Текст книги "101 ключевая идея: Астрономия"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 11 страниц)

ИНФРАКРАСНАЯ АСТРОНОМИЯ

Инфракрасное излучение является электромагнитным излучением с длиной волны от 740 нм [8]8
  Нм – нанометр; 1 нм = 10 ⁹м.


[Закрыть]до примерно 1 мм.

Инфракрасное излучение от космических объектов поглощается парами воды в атмосфере, поэтому инфракрасные телескопы расположены либо на большой высоте, в условиях низкой влажности, либо на спутниках за пределами атмосферы. Инфракрасный телескоп – это большое вогнутое зеркало, фокусирующее излучение на инфракрасном датчике. Прибор должен быть охлажден, чтобы сам телескоп перестал испускать инфракрасное излучение. Трехметровый инфракрасный телескоп расположен на Гавайях, поскольку там очень сухой климат.

Инфракрасное излучение испускается космическими объектами недостаточно горячими для того, чтобы испускать свет. Облака пыли в космическом пространстве тоже испускают электромагнитное излучение в этой части спектра. Таким образом, инфракрасные телескопы могут предоставлять изображения объектов и облаков пыли в космосе, которые невозможно наблюдать с помощью оптических телескопов. В 1983 году в течение 10 месяцев на орбите находился инфракрасный астрономический спутник IRAS. За это время его 60-сантиметровый рефлектор передал изображение облаков пыли вокруг ближайших звезд. Было обнаружено, что далекие галактики тоже испускают значительные количества теплового излучения.

После запуска в 1995 году инфракрасной космической лаборатории ISO, астрономы более двух лет получали изображения объектов и облаков пыли в космосе. Новый инфракрасный космический телескоп с диаметром рефлектора 0,85 м должен быть выведен на орбиту в 2002 году.

См. также статьи «Атмосфера Земли», «Электромагнитное излучение».

КАТАЛОГ МЕССЬЕ

Шарль Мессье – французский астроном XVIII века – открыл в ночном небе более 100 объектов, которые не были кометами, звездами или планетами. Эти объекты были названы туманностями, из-за расплывчатых очертаний (в отличие от звезд, которые являются точечными объектами) и неподвижности по отношению к звездам, в отличие от планет или комет. Мессье обнаружил их в поисках комет, которые, как ему было известно, изменяют свои позиции среди звезд. Расплывчатые объекты, не изменявшие свое положение на небосводе, были занесены в каталог, который позднее получил название «Каталог Мессье».

К примеру, Крабовидная туманность, которая сейчас считается остатками сверхновой звезды, взорвавшейся в XI веке нашей эры, была первым объектом, занесенным в каталог Мессье, поэтому она известна под номером Ml. Мессье внес в свой каталог галактику из созвездия Андромеды под названием «Туманность Андромеды», или М31, поскольку он ничего не знал о галактиках. 40 объектов из каталога Мессье являются галактиками, состоящими из многих миллиардов звезд. Сама Вселенная состоит из бесчисленных галактик, удаляющихся друг от друга в результате Большого Взрыва. Другие объекты из каталога Мессье представляют собой либо шаровые звездные скопления в Галактике Млечный Путь, либо рассеянные звездные скопления или облака светящегося газа и пыли в спиральных рукавах Млечного Пути. На смену каталогу Мессье, включавшему 110 туманностей, в 1888 году пришел "Новый общий каталог туманностей и звездных скоплений» (NGC). [9]9
  Каталог быт составлен датским астрономом Йоханом Л. Дрейером и содержал уже тысячи галактик. Туманность Андромеды! в этом каталоге значится под номером NGC 224.


[Закрыть]Однако названия туманностей и других объектов из каталога Мессье по-прежнему находятся в употреблении. Некоторые из них перечислены ниже.

Ml Крабовидная туманность – остатки сверхновой звезды в созвездии Тельца на расстоянии около 6500 световых лет.

М27 Планетарная туманность Гантель, расположенная на расстоянии менее 1000 световых лет.

М31 Туманность Андромеды – спиральная галактика, расположенная на расстоянии более 2 млн. световых лет.

М42 Туманность Ориона – самая яркая газопылевая туманность на небе в созвездии Ориона на расстоянии более 1500 световых лет.

М45 Плеяды – рассеянное звездное скопление в созвездии Тельца на расстоянии более 400 световых лет содержит диффузную туманность, состоящую из более чем 250 звезд.

М104 Сомбреро – спиральная галактика в созвездии Девы, расположенная на расстоянии около 40 млн. световых лет.

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

КВАЗАР

Квазар представляет собой астрономический объект, такой же яркий, как галактика, но гораздо меньшего размера, вроде звезды. Квазар – сокращение от термина «квазизвездный объект», что подразумевает его сходство со звездой. Квазары находятся на расстоянии в миллиарды световых лет, однако они достаточно яркие и доступны для наблюдения, несмотря на свои малые размеры. Звезда на таком расстоянии была бы слишком тусклой для наблюдения с помощью современных приборов.

Первый квазар был открыт в 1962 году, когда ранее обнаруженный астрономический радиоисточник, названный 3С 273, был отождествлен со звездой тринадцатой величины, имевшей красное смещение 0,15, что соответствовало скорости удаления в 15 % скорости света и расстоянию более 2 млрд. световых лет. Было рассчитано, что он излучает в 1000 раз больше света, чем наша Галактика Млечный Путь, однако сила его светового потока год от года претерпевала изменения. Такой масштаб, соответствующий времени прохождения света через поперечник объекта, указывает, что его размер не превышает порядка нескольких световых лет. Для сравнения – диаметр диска Млечного Пути превышает 100 000 световых лет. Впоследствии было обнаружено множество квазаров с красным смещением в интервале между 1 и 4, соответствующем расстоянию от 5 до 10 млрд. световых лет и скорости отдаления свыше 85 % световой, обусловленной расширением Вселенной после Большого Взрыва. Квазары принадлежат к древнейшим и наиболее отдаленным объектам в наблюдаемой Вселенной; до сих пор не обнаружено свидетельств существования квазаров на расстоянии ближе 1 млрд. световых лет.

Подробные радио-изображения квазаров указывают на присутствие быстродвижущихся облаков и радиоактивных струй вещества. Возможно, это результат присутствия массивной черной дыры в центре галактики на раннем этапе ее формирования. Крупная галактика с массивной черной дырой в центре уничтожает любые более мелкие галактики, сталкивающиеся с ней, которые затем бесследно исчезают в черной дыре.

См. также статьи «Большой Взрыт», «Черные дыры», «Звездная величина», «Красное смещение».

КОМЕТЫ

Комета представляет собой малое небесное тело, которое движется вокруг Солнца по сильно вытянутой эллиптической орбите. Комета не может покинуть Солнечную систему из-за силы тяготения Солнца, которая замедляет ее, когда она движется от Солнца и разгоняет, когда она приближается к Солнцу. Когда комета находится далеко от Солнца, она замерзает, становится темной и невидимой с Земли. По мере приближения к Солнцу поверхность кометы разогревается солнечным излучением и начинает испускать облака светящегося газа и пыли, которые образуют видимый хвост кометы, направленный в сторону, противоположную Солнцу.

Период обращения долгопериодических комет вокруг Солнца составляет сотни тысяч лет. В 1997 г. комета Хейла – Боппа вернулась в Солнечную систему после путешествия, продолжавшегося несколько тысяч лет, в течение которого она удалилась на огромное расстояние за орбиту Плутона. В период максимальной яркости комета Хейла – Боппа была легко различима в ночном небе даже перед закатом и вскоре после восхода Солнца. Считается, что долгопериодические кометы образуются в Облаке Оорта, [10]10
  Оорт Ян Хендрик (1900–1992) – нидерландский астроном. Ему принадлежит гипотеза о существовании на далекой периферии Солнечной системы1 кометного облака – источника наблюдаемым долгопериодических комет.


[Закрыть]собрании небесных тел, вращающихся по орбите вокруг Солнца на расстоянии примерно одного светового года. Близкопроходящая звезда может притянуть объект из Облака Оорта и перевести его на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, в результате чего он становится долгопериодической кометой.

Период обращения короткопериодических комет составляет не более 100 лет. Комета Галлея возвращается в Солнечную систему примерно раз в 76 лет. Подробные наблюдения этой кометы были проведены с помощью автоматического космического зонда "Джотто" в 1985 г., когда она вернулась во внутреннюю часть Солнечной системы. Эти наблюдения заставили астрономов отказаться от модели "грязного снежка", как ранее именовались кометы, в пользу модели "ореха в шоколаде", так как было обнаружено, что из-под гладкой и темной поверхности кометы вырываются реактивные струи газа, образуемые в результате сильного внутреннего давления под воздействием солнечного тепла. Возможно, короткопериодические кометы некогда были долгопериодическими, переведенными на более короткую орбиту притяжением Юпитера при прохождении через Солнечную систему. С другой стороны, они могли возникнуть в поясе астероидов, состоящем из тысяч каменных обломков и расположенном на одной плоскости с эклиптикой. Это так называемый пояс Койпера, вращающийся вокруг Солнца за орбитой Плутона.

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

КОПЕРНИК

Коперник восстановил гелиоцентрическую модель Вселенной, которая впервые была предложена Аристархом Самосским [11]11
  Аристарх Самосский (ок. 310–230 до н. э.) – древнегреческий астроном. Первым высказал идею гелиоцентризма.


[Закрыть]почти за 2000 лет до Коперника, но спустя 100 лет отвергнута в пользу геоцентрической модели Птолемея. Птолемей изобрел свою модель для объяснения путей движения планет через созвездия. Согласно Птолемею, Солнце вращается вокруг Земли, а планеты движутся по окружностям, или эпициклам, с центрами, которые в свою очередь перемещаются вокруг Земли, неподвижно закрепленной в центре небесной сферы. Эта модель годилась для предсказания маршрутов планет через созвездия и снискала благосклонность у церкви, поскольку соответствовала идее, что человечество занимает особое место во Вселенной.

Коперник родился в Польше в 1472 году и еще в юности начал проявлять интерес к разным наукам. К тому времени птолемеевская модель Вселенной стала очень усложненной. В XV веке для объяснения движения светил требовалось не менее 80 сфер. В течение многих лет Коперник изучал причины, по которым были отвергнуты другие модели, альтернативные птолемеевской. Он реконструировал модель Птолемея, и в конечном счете обнаружил, что ее можно упростить до набора концентрических колец вокруг Солнца, представляющих орбиты планет. Он опасался, что его революционные идеи встретят насмешку у современников, и не публиковал результаты своей работы почти до самой смерти. Исследования Коперника в течение многих лет оставались почти незамеченными, так как он представил их в виде математического решения, а не новой научной теории. Однако в 1600 году Джордано Бруно был сожжен на костре по приговору суда инквизиции за то, что он воспользовался моделью Коперника для поддержки своей теории о безграничности физической Вселенной и отсутствии рая за пределами твердой небесной сферы. Таким образом, Джордано Бруно привлек внимание к модели Коперника через 60 лет после его смерти (в 1543 году). Впоследствии Галилео Галилей обнаружил астрономические доказательства в поддержку модели Коперника, и католическая церковь была вынуждена признать ее в 1822 году, спустя долгое время после того, как она была принята в научном сообществе.

См. также статьи «Планетарная модель Птолемея», «Галилей».

КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП «ХАББЛ»

Космический телескоп «Хаббл» представляет собой телескоп-рефлектор, вращающийся по земной орбите на высоте более 500 км. Он снабжен ПЗС [12]12
  ПЗС – прибор с зарядовой связью. ПЗС-камера – цифровая камера на базе ПЗС – матрицы.


[Закрыть]-камерой и другими инструментами, позволяющими вести наблюдения не только в видимом диапазоне, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом. Космический телескоп «Хаббл» был выведен на орбиту в 1990 году с помощью космического челнока. После того как на рефлекторе телескопа диаметром 2,4 м была установлена корректирующая оптика (в 1993 году), он позволил получить поразительные изображения многих космических объектов, [13]13
  После выхода телескопа на орбиту в 1990 году в конфигурации зеркала быти обнаружены! изъяны! и разрешающая способность телескопа оказалась ниже ожидаемой.


[Закрыть]причем более четкие и яркие, чем полученные с помощью наземных телескопов.

Изображения объектов, наблюдаемых с помощью наземных телескопов, выглядят расплывчатыми из-за атмосферной рефракции, а также из-за дифракции в зеркале объектива. Телескоп "Хаббл" позволяет вести более детальные наблюдения. Помимо других преимуществ, он не подвержен воздействию абсорбции света в земной атмосфере, поэтому воспринимает больше света, чем такой же телескоп на Земле. Большим сюрпризом для астрономов, использующих телескоп "Хаббл", было открытие скоплений галактик в направлениях, которые ранее считались пустым космическим пространством.

С помощью космического телескопа "Хаббл" астрономы смогли более точно измерить расстояния до звезд и галактик, уточнив связь между средней абсолютной величиной цефеид и периодом изменения их блеска. Эта связь затем использовалась для более точного определения расстояний до других галактик через наблюдение отдельных цефеид в этих галактиках.

Одним из первых экспериментов с космическим телескопом "Хаббл" было наблюдение отдельных цефеид в спиральной галактике М100, имевшей известную величину красного смещения, в соответствии с которой ее скорость удаления составляла 1400 км/с. Было определено, что расстояние до М100 составляет 55 млн. световых лет, что давало значение постоянной Хаббла в 25 км/с на миллионов световых лет, с точностью до 20 %. Согласно этому наблюдению, возраст видимой Вселенной составил примерно 8 млрд. лет. Последующие наблюдения дали величину постоянной Хаббла в 20 км/с на миллион световых лет, что соответствует возрасту 12 млрд. лет.

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

КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Микроволновое излучение – это электромагнитное излучение с длиной волны от 1 до 100 мм. Микроволновое фоновое излучение, приходящее к нам из космоса со всех сторон, было обнаружено американскими учеными Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 году во время испытаний воздушной системы, предназначенной для приема радиосигналов с длиной волны 74 мм со спутника. В ходе дальнейших исследований было установлено, что это фоновое излучение обладает таким же распределением энергии, как излучение от объекта с фоновой температурой 2,7К, то есть его спектр близок к спектру абсолютно черного тела.

Микроволновое фоновое излучение испускалось веществом на ранних стадиях образования Вселенной после Большого Взрыва. [14]14
  Микроволновое фоновое излучение называют также реликтовым излучением, то есть остатком, реликтом той эпохи, когда все вещество Вселенной находилось в виде горячей плотной плазмы.


[Закрыть]

До открытия фонового излучения теория Большого Взрыва была не более чем одним из возможных объяснений расширения Вселенной. Другая теория, известная как теория стабильного состояния, рассматривала Вселенную как нечто вечное и не имеющее границ. Согласно этой теории, вещество создавалось в гигантских космических провалах между галактиками, расталкивая их в стороны и заставляя Вселенную расширяться по мере образования новых галактик. Существование микроволнового фонового излучения можно объяснить с помощью теории Большого Взрыва, но не теории стабильного состояния.

Микроволновое фоновое излучение состоит из фотонов, высвобожденных после Большого Взрыва, когда Вселенная начала расширяться и остывать. До этого времени фотоны постоянно поглощались и снова испускались атомами, составлявшими недавно возникшую Вселенную. По мере расширения и остывания Вселенной была достигнута критическая фаза, когда фотоны и атомы "отделились" друг от друга. Считается, что это произошло, когда возраст Вселенной не превышал 100 000 лет, а ее размер составлял не более 0,001 от нынешнего размера. Фотоны, высвобожденные на этом этапе, увеличивали свою длину волны в результате расширения Вселенной за время полета через космическое пространство, поэтому теперь они находятся на микроволновом отрезке спектра электромагнитного изучения.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Электромагнитное излучение».

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Оптический спектр звезды или галактики представляет собой непрерывную полосу, пересеченную темными вертикальными линиями, соответствующими длинам волн, характерным для элементов во внешних слоях звезды. Линии спектра смещаются из – за движения звезды, если она приближается к нам или удаляется от нас. Это пример доплеровского эффекта, который заключается в изменении наблюдаемой длины волны, излучаемой источником, находящимся в движении по отношению к наблюдателю. Спектральные линии смещаются в область более длинных волн (то есть обнаруживают красное смещение), если источник света отдаляется, или в область коротких волн, если источник света приближается (так называемое голубое смещение).

Для света, испускаемого монохроматическим источником с частотой f, который движется со скоростью и, можно доказать, что смещение длины волны Δλ = υ/f = (ν/с) λ, где с представляет собой скорость света, а λ – длину волны. Таким образом, скорость отдаленной звезды или галактики можно измерить на основании смещения длины волны Δλ, пользуясь уравнением υ = cΔ λ/λ.

В 1917 году, наблюдая спектры различных галактик с помощью шестидесятисантиметрового телескопа в обсерватории Лоуэлла, в Аризоне, Весто Слайфер обнаружил, что отдельные спиральные галактики отдаляются от нас со скоростью более 500 км/с – гораздо быстрее, чем любой объект в нашей Галактике. Термин "красное смещение" был введен в употребление как показатель отношения изменения длины волны к испускаемой длине волны. Так, красное смещение 0,1 означает, что источник отдаляется от нас со скоростью 0,1 скорости света. Эдвин Хаббл продолжил работу Слайфера, оценив расстояние до двух десятков галактик с известным красным смещением. Так был сформулирован закон Хаббла, который гласит, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее.

В 1963 году Мартин Шмидт обнаружил первый квазар в результате открытия, что спектральные линии звездо-подобного объекта 3С 273 смещены в красную сторону спектра примерно на 15 %. Он пришел к выводу, что этот объект отдаляется со скоростью 0,15 световой и должен находиться на расстоянии более 2 млрд. световых лет, а, следовательно, он гораздо более мощный, чем обычная звезда. С тех пор было открыто много других квазаров.

См. также статьи "Закон Хаббла", "Квазар", "Спектр оптический".

КРАСНЫЙ ГИГАНТ

Гигантской звездой называется звезда, значительно превосходящая размерами наше Солнце. Если температура поверхности такой звезды ниже, чем на поверхности Солнца, ее цвет бывает оранжевым или красным, а не желтым, поэтому звезда называется красным гигантом. Абсолютная звездная величина красного гиганта колеблется около нуля или имеет отрицательную величину, поэтому на диаграмме Герцшпрунга – Ресселла он расположен высоко над линией Главной последовательности. Такая звезда излучает минимум в 100 раз больше света, чем Солнце, так как различие в абсолютной величине составляет около 5; однако температура Солнца вдвое превышает температуру на поверхности красного гиганта, поэтому Солнце излучает в 16 раз больше света на единицу площади (так как количество излучаемого света пропорционально температуре в четвертой степени). Площадь красного гиганта по меньшей мере в 1600 раз превосходит площадь Солнца, поэтому его диаметр примерно в 40 раз больше.

Арктур в созвездии Волопаса является оранжево-красной звездой с видимой величиной около -0,1; он расположен на расстоянии примерно 37 световых лет от Солнца. Его можно наблюдать в Северном полушарии, если глядеть прямо на юг незадолго до полуночи в середине и конце мая. Его абсолютная величина составляет -0,4, а диаметр в 40 раз больше диаметра Солнца.

Звезды, превосходящие красных гигантов на 5 или более звездных величин на диаграмме Герцшпрунга – Ресселла, называются сверхгигантами. Их диаметр может превосходить солнечный до 300 раз. Самый крупный сверхгигант, Антарес, является звездой класса М с видимой величиной 0,9. Он расположен на расстоянии 520 световых лет от Солнца. Его абсолютная величина равна -5,1, а диаметр почти в 300 раз больше, чем у Солнца.

Красная звезда, или сверхгигант, – это звезда, покинувшая Главную последовательность в результате коллапса ядра звезды с последующим вздуванием и остыванием внешних ее слоев. Это происходит, когда весь водород в ядре звезды превращается в гелий. Когда весь гелий в ядре превращается в более тяжелые элементы, гигантская звезда коллапсирует и становится белым карликом или сверхновой.

См. также статьи «Эволюция звезд», "Диаграмма Герцшпрунга – Ресселла ", "Звездная величина ", «Тепловое излучение»

КРАТЕРЫ

Кратером называется чашеобразное углубление на поверхности планеты или малого небесного тела, обычно имеющее внешнее кольцо, выступающее над поверхностью за пределами кратера. Происхождение кратера может быть вулканическим или метеоритным. Кратеры на Земле подвержены эрозионному процессу под воздействием ветра и дождя. Считается, что кратер, обнаруженный неподалеку от мексиканского побережья, возник 65 млн. лет назад в результате падения метеорита, что привело к гибели динозавров.

Поверхность Меркурия, изобилующая кратерами, в основном оставалась неизменной со времени формирования планеты, так как на Меркурии нет атмосферы, а следовательно, и процессов эрозии. Как полагают астрономы, бассейн Калорис на Меркурии, крупная кольцевая структура более 1300 км в диаметре, образовался в результате метеоритного удара.

Лунные кратеры сильно различаются по диаметру; самый большой кратер на видимой стороне Луны имеет диаметр 295 км. Кольцевой вал крупного кратера может на тысячи метров возвышаться над его дном. По сравнению с этим Большой Каньон в Аризоне может показаться незначительным, поскольку его длина не превышает 10 км при глубине 1,5 км.

Согласно современным представлениям, большинство лунных кратеров образовалось в результате метеоритных ударов на раннем этапе развития Солнечной системы как следствие столкновения с тучами "космического мусора", вращавшегося после формирования планет вокруг Солнца. Светлые и темные области, видимые на поверхности Луны, считались горами и морями до того, как Галилей воспользовался телескопом для наблюдения лунных кратеров. Тот факт, что темные области менее густо покрыты кратерами, чем светлые, подразумевает, что большая часть ударных кратеров образовалась до того, как лава из лунных недр прорвалась на поверхность и покрыла светлые области, образовав "моря". Принято считать, что эти лавовые выбросы, покрывающие огромные области лунной поверхности, образовались в результате ударов колоссальных метеоритов. Характерной чертой некоторых лунных кратеров являются "лучи", расположенные на поверхности и расходящиеся во все стороны от кратера. Эти линии образованы из поверхностного материала, выброшенного метеоритным ударом и разлетевшегося в разных направлениях.

См. также статьи «Луна 1», «Меркурий».