Его учение было развито И. Кеплером, установившим законы движения планет:

1. Все планеты движутся  по эллипсам, в одном из фокусов  которых, общем для всех планет, находится Солнце.

2. Радиус-вектор планеты  в равные промежутки, времени описывает равновеликие площади.

За время Δt площадь, описываемая радиусом-вектором близ перигелия (SТ₁Т₂), равна площади SТ₃Т₄, описываемой радиусом-вектором близ афелия. Так как дуга Т₁Т₂ >дуги Т₂Т₄ скорость движения планеты по орбите близ перигелия больше, чем близ афелия; движение планет вокруг Солнца неравномерно: оно то ускоряется, то замедляется.

3. Квадраты времени  обращения различных планет вокруг  Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит, или средних расстояний от Солнца (рис. 2).

Используя законы Кеплера, Ньютон доказал, что движение планет подчиняется  силам притяжения. По закону всемирного тяготения все тела взаимодействуют между собой, при этом сила притяжения прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

f — постоянная тяготения = 6,61108.

Основная сила, управляющий  движением тел Солнечной системы, — притяжение Солнца. Своим притяжением Солнце вызывает ускорение в движение планет, но и планеты, притягивая Солнце, сообщают ему некоторое ускорение. Поэтому не планеты двигаются вокруг Солнца, а Солнце и планеты двигаются вокруг общего их центра тяжести с одним и тем же периодом, но планета описывает большой эллипс, а Солнце — очень маленький; то же относится к движению планет и их спутников.

Взаимное притяжение планет друг к другу сравнительно с притяжением Солнца очень невелико, но и оно оказывает влияние, вызывая отклонения в движении планет — возмущения. Так как притяжение зависит не только от масс притягивающих тел, но и от расстояния между ними, сравнительно небольшие, но близко расположенные тела могут вызывать значительные возмущения. Кометы и астероиды заметных возмущений в движении планет не вызывают. Влияние же планет на движение этих тел, наоборот, велико.

Размеры Солнечной системы  по сравнению с расстояниями между  звездами очень малы. О них можно судить по расстоянию от Солнца до Плутона — 5905 млн. км. Некоторые кометы, двигающиеся по сильно вытянутым орбитам, удаляются от Солнца на расстояние до 100000 а. е. Резких границ Солнечная система, вероятно, не имеет.

Солнце — звезда средней величины и светимости — огромный газовый шар, состоящий из водорода (70 %) и гелия (29 %), вращается вокруг оси со средней скоростью 27 земных суток. За границу Солнца условно принимают видимую с Земли границу его диска. Диаметр Солнца — 1392000 км (109 диаметров Земли), масса 2х10³³ г (333000 земных масс), средняя плотность — 1,41 г/см³.

Сила тяжести, удерживающая раскаленное солнечное вещество на поверхности Солнца, в 28 раз больше, чем на Земле. Температура на его поверхности около 6 тыс., во внутренних частях — до 16 млн. градусов. Там при давлении выше 100 млрд. атм. происходят ядерные реакции. Выделяющаяся энергия достигает поверхности Солнца за время порядка 10 млн. лет. При этом она неоднократно поглощается и переизлучается, характер ее изменяется: вместо поглощенных гамма-лучей излучаются рентгеновские, вместо рентгеновских — ультрафиолетовые и, наконец, видимые и тепловые лучи. Общее количество энергии, излучаемое Солнцем в мировое пространство, 3,9х10³³ эрг/сек. Область Солнца, в которой происходит передача энергии путем ее поглощения и переизлучения, называется зоной лучистого равновесия. Выше лежит зона конвекции; здесь перенос энергии происходит посредством перемещения солнечного вещества.

Внешние слои Солнца, излучение  которых мы видим, образуют солнечную  атмосферу, состоящую из фотосферы, хромосферы и короны.