2962

3. Эволюция и строение нашей Галактики

Наша Галактика называется Млечный Путь. Она опоясывает все небо как гигантская светящаяся лента, имеет диаметр около 100 тыс. световых лет и включает в себя почти 200 млрд звезд. Считается, что она образовалась примерно 13 млрд лет назад.

Установлено, что наша Галактика имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две закручивающиеся вокруг него спиральные ветви (рукава), состоящие из звезд, газовых и пылевых туманностей. Линейные размеры ядра оцениваются в 4 000 световых лет. Однако на звездном небе ядро Галактики не видно, поскольку заслонено облаками космической пыли, через которые свет не доходит до нас. Вокруг ядра Галактики с разной скоростью вращаются звезды. Возраст звезд меняется в достаточно широком диапазоне: от 13–15 млрд лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч лет – для самых молодых. Движения старых и молодых звезд в Галактике имеют различный характер. Молодые звезды быстро вращаются внутри почти неподвижной системы более старых звезд. Как оказалось, старое «население» Галактики почти равномерно занимает сферический объем с увеличивающейся концентрацией к центру, а молодое – концентрируется в тонкий диск, толщина которого в десятки раз меньше его радиуса.

Поэтому на фотографиях наша Галактика выглядит как тонкий диск с утолщением в центре (рис. 11).

ки обнаружен мощный источник радиоизлучения, в котором предполагают наличие массивной черной дыры массой ~ 3 млн масс Солнца. Черные дыры обнаружены и в центрах других галактик.

Солнечная система расположена почти в плоскости симметрии Галактики на расстоянии 5 кПк от ее края. Солнце находится между спиральными рукавами (рис. 12).

21

выше – около 15 000 К. Радиус Солнца равен 696 тыс. км, его масса равна 1,99∙1030 кг, что составляет ~ 99,9 % массы всей Солнечной системы. Средняя плотность вещества Солнца составляет 1,41 г/см3, а плотность в центре Солнца – около 100 г/см3. Мощность излучения (светимость) Солнца в мировое пространство составляет 3,826∙1023 кВт, в то время как Земля, находящаяся на расстоянии 149 млн км от Солнца, получает около 2∙1017 Вт солнечной лучистой энергии. В 1935 г. американский физиктеоретик Г.А. Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий, а в 1939 г. в подтверждение этого разработал цикл ядерных реакций. За научные заслуги в области звездной энергетики в 1967 г. Г.А. Бете получил Нобелевскую премию по физике. Химический состав Солнца, определенный при помощи спектрального анализа солнечных лучей, примерно такой же, как и у большинства других звезд: 73–75 % (по массе) занимает водород; 24–25 % – гелий и менее 1 % (в порядке убывания) кислород, углерод, железо, сера, неон, азот, кремний и магний. Всего в солнечном спектре зарегистрировано более 30 000 линий, принадлежащих 72 химическим элементам. Данное открытие играет огромную роль в понимании эволюционных процессов в Космосе, поскольку является доказательством того, что все объекты в Солнечной системе имеют одинаковый химический состав, отличаясь концентрацией и агрегатным состоянием химических веществ.

Впервые вращение Солнца вокруг своей оси наблюдал Г. Галилей по движению пятен на поверхности. Участвуя в общем движении Галактики, Солнце вместе со своей системой движется со скоростью 220–240 км/с и делает полный оборот вокруг ее центра за 225–250 млн лет. Этот промежуток времени называют галактическим годом.

Солнце – источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Интенсивность невидимых излучений существенно меняется и зависит от солнечной активности. Наблюдаются циклы солнечной активности с периодом в 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности Солнца, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т.д.

23

Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу, включающую животный и растительный мир Земли, в том числе и человека.

4.1. Теории происхождения Солнечной системы

На протяжении многих веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными. В настоящее время вопрос о происхождении Солнечной системы остается открытым; известны различные гипотезы.

Тот факт, что орбиты планет Солнечной системы лежат практически в одной плоскости и их движение по почти круговым орбитам вокруг Солнца происходит однонаправлено с вращением Солнца вокруг собственной оси (за некоторым исключением), свидетельствует в пользу гипотезы о рождении этих планет в ходе единого космического процесса.

Впервые идею эволюции неживой природы ввел в различные науки французский зоолог Ж. Леклерк (граф Бюффон). Он считал, что материя, из которой возникли все планеты, была выброшена из недр Солнца ударом кометы. Эти небольшие куски солнечного вещества постепенно группировались в комки и охлаждались. Немецкий философ И. Кант предположил в своей книге «Общая естественная история и теория неба», изданной в 1755 г., что и Солнце, и планеты Солнечной системы образовались в результате эволюционного развития холодной пылевой туманности: из космического облака, или «хаоса». Впоследствии гипотезу И. Канта поддержали и развили английский астроном У. Гершель и французский ученый П. Лаплас. В 1796 г. П. Лаплас в своей книге «Изложение системы мира» предположил, что исходным материалом для образования Солнечной системы была горячая газовая туманность. При медленном вращении этой материи происходили охлаждение и конденсация. Сжимаясь под действием гравитационных сил, туманность начинала вращаться быстрее вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла. Это вызвало последовательное отделение колец материи, превратившихся в результате охлаждения и сжатия в планеты. Гипотеза П. Лапласа, выросшая из идей И. Канта, получила наименование небулярной ги-

24

потезы Канта – Лапласа (от лат. nebula – туман, облако). По-

явившиеся позднее так называемые катастрофические гипотезы предполагали вмешательство каких-то внешних сил. Одна из таких гипотез образования планет Солнечной системы – приливная или планетозимальная – была предложена американскими астрофизиками Т. Чемберленом и Ф. Мультоном в 1906 г. Они высказали предположение о встрече Солнца со звездой, вызвавшей приливный выброс солнечного вещества, из которого образовались планеты. В 1913 г. американский астрофизик С. Аррениус допустил и прямое столкновение Солнца со звездой, в результате чего появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части, которые и составили основу планет. В 1916 г. еще один американский астрофизик Дж. Джинс предположил, что какая-то звезда прошла недалеко от Солнца и вызвала «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Предполагается, что стимулирующим фактором начала конденсации межзвездной материи послужил взрыв Сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. Образованию планет предшествовала промежуточная фаза формирования твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетозималиями; последующее их скопление и соударение вызвало аккрецию (наращивание) планеты, которая сопровождалась изменением гравитационных сил.

В 1944 г. академик В.Г. Фесенков предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. Это сопровождалось выбросом массы Солнца, отдельные сгустки которой и стали основой для формирования планет.

Согласно современным представлениям планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Подобная точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта. По его мнению, планеты образовались в результате объединения пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло из 98 % водорода и гелия, остальные элементы конденсировались в пылевые частицы, которые укрупнялись в центральной плоскости, образуя слой повышенной плотности. С ростом плотности вещества гравитационное взаимодействие между частицами стало настоль-

25

ко сильным, что слой материи стал неустойчив и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты, став потенциальными зародышами будущих планет. В конечном итоге сформировалось восемь больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжении миллиардов лет.

4.2.Структура Солнечной системы

Всостав Солнечной системы входит центральное тело планетной системы – звезда Солнце, вращающиеся вокруг него восемь больших планет вместе со своими спутниками, множество астероидов, комет, метеоритных тел и межпланетная среда. Планеты Солнечной системы в порядке удаления от Солнца располагаются следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости по почти круговым орбитам. Современные названия планет даны по именам греческих и римских божеств. По своим физическим характеристикам планеты обычно разделяют на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших твердых планет земной группы или земного типа (внутренние планеты) – Меркурий, Венера, Земля, Марс. Другую группу составляют газовые планеты-гиганты (внешние планеты): Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Особое место занимает Плутон, открытый в марте 1930 г., ранее считавшийся девятой планетой Солнечной системы. Плутон представляет собой несформировавшуюся твердую планету, по своим характеристикам

иразмерам напоминающую планеты земной группы. 24 августа 2006 г. на конференции Международного астрономического союза Плутон был переведен в разряд карликовых планет. Это самый далекий объект Солнечной системы, среднее расстояние от Солнца 39,439 а. е. (5,91∙1012 км). Плутон действительно карликовая планета, его диаметр 2 300 км, а масса около 1,79∙1022 кг. Сравнительно недавно обнаружен спутник Плутона – Харон, примерно в 3 раза меньший по диаметру и имеющий период обращения, равный периоду вращения самого Плутона.

Вкосмическом пространстве, разделяющем внутренние и внешние планеты, а именно между орбитами Марса и Юпитера, находится так называемый пояс, или кольцо астероидов – малых планет с диаметром от 1 до 1 000 км (рис. 13).

26

4.3. Земная группа планет

Ближайшей к Солнцу и самой малой планетой в земной группе является Меркурий. Он состоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами и огромными уступами. Сила тяжести на Меркурии в два раза меньше земной, поэтому атмосфера крайне разрежена и содержит в основном Ar, Ne, He. На планете царят безмолвие и экстремальные температуры: до 620 К на освещенной Солнцем стороне планеты и до 440 К на темной стороне. Меркурий – безжизненная планета: отсутствие кислорода, воды, высокие температуры препятствуют развитию живых организмов. Меркурий не имеет естественных спутников.

Венера – вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, создающую парниковый эффект, который сейчас отмечается и на Земле. Температура поверхности составляет около 750 К, и она светится так ярко, что Венера занимает третье место по яркости (после Солнца и Луны) среди всех видимых с Земли объектов. На поверхности Венеры обнаружены горы, кратеры, камни, которые по составу близки к земным осадочным породам. Направление вращения Венеры вокруг своей оси обратное, т.е.

противоположное движению почти всех планет вокруг Солнца.

Атмосфера Венеры содержит до 96 % СО2, около 3 % N2 и около 0,05 % водяных паров, обнаружены примеси СО, SО2, О2 (2∙10–4 %) НCl, HF. Предполагают, что облака Венеры состоят из кристаллов водяного льда. Венера не имеет естественных спутников и является безжизненной планетой.

Земля, третья от Солнца планета Солнечной системы, обращается вокруг него по эллиптической орбите, близкой к круговой, со средней скоростью 29,765 км/с. Вращение вокруг оси вызывает смену дня и ночи, наклон земной оси к плоскости эклиптики и вращение вокруг Солнца – смену времен года. Земля обладает магнитным и тесно с ним связанным электрическим полями. Гравитационное поле Земли обусловливает ее форму и существование атмосферы. Возраст Земли, определенный по абсолютному возрасту различных горных пород методом радиоактивного распада, составляет 4,5–4,7 млрд лет.

28

Луна – единственный спутник Земли и единственный внеземной мир, который посетили люди. Луна светит отраженным солнечным светом и является самым ярким объектом на небе после Солнца. Среднее расстояние от Земли до Луны 384 400 км. Луна меньше Земли, ее диаметр составляет около ¼ земного (3 478 км), а масса в 81 раз меньше массы Земли (7,35∙1022 кг), поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Луна вращается вокруг Земли по сложной орбите, приближающейся к незамкнутому эллипсу, со средней скоростью 1,023 км/с и периодом 27 сут 7 ч 43 мин, равным периоду вращения вокруг своей оси. Поскольку время одного оборота Луны вокруг Земли равно времени одного оборота ее вокруг оси, Луна постоянно повернута к Земле одной и той же стороной. Вследствие явлений либрации (видимые маятниковые колебания Луны около ее центра) наблюдению доступно 59 % поверхности Луны. Изменение положения Луны относительно Земли и Солнца обусловливает смену фаз – изменение ее видимой формы. Полная смена фаз происходит за 29 сут 12 ч 43 мин.

Влияние Луны на Землю проявляется в явлениях приливов и отливов, которые ежедневно наблюдают жители побережий океанов. Вследствие приливного трения Луна постепенно удаляется от Земли, замедляя свое движение по орбите и обусловливая вековое удлинение земных суток (~ 0,002 с в 100 лет). Атмосфера на Луне практически отсутствует. Это обусловливает резкие перепады температур на поверхности: в подсолнечной стороне температура 400 К, в затененной – 100 К. Поверхность Луны покрыта слоем обломочного материала – реголита, состоящего из обломков магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным породам-базальтам, но отличается от них более высоким содержанием оксидов железа (более чем в 4 раза) и оксида титана (более чем в 10 раз). Возраст пород находится в пределах 4,23–4,65 млрд лет, т.е. Луна образовалась одновременно с Землей. Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения.

Существует несколько гипотез образования Луны. Одна из них основана на теории Дж. Джинса и А.М. Ляпунова: Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества. Дру-

29

гая – на захвате Землей пролетавшего небесного тела. Наиболее правдоподобна гипотеза столкновения Земли с планетой примерно в половину меньше ее (типа Марса), которое произошло под большим «скользящим» углом, в результате которого образовалось огромное кольцо из обломков (железное ядро Земли при этом не пострадало), что и составило основу для Луны (железа на Луне мало).

В 1959 г. поверхности Луны впервые достигла советская автоматическая станция «Луна-2», а в 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг ступил на поверхность этой планеты, открыв новую страницу изучения Вселенной.

Марс – четвертая по удаленности от Солнца и седьмая по размерам планета Солнечной системы. Планету в древности назвали в честь бога войны за кроваво-красный цвет поверхности, придаваемый ей оксидами железа. Марс – первая после Земли планета Солнечной системы, к которой человек проявил особый интерес с надеждой, что там есть развитая внеземная жизнь.

Марс имеет сильно разреженную атмосферу, состав которой (объем в %): СО2 – 95; N2 – 2,7; Ar – 1,6; О2 – 0,15. При наблюдении с Земли на поверхности Марса обнаружены длинные ветвящиеся долины типа высохших речных русел, что может свидетельствовать о водной эрозии в ранние периоды марсианской истории. Особенностями рельефа Марса считают ударные кратеры наподобие лунных, а также долины, пустыни и полярные ледниковые шапки, напоминающие земные. На Марсе есть климатические пояса, подобные земным, но из-за удаленности от Солнца климат суровее земного. Год Марса почти вдвое длиннее земного, а значит, дольше длятся и сезоны. Средняя температура на планете 230–240 К. Марс имеет ядро, состоящее из железа и его сплавов, которое находится в жидком состоянии. Как и наша планета, Марс имеет мощную (до 100 км) дифференцированную кору с высоким содержанием алюминия, кремния и калия, но с пониженным содержанием магния. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм жизни на Марсе в отдаленном прошлом. У Марса есть два естественных спутника – Фобос и Деймос, которые относительно малы и имеют неправильную форму. Наибольший прогресс в исследовании Марса достигнут благодаря полетам космических аппаратов «Марс», «Маринер», «Викинг».

30