http://www.solarsystemscope.com/
Планета Земля — одна из девяти планет Солнечной системы. Наша планета расположена достаточно близко к Солнцу, но не является ближайшей планетой. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой планеты, Плутона, в 40 раз превышает расстояние до Земли. Условные размеры Солнечной системы составляют примерно 50—100 астрономических единиц (Астрономическая единица — среднее расстояние от солнца до Земли, равное 149600 тыс. км). В масштабах нашей планеты это огромная величина, примерно в миллион раз больше, чем диаметр Земли.
Наглядно представить относительные масштабы Солнечной системы можно следующим образом. Допустим Солнце изображается бильярдным шаром, диаметр которого 7 см.. Тогда Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, находится а этом масштабе на расстоянии 280 см от него. Земля — на расстоянии 760 см, планета-гигант Юпитер расположена на расстоянии около 40 м, а самая удаленная планета — на расстоянии примерно 300 м. В таком масштабе размеры земного шара немногим больше 0,5 мм, диаметр Луны — немногим больше 0,1 мм, а диаметр орбиты Луны составляет около 3 см.
рис. Сравнительные размеры Солнечной системы
Даже самая близкая к Солнцу звезда — Проксима Центавра удалена от него на такое огромное расстояние, что по сравнению с ним расстояния между планетами в пределах Солнечной системы кажутся ничтожными. Обычно в литературе, для оценки межгалактических и межзвездных расстояний применяют такую единицу измерения, как «световой год». Это расстояние, которое частицы света, двигаясь со скоростью 300 тыс. км/с, проходят за год. Отсюда следует, что световой год составляет 9,46 • 1012 км, или около 10000 миллиардов километров. В научной литературе обычно применяется особая единица измерения межгалактических и межзвездных и расстояний - «парсек»; 1 парсек (пк) – это 3,26 светового года. Парсек можно определить как такое расстояние, с которого радиус орбиты Земли виден под углом в 1 секунду дуги. Это достаточно маленький угол. Можно сказать, что под таким углом монетка в 1 копейку видна с расстояния в 3 километра.
Ни одна из звезд, близко расположенных к Солнечной системе, не находится к нам ближе, чем на парсек. Например, уже упомянутая Проксима Центавра находится на расстояние около 1,3 пк от нас. В том масштабе, в котором была изображена Солнечная система, это соответствует 2 тыс. км. Все это наглядно иллюстрирует большую изолированность Солнечной системы от окружающих ее звездных систем; которые, возможно, имеют с ней некоторые сходства.
Но звезды, окружающие Солнце, как и само Солнце составляют всего лишь ничтожную часть гигантского скопления звезд и туманностей под названием «Галактика». Это скопление звезд можно увидеть в ясные безлунные ночи как полосу Млечного Пути, пересекающую небосвод. Галактика имеет достаточно сложную структуру. В грубом приближении можно считать, что составляющие ее звезды и туманности заполняют объем, форма которого напоминает сильно сжатый эллипсоид вращения. Часто в научно-популярной литературе форму нашей Галактики сравнивают с двояковыпуклой линзой. Но на самом деле все значительно сложнее, и такая картина является довольно грубой. На самом деле оказывается, что разные типы звезд абсолютно по-разному концентрируются вокруг центра Галактики и около ее «экваториальной плоскости». Например, газовые туманности, и массивные горячие звезды сильно концентрируются к плоскости экватора Галактики (этой плоскости соответствует большой круг на небе, который проходит через центральные части Млечного Пути). Кроме того, не наблюдается значительной концентрации к галактическому центру. С другой стороны, некоторые виды звезд и звездных скоплений (так называемые «шаровые скопления) не обнаруживают почти никакой концентрации к экваториальной плоскости, но при этом характеризуются значительной концентрацией по направлению к ее центру Галактики. Между двумя такими крайними типами пространственного распределения (которые в астрономии принято называть «плоское» и «сферическое») находятся все промежуточные случаи. Тем не менее оказывается, что основная часть звезд в Галактике находится в огромном диске, диаметр которого примерно 100 тыс. световых лет, а толщина составляет около 1500 световых лет. В этом диске находится немногим более 150 млрд. различных типов звезд. Наше Солнце — одна из таких звезд, находящаяся на периферии Галактики около ее экваториальной плоскости (вернее, «всего лишь» на расстоянии примерно 30 световых лет — величина небольшая по сравнению с толщиной звездного диска).
Расстояние от Солнца до центра Галактики составляет около 30 тыс. световых лет. Звездная плотность в Галактике достаточно неравномерна. Самая высокая - в районе галактического ядра, где достигает 2 тыс. звезд на кубический парсек, это почти в 20 тыс. раз больше средней звездной плотности в окрестностях Солнца. В самом центре ядра Галактики в области с поперечным сечением 1 пк находится, по-видимому, около нескольких миллионов звезд. Также, звезды имеют тенденцию к образованию отдельных скоплений. Неплохим примером такого скопления являются Плеяды, которые можно наблюдать на нашем зимнем небе.
В Галактике имеются и структуры гораздо больших масштабов. Исследованиями последних лет доказано, что туманности, а также горячие массивные звезды распределяются вдоль ветвей спирали. Особенно хорошо спиральная структура различима у других звездных систем — галактик (с маленькой буквы). Установить спиральную структуру Галактики, в которой мы сами находимся, оказалось крайне трудно.
Звезды и туманности в пределах Галактики двигаются по довольно сложным траекториям. Прежде всего, они участвуют во вращении Галактики вокруг своей оси, которая перпендикулярна к плоскости ее экватора. Это вращение отлично от вращения твердого тела: различным участкам Галактики соответствуют различные периоды вращения. Так, Солнце и окружающие его звезды совершают полный оборот примерно за 200 млн. лет. Так как Солнце вместе с планетами существует около 5 млрд. лет, то за время своей эволюции оно совершило около 25 оборотов вокруг оси Галактики, то есть, возраст Солнца — всего лишь 25 «галактических лет».
Скорость движения Солнца и окружающих звезд по их галактическим орбитам достигает около 250 км/с. На это регулярное движение вокруг галактического ядра накладываются хаотические, беспорядочные движения звезд. Их скорости гораздо меньше — порядка 10—50 км/с, причем у разных типов объектов они различны. Самые маленькие скорости у горячих массивных звезд (6—8 км/с), у звезд солнечного типа они примерно 20 км/с. Чем эти скорости меньше, тем более «плоским» является распределение этого типа звезд.
В том масштабе, которым мы пользовались для наглядного представления Солнечной системы, размеры Галактики составляют 60 млн. км — величина, уже достаточно близкая к расстоянию от Солнца до Земли. Можно сделать вывод, что по мере проникновения во все более отдаленные области Вселенной этот масштаб уже не подходит, так как теряется его наглядность. Поэтому мы изменим масштаб. Мысленно уменьшаем орбиту Земли до размеров самой внутренней орбиты атома водород. Радиус этой орбиты равен 0,53 • 10 -8см. Тогда ближайшая звезда будет располагаться на расстоянии около 0,014 мм, галактический центр — на расстоянии около 10 см, а размеры нашей звездной системы будут примерно 35 см. Диаметр Солнца в таком ракурсе будет иметь микроскопические размеры: 0,0046 Å (ангстрем — единица длины, равная 10 -8см).
Мы уже знаем, что звезды удалены на огромные расстояния друг от друга, и поэтому практически изолированы. В определенной мере, это означает, что звезды практически никогда не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами в Галактике. Если мы будем рассматривать Галактику как некоторую область, наполненную газом, причем роль газовых молекул и атомов играют звезды, то мы должны считать этот газ крайне разреженным. В окрестностях Солнца среднее расстояние между звездами примерно в 10 млн. раз больше, чем средний диаметр звезд. Между тем при нормальных условиях в обычном воздухе среднее расстояние между молекулами всего лишь в несколько десятков раз больше размеров последних. Заметим, однако, что в центральной области Галактики, где звездная плотность относительно высока, столкновения между звездами время от времени будут происходить. Здесь следует ожидать приблизительно одно столкновение каждый миллион лет, в то время как в «нормальных» областях Галактики за всю историю эволюции нашей звездной системы, насчитывающую, по крайней мере, 10 млрд. лет, столкновений между звездами практически не было.
Уже несколько десятилетий астрономы настойчиво изучают другие звездные системы, в той или иной степени сходные с нашей. Эта область исследований получила название «внегалактической астрономии». Она сейчас играет едва ли не ведущую роль в астрономии. В течение последних трех десятилетий внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов. Понемногу стали вырисовываться грандиозные контуры Метагалактики, в состав которой наша звездная система входит как малая частица.
Мы можем определить Метагалактику как совокупность звездных систем — галактик, движущихся в огромных пространствах наблюдаемой нами части Вселенной. Ближайшие к нашей звездной системе галактики — знаменитые Магеллановы Облака, хорошо видные на небе южного полушария как два больших пятна примерно такой же поверхностной яркости, как и Млечный Путь. Расстояние до Магеллановых Облаков «всего лишь» около 200 тыс. световых лет, что вполне сравнимо с общей протяженностью нашей Галактики. Другая «близкая» к нам галактика — это туманность в созвездии Андромеды. Она видна невооруженным глазом как слабое световое пятнышко 5-й звездной величины. (Поток излучения от звезд измеряется так называемыми «звездными величинами». По определению, поток от звезды (m+1)-й величины в 2,512 раза меньше, чем от звезды m-й величины. Звезды слабее 6-й величины невооруженным глазом не видны. Самые яркие звезды имеют отрицательную звездную величину (например, у Сириуса она равна -1,5.) На самом деле это огромный звездный мир, по количеству звезд и полной массе раза в три превышающей нашу Галактику, которая в свою очередь является гигантом среди галактик. Расстояние до туманности Андромеды, или, как ее называют астрономы, М31 (это означает, что в известном каталоге туманностей Мессье она занесена под № 31), около 1800 тыс. световых лет, что примерно в 20 раз превышает размеры Галактики. Туманность М31 имеет явно выраженную спиральную структуру и по многим своим характеристикам весьма напоминает нашу Галактику. Рядом с ней находятся ее небольшие спутники эллипсоидальной формы. Наряду со спиральными системами встречаются сфероидальные и эллипсоидальные, лишенные всяких следов спиральной структуры, а также «неправильные» галактики, хорошим примером которых могут служить Магеллановы Облака.
рис. Объект M31 - туманность Андромеды
В большие телескопы наблюдается огромное количество галактик. Если галактик ярче видимой 12-й величины насчитывается около 250, то ярче 16-й — уже около 50 тыс. Самые слабые объекты, которые на пределе может сфотографировать телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 5 м, имеют 24, 5-ю величину. Оказывается, что среди миллиардов таких слабейших объектов большинство составляют галактики. Многие из них удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет. Это означает, что свет, вызвавший почернение пластинки, был излучен такой удаленной галактикой еще задолго до архейского периода геологической истории Земли!
Иногда среди галактик попадаются удивительные объекты, например «радиогалактики». Это такие звездные системы, которые излучают огромное количество энергии в радиодиапазоне. У некоторых радиогалактик поток радиоизлучения в несколько раз превышает поток оптического излучения, хотя в оптическом диапазоне их светимость очень велика — в несколько раз превосходит полную светимость нашей Галактики. Классический пример такой радиогалактики — знаменитый объект Лебедь А. В оптическом диапазоне это два ничтожных световых пятнышка 17-й звездной величины. На самом деле их светимость очень велика, примерно в 10 раз больше, чем у нашей Галактики. Слабой эта система кажется потому, что она удалена от нас на огромное расстояние — 600 млн. световых лет. Однако поток радиоизлучения от Лебедя А на метровых волнах настолько велик, что превышает даже поток радиоизлучения от Солнца (в периоды, когда на Солнце нет пятен). Но ведь Солнце очень близко — расстояние до него «всего лишь» 8 световых минут; 600 млн. лет — и 8 мин! А ведь потоки излучения, как известно, обратно пропорциональны квадратам расстояний!
Внимательное изучение спектров галактик много лет назад позволило сделать одно открытие фундаментальной важности. Дело в том, что по характеру смещения длины волны какой-либо спектральной линии по отношению к лабораторному стандарту можно определить скорость движения излучающего источника по лучу зрения. Иными словами, можно установить, с какой скоростью источник приближается или удаляется.
Если источник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется — в сторону более длинных. Это явление называется «эффектом Доплера». Оказалось, что у галактик спектральные линии всегда смещены в длинноволновую часть спектра («красное смещение» линий), причем величина этого смещения тем больше, чем более удалена от нас галактика.
Это означает, что все галактики удаляются от нас, причем скорость «разлета» по мере удаления галактик растет. Она достигает огромных значений. Так, например, найденная по красному смещению скорость удаления радиогалактики Лебедь А близка к 17 тыс. км/с. Рекорд принадлежит очень слабой (в оптических лучах 20-й величины) радиогалактике 3С 295. Оказалось, что известная ультрафиолетовая спектральная линия, принадлежащая ионизованному кислороду, смещена в оранжевую область спектра! Отсюда легко найти, что скорость удаления этой удивительной звездной системы составляет 138 тыс. км/с, или почти половину скорости света! Радиогалактика 3С 295 удалена от нас на расстояние, которое свет проходит за 5 млрд. лет. Таким образом, астрономы исследовали свет, который был излучен тогда, когда образовывались Солнце и планеты, а может быть, даже «немного» раньше... С тех пор открыты еще более удаленные объекты.
рис. Объект Радиогалактика Лебедь А
Как же выглядит Метагалактика в нашей модели, где земная орбита уменьшена до размеров первой орбиты атома Бора? В этом масштабе расстояние до туманности Андромеды будет несколько больше 6 м, расстояние до центральной части скопления галактик в Деве, куда входит и наша местная система галактик, будет порядка 120 м, причем такого же порядка будет размер самого скопления. Радиогалактика Лебедь А будет теперь удалена уже на вполне «приличное» расстояние — 2,5 км, а расстояние до радиогалактики 3С 295 достигнет 25 км...
Мы познакомились в самом общем виде с основными структурными особенностями и с масштабами Вселенной. Это как бы застывший кадр ее развития. Не всегда она была такой, какой мы теперь ее наблюдаем. Все во Вселенной меняется: появляются, развиваются и «умирают» звезды и туманности, развивается закономерным образом Галактика, меняются сама структура и масштабы Метагалактики (хотя бы по причине красного смещения). Поэтому нарисованную статическую картину Вселенной необходимо дополнить динамической картиной эволюции отдельных космических объектов, из которых она образована, и всей Вселенной как целого.
Открытие в 1965 г. «реликтового» излучения со всей наглядностью показало, что на самых ранних этапах эволюции Вселенная качественно отличалась от своего современного состояния. Главное — это то, что тогда не было ни звезд, ни галактик, ни тяжелых элементов. И, конечно, не было жизни. Мы наблюдаем грандиозный процесс эволюции Вселенной от простого к сложному.
Свежие комментарии