Текст книги "101 ключевая идея: Астрономия"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 11 страниц)

ГАЛАКТИКИ 1: КЛАССИФИКАЦИЯ

Галактика представляет собой собрание многих миллионов звезд, удерживаемых вместе силой взаимного притяжения. Общая классификация галактик проводится в соответствии с их формой: спиральной, эллиптической или неправильной.

Спиральная галактика

Спиральная галактика имеет спиральные рукава, закрученные вокруг ее центра. Галактика Млечный Путь является спиральной галактикой, и ее диаметр составляет порядка 100 000 световых лет. Размер спиральной галактики варьируется от 0,1 размера Млечного Пути до приблизительно равного или немного большего размера. В спиральных рукавах галактик преобладают голубые звезды, а в центральных регионах – красные звезды.

Эллиптическая галактика

Эллиптическая галактика имеет яйцеобразную (эллипсоидную) форму без спиральных рукавов. Размер таких галактик варьируется от карликовых (примерно 1/50 Млечного Пути) до гигантских (в 5 раз больше Млечного Пути).

Галактики неправильной формы

Галактики неправильной формы какой-либо характерной формы [2]2
  К галактикам неправильной формы Хаббл причислял объекты, у которые отсутствует ярко выраженное ядро и не обнаружена вращательная симметрия, как это можно видеть в Магеллановым Облаках.


[Закрыть]не имеют.

В 1920-х годах, в Калифорнии, Эдвин Хаббл, используя 250-сантиметровый телескоп– рефлектор, провел очень подробные исследования галактик. Он изобрел так называемую камертонную диаграмму, изображенную ниже, классифицирующую эллиптические галактики по шкале от Е0 (сферическая) до Е7 (сигарообразная), а спиральные галактики, в соответствии с формой их центра и плотностью спиральных рукавов, – по трехуровневой шкале А, В и С.

Камертонная диаграмма Хаббла

Теперь астрономы считают, что многие эллиптические галактики могли образоваться в результате слияния спиральных галактик, что приводило к уничтожению спиральных рукавов. Открытие в 1994 году очень отдаленной гигантской эллиптической галактики, содержащей значительные количества пыли, позволило предложить, что некоторые эллиптические галактики содержат новые звезды и образовались не как результат слияния спиральных галактик.

См. также статью «Звезды 4».

ГАЛАКТИКИ 2: МЕСТНАЯ ГРУППА

Галактики варьируют по размерам от карликовых, гораздо меньших, чем Млечный Путь, до гигантских – значительно более крупных, чем Млечный Путь.

Солнце – одна из многих миллионов звезд в Галактике Млечный Путь, диаметр которой превышает 100 000 световых лет. Галактика Млечный Путь является одной из группы соседних галактик, называемой Местной группой галактик. Наиболее крупным членом Местной группы считается галактика в созвездии Андромеды (М31, Туманность Андромеды), спиральная галактика, расположенная на расстоянии около 2 млн. световых лет. Галактика Млечный Путь также принадлежит к спиральным галактикам. Солнце расположено в одном из спиральных рукавов Млечного Пути. Ближайшая звезда находится на расстоянии всего лишь нескольких световых лет от Солнца.

Считается, что Вселенная состоит из миллионов миллионов галактик, каждая из которых содержит миллионы миллионов звезд. На фотографиях глубокого космоса видно, что галактики собираются в скопления, где каждое скопление содержит тысячи галактик, а скопления, в свою очередь, образуют сверхскопления, разделенные огромными пустыми регионами космического пространства. Млечный Путь, Туманность Андромеды и другие галактики в Местной группе образуют скопление диаметром около 3 млн. световых лет. К другим галактикам Местной группы относятся спиральная галактика М33 и несколько галактик неправильной формы, включая Магеллановы Облака. Галактика М33 расположена примерно в 10° от М31, в маленьком созвездии Треугольника, получившем свое название из – за трех наиболее заметных звезд этого созвездия, образующих остроугольный треугольник. Еще одна галактика в созвездии Печи находится гораздо ближе к нам, чем М31, но ее можно видеть лишь в мощный телескоп, так как она гораздо меньше и тусклее, чем М31.

Местная группа галактик

См. также статьи «Галактики 1», «Галактики 3».

ГАЛАКТИКИ 3: СКОПЛЕНИЯ И СВЕРХСКОПЛЕНИЯ

Большинство галактик принадлежит к какому-либо скоплению. Ближайшее скопление галактик по отношению к нашей Местной группе находится в созвездии Девы и содержит более 3000 галактик. Его можно видеть как пятно неправильной формы размером не более 10 угловых градусов. Скопление в созвездии Девы находится на расстоянии более 10 млн. парсеков, примерно в 20 раз дальше, чем Туманность Андромеды. Астрономы наблюдали большое количество скоплений галактик на расстоянии до 6 млрд. световых лет.

Подсчитав общее количество галактик с яркостью выше определенного предела, Эдвин Хаббл оценил их общее количество в 3 000 000 000 000 000. Даже при условии, что каждое скопление содержит не менее 1 млн. галактик, число скоплений должно превосходить 30 млрд. – больше, чем все население земного шара.

Скопления галактик распределены во всех направлениях. Трехмерная модель распределения скоплений на известных расстояниях обнаруживает присутствие сверхскоплений, которые представляют собой скопления скоплений галактик и огромные пустые регионы космического пространства. Кроме того, были обнаружены скопления, упорядоченные в виде волокон и листовидных структур. Так называемая Великая Стена представляет собой листовидное скопление галактик, расположенное на расстоянии около 200 млн. световых лет. Другой крупный сгусток скоплений, известный как Великий Аттрактор, как считается, притягивает наше скопление галактик и скопление в созвездии Девы. Однако в более крупном масштабе было обнаружено мало свидетельств существования отдельных групп и структур; распределение скоплений галактик выравнивается во всех направлениях. При измерениях на расстояние порядка 100 млн. световых лет количество галактик одинаково в разных направлениях. Распределение галактик можно сравнить с распределением материала в губке: дыры представляют собой пустоту, а материал губки – галактики. Распределение материала внутри губки, очень неравномерное в масштабе «одной дырочки», вполне равномерно в более крупном масштабе. В 1999 году группа астрономов из Англии и Германии подтвердила эту картину, составив карты Вселенной в спектре инфракрасного излучения до расстояния 300 млн. световых лет.

См. также статьи «Галактики 1», «Галактики 2».

ГАЛИЛЕЙ

Галилео Галилей родился в 1564 году в итальянском городе Пиза. Как сын дворянина Галилей получил образование при монастыре и в 1595 году стал профессором математики в Падуанском университете, одном из ведущих европейских университетов того времени, расположенном на территории Венецианской республики. Руководство университета позволяло Галилею заниматься исследованиями, и его открытия о движении тел завоевали Широкое признание. В 1609 году до него дошли сведения об изобретении оптического устройства, или телескопа, позволявшего наблюдать отдаленные небесные объекты. За короткое время Галилей изобрел и соорудил несколько собственных телескопов. Он пользовался телескопами для изучения небесных тел, а количество наблюдаемых им звезд в 10 раз превосходило количество звезд, которое можно видеть невооруженным глазом. Он обнаружил, что поверхность Луны густо покрыта кратерами, и открыл 4 крупнейших спутника Юпитера.

В Европе астрономические открытия Галилея получили широкую известность. Галилей надеялся, что его наблюдения и выводы в поддержку гелиоцентрической модели Коперника будут приняты церковью, но в 1613 году он получил суровую отповедь от церкви за свои взгляды. В 1623 году был избран новый Папа Римский, и Галилей поехал в Рим в надежде убедить его снять запрет с системы Коперника, наложенный в 1616 году. Однако Папа отказался изменить существующий порядок вещей, поэтому Галилей решил изложить свои взгляды и свою поддержку модели Коперника в книге на итальянском языке, доступной по форме и содержанию. Он завершил свой труд «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» и опубликовал его во Флоренции в 1632 году. Книга Галилея мгновенно стала бестселлером, и церковь быстро отреагировала, запретив ее чтение и распространение.

12 апреля 1633 года Галилей был вызван в Рим на суд инквизиции. Судьи решили, что Галилей нарушил запрет от 1616 года и прибег к умышленному обману. Он был вынужден отречься от своих взглядов и провел остаток жизни под домашним арестом в своем доме во Флоренции до самой смерти в 1642 году. Огласка, которую получили труды Галилея, и суд над ним, возможно, помогли распространению гелиоцентрической модели Коперника.

См. также статьи «Коперник», «Планетарная модель Птолемея», «Телескопы 1».

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЛИНЗЫ

Свет движется по прямой, если только он не проходит через сильное гравитационное поле. Альберт Эйнштейн доказал, что сила тяготения искривляет лучи света. Он также продемонстрировал, что в этом отношении воздействие гравитации нельзя отличить от движения с ускорением. Основная идея о воздействии гравитации на движение света покажется не слишком сложной, если мы рассмотрим световой луч, проходящий через иллюминаторы, расположенные на противоположных сторонах ускоряющейся ракеты. Если бы наблюдатель внутри ракеты мог видеть движение светового луча, он увидел бы изогнутую траекторию. Этот эффект вызван ускорением движущейся ракеты. Поскольку в данном случае ускорение нельзя отличить от гравитации, сила тяготения тоже вызывает искривление лучей света. Эйнштейн вычислил, что световой луч, проходящий у края Солнца, будет отклонен под углом 1,75 угловой секунды. Предсказание Эйнштейна было успешно подтверждено в 1918 году группой астрономов под руководством Артура Эддингтона, которые наблюдали и измерили отклонение света звезд, затмеваемых солнечным диском во время полного солнечного затмения.

Искривление света в ускоряющейся ракете

Может ли гравитация создавать искаженные образы космических объектов? В 1979 году был открыт двойной квазар Q 0957+ 561. Поскольку сигнал от каждой части квазара претерпевал одинаковые флуктуации, было доказано, что эти части на самом деле являются двумя образами одного и того же квазара. Сам квазар скрыт за очень мощным источником гравитационного поля, но мы можем видеть два его образа, поскольку свет квазара искривляется, проходя вдоль противоположных концов источника гравитации. Впоследствии с помощью космического телескопа «Хаббл» удалось получить изображение очень далеких галактик, искаженные и растянутые на полосы за скоплениями других галактик, которые действуют как гигантские гравитационные линзы.

См. также статьи «Солнечные затмения», «Эйнштейн».

ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ

Двойными (бинарными) называются звезды, которые вращаются вокруг общего центра тяжести из-за взаимного гравитационного притяжения. Некоторые двойные системы состоят более чем из двух звезд. К примеру, Мицар и Алькор – две звезды, близко расположенные друг к другу в рукояти Ковша созвездия Большой Медведицы. Наблюдатель с острым зрением может различить их без помощи телескопа или бинокля. Астрономические исследования показали, что Мицар и Алькор являются двойными звездами.

Двойные звезды были впервые обнаружены более 200 лет назад, когда в результате тщательных наблюдений было установлено, что некоторые звезды обращаются вокруг общего центра массы. К примеру, самая яркая звезда ночного неба Сириус А сопровождается гораздо более тусклой звездой Сириус В. Период обращения этих двух звезд составляет около 50 лет.

Существует три основных типа двойных звезд. Визуально-двойными называются звезды, такие, как Сириус А и Сириус В, которые можно видеть как отдельные светила невооруженным глазом или с помощью телескопа. Плоскость орбиты двойной звезды не обязательно должна быть перпендикулярной линии зрения. Затменно-двойными называются звезды, которые периодические затмевают друг друга, поскольку их орбиты расположены под углом к нам. Яркость затмено-двойной звезды, такой, как Алголь в созвездии Персея, значительно уменьшается каждый раз, когда одна из двух звезд затмевает другую. Спектрально-двойными называются звезды, которые были определены как таковые лишь потому, что спектр светового излучения двойной системы регулярно смещается по мере того, как две звезды приближаются к нам и удаляются от нас. Спектр светового излучения звезды состоит из непрерывной полосы цветов радуги. В определенных местах спектр пересекают вертикальные линии; эти линии обусловлены поглощением света в газовой оболочке, окружающей звезду. В спектре двойной звезды наблюдается периодически повторяющееся раздвоение спектральных линий. Из – за эффекта доплеровского смещения эти линии сдвигаются к красной части спектра, когда звезда, излучающая свет, удаляется от нас, и к синей части спектра, когда звезда приближается к нам.

См. также статьи «Законы1 Кеплера», «Масса и жизнь звезд».

ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА – РЕССЕЛЛА

В 1911 году датский астроном Эйнар Герцшпрунг, а в 1913 году Генри Рессел независимо друг от друга исследовали зависимость между спектрами звезд и их светимостью. На основании этих данных была построена диаграмма. Положение звезды на диаграмме Герцшпрунга – Ресселла определяется абсолютной звездной величиной, откладываемой по оси ординат, и температурой звезды, откладываемой по оси абсцисс. [3]3
  Иногда по осям диаграммы откладывают другие, взаимосвязанные с указанными в статье величины: по вертикальной оси – светимость, по горизонтальной – спектральный класс.


[Закрыть]

Звезды варьируют по абсолютной величине от +15, что в 10 000 раз меньше мощности Солнца, до -10 (примерно в миллион раз мощнее Солнца). Большинство звезд на диаграмме расположено в пределах диагонального пояса, который протягивается от нижнего правого угла к верхнему левому углу. Такое расположение называется Главной последовательностью. Очень мощные звезды класса М, расположенные высоко над Главной последовательностью, называются гигантами или сверхгигантами. Эти звезды гораздо крупнее Солнца. Их расположение обусловлено тем фактом, что звезды класса М холоднее, чем Солнце, поэтому они испускают меньше света на единицу площади поверхности. Звезды-гиганты на диаграмме Герцшпрунга – Ресселла расположены примерно в пяти звездных величинах над Солнцем, а звезды-сверхгиганты расположены примерно в пяти звездных величинах над звездами-гигантами.

Группа очень горячих и тусклых звезд, расположенная под Главной последовательностью, называется белыми карликами. Температура поверхности этих звезд гораздо выше, чем на Солнце, поэтому белый карлик излучает больше света на единицу площади, чем Солнце. Однако по сравнению с Солнцем белый карлик излучает меньше света из-за гораздо меньшего диаметра. Диаграмма Герцшпрунга – Ресселла дает информацию о том, как развиваются звезды от своего зарождения до гибели и каким образом звезды-гиганты и белые карлики образуют часть этого жизненного цикла.

См. также статьи «Эволюция звезд», «Звездная величина», «Красный гигант», «Белый карлик».

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ 1: ПАРАЛЛАКС

Две соседних звезды одинаковой яркости могут находиться на совершенно разном расстоянии от Земли; одна может быть гораздо ярче и гораздо более отдаленной, чем другая.

Метод параллакса

Расстояния до звезд, расположенных менее чем в нескольких световых годах от Земли, измерялись на основе хорошо известного факта: такие звезды ежегодно немного смещаются по отношению к другим звездам из того же созвездия. Это явление, известное под названием параллакса, обусловлено меняющимся положением Земли по мере того, как она движется по своей орбите. Линия зрения, направленная от Земли к звезде, изменяет положение, когда Земля движется по орбите, поэтому позиция звезды смещается по отношению к фону других звезд в том же созвездии. Это смещение достигает крайнего предела за 6 месяцев, а в следующие 6 месяцев звезда возвращается в прежнее положение. Максимальный сдвиг линии зрения по отношению к звезде образует угол между двумя границами линии зрения. Этот угол можно измерить с точностью до 0,02 угловой секунды (1 угловая секунда составляет 1/3600 градуса).

Угол параллакса звезды определяется как половина ее максимального смещения. Расстояние до звезды с углом параллакса в 1 угловую секунду составляет 1 парсек. Это расстояние равно 3,26 светового года. Поскольку угол параллакса равен углу между линиями от Солнца и Земли на данную звезду, можно доказать, что расстояние в парсеках до звезды равно:

1 / (угол параллакса в дуговых секундах)

При наблюдении через наземные телескопы звезд, расстояние до которых превышает 100 парсеков, методом параллакса пользоваться нельзя, поскольку атмосферная рефракция «смазывает» перемещение звезды примерно на 0,01 секунды дуги.

См. также статьи «Звездная величина», «Космический телескоп «Хаббл»».

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ 2: ЗА ПРЕДЕЛАМИ ПАРАЛЛАКСА

Блеск звезды, наблюдаемой с Земли, зависит от ее светимости и расстояния до нее. Абсолютную звездную величину можно вычислить на основании видимой звездной величины и расстояния до звезды. Эйнар Герцшпрунг в 1911 году и Генри Ресселл в 1913 году независимо друг от друга вычислили абсолютные звездные величины ряда звезд, находящихся в пределах 100 парсеков от Солнца, и нанесли их на график с осями координат (абсолютная звездная величина/температура), создав диаграмму, которая называется диаграммой Герцшпрунга – Ресселла. Герцшпрунг также осуществил первую оценку расстояния до переменной звезды из класса цефеид, которую он затем использовал для калибровки периодического отношения v, открытого в 1911 году Генриеттой Ливитт. Это важное отношение с тех пор использовалось для измерения расстояний и других галактик, в которых можно было различить отдельные цефеиды. Таким образом, цефеиды использовались в качестве указателей расстояний до других галактик для расстояний до 1 млн. парсеков.

Расстояния до галактик свыше 1 млн. парсеков определялись с помощью измерения красного смещения каждой галактики, затем расстояние до нее вычислялось на основании закона Хаббла. Этот закон, гласящий, что красное смещение галактики пропорционально расстоянию до нее, был открыт Эдвином Хабблом в 1929 году после того, как он измерил величину красного смещения в двух десятках галактик, расположенных в пределах 2 млн. парсеков от Млечного Пути. По его расчетам, расстояния до этих галактик находились за пределами метода сравнения блеска и наблюдаемого углового размера цефеид в этих галактиках со средним угловым размером и блеском цефеид в более крупных галактиках, находившихся на известном расстоянии.

Космический телескоп Хаббла использовался для наблюдения за цефеидами в галактиках, расположенных на расстоянии до 20 млн. парсеков. Эти измерения подтвердили достоверность закона Хаббла. В дальнейшем с помощью космического телескопа «Хаббл» были выполнены другие исследования по наблюдению сверхновых в отдаленных галактиках, подтвердившие действенность закона Хаббла на огромных расстояниях – до 1500 млн. парсеков.

См. также статьи «Цефеиды», «Закон Хаббла», «Звездная величина», «Красное смещение»

ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА

Немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) жил в Праге в первые три десятилетия XVII века. Он измерил орбиты каждой планеты Солнечной системы и определил периоды их обращения вокруг Солнца. На основании своих измерений он сформулировал три закона, описывающих движения планет.

Первый закон Кеплера

Первый закон Кеплера гласит, что каждая планета движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце.

Второй закон Кеплера

Второй закон Кеплера гласит, что скорость продвижения воображаемой линии, соединяющей центр планеты с центром Солнца, меняется обратно пропорционально квадрату расстояния от планеты до Солнца. [4]4
  Кеплер сформулировал второй закон в следующем виде: радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади.


[Закрыть]

Кеплер знал, что расстояние между Марсом и Солнцем в перигелии (кратчайшее расстояние) составляет 0,9×r _a, где r _a– расстояние в афелии (наибольшее расстояние). Он обнаружил, что видимое продвижение планеты в афелии составляет 0,81×r _n, где r _n– ее видимое продвижение в перигелии. Это взаимосвязь расшифровывалась как квадрат расстояния в перигелии к расстоянию в афелии (см. рисунок). Отсюда следует, что планета вблизи перигелия имеет скорость большую, чем вблизи афелия, то есть движение планеты неравномерно.

Третий закон Кеплера

Третий закон Кеплера гласит, что квадраты времен обращений планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца. Этот закон можно записать в виде уравнения, где период обращения (Т) исчисляется в годах, а средний радиус (а) – в астрономических единицах T 2= a ³.

Законы Кеплера были доказаны математически Исааком Ньютоном с использованием общей теории тяготения. Доказательство можно привести в виде уравнения, где масса планеты выражается в дробной величине от массы Солнца:

масса×период ²= средний радиус ³.

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