Текст книги "101 ключевая идея: Астрономия"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 11 страниц)

УВЕЛИЧЕНИЕ

Телескоп увеличивает любой отдаленный объект, кроме точечных, таких, как звезды. Увеличение телескопа представляет собой отношение углового размера объекта при наблюдении в телескоп к угловому размеру объекта при непосредственном наблюдении. К примеру, угловой размер Луны составляет около 0,5. При наблюдении в телескоп с двенадцатикратным увеличением видимый угловой размер лунного диска будет составлять 6°.

Увеличение телескопа при нормальном использовании равно отношению фокусной длины объектива к фокусной длине окуляра. Таким образом, телескоп – рефлектор с зеркалом фокусной длиной 600 мм и окуляром с фокусной длиной 40 мм будет иметь пятнадцатикратное увеличение (600 мм / 40 мм). Если поставить окуляр с фокусной длиной в 30 мм, увеличение телескопа возрастет до двадцатикратного (600 мм / 30 мм).

Увеличение телескопа должно превосходить отношение диаметра объектива к диаметру зрачка человеческого глаза, иначе не весь свет, поступающий в телескоп от точечного объекта, попадает в глаз наблюдателя. Поскольку в темноте диаметр зрачка составляет приблизительно 8 мм, увеличение должно быть равным или выше 1/8 диаметра объектива в миллиметрах. Если увеличение слишком велико, качество изображения плохое, так как окуляр слишком мощный для телескопа и вызывает искажение объекта. В качестве общего правила увеличение не должно превосходить численное значение диаметра объектива, выраженное в миллиметрах. Таким образом, телескоп с объективом диаметром 120 мм должен иметь увеличение не менее пятнадцатикратного и не более сто двадцатикратного.

См. также статьи «Окуляр», «Телескопы 2».

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ И РЕНТГЕНОВСКАЯ АСТРОНОМИЯ

За фиолетовой частью видимого спектра находится область ультрафиолетового излучения, за которой в свою очередь находятся области рентгеновского и гамма – излучения. Земная атмосфера поглощает эти виды электромагнитного излучения, поэтому их источники можно определить только с использованием соответствующих приборов на орбитальных спутниках.

Подробные исследования в области ультрафиолетовой астрономии были выполнены со спутника International Ultraviolet Explorer в период между 1978 и 1996 годом. В 1992 году был запущен новый спутник, Extra Ultraviolet Explorer, для наблюдения за источниками с гораздо более короткой длиной волны – от 10 до 70 нм. Космический телескоп Хаббла тоже оснащен аппаратурой для наблюдения за источниками ультрафиолетового излучения, но в диапазоне волн не короче 120 нм.

К источникам рентгеновских лучей относятся черные дыры и взорвавшиеся звезды, а также горячие газы в космосе. Первое исследование космических источников рентгеновских лучей было выполнено в 1971 году с помощью спутника "Ухуру". Это исследование привело к открытию двойных пульсаров. Рентгеновские телескопы, установленные на орбитальных спутниках, обнаружили источники излучения, дающие вспышки рентгеновских лучей с относительно большими интервалами. Принцип работы рентгеновского телескопа основан на отражении на специальный детектор рентгеновских лучей от гладко отполированных металлических пластин.

Космические вспышки гамма-излучения были обнаружены более 30 лет назад, когда военные спутники, используемые для слежения за испытаниями ядерного оружия, обнаружили вспышки гамма-излучения в разных направлениях космического пространства. С борта космического челнока "Атлантис" в 1992 году была запущена Комптоновская обсерватория, предназначенная для изучения источников гамма – излучения в космосе. В 1997 году гораздо более совершенный рентгеновский детектор на борту спутника Beppo SAX зарегистрировал вспышку гамма-излучения, местонахождение которой впоследствии было определено с использованием оптических телескопов. При измерении величины красного смещения было установлено, что источник находится на расстоянии миллиардов световых лет. В дальнейшем удалось обнаружить вспышки гамма-излучения, источники которых находятся на расстоянии до 10 млрд. световых лет.

УРАН

Уран был открыт Уильямом Гертелем в 1781 году, хотя он и раньше обозначался на звездных картах как тусклая звезда. Гертель проследил за изменением положения Урана относительно других звезд и пришел к выводу, что это планета, расположенная за орбитой Сатурна, которая очень медленно движется через созвездия со скоростью около 4 градусов в год. Фактически Уран совершает полный оборот вокруг Солнца за 84 года на среднем расстоянии 19 астрономических единиц. Его диаметр в 4 раза превышает диаметр Земли, а средняя плотность примерно в 1,3 раза больше плотности воды. Сила тяготения на его поверхности составляет 0,9 земной, а температура 55К (-218 °C).

При наблюдении с Земли Уран виден как зеленовато-голубой диск, лишенный каких – либо характерных черт. Космический зонд "Вояджер -2" пролетел мимо Урана в 1986 году и зафиксировал, что атмосфера планеты состоит примерно из 6 частей водорода на 1 часть гелия с небольшой примесью тяжелых элементов и метана, придающего атмосфере голубоватый оттенок.

Гертель также наблюдал два спутника, обращающихся вокруг Урана под прямыми углами к орбите планеты. Это свидетельствовало о том, что ось вращения Урана наклонена на 90° по отношению к оси его орбиты. Ныне известно, что у планеты 15 спутников, которые обращаются вокруг нее в одной плоскости. Согласно данным "Вояджера-2", наклон оси вращения планеты к плоскости орбиты составляет 98°.

Поскольку ось вращения Урана всегда указывает в одном и том же направлении, на каждом из полюсов планеты десятилетия полной тьмы сменяются десятилетиями постоянного дневного света. Считается, что необычный наклон оси вращения Урана является результатом столкновения с крупным небесным телом. Сходное столкновение может объяснять фрагментарный вид поверхности Миранды, одного из спутников Урана.

"Вояджер-2" также подтвердил существование слабой кольцевой системы вокруг Урана, которая впервые была открыта на 10 лет раньше, когда астрономы наблюдали, как Уран затмевает звезду (то есть проходит перед ней и закрывает ее своим диском). Звезда неожиданно начала "мигать" незадолго до и после затмения, что указывало на присутствие колец вокруг Урана, которые закрывали свет звезды, когда проходили перед ней.

ЦЕФЕИДЫ

Цефеиды – это пульсирующие переменные звезды, блеск которых плавно меняется в определенных пределах за постоянный период, составляющий от 1 до 50 суток. Этот класс переменных звезд был открыт в 1784 году астрономом Джоном Гудрайком, который наблюдал за изменениями яркости звезды дельта Цефея в созвездии Цефея, блеск которой плавно изменялся за период 5,4 суток примерно на 1 звездную величину. В других частях небосвода были обнаружены новые звезды, блеск которых менялся за сходные периоды времени; их стали называть цефеидами. Изменения блеска цефеиды обусловлены физическими изменениями в недрах самой звезды, которые приводят к регулярному уменьшению и увеличению ее диаметра, что отражается на ее яркости.

Генриетта Ливитт измерила изменение блеска 25 цефеид в Малом Магеллановом Облаке, которое представляет собой маленькую галактику неправильной формы на окраине Млечного Пути. Сопоставив на графике среднюю звездную величину каждой звезды с периодом изменения ее блеска, Генриетта Ливитт обнаружила, что звездная величина неуклонно возрастает вместе с возрастанием периода изменения. Хотя в то время расстояние до Магелланова Облака не было известно, Ливитт знала, что все звезды в нем находятся примерно на одинаковом расстоянии от Солнца (сходным образом можно сказать, что каждый житель Нью – Йорка находится на примерно одинаковом расстоянии от наблюдателя в Англии). Отсюда Ливитт пришла к выводу, что средняя абсолютная светимость цефеиды возрастает вместе с увеличением периода изменения ее блеска.

Год спустя Эйнар Герцшпрунг смог воспользоваться методом параллакса для измерения расстояния до гораздо более близкой цефеиды, а затем вычислить разницу между средней абсолютной и видимой светимостью цефеиды, которую можно было применить к любой переменной звезде этого класса для определения ее абсолютной светимости, а следовательно, и расстояния до нее. После открытия Ливитт цефеиды использовались астрономами для определения расстояния до звезд, находившихся далеко за пределами измерений по методу параллакса, включая звезды в других галактиках.

См. также статьи «Дистанционные измерения 2», «Звездная величина», «Переменные звезды!»

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Даже свет не может ускользнуть из черной дыры. Черная дыра является абсолютным поглотителем всех видов электромагнитного излучения (или любой другой формы излучения) точно так же, как черная поверхность полностью поглощает видимый свет. Идея черной дыры впервые была сформулирована Джоном Мичеллом еще в 1783 году *, хотя сам термин черная дыра имеет гораздо более позднее происхождение и впервые был применен американским физиком Джоном Уиллером. Хотя идея Мичелла в целом была правильной, в то время не существовало доказательств, что гравитация может влиять на распространение света. В 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал в своей «Общей теории относительности», что сильное гравитационное поле искажает пространство – время и изгибает лучи света. По расчету Эйнштейна, свет звезд, проходящий мимо Солнца, отклоняется на одну двухтысячную долю градуса из-за силы солнечного тяготения. Это предсказание было подтверждено сэром Артуром Эддингтоном в 1919 году. Эддингтон возглавил экспедицию в Южную Америку для проверки теоретических выводов Эйнштейна с помощью фотографирования звезд, которые становились видимыми рядом с Солнцем во время полного солнечного затмения.

* В 1796 году независимо от Дж. Мичела идею чёрной дыры высказал и Лаплас.

Основы современной теории черных дыр были заложены немецким астрономом Карлом Шварцшильдом, который воспользовался выкладками Эйнштейна для доказательства того, что любой объект с достаточно сильным гравитационным полем может задерживать и поглощать свет. Шварцшильд доказал, что такой объект окружен горизонтом событий – сферической оболочкой, сферой Шварцшильда, через которую не может проникнуть ничего и никогда из того, что находится внутри. Любой предмет, попавший за горизонт событий, исчезает навеки, оставляя на нем свой тускнеющий образ. Радиус горизонта событий известен как гравитационный радиус Шварцшильда. Радиус Шварцшильда для черной дыры с массой т равен 2Gm/c ², где G – постоянная гравитации из ньютоновской теории тяготения, а с равняется скорости света. Чтобы Земля превратилась в черную дыру, ее нужно сжать до диаметра менее 18 мм.

Астрономами были получены доказательства существования черных дыр. Центральная область галактики М87 вращается так быстро, что астрономы предполагают наличие в ее центре массивной черной дыры. Мощный источник рентгеновских лучей Лебедь XI является двойной системой, состоящей из звезды-сверхгиганта и очень плотной невидимой звезды, которая может быть черной дырой, вытягивающей вещество с внешней оболочки своего спутника.

См. также статьи «Эйнштейн», «Антивещество».

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Эволюция звезды представляет собой последовательность этапов, которую она проходит, начиная от своего формирования в качестве протозвезды до конца своей жизни в качестве объекта, излучающего свет. Звезда образуется из облаков космической пыли и водорода в результате направленной внутрь силы тяготения. По мере уплотнения вещества в недрах протозвезды гравитационная энергия превращается в тепловую, и температура звезды увеличивается до тех пор, пока не начинается реакция ядерного синтеза. Излучение высокой энергии, испускаемое на этом этапе, еще больше разогревает протозвезду, и она становится звездой Главной последовательности.

Звезда находится на этапе Главной последовательности большую часть своей жизни, испуская излучение в результате реакции между ядрами гелия и водорода в своем ядре. В ходе этого процесса образуется давление на внешние слои звезды, окружающие ядро. Гравитационное давление на каждый слой уравновешивается давлением извне, которое создает излучение. Когда все ядра водорода в ядре звезды оказываются израсходованными, ядро коллапсирует, а внешние слои раздуваются, увеличиваясь в объеме, и остывают. Звезда становится красным гигантом. На этом этапе ядра гелия в ядре вступают в реакцию синтеза между собой и образуют ядра более тяжелых элементов вплоть до железа. Когда этот процесс заканчивается, вся звезда коллапсирует и разогревается, становясь белым карликом, если ее масса составляет менее 1,4 массы Солнца. Планетарные туманности, наблюдаемые вокруг некоторых звезд, считаются облаками светящегося вещества, выброшенными в результате коллапса с образованием белого карлика. Если масса звезды превосходит 1,4 массы Солнца, что известно как предел Чандрасекара, звезда полностью коллапсирует, а затем взрывается. Такие звезды называются сверхновыми.

См. также статьи «Диаграмма Герцшпрунга – Ресселла», «Новая», «Ядерный синтез», «Красный гигант», «Сверхновая», «Белый карлик».

ЭЙНШТЕЙН

Альберт Эйнштейн (1879–1955) произвел революцию в физике, когда опубликовал свою работу «Специальная теория относительности» (в 1905 году), где доказал, что энергия и масса взаимозаменяемы в соответствии с уравнением Е = тс 2, где с – скорость света в космосе. Он также доказал, что объект не может двигаться быстрее света. В двух других статьях, также опубликованных в 1905 году, Эйнштейн доказал существование атома и продемонстрировал, что свет состоит из фотонов, представляющих собой пучки электромагнитных волн, каждый из которых состоит из энергии пропорциональной частоте волны. В то время Эйнштейну еще не исполнилось 30 лет и он был служащим патентного бюро в Берне. С 1909 года он – профессор и преподаватель Цюрихского университета, а с 1913 года живет и работает в Берлине: директор Физического института, профессор Берлинского университета.

В 1916 году Эйнштейн опубликовал "Общую теорию относительности", в которой предсказал существование черных дыр и искривление света в гравитационном поле. Его теория была успешно подтверждена в ходе экспериментов Артура Эддингтона, который сфотографировал звезды вблизи Солнца во время полного солнечного затмения в 1919 году. Эддингтон обнаружил, что позиции звезд у края солнечного диска были немного смещены, в соответствии с предсказанием Эйнштейна, и что размер этого смещения соответствовал вычислениям Эйнштейна. Экспериментальное доказательство общей теории относительности означало, что таких понятий как "абсолютное время" и "абсолютное пространство" не существует. Пространство и время взаимосвязаны и подвергаются воздействию гравитации. После конференции ведущих ученых в Лондоне, обсудившей выводы из общей теории относительности, Эйнштейн стал всемирной знаменитостью. Он был награжден Нобелевской премией по физике в 1921 году за труды по теоретической физике и открытие законов фотоэффекта о природе света. В 1933 году Эйнштейн эмигрировал в Америку.

Общая теория относительности имела важные последствия для астрономии и космологии, включая открытие черных дыр, гравитационных линз и разработку теории Большого Взрыва, объясняющей происхождение Вселенной.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Черные дыры», «Гравитационные линзы».

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн, которые представляют собой электрические и магнитные поля, перпендикулярные друг другу и направлению распространения волны и совпадающие друг с другом по фазе. Электромагнитные волны самораспространяются, поскольку электрическая волна создает магнитную волну, которая, в свою очередь, создает электрическую волну и так далее. Спектр электромагнитного излучения представлен в таблице (см. с. 256). Все электромагнитные волны движутся в вакууме с одинаковой скоростью, скоростью света – 300 000 км в секунду.

См. также статьи «Инфракрасная астрономия», «Радиоастрономия», «Ультрафиолетовая и рентгеновская астрономия».

ЮПИТЕР 1: ПЛАНЕТА

Юпитер – самая большая планета Солнечной системы. Его масса в 318 раз превышает массу Земли, а диаметр более чем в 11 раз больше земного. Юпитер вращается вокруг Солнца на среднем расстоянии 5,2 астрономической единицы, совершая полный оборот каждые 11,9 лет; при этом расстояние до Солнца изменяется в пределах от 5,0 до 5,4 астрономической единицы. Каждые 13 месяцев Юпитер находится в оппозиции с Землей, когда наша планета догоняет, а затем перегоняет его. При наблюдении с Земли в телескоп он виден как немного сплюснутый диск, пересекаемый светлыми и темными параллельными поясами. Внутри поясов существуют долговременные стабильные регионы, включая большое Красное пятно, впервые описанное почти 2 века назад. Своеобразная форма Юпитера объясняется тем, что он представляет собой шар жидкого материала, вращающийся вокруг своей оси и совершающий полный оборот каждые 10 часов. Из-за быстрого вращения его экваториальный диаметр значительно больше полярного. Полюса образуются из-за эффекта быстрого вращения планеты и термальной конвекции в ее недрах. «Стабильные» регионы, наблюдаемые в виде точек на поверхности планеты, считаются долгоживущими вихреобразными структурами.

Спектральный анализ атмосферы Юпитера выявил присутствие аммиака, метана и водорода. Принято считать, что Юпитер имеет плотное железосиликатное ядро, окруженное водородом, который при таком огромном давлении имеет свойства металла. Между оболочкой из металлического водорода и атмосферой существует водород в молекулярной форме. Средняя температура атмосферы Юпитера составляет примерно – 110 °C, что больше ожидаемого, судя по расстоянию от Солнца. Таким образом, Юпитер излучает тепловую энергию, возникшую, вероятно, при формировании планеты или при ее последующем сжатии. В июле 1994 года комета Шумейкера – Леви-9 врезалась в Юпитер, распавшись на множество фрагментов, что привело к образованию временных темных пятен в атмосфере планеты, подвергшейся ударному воздействию.

Обширная программа изучения Юпитера была выполнена с помощью космических зондов, особенно двух аппаратов "Вояджер", которые пролетели мимо Юпитера с интервалом в несколько месяцев в 1979 году. [42]42
  С Земли аппараты стартовали в 1977 году: «Вояджер-1» – 5 сентября, «Вояджер – 2» – 20 августа.


[Закрыть]Они послали на Землю крупномасштабные фотографии поверхности Юпитера, его спутников и тусклого кольца вокруг планеты, о котором ранее не было известно.

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

ЮПИТЕР 2: СПУТНИКИ

Известно, что Юпитер имеет по меньшей мере 16 спутников, расположенных на расстоянии от 130 тысяч до более 20 млн. километров от планеты. Галилей открыл четыре самых больших спутника: Ио, Ганимед, Каллисто и Европа. Эти четыре спутника можно наблюдать в телескоп как яркие точки в экваториальной плоскости планеты. Их положение изменяется от одной ночи к следующей, так как они вращаются вокруг планеты с периодом порядка нескольких суток, а не лет. Космический зонд «Вояджер-2» послал на Землю подробные фотографии крупных спутников Юпитера, когда пролетал мимо них. Еще более подробные изображения поступили от космического зонда «Галилей», который вышел на орбиту вокруг Юпитера в 1995 году. [43]43
  Стартовал с Земли 17 октября 1989 года.


[Закрыть]

Диаметр Ио, ближайшего к Юпитеру спутника планеты, примерно равен диаметру земной Луны. Его период обращения составляет 1,8 суток, а радиус орбиты 0,42 млн. км. Вулканическая активность на поверхности Ио поразила астрономов, когда она впервые наблюдалась на фотографиях, полученных с космического зонда "Вояджер-2". Считается, что наличие расплавленного материала в недрах Ио и извержения на поверхности спутника вызваны периодическим растяжением и сжатием под воздействии гравитационного поля Юпитера в сочетании с другими внешними спутниками. Средняя плотность Ио примерно такая же, как у земной Луны. Европа, второй крупный спутник Юпитера, меньше Ио и совершает полный оборот вокруг планеты за 3,6 суток. Радиус ее орбиты составляет 0,67 млн. км. Гладкая поверхность Европы расцвечена коричневыми пятнами и покрыта трещинами. Средняя плотность этого спутника примерно такая же, как у земной Луны.

Ганимед, следующий по счету, – самый большой спутник Юпитера. Период его обращения вокруг планеты составляет 7,2 суток при радиусе орбиты 1,1 млн. км. На его поверхности, которая, как считается, покрыта мощным слоем льда, видны разломы и яркие кратеры. Средняя плотность Ганимеда в 1,9 раза превышает плотность воды.

Каллисто, наиболее отдаленный из крупных спутников Юпитера, не такой большой, как Ганимед, и имеет сходную с ним среднюю плотность. Он обращается вокруг Юпитера за 16,7 суток, а радиус его орбиты составляет 1,9 млн. км. Его поверхность, густо покрытая кратерами, представляет собой мощную кору, состоящую изо льда и скальных образований.

См. также статьи «Кратеры», «Галилей».