Текст книги "101 ключевая идея: Астрономия"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 11 страниц)

Джим Брейтот
101 ключевая идея: АСТРОНОМИЯ

Введение

Вы держите в руках книгу из серии «101 ключевая идея». Надеемся, что как данная книга, так и серия в целом окажется для вас интересной и полезной. Цель этой серии – доступным и увлекательным образом познакомить читателя с самыми разными областями знания.

В каждой книге содержится объяснение 101 ключевой идеи и понятия, относящихся к той или иной области знания. Для удобства пользования статьи расположены в алфавитном порядке. Все книги серии написаны таким образом, что от читателя почти не требуется никаких специальных знаний и подготовки. Они будут полезны и для студентов, и для тех, кто только готовится к поступлению в высшее учебное заведение, и просто для любознательных.

На наш взгляд, большинство учебников слишком объемны, чтобы служить справочными пособиями, а статьи в словарях слишком кратки, чтобы сформировать у читателя более или менее полное представление о предмете.

Книги этой серии совмещают в себе лучшие стороны и учебника, и словаря. Их вовсе не обязательно читать от корки до корки и в строго определенном порядке. Обращайтесь к ним, когда нужно узнать значение того или иного понятия, и вы найдете краткое, но содержательное его описание, которое, без сомнения, поможет вам выполнить задание или написать доклад. Материал в книгах излагается четко, с тщательным подбором необходимых научных терминов.

Итак, если вам потребуется быстро и без больших затрат получить сведения пр какой – либо теме – воспользуйтесь книгами данной серии!

Желаем удачи!

Пол Оливер, издатель серии «Teach Yourself Books»(Hodder & Stoughton Ltd)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга предназначена для того, чтобы познакомить людей, не имеющих специального образования в области астрономии, с основными принципами и понятиями этой науки. Астрономия как предмет научного исследования имеет долгую историю и широкие перспективы в будущем. Идеи современной астрономии, такие, как черные дыры, гравитационные линзы, пульсары и квазары, захватывают наше воображение сильнее, чем научные открытия во многих других сферах, – возможно потому, что астрономия предназначена для людей любого возраста. Даже используемые словосочетания и термины, такие, как «Большой Взрыв», передают увлеченность темой и вдохновенное отношение к предмету исследований. Однако было бы заблуждением думать, что в давние времена астрономия была менее увлекательной, чем сейчас. Сами созвездия были нанесены на карты сотни лет назад и получили творческие названия в соответствии с воображаемыми рисунками звезд. В течение многих столетий астрономы пытались понять Вселенную и наше место в ней. Открытия Галилея и тяжкие испытания, выпавшие на его долю, положили начало современной научной эпохе, и нынешние ученые находятся в процессе открытия поразительной картины происхождения Вселенной. Много лет назад такие события, как солнечные затмения и появление комет, имели очень важное значение, направляя мысли и поступки правителей в разных странах. Открытия современной астрономии позволяют нам рассматривать самих себя и нашу крошечную планету в более широкой перспективе.

Астрономия – обширная область науки. В этой книге дано краткое описание ее главных идей в доступной и удобочитаемой форме. Ключевые идеи астрономии представлены в алфавитном порядке и при необходимости снабжены рисунками, таблицами и перекрестными ссылками. К ключевым идеям относятся основополагающие теории современной астрономии, такие, как теория Большого Взрыва, а также основные принципы и факты, необходимые для тех, кто только начинает изучать астрономию и хочет узнать побольше о ночном небе.

АНТИВЕЩЕСТВО

Вещество состоит из частиц, а антивещество состоит из античастиц. Частицы и античастицы происходят от фотона высокой энергии, который в результате этого события перестает существовать. Античастица имеет массу покоя, равную и противоположную по знаку (то есть отрицательную) массе покоя аналогичной частицы, а также обладает равным и противоположным по знаку зарядом аналогичной частицы, если эта частица имеет электрический заряд.

Первой обнаруженной античастицей был позитрон, который является противоположным аналогом электрона. Можно создать антипротон (вместе с другим протоном), заставив два протона столкнуться на скорости, приближающейся к скорости света. Античастицы могут соединяться друг с другом и образовывать составные античастицы, такие, как атомы антиводорода, каждый из которых состоит из антипротона и позитрона.

Для того чтобы фотон высокой энергии произвел частицу и ее античастицу, энергия фото – на (hf) должна быть равной или больше полной энергии покоя частицы и античастицы (которая равна 2m ₀с ², где m ₀– масса покоя частицы). Когда частица и соответствующая ей античастица сталкиваются и уничтожают друг друга, создаются два протона, чей общий момент движения и общая энергия равны первоначальному моменту движения и энергии частицы и античастицы. Иными словами, каждый раз, когда создается частица, появляется соответствующая ей античастица, а когда частица уничтожается (аннигилирует), соответствующая античастица тоже уничтожается. Галактики состоят из вещества, но не из антивещества. Наблюдения не выявили никаких свидетельств в пользу существования галактик, состоящих из антивещества. Астрономы полагают, что Вселенная появилась в результате так называемого Большого Взрыва около 12 млрд… лет назад. Считается, что энергия Большого Взрыва привела к образованию частиц и античастиц. В процессе первичного остывания Вселенной из космического излучения образовывалось гораздо больше частиц обычного вещества. Эта асимметрия привела к тому, что вскоре после Большого Взрыва все античастицы аннигилировали при столкновении с обычными частицами, образуя фотоны.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Темное вещество».

АСТЕРОИДЫ

Астероиды состоят из малых планет и других небесных тел небольшого размера, вращающихся по разным орбитам вокруг Солнца, главным образом между Марсом и Юпитером. Этот регион известен как пояс астероидов. Первый астероид, Церера, был открыт в 1801 году Джузеппе Пияцци. С тех пор были обнаружены тысячи астероидов, орбиты которых теперь хорошо известны. Некоторые астероиды движутся по сильно вытянутым орбитам с перигелиями внутри орбиты Меркурия. Были обнаружены астероиды, орбиты которых пересекают орбиту Земли; последнее зарегистрированное приближение одного из таких астероидов к Земле произошло в марте 1989 года и составило 700 000 км (0,005 астрономической единицы). Считается, что столкновение астероида с Землей около 65 млн… лет назад привело к завершению эпохи динозавров.

Многие астероиды движутся по орбитам, наклоненным по отношению к орбите Земли под гораздо более крутыми углами, чем орбита любой из планет. Диаметр самого крупного астероида, Цереры, составляет около 770 км. Два других астероида, размеры которых превышают 500 км, – Веста и Паллада. Максимальная длина многих астероидов не превышает 10 км.

Среднее расстояние от астероидов до Солнца составляет около 2,8 астрономической единицы. Две группы астероидов, известные под названием Троянцы, находятся почти на орбите Юпитера; одна группа движется впереди, на расстоянии около 60 градусов дуги, а другая группа – позади, примерно на таком же расстоянии. Астероиды с сильно эллиптическими орбитами пересекают орбиты внутренних планет. К таким астероидам относится Икар, который подходит к Солнцу ближе, чем Меркурий. Были также обнаружены астероиды далеко за орбитой Юпитера и даже Нептуна, составляющие часть пояса Койпера, который считается источником короткопериодических комет.

Астероиды в основном состоят из таких материалов, как кремний, железо и изверженные горные породы. Фотографии некоторых астероидов были получены от космического зонда «Галилей», когда он проходил через пояс астероидов. Судя по этим фотографиям, астероиды густо покрыты кратерами, но не имеют характерной формы, хотя так называемые малые планеты считаются почти сферическими. Все астероиды лишены атмосферы из – за низкой силы тяготения, которая не может удерживать газы около поверхности.

См. также статьи «Планеты», «Орбиты планет».

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

Земная атмосфера на 78 % состоит из азота, на 21 % из кислорода и менее чем на 1 % из аргона, двуокиси углерода и водяных паров. Плотность атмосферы уменьшается с высотой от среднего значения 1 кг/м ³на уровне моря до менее чем 10 ^–9кг/м ³на высоте 160 км. Выше 500 км атмосферы не существует. Более 50 % массы земной атмосферы сосредоточено на высоте до 6 км.

Атмосфера Земли защищает живые существа от воздействия метеорной бомбардировки, так как метеоры и мелкие метеориты сгорают при прохождении через атмосферу, а также от воздействия солнечного излучения, состоящего из различных частиц, ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей. Ультрафиолетовое излучение фильтруется озоновым слоем, расположенным на высоте примерно 25 км. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, обычно отклоняются магнитным полем Земли.

Атмосфера Земли прозрачна для электромагнитного излучения в двух полосах, называемых окном видимого спектра и окном радиоволн; последнее охватывает частоты начиная от – 30 МГц до 100 ГГц. Поэтому оптические и радиотелескопы на уровне Земли могут улавливать свет или радиоволны из космоса, в отличие от инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Приборы для наблюдения за этими частотами космического излучения должны быть расположены на спутниках, выведенных за пределы земной атмосферы.

Молекулы в атмосфере Земли рассеивают солнечный свет, поэтому дневное небо яркое во всех направлениях. Небо имеет голубой цвет, поскольку чем выше степень рассеивания, тем короче длина световой волны.

Ионосфера на высоте от 100 до 300 км содержит ионы и электроны. Космическое и солнечное излучения вызывают ионизацию атомов и молекул в атмосфере этого региона: Радиоволны с частотой ниже 30 МГц отражаются ионосферой из – за большого количества ионов и электронов, отражающих радиоволны так же, как металлическая пластина.

См. также статьи «Метеоры и метеориты», «Электромагнитное излучение», «Радиотелескопы».

БЕЛЫЙ КАРЛИК

Звезды типа белых карликов значительно менее яркие, чем Солнце, но гораздо более горячие; они в буквальном смысле раскалены добела. Согласно закону Стефана, чем горячее звезда, тем больше количество энергии, излучаемое в секунду с единицы площади ее поверхности. Таким образом, белый карлик излучает гораздо больше энергии в секунду на единицу площади, чем Солнце, но поскольку общее количество энергии, излучаемое в секунду, значительно уступает солнечной, площадь поверхности и диаметр белого карлика должны быть гораздо меньше, чем у Солнца. Белый карлик Сириус В, спутник звезды Сириус, был обнаружен одним из первых.

Белый карлик образуется после прекращения реакции ядерного синтеза в звезде– гиганте с низкой массой. При выбросе значительной части ее внешних слоев и образовании так называемой планетарной туманности остается горячее плотное ядро, постепенно остывающее и тускнеющее в течение миллиардов лет. Радиус белого карлика уменьшается при увеличении его массы вплоть до предела Чандрасекара, который составляет 1,4 массы Солнца. Ядро звезды с массой более 1,4 массы Солнца не становится белым карликом, поскольку она не стабильна и взрывается как сверхновая. Белый карлик в системе двойной звезды притягивает массу своего спутника и в конце концов взрывается как новая или сверхновая звезда, когда его масса достигает предела Чандрасекара. При достижении этого предела в недрах звезды возобновляется реакция ядерного синтеза, в результате чего она сбрасывает внешние слои и становится новой звездой или взрывается целиком и становится сверхновой. Однако белый карлик как отдельная звезда является стабильным и постепенно расходует свою внутреннюю энергию, в конце концов становясь холодной и невидимой карликовой звездой. С учетом того обстоятельства, что в недрах черного карлика содержится значительное количество углерода, некоторые астрономы полагают, что такая звезда может представлять собой гигантский алмазный шар!

См. также статьи «Эволюция звезд», «Ядерный синтез», «Сверхновая».

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Теория Большого Взрыва гласит, что Вселенная появилась в результате взрывного расширения точки сингулярности, когда было создано время, пространство и вещество. Считается, что это событие произошло около 12 млрд. лет назад. По мере расширения Вселенной формировались галактики, постепенно удалявшиеся друг от друга, Вселенная продолжала расширяться и по-прежнему расширяется. Известно, что отдаленные галактики разбегаются друг от друга со скоростью, приближающейся к скорости света.

Теория Большого Взрыва возникла в результате открытия американского астронома Эдвина Хаббла. Он обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Эта взаимосвязь, выявленная в результате наблюдений, известна как закон Хаббла, который гласит, что для удаляющейся галактики на расстоянии d, ее скорость убегания v = Hd, где Н представляет собой константу пропорциональности, известную как постоянная Хаббла. Однако, хотя закон Хаббла объясняет идею расширения Вселенной, теория Большого Взрыва не была принята до открытия космического фонового микроволнового излучения в 1965 году. До этого открытия многие астрономы склонялись к теории равновесного состояния Вселенной, предполагавшей, что расширение Вселенной обусловлено веществом, создаваемым в космосе между галактиками, которые в результате удаляются друг от друга. Эта теория была отвергнута, так как она не объясняла присутствия микроволнового излучения, приходящего из космического пространства.

Хаббл вывел связующее звено между скоростью убегания и расстоянием в результате измерения красного смещения более 24 галактик, находившихся на расстоянии до 6 млн. световых лет от Земли. С тех пор подобные измерения были выполнены для гораздо большего количества галактик; результаты подтверждали закон Хаббла и позволили определить более точное значение константы Н. Общепринятая величина постоянной Хаббла теперь считается около 20 км/с на миллион световых лет [1]1
  1 световой год = 63 240 а. е. = 9,5 10 ¹⁵м. – Здесь и далее прим. ред.


[Закрыть]или (50–100) км/с на мегапарсек. Увеличение постоянной Хаббла на больших расстояниях указывает на то, что расширение Вселенной на ее окраинах происходит с большей скоростью.

См. также «Расширение Вселенной», «Закон Хаббла».

ВЕНЕРА 1: ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРБИТЫ

За исключением Солнца и Луны, Венера – самый яркий объект на небосводе. Ее яркость частично обусловлена тем, что планета постоянно покрыта белыми облаками, хорошо отражающими солнечный свет. Венера обращается вокруг Солнца на среднем расстоянии 0,72 астрономической единицы по почти круглой орбите с периодом 225 суток. Направление ее вращения вокруг собственной оси противоположно направлению вращения Земли; один полный оборот происходит за 243,2 суток. Диаметр Венеры составляет 0,95 диаметра Земли, а ее средняя плотность в 5,2 раза превышает плотность воды.

При наблюдении с Земли Венера никогда не отходит от Солнца дальше чем на 47°; таким образом, ее можно видеть в течение трех часов до восхода солнца или в течение трех часов после заката. При наблюдении до рассвета Венера находится в западной элонгации, поскольку она расположена к западу от Солнца. При наблюдении после заката Венера находится в восточной элонгации, поскольку она расположена к востоку от Солнца. Яркость Венеры меняется, так как ее расстояние от Земли тоже меняется от 0,28 астрономической единицы в точке нижнего астрономического соединения, когда Венера находится между Землей и Солнцем, до 1,72 астрономической единицы в точке верхнего соединения, когда Венера находится с противоположной стороны от Солнца. При движении от верхнего астрономического соединения к нижнему и обратно Венера проходит через цикл фаз от полного диска до полумесяца и обратно. Угловая ширина диска планеты тоже претерпевает изменения, поскольку расстояние от Земли меняется таким образом, что мы видим маленький диск полной Венеры, а затем большой полумесяц Венеры. Период максимальной яркости Венеры совпадает с максимальной элонгацией, поскольку с Земли видна большая часть освещенной Солнцем поверхности, а сама планета находится на небольшом расстоянии.

Орбита Венеры наклонена под углом около 3° по отношению к орбите Земли. Когда Венера находится в точке нижнего астрономического соединения, она обычно расположена над солнечным диском или под ним из-за наклона орбиты. Однако в редких случаях, называемых прохождениями, Венера движется перед солнечным диском как черная точка. Последние прохождения наблюдались в 1874 и 1882 годах, а следующие два ожидаются в 2004 и 2012 годах.

См. также статьи «Планеты», «Орбиты планет».

ВЕНЕРА 2: ЭЛЕМЕНТЫ ПОВЕРХНОСТИ

Венера постоянно покрыта плотным слоем облаков. Период вращения Венеры сначала был определен с помощью радарных импульсов, направленных на планету с Земли. Эти импульсы частично отражались поверхностью Венеры и могли регистрироваться на Земле. Из-за вращения Венеры длина волны отраженных импульсов то увеличивается, то уменьшается. В результате измерения смещения длины волны отраженных импульсов было установлено, что планета вращается в обратном направлении с периодом 243,2 суток.

Сила тяготения на поверхности Венеры составляет 0,9 земной, а температура на поверхности – около 750К (~ 500 °C). Атмосфера Венеры на 96 % состоит из углекислого газа и на 4 % из азота с небольшими примесями двуокиси серы, сероводорода и других химических соединений. Измерения, проведенные космическими зондами, направленными в атмосферу Венеры, установили, что атмосферное давление на планете в 90 раз превосходит земное. Венерианские облака, состоящие главным образом из серной кислоты, имеют толщину около 20 км и расположены на высоте примерно 50 км над поверхностью, оставляя свободный от облаков атмосферный промежуток от поверхности до высоты примерно 30 км. Температура на поверхности гораздо выше, чем можно было бы ожидать для объекта, расположенного на расстоянии 0,72 астрономической единицы от Солнца. Дело в том, что слой облаков улавливает солнечное тепло и препятствует его рассеиванию, создавая парниковый эффект в атмосфере Венеры.

Подробные карты поверхности Венеры были составлены в период между 1990 и 1992 годом с помощью орбитального космического зонда «Магеллан», снабженного радарной системой, специально предназначенной для этой цели. На изображениях, полученных с «Магеллана», можно видеть потоки затвердевшей лавы из вулканов, которые, по всей видимости, продолжают действовать и обеспечивают относительно высокий уровень содержания серы в венерианской атмосфере.

См. также статьи «Атмосфера Земли», «Радарная астрономия», «Сила тяготения».

ВСПЫШКИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Если бы наши глаза могли видеть гамма-лучи, мы были бы удивлены, время от времени наблюдая в небе яркие вспышки, каждая из которых продолжается около минуты. В середине 1960-х годов силами Министерства обороны США была разработана и выведена на орбиту серия спутников, предназначенных для слежения за секретными советскими испытаниями ядерного оружия в космосе. Вместо этого спутники неожиданно зарегистрировали вспышки гамма-излучения, в случайном порядке поступающие из разных областей космоса. Причина этих вспышек оставалась источником догадок и гипотез среди астрономов до 1991 года, когда с космического челнока «Атлантис» был запущен спутник с обсерваторией для наблюдения за гамма-излучением. Обсерватория зафиксировала вспышки с частотой примерно раз в сутки. Случайное расположение вспышек гамма-излучения означало, что феномен должен быть связан с Вселенной в целом, а не с какой-либо отдельной частью Вселенной.

В 1996 году был запущен новый спутник, несший на борту широкоугольный рентгеновский телескоп и детектор гамма-лучей. В феврале 1 997 года детектор зарегистрировал в направлении созвездия Ориона вспышку гамма-излучения под кодовым номером GRB 970 228, которая продолжалась более минуты. Для точного определения источника, прежде чем сигнал стал слишком слабым, был использован рентгеновский телескоп. Результат был подтвержден в течение 12 часов астрономами, пользовавшимися телескопом имени Уильяма Гертеля с диаметром зеркала 4,2 м; этот телескоп расположен в обсерватории Ла-Пальма на Канарских островах. В мае 1997 года спутник зарегистрировал другую вспышку гамма-излучения под кодовым названием GRB 970 508. Было установлено, что величина красного смещения этой вспышки составляет 0,84.

Небесная карта вспышек гамма-излучения

Таким образом был снят вопрос о том, на каком расстоянии находятся вспышки гамма – излучения, так как красное смещение 0,8 четко указывает на расстояние порядка миллиардов световых лет. Причина вспышек гамма-излучения до сих пор не известна.

См. также статьи «Электромагнитное излучение», «Красное смещение», «Сверхновая».