Текст книги "Космос. Все о звёздах, планетах, космических странниках"
Автор книги: Борис Пшеничнер
Соавторы: Оксана Абрамова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 23 страниц)
Нептун – восьмая по счёту и единственная планета в Солнечной системе, которую открыли благодаря математическим вычислениям. Из-за слабого блеска её невозможно разглядеть без помощи оптических приборов, поэтому на мысль о существовании далёкой планеты учёных натолкнули странности в поведении Урана: каждый раз после очередного уточнения характеристик его орбиты гигант медленно, но верно отклонялся от вычисленной траектории. Со временем стало очевидно, что аномалии в движении Урана вызваны притяжением ещё одной планеты, орбита которой находится далеко за его орбитой.
Два математика и астронома британец Джон Адаме и француз Урбен Леверье независимо друг от друга рассчитали путь неизвестной планеты, благодаря чему немецкие астрономы Иоганн Галле и Гейнрих д'Арре 23 сентября 1846 г. и обнаружили Нептун. А уже через 17 дней, 10 октября, английский астроном-любитель Уильям Ласселл с помощью домашнего телескопа открыл самый большой спутник Нептуна – Тритон, радиус которого равен 1353 км.
Нептун
Внутреннее строение планеты
На снимке, сделанном «Вояджером», виден рельеф облаков на Нептуне
Большое Темное Пятно на Нептуне
Атмосфера Нептуна состоит в основном из водорода (80%), гелия (19%) и метана (1%), окрашивающего её в голубой цвет. На видимой поверхности Нептуна наблюдаются облачные полосы, а также тёмные и светлые пятна – вихри. Кроме того, на южном полюсе планеты обнаружена горячая область, температура которой на 10 К выше, чем в среднем по планете. Нептун излучает в космос в 2,6 раза больше энергии, чем получает от Солнца, и, следовательно, имеет внутренний источник тепла неизвестной природы.
В атмосфере Нептуна образуются гигантские шторма и дуют самые быстрые в Солнечной системе ветры. Эти ветры дуют вдоль экватора планеты в направлении, противоположном её вращению. Они в три раза мощнее юпитерианских и в девять раз превосходят земные. Кроме того, на Нептуне замечены гигантские антициклоны – аналоги Большого Красного Пятна на Юпитере, которые сравнимы с ним по размеру, но живут гораздо меньше.
В 1989 г. «Вояджер-2» подтвердил гипотезу о существовании у Нептуна колец. Их оказалось шесть – слабых и полупрозрачных. Эти кольца очень непостоянны, скорее всего, молоды и просуществуют недолго.
К маю 2010 г. у Нептуна было обнаружено 13 спутников, шесть из которых были найдены «Вояджером-2». Два из них – Нереида и Тритон – обращаются вокруг планеты в обратном направлении. Нереида имеет одну из самых вытянутых орбит в Солнечной системе, а на Тритон, превосходящий размером Луну, приходится 99,5% массы всех спутников планеты.
Тритон отличается большой плотностью (2 г/см3) и самой низкой температурой поверхности среди спутников Солнечной системы (-235 °С). Он имеет очень тонкую газовую оболочку, верхний слой которой на 99% состоит из азота. В нижних слоях атмосферы обнаружены метан и угарный газ (СО). На поверхности спутника есть кратеры, каньоны и горы, а гейзеры жидкого азота выбрасывают кипящий газ на высоту 7–8 км.
* * *
Астероиды
Астероиды – малые тела Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца, значительно уступающие планетам по массе и размерам, слишком маленькие для того, чтобы под действием сил собственной гравитации поддерживать сферическую форму, и не имеющие атмосферы. Хотя некоторые астероиды при этом могут иметь собственные спутники. Размер – главный параметр, по которому проводят классификацию малых тел Солнечной системы. Астероидами считаются тела с диаметром более 30 м, а тела меньшего размера называют метеороидами.
Первые астероиды были открыты в начале XIX столетия. Все они были настолько малы, что даже при максимальном увеличении выглядели слабыми звёздочками, не имеющими заметного диска. Поэтому Уильям Гершель предложил называть их астероидами, т. е. «звёздоподобными». В настоящий момент в Солнечной системе обнаружены сотни тысяч астероидов и предполагается, что число объектов, имеющих размеры более 1 км, составляет от 1,1 до 1,9 миллиона.
Орбиты большинства известных астероидов расположены между орбитами Марса и Юпитера. Их средние расстояния от Солнца составляют от 2,2 до 3,6 астрономических единиц. Они образуют так называемый главный пояс астероидов. Все астероиды, как и большие планеты, движутся в прямом направлении. Периоды их обращения вокруг Солнца составляют, в зависимости от расстояния до светила, от трёх до девяти лет.
Если на макете Солнечной системы орбиты астероидов изобразить проволочными кольцами, то получится рыхлый ажурный тор хаотически переплетённых в пространстве эллипсов. В этом хаосе, однако, была подмечена интересная закономерность: отсутствуют астероиды с большими полуосями орбит, равными 3,3 и 2,1 астрономических единиц, а также с некоторыми другими. Это происходит вследствие влияния Юпитера – самой большой и массивной планеты Солнечной системы. Гравитационное воздействие газового гиганта просто-напросто выкидывает астероиды из некоторых областей пространства.
Если размер – это главный параметр классификации малых тел Солнечной системы, то как же измеряют размеры астероидов? Обычно, чтобы узнать размер какого-либо астрономического объекта, расстояние до которого известно, необходимо измерить угол, под которым он виден с Земли. Однако астероиды не случайно так названы: их изображения действительно похожи на звёзды. Даже в крупные телескопы при отличных атмосферных условиях, применяя очень сложные, трудоёмкие методики, удаётся получить довольно нечёткие очертания дисков лишь нескольких самых крупных астероидов. На помощь приходит фотометрия: с помощью весьма точных приборов измеряется блеск небесного светила, который при прочих равных условиях определяется площадью его диска.
Детально изучить астероид можно только с близкого расстояния – с помощью космического зонда. Первая такая встреча произошла в 1991 г., когда американский зонд «Галилео», пролетая мимо астероида 951 Гаспра, передал его изображения на Землю. На них хорошо просматриваются угловато-сглаженная форма астероида и его кратерированная поверхность. К 2010 г. космические зонды посетили уже 10 астероидов.
Астероид Гаспра
На Тритоне сменяются времена года. Это происходит так же, как на Земле, хотя и гораздо медленнее, ведь год длится на спутнике 165 земных лет. Кроме того, атмосферное давление на спутнике «скачет» не на «миллиметры ртутного столба», как у нас, а в разы.
Тритон, этот удивительный ледяной мир, через десятки миллионов лет будет разрушен гравитацией Нептуна. Под действием неё спутник приближается к планете и в конце концов подойдёт к ней так близко, что его разорвёт на части, а из его обломков может сформироваться большое и яркое кольцо, видимое с Земли.
Кометы
Комета (от др.-греч. волосатый, косматый) – небольшое небесное тело, обращающееся вокруг Солнца и имеющее туманный вид. Когда комета приближается к Солнцу, вокруг её ядра образуется облако из пыли и газа, которое называется комой. Вместе ядро и кома образуют «голову» кометы. Чем ближе к Солнцу – тем сильнее растёт «голова» кометы, а иногда у неё появляется газовый и пылевой «хвост».
С древнейших времён до наших дней замечено и описано уже около 4000 комет. Самым коротким маршрутом ходит комета Энке – от орбиты Меркурия до Юпитера и обратно за 3,3 года. Самая далёкая из тех, что наблюдались дважды, – комета, открытая в 1 788 г. Каролиной Гершель и вернувшаяся через 1 54 года с расстояния 57 а. е. В 1914 г. на побитие рекорда дальности пошла комета Делавана. Она удалится на 1 70 000 а. е. и «финиширует» через 24 млн. лет.
Комета Донати. Рисунок 1884 г.
Фотография кометы С2001, сделанная телескопом Обсерватории Китт-Пик 7 мая 2004 г.
Хотя законы, управляющие движением планет и комет, одни и те же, их поведение и области обитания сильно различаются. Орбиты планет – эллипсы, близкие к окружностям. Орбиты комет – вытянутые эллипсы, почти параболы. Планеты движутся в плоскости тонкого диска в одном направлении. Пути комет – это настоящий клубок орбит, ориентированных в пространстве без порядка. Кометы ходят по ним одни – против, другие – по часовой стрелке (обратное движение).
Движение планет устойчиво, они не меняют заметно своих орбит. Кометы, регулярно пересекая дороги больших планет, меняют орбиты. Обычно изменения незначительны, но если странница пролетит мимо планеты-гиганта ближе чем в полумиллиарде километров, то величина и направление её орбиты могут измениться до неузнаваемости.
Особенно сильно влияние Юпитера. Набрасывая гравитационное лассо, он «одомашнивает» кометы, переводит их на короткие орбиты – от Солнца до Юпитера и обратно. Сегодня в табуне Юпитера около сотни «захваченных» комет. По десятку комет держат Сатурн и Нептун. Три кометы пасёт Уран. Есть ещё подозрительное стадо, гуляющее до границы 50–60 а. е. Стадо есть, а пастуха нет…
Кометы – самые протяжённые тела Солнечной системы. У кометы 1811 г. одна голова по объёму в шесть-восемь раз превосходила Солнце. У кометы 1882 г. хвост был больше, чем расстояние от Солнца до Юпитера. Но при всех своих невообразимых размерах хвосты, состоящие из плазмы, газа и дыма, настолько разреженны, что на Земле такая среда считается вакуумом.
Ядро кометы состоит из льдов, внутри уплотнённых, а снаружи пористых, губчатых, пушистых. Пока до Солнца далеко, комета, промороженная до -260 °С, спит глубоким сном: ни головы, ни хвоста. Основу льдов (более 80%,) составляет вода, остальное – твёрдая углекислота, именуемая сухим льдом, метановый, аммиачный лёд и другие замороженные газы.
Когда комета достигает расстояния 4,5 а. е. от Солнца и её обогрев достигает 1/20 нагрева Земли, то температура верхнего слоя льда поднимается до -140 °С. В этот момент открытые льды начинают испаряться: переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя стадию жидкости, называется возгонкой. Так образуются сначала кома, а потом и хвост кометы.
Очень близкое прохождение около Солнца грозит ядру развалом, разрывом на части, как уже не раз бывало. Но если комета благополучно миновала перигелий, она, побушевав ещё немного, «успокаивается» и застывает до очередной встречи с Солнцем.
Метеоры и метеорные потоки
Наш «дом», планета Земля, тесно связан с космосом. Наблюдать прибытие на Землю космического вещества может каждый. Достаточно в ясную ночь провести хотя бы час, всматриваясь в звёздное небо, и вы наверняка заметите огненную черту, прорезающую небосвод. Это – падающая звезда, или метеор. Иногда их бывает много – целые звёздные ливни. Но сколько бы их ни пролетело, вид звёздного неба не изменится: падающие звёзды не имеют отношения к звёздам настоящим.
Поток Леониды. Рисунок 1833 г.
Поток Персеиды слева от Млечного Пути, 2009 г.
Метеоры в атмосфере Земли
В пространстве, окружающем нашу планету, движется множество твёрдых тел разных размеров – от пылинок до глыб поперечником в десятки и сотни метров. Чем больше размер тел, тем реже они встречаются. Поэтому пылинки сталкиваются с Землёй ежедневно и ежечасно, а глыбы – раз в сотни и даже тысячи лет. Тело массой в доли грамма, вторгаясь в земную атмосферу с огромной скоростью (десятки километров в секунду), раскаляется от трения о воздух и целиком сгорает на высоте 80–100 км. В этот момент наблюдатель на Земле видит метеор. Уже давно люди заметили, что в отдельные ночи появлялось очень много метеоров. Это были настоящие звездопады, повергавшие очевидцев в изумление, а порой и в ужас. В ноябре 1799 г. такой звездопад наблюдал в Южной Америке известный немецкий путешественник и учёный Александр Гумбольдт. Он обратил внимание на то, что метеоры двигались по небу не как попало, а словно бы истекали из одной области на небе, т. е. обратные продолжения этих огненных стрел пересекались в одной точке. Эту точку стали именовать радиантом метеорного потока.
Метеор проходит через атмосферу. Фото с МКС
Принадлежащие одному потоку частицы летят в атмосфере по параллельным траекториям, а в перспективе мы видим их как бы исходящими из одной точки. Точно так же сходятся к горизонту железнодорожные рельсы, если смотреть вдоль них. Позднее была открыта связь метеорных потоков с кометами.
Ядра комет состоят из льдов с вкрапленными в них твёрдыми частицами. При сближении с Солнцем льды испаряются и покидают ядро, увлекая за собой твёрдые пылинки и песчинки. Самые мелкие из них солнечный ветер уносит в хвост кометы, а затем и вообще выметает за пределы планетной системы. Однако более тяжёлые частицы некоторое время окружают облаком ядро кометы, а потом рассредоточиваются вдоль её орбиты, образуя что-то вроде бублика – тор, осью которого является кометная орбита. Если орбита Земли пересекается с этим тором, частицы налетают на планету, порождая явление метеорного потока. Более того, ровно через год, когда Земля вернётся к этому месту своей орбиты и снова окунётся в рой мелких частиц, метеорный поток повторится – в те же даты, что и в прошлом году.
Кроме метеоров, принадлежащих потокам, наблюдаются и другие, потоков не образующие. Их называют спорадическими. По своему происхождению они схожи с падающими на Землю метеоритами.
Метеориты
Падающие с неба камни или куски железа называют метеоритами. Падение метеорита – явление редкое и может произойти в любой точке земного шара. Обычно небесные странники падают в океаны, на которые приходится более 2/3 земной поверхности. Поэтому они очень редко причиняют вред людям. Достоверно зафиксировано только два случая попадания метеоритов в людей (оба без серьёзных последствий), ничтожен и причинённый ими материальный ущерб.
Метеориты образуются, когда в атмосферу нашей планеты влетает с относительно невысокой скоростью достаточно большой кусок космического вещества. В этом случае атмосфера успевает «притормозить» его, прежде чем он полностью сгорит, и его остаток упадёт на поверхность Земли. Это и есть метеорит.
Падение метеорита сопровождается полётом по небу огненного шара и громоподобными звуками. Наконец, когда масса влетевшего тела ещё больше, то атмосфера уже не может погасить всю его скорость, и оно врезается в поверхность Земли, оставляя на ней космический шрам – метеоритный кратер или воронку.
Следы ударов метеоритов (иногда их называют астроблемы – «звёздные раны») остались на поверхности нашей планеты. Наиболее известный из них – кратер в Аризоне – имеет в поперечнике более 1 км и образовался 50 тыс. лет назад. Сухой климат пустыни обеспечил его хорошую сохранность. Внешние следы других космических шрамов в значительной степени стёрты последующими геологическими процессами. Одно из крупнейших известных ныне таких образований находится на севере Сибири. Это Попигайский метеоритный кратер диаметром 100 км.
Метеоритам принято давать имена по географическим названиям мест, соседствующих с местом падения или находки. Чаще всего это название ближайшего населённого пункта, но выдающимся метеоритам присваивают более общие имена. Два самых крупных падения XX в. произошли на территории России: Тунгусское (30 июня 1908 г.) и Сихотэ-Алинское (12 февраля 1947 г.).
Метеориты делятся на три больших класса: железные, каменные и железокаменные. Они состоят из тех же элементов, что и земные горные породы, но сочетания этих элементов, т. е. минералы, могут быть и такими, какие на Земле не встречаются. Это связано с особенностями образования тел, породивших метеориты.
Метеориты являются осколками астероидов, которые населяют в основном зону между орбитами Марса и Юпитера. Астероиды сталкиваются, дробятся, изменяют орбиты друг друга, так что некоторые осколки иногда пересекают орбиту Земли. Эти осколки и дают метеориты.
Метеорит Хоба
Сихотэ-Алинский метеорит
Вычислить с удовлетворительной точностью орбиты метеоритов очень трудно, т. к. их падение явление очень редкое и непредсказуемое. В нескольких случаях это удалось сделать, и все орбиты оказались типично астероидными. В 2008 г. было получено прямое доказательство астероидного происхождения метеоритов: наземными наблюдениями был обнаружен маленький астероид очень близко от Земли, вычислены время и место его встречи с Землёй. В этом месте был сфотографирован пылевой след болида, а затем группа поиска обнаружила и несколько экземпляров раздробившегося метеорита.
ГЛАВА III.
ЗВЁЗДЫ, ТУМАННОСТИ, МЕЖЗВЁЗДНАЯ СРЕДА
Постоянство и непознаваемость звёзд наши предки считали непреложными условиями существования мира. Наверное, им очень важно было сознавать, что в неверном и изменчивом мире остаётся что-то неподвластное времени. Неудивительно, что любые изменения в мире звёзд издавна считались предвестниками значительных событий. Согласно Библии, внезапно вспыхнувшая звезда возвестила миру о рождении Иисуса Христа, а другая звезда – Полынь – будет, согласно легенде, знаком конца света. Со временем звёзды стали рассматриваться как физические объекты, для описания которых вполне достаточно известных законов природы.
Нам повезло – мы живём в относительно спокойной области Вселенной. Возможно, именно благодаря этому жизнь на Земле возникла и существует на протяжении такого огромного (по человеческим меркам) промежутка времени. Но с точки зрения исследования звёзд этот факт вызывает чувство досады. Самая близкая к нам звезда – Солнце, а на многие парсеки вокруг него (парсек – единица звёздных расстояний, равная 3,26 светового года, или примерно 30 триллионов километров) – только неяркие и невыразительные светила, в лучшем случае подобные нашей звезде, а чаще гораздо более тусклые.
Все редко встречающиеся типы звёзд находятся очень далеко. Видимо, поэтому разнообразие мира звёзд так долго оставалось скрытым от человеческого глаза. И только изобретение новых астрономических приборов позволило осознать, насколько звёзды разные. Основными характеристиками звезды, которые могут быть тем или иным способом определены из наблюдений, являются мощность её излучения (в астрономии она называется светимостью), масса, радиус, температура и химический состав атмосферы. Зная эти параметры, можно рассчитать возраст звезды.
Интересно, что Солнце по своим характеристикам занимает среднее положение, среди других звёзд ничем особенно не выделяясь. В целом же перечисленные выше параметры изменяются в очень широких пределах и, кроме того, взаимосвязаны.
Звёзды самой высокой светимости обладают наибольшей массой, и наоборот, маломассивные звёзды светят очень слабо.
Астрономы не в состоянии проследить жизнь одной звезды от начала и до конца. Даже самые короткоживущие звёзды существуют миллионы лет – дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Однако учёные могут наблюдать много звёзд, находящихся на самых разных стадиях развития, – только что родившиеся и уже умирающие. По многочисленным звёздным портретам они стараются восстановить эволюционный путь каждой звезды и написать её биографию.
Благодаря развитию наблюдательных технологий астрономы получили возможность исследовать не только видимое, но и невидимое глазу излучение звёзд, причём не только электромагнитное, но (в случае Солнца) и нейтринное.
В последние годы активно развивается новая область звёздной астрофизики – астросейсмология. Применение к звёздам сейсмических методов исследования позволило заглянуть в их недра. Сейчас уже многое известно об их строении и эволюции, хотя немало остаётся и необъяснённого, особенно это касается самых начальных и самых последних этапов жизни звёзд.
Характеристики звёзд
Путь к познанию звёзд лежит через измерения и сопоставление их свойств. Первое, что замечает человек при наблюдении ночного неба, – это различная яркость (блеск) звёзд. Видимый блеск звезды – легко измеряемая, важная, но далеко не исчерпывающая характеристика. Для того чтобы установить важную характеристику звезды – мощность её излучения (светимость), надо знать расстояние до неё.
В этом на помощь астрономам приходит тот факт, что мы вместе с Землёй путешествуем по орбите вокруг Солнца. Годичным параллаксом звезды называется угол, под которым со звезды был бы виден средний радиус земной орбиты, перпендикулярный направлению на звезду, и астрономы научились его определять. Оказалось, что параллаксы даже самых близких звёзд чрезвычайно малы, меньше 1”.
Две яркие молодые звезды в зелёной туманности
Так как радиус земной орбиты известен, а годичный параллакс звёзд можно измерить, то для определения расстояния до звезды остаётся решить школьную задачу по планиметрии: найти высоту равнобедренного треугольника, если известно его основание (большая полуось земной орбиты) и угол при вершине (параллакс).
Когда были измерены расстояния до ярких звёзд, стало очевидным, что многие из них по светимости значительно превосходят Солнце. Но светимость большинства звёзд меньше солнечной. Известны звёзды, излучающие света в десятки тысяч раз меньше, чем Солнце. Вообще же интервал светимостей наблюдаемых звёзд оказался невероятно широким: они могут отличаться более чем в миллиард раз!
Одна из сравнительно легко измеряемых звёздных характеристик – цвет. Как раскалённый металл меняет свой цвет в зависимости от степени нагрева, так и цвет звезды всегда указывает на её температуру. Самые горячие звёзды – всегда голубого и белого цвета, менее горячие – желтоватого, холодные – красноватого. Полную информацию о природе излучения звёзд даёт спектр. Спектральный аппарат, устанавливаемый на телескопе, при помощи специального оптического устройства раскладывает свет звезды по длинам волн в радужную полоску спектра. По спектру нетрудно узнать, какая энергия приходит от звезды на различных длинах волн, и оценить её температуру точнее, чем по цвету.
В начале XX в. была разработана спектральная классификация звёзд по тем спектральным линиям, которые наблюдаются в полоске спектра. Основные классы в ней обозначаются латинскими буквами (О, В, A, F, G, К, М, L). Вдоль этой последовательности уменьшается температура звёзд и меняется их цвет – от голубого к красному.
Измерения размеров звёзд показали, что самые маленькие из них, наблюдаемые в оптических лучах, – так называемые белые карлики – имеют в диаметре всего несколько тысяч километров. Размеры же наиболее крупных – красных сверхгигантов – таковы, что, если бы можно было поместить подобную звезду на место Солнца, большая часть планет Солнечной системы оказалась бы внутри неё.
Но самой важной характеристикой звезды является масса – она определяет практически все остальные её свойства, а также особенности её эволюции. Прямые оценки массы могут быть сделаны только на основании закона всемирного тяготения. Такие оценки удалось получить для звёзд, входящих в двойные системы, измеряя скорости их движения вокруг общего центра масс. Оказалось, что массы звёзд заключены в пределах от 0,1 до 100 масс Солнца.
