Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 22 страниц)

Планетные и звёздные системы

Планетные (планетарные) системы – это объекты, состоящие из звезды и гравитационно связанных с ней, тел – планет, астероидов, пыли и т. п., обращающихся вокруг неё. Звёздные системы – объекты того же уровня вещества, но состоящие из звёзд, т. е. это – т. н. двойные и кратные (тройные, и т. д.) системы, в которых, на месте возможных планет, располагаются звёзды (такие системы, согласно наблюдениям – широко распространены, например, предполагается, что в них – входят около половины всех звёзд нашей галактики [129]). При этом, некоторые из звёздных систем – могут являться, одновременно и планетными системами (т. е. содержать планеты), и наоборот, планетные системы могут включать более одной звезды. Всего же, звёздных и планетных систем, в настоящее время – известно огромное число (из них, планетных систем – более тысячи [51], а звёздных систем – уже около ста тысяч [130]).

Планетные и звёздные системы, как объекты окружающего Мира и уровень вещества – обладают специфическими свойствами: Так, в звёздной системе – может происходить перетекание вещества с одной звезды на другую (результатом чего может стать, например, т. н. взрыв новой (термоядерный взрыв на поверхности белого карлика) или сверхновой (т. е. достижение белым карликом критической массы, необходимой для возобновления термоядерных реакций, приводящее к взрывному горению элементов и разрушению белого карлика)), и т. д.; в планетной системе, звезда – освещает обращающиеся вокруг неё, планеты, приводя к разнообразным явлениям в среде этих планет (невозможным в случае нахождения планеты вне планетной системы): атмосферным явлениям (вихрям, атмосферным осадкам, электрическим разрядам, и т. д.), явлениям в гидросфере (волнам, течениям, образованию мицелл, и т. п., требующим наличия жидкой среды, поддерживаемой благодаря излучению звезды), химическим реакциям молекул, под действием света (и тепла), и т. п. Нужно также учитывать, что у планет имеется и внутренний источник энергии (гравитационное сжатие, радиоактивный распад элементов, и др.), который может быть более значим для понимания явлений в среде некоторых планет (газовых гигантов, молодых планет, и т. п.).

Рассматривая связь планетных систем и явления жизни – можно обратить внимание на то, что далеко не все современные живые существа на Земле, нуждаются в энергии звезды (Солнца): так, многие организмы (в т. ч. некоторые многоклеточные) – живут на глубине километров под поверхностью [131] [132], и т. о. не зависят от наличия или отсутствия Солнца [133] [134]. Жизнь, в подобном виде – оказывается возможной и на планетах, расположенных на расстояниях от звёзд, не соответствующих условиям, близким к Земным. Также можно представить, что жизнь – явление, не привязанное только к определённым типам молекул, температурам, и т. п. ограниченным условиям, что может быть отчасти подобно тому, как вихри, химические процессы, и др. жизнеподобные явления – возможны в атмосферах / гидросферах / литосферах практически любых планет; однако, чтобы точно ответить на вопрос о возможности жизни на иной молекулярной основе, и при иных условиях среды, необходимо знать потенциал к образованию сложных структур, при таких условиях, что требует наблюдений (и экспериментов (моделирование условий других планет, и т. п.)). Жизнь за пределами Земли, в целом – пока находится на границе окружающего Мира.

Далее: Планетные системы могут различаться друг от друга, по т. н. насыщенности (числу планет), характеру звезды (или звёзд, в системе, например, известны планеты в двойных и кратных звёздных системах, и системах, образованных с участием постзвёздных объектов), и другим свойствам, которые в т. ч. используются в создающейся, в последнее время, классификации планетных систем (рассмотрение последней – уже (относительно) частный вопрос, поэтому его – опускаем).

Системы планеты и её спутников

Объекты, состоящие из планеты и обращающихся вокруг неё, тел (планет-спутников, и др.) – могут рассматриваться как уровень, вклиненный до уровня планетных (и звёздных) систем.

Пока известно немного примеров систем планеты и её спутников, и почти все они – располагаются в пределах Солнечной системы, например, система Земля-Луна, система Юпитера, и т. п. Первая, ставшая известной, внесолнечная, подобная система – Cha 110913–773444 ^[135].

Системы планеты и её спутников, по многим свойствам – отличаются от планетных и звёздных систем. Так, в отличие от планетных систем, планета, расположенная в центре системы планета-спутники – непрерывно остывает, со времени своего образования, и излучает всё меньше света (и тепла) для планет-спутников, в то время как звёзды (за исключением коричневых карликов), со временем – излучают всё больше энергии: Так, Солнце, согласно расчётам [136], со времени своего образования – постепенно увеличивает светимость, и в современную эпоху светит уже примерно на треть ярче, чем вначале (рост светимости – продолжится и далее, и станет много более резким с приближением к фазе красного гиганта (примерно через 5 млрд лет [137])).

Впрочем, доминирующим источником энергии, получаемой от центральной планеты, планетой-спутником – часто может служить не излучение, а гравитационный (т. н. приливной) разогрев недр, из-за воздействия гравитации центральной планеты, и взаимодействия с гравитационными полями соседних планет-спутников. Известный пример в Солнечной системе – вулканизм спутника Юпитера, Ио, – самый сильный среди всех известных планет, обусловленный, прежде всего, гравитационным разогревом за счёт этих приливных сил, см. рис. 277 и 278. Подобное влияние, в значимой степени, испытывают и многие другие крупные спутники планет-газовых гигантов, в Солнечной системе. Это служит основой явлений в среде этих планет-спутников (вулканизм Ио, возможный подповерхностный океан Европы, Энцелада, и т. п.), а также является предпосылкой для возможности существования жизни (которая, как уже говорилось, требует постоянного притока энергии).

Рис. 277 ^[XXXII]. Фотография спутника Юпитера, Ио (примечание: на врезках – увеличены вулканические шлейфы)

Рис. 278 ^[XXXIII]. Поток лавы на Ио (в ИК-свете)

Далее: Системы планеты и её спутников также различаются друг от друга, подобно планетарным (звёздным) системам, и могут быть подвергнуты классификации – по насыщенности, характеру составляющих их, тел, кратности (например, система Земля-Луна может определяться как т. н. двойная планета), и многим другим свойствам. Планеты с кольцами, а также системы, типа Марс-Фобос-Деймос (Фобос и Деймос – не являются планетами) – могут рассматриваться как объекты уровня систем планеты и её спутников, с некоторыми пропущенными уровнями вещества (т. к. эти системы тоже располагаются выше уровня планет и звёзд, и при этом тоже являются сильными системами).

Далее: В современности, накоплено довольно большое число наблюдений, касающихся эволюции планетных и звёздных систем, и (косвенно) систем планеты и её спутников, в окружающем Мире. Рассмотрим эти процессы, подробнее:

Эволюция планетных и звёздных систем и систем планета-спутники

Планетарные и звёздные системы, как известно – формируются при гравитационном сжатии (коллапсе) гигантского межзвёздного облака газа (и пыли). При этом, планетарные и звёздные системы, как правило – не рождаются поодиночке, т. к. сжатие облака (или его части), приводит, сперва – к его фрагментации на более малые участки (т. н. глобулы), сжимающиеся, далее, независимо друг от друга, и дающие начало планетным и звёздным системам. Т. о. формируется, одновременно, как правило, от сотен до тысяч [138], планетных и звёздных систем, объединённых (при рождении) в т. н. рассеянное звёздное скопление (слабую систему) или звёздную ассоциацию (состоящую из практически несвязанных звёзд).

Межзвёздное облако, дающее начало рассеянному звёздному скоплению (или ассоциации), простирается, как правило, на расстояния многих световых лет, и имеет достаточно высокую начальную плотность (из-за которой, значительная часть атомов водорода – соединены в нём в молекулы H₂, поэтому это облако также называется молекулярным облаком). В отличие от менее плотных облаков, в молекулярном облаке, напряжённость собственного гравитационного поля – оказывается достаточна, чтобы спонтанно или / и под действием внешних факторов (например, взрыва сверхновой вблизи облака), равновесие между гравитацией и внутренним давлением – могло нарушиться, приводя к гравитационному сжатию облака (или его части). Происходящая, в процессе сжатия, фрагментация облака – ведёт, как уже говорилось, к формированию глобул, видимых, сперва, как тёмные области на фоне остального облака, см. рис. 279.

Рис. 279 ^[XXXIV]. Глобулы на фоне (в составе) межзвёздного облака

В процессе дальнейшего сжатия, в глобуле происходит разделение вещества на аккреционный диск, вокруг формирующегося центрального объекта – протозвезды (= будущей звезды), см. рис. 280 и 281.

Рис. 280 ^[XXXV]. Полярные джеты протозвезды HH-34 (направленные в противоположные стороны) – свидетельствуют о наличии аккреционного диска вокруг неё (объект Хербига-Аро)

Рис. 281 ^[XXXVI]

Благодаря начинающимся термоядерным реакциям (горению дейтерия), центральный объект уже может достигнуть некоторого гидростатического равновесия, в то же время, производя (интенсивный) звёздный ветер, который способствует обретению относительной самостоятельности (т. е. отделению) от остального вещества, содержащегося в аккреционном диске. Это, как уже говорилось ранее – можно считать временем рождения звезды (находящейся на стадии т. н. звезды до главной последовательности (до возгорания водорода)), и планетной (= планетарной) системы (находящейся на стадии протопланетного диска).

Постепенно, происходит перестройка протопланетного диска, благодаря электромагнитным и гравитационным взаимодействиям, ведущая к формированию крупных частиц пыли, сливающихся и разрастающихся до относительно крупных тел (сравнимых с астероидами / кометами) – планетезималей. Дальнейший рост планетезималей, в т. ч. из-за столкновений друг с другом, приводит к формированию некоторого числа т. н. протопланет (отличающихся от планетезималей – достаточно высокой массой для обретения гидростатического равновесия). В конечном итоге, собирание вещества (в т. ч. газа и планетезималей) протопланетами, а также столкновения последних друг с другом, завершают расчистку протопланетного диска, и приводят к формированию самостоятельных объектов – планет (некоторая часть протопланетного диска, при этом, может оставаться нерасчищенной, примеры – пояс астероидов и пояс Койпера, содержащие в т. ч. остаточные протопланеты (последние – могут не рассматриваться как планеты или могут считаться планетами благодаря наличию гидростатического равновесия, в их числе – Церера, Плутон, Эрида и мн. др., также известные (называемые) карликовыми планетами)).

О происхождении планет из аккреционного (в дальнейшем, протопланетного) диска, в частности, свидетельствует расположение орбит планет – в одной плоскости друг с другом, совпадающей с плоскостью вращения звезды – что известно как для планет Солнечной системы, так уже и для других планетных систем [139].

Формирование планет – не имеет чёткой границы с процессами фрагментации межзвёздного облака. Некоторые из участков глобулы или (в дальнейшем) аккреционного / протопланетного диска, в т. ч. протопланеты, при своём росте, могут дать начало планетам-газовым гигантам, или даже превысить массу, необходимую для начала термоядерных реакций, и т. о. становятся звёздами (один из возможных путей формирования двойных и кратных звёздных систем).

Можно также предполагать, что некоторые планеты, в процессе своего образования – могут формировать вокруг себя мини-аккреционные диски, из которых образуются, в дальнейшем, планеты-спутники (об этом, как и в случае планетных систем, свидетельствует в т. ч. расположение орбит многих спутников – в одной плоскости (совпадающей с направлением вращения планеты), в известных системах планета-спутники). Иные пути, вносящие вклад в формирование систем планеты и её спутников – захват спутников извне, а также формирование спутников из выброшенного вещества, в результате столкновения протопланет (например, возможно объяснение формирования Луны как результата столкновения зародыша Земли, с другой (гипотетической), более малой протопланетой, Тейей, либо столкновения двух равноправных протопланет [140]).

В дальнейшей эволюции планетарных и звёздных систем и систем планета-спутники, можно выделить длительный период, когда эти системы пребывают практически в неизменном, стабильном виде (что важно в т. ч. для развития сложной жизни). Этот период, как правило – практически совпадает с временем горения водорода в центральных областях звезды (или одной из звёзд), входящих в планетную или (одновременно) звёздную систему, и составляет, как уже рассматривалось ранее, от миллионов до триллионов лет (в зависимости от массы звезды).

На завершающем этапе эволюции, в результате катастрофических процессов в звёздах, завершающих свою эволюцию, планетные системы, а также системы планеты и её спутников, входящие в состав планетных систем, могут частично или полностью разрушаться (например, звезда на стадии красного гиганта – может поглощать ближайшие к ней, планеты и системы планета-спутники, взрыв сверхновой – способен разрушать планеты, посредством ударной волны, и т. д.).

В целом, мы рассмотрели уровень вещества планетных и звёздных систем и, вклиненный, уровень систем планета-спутники, в т. ч. их эволюцию. Далее, можем перейти к рассмотрению объектов, принадлежащих более высокому уровню вещества, это:

Шаровые звёздные скопления

В отличие от рассеянных скоплений, содержащих, как правило, не более тысяч звёзд, в состав шарового звёздного скопления, входит, обычно, несколько сотен тысяч звёзд [141]. Под действием собственной, достаточно высокой гравитации, эта система звёзд, как видно из названия – обретает форму шара, см. рис. 282.

Рис. 282 ^[XXXVII]. Шаровое звёздное скопление NGC 7006

Как уровень вещества, шаровое звёздное скопление – обладает рядом новых, своеобразных свойств: так, в центре скопления, где плотность вещества (расположения звёзд) высока, происходит разрушение объектов предыдущего уровня – планетных систем. Последние – исчезают или становятся малы, т. к. орбиты планет в данных условиях, согласно расчётам [142] – неустойчивы (тем больше, чем ближе звезда к центру скопления).

В шаровом звёздном скоплении, звёзды движутся по (сложным) орбитам, под влиянием всех звёзд скопления. Подобно тому, как в планетах, внутри шарового скопления, происходит разделение вещества, под действием гравитации, с образованием слоёв: более массивные звёзды – тонут к центральным областям скопления [141], а более лёгкие (красные карлики [143], и т. п.) – пребывают, большую часть времени, на периферии скопления.

Далее, рассмотрим изменения, которые претерпевает шаровое скопление, с течением времени:

Эволюция шаровых звёздных скоплений

Формирование шаровых скоплений – процесс, который шёл, прежде всего, в начальные времена после Большого Взрыва, когда плотность «межзвёздных» облаков, в окружающем Мире, была выше. О формировании (большинства) шаровых скоплений в столь далёком прошлом, свидетельствуют наблюдения (измерения) возраста звёзд в шаровых звёздных скоплениях: этот возраст, как правило, превышает 10 миллиардов лет [144] (в то время как рассеянные звёздные скопления (слабые системы), которые легко формируются в современности – распадаются, в основном, не более чем за сотни миллионов лет [145]).

Расчёты [146] показывают, что скопление – способно медленно терять своё вещество (т. е. звёзды), в процессе, аналогичном испарению (звёзды в скоплении, случайным образом – обмениваются импульсами, и т. о. появляются звёзды с импульсами, достаточными, чтобы покинуть скопление). В результате потери звёзд, скопление сжимается (при этом, импульсы оставшихся звёзд – возрастают) [147]. Расчёты [148] (и косвенно, наблюдения [149] [150]) показывают, что на определённом этапе сжатия, в центре скопления – происходит формирование тесных двойных звёздных систем, в результате чего, сжатие скопления замедляется и может происходить его повторное расширение, при этом, продолжается испарение. Энергию (импульсы) на это продолжающееся испарение, звёзды теперь получают не за счёт сжатия скопления, а за счёт двойных звёздных систем, которые становятся более тесными, отдавая избыточную гравитационную энергию (в виде роста импульса) окружающим звёздам (и звёздным системам), которые т. о. выталкиваются из центра скопления, на периферию, в т. ч. испаряются. Согласно расчётам, это может приводить, со временем, к полному испарению шарового звёздного скопления (что может занимать от миллиардов до триллионов лет), и ускоряется другими причинами (например, приливным разогревом из-за воздействия гравитационного поля галактики) [151].

Расчёты и наблюдения [152] свидетельствуют о наличии, в современном окружающем Мире, скоплений как на этапе сжатия (т. н. скопления со сколлапсировавшим ядром), так и, возможно, повторно расширившихся скоплений (о чём – уже говорилось ранее), и скоплений на этапе до сжатия (более молодые, в т. ч. формирующиеся [153] [154]).

Шаровые звёздные скопления, входят, далее, в состав объектов более высокого уровня вещества, это:

Галактики

Для понимания галактик, их рассмотрение, можно сразу начинать с их эволюции, т. к. галактики – всё ещё молодые, не до конца сформировавшиеся объекты окружающего Мира, см. рис. 283. Хотя возраст многих современных галактик близок ко времени, прошедшему от Большого Взрыва, однако из-за разницы в масштабе, развитие галактик – идёт медленнее, чем у объектов более низких уровней вещества. Это – можно увидеть, сравнивая аналогичные друг другу процессы, идущие на разных уровнях вещества: так, например, за время одного оборота диска (нашей) галактики (занимающего около 225 млн лет [155]), планеты в планетарных системах, могут совершить многие миллионы оборотов. Поэтому за время существования (нашей) галактики (успевшей совершить всего около 50 оборотов [156]), многие планетарные (планетные) системы – успели не только сформироваться, и пройти длительный период стабильного существования, – но уже и разрушиться, в то время как галактика – даже не достигла стадии стабильного существования (т. е. существования практически в неизменном виде (в т. ч. без коллапсирующих молекулярных облаков, испаряющихся звёздных скоплений, и т. п.)), на которой она, предположительно, будет находиться большую часть своего дальнейшего развития.

Рис. 283 ^[XXXVIII]. Галактика Андромеды (ближайшая крупная галактика)

Состояние современных галактик – можно, упрощённо, представить как (частично) аналогичное ранним этапам формирования планетарных систем, а именно: этапу наличия аккреционного диска (для галактик с активным ядром), или этапу сразу после разделения аккреционного диска и протозвезды на относительно самостоятельные, протопланетный диск и центральный объект (молодую звезду). Аналогия частична, если учесть, что более низкие уровни вещества, и характер внутренних движений, в планетных системах и галактиках – различны.

Для галактик, центральным объектом – является сверхмассивная чёрная дыра, которая, согласно наблюдениям, присутствует в ядре каждой (или почти каждой) обычной (не карликовой) галактики. Масса центральной чёрной дыры, для различных галактик – находится в пределах, как правило, от 10⁶ до 10⁹ Солнечных масс [157], составляя, впрочем, лишь малую долю от общей массы галактики.

Происхождение и роль центральных сверхмассивных чёрных дыр в галактиках – становится видна из наблюдений галактик, более молодых, чем современные (т. е. расположенных дальше от нас): многие из таких галактик – предстают наблюдателю как т. н. квазары, т. е. содержат квазары = мощные источники электромагнитного излучения (и потоков частиц), образующихся в результате аккреции вещества на центральную чёрную дыру, что приводит к её росту. На этом этапе, очевидно, что центральный объект – ещё не отделился от окружающего вещества, выступающего т. о. в роли аккреционного диска. Данная стадия (аккреции) – может представляться промежуточной между возможной предшествующей стадией протогалактического газового облака (слабой системы), и стадией (молодой) галактики (сильной системы). Заметим, что значимая доля современных (или почти современных) галактик – всё ещё находятся в состоянии аккреции, хотя и несколько ослабленной, – галактики с активными ядрами, которые т. о. всё ещё могут считаться не сформировавшимися как объекты уровня вещества.

Остальные галактики, относящиеся к современным (= расположенные достаточно близко к нам, а значит, видимые в не слишком далёком прошлом), можно отнести, вероятно, к подлинным, хотя и молодым, галактикам, т. к. по имеющимся наблюдениям, они состоят из относительно обособленных друг от друга, центральной сверхмассивной чёрной дыры, и т. н. основного вещества галактики, ранее сформировавшего (или ещё продолжающего формировать) разнообразные объекты более низких уровней вещества: шаровые звёздные скопления (редко), отдельные звёзды и планетарные / звёздные системы. (Последние – образуются, в современности, согласно наблюдениям, почти исключительно в спиральных галактиках, в то время как в эллиптических, процессы звёздообразования и т. п., согласно наблюдениям, уже практически прекратились).

Далее: На сегодняшний день, известно огромное число галактик (область, доступная наблюдению, может содержать более ста миллиардов галактик). Галактики, по ряду различающихся свойств, могут быть разделены (как уже говорилось) на спиральные и эллиптические (а также промежуточные, линзовидные) и неправильные (сталкивающиеся, и др.), а также карликовые, ультракомпактные, гигантские и т. д., однако подробное рассмотрение этих, выделяемых видов галактик – уже (относительно) частный вопрос (поэтому, его – опускаем).

Для отнесения карликовых галактик к уровню вещества галактик, либо к уровню шаровых звёздных скоплений, и к сильным системам вообще – пока недостаточно наблюдательных данных, а также отсутствуют однозначные расчёты внутренней динамики этих объектов. Лишь некоторые карликовые галактики – могут быть, с очевидностью, отнесены к подлинным галактикам (или хотя бы протогалактикам), – из-за обнаружения шаровых звёздных скоплений, а также свидетельств наличия сверхмассивных чёрных дыр, в некоторых из таких галактик [158] [159].

В целом, уровень вещества галактик, на сегодняшний день – всё ещё содержит немало проявлений границы Мира, т. е. требует дальнейших наблюдений.