Современные методы астрономических исследований

В XX в. радикально изменилась древнейшая наука – астрономия. Это связано, как с появлением её новой теоретической основы – релятивистской и квантовой механики, так и с расширением возможностей экспериментальных исследований.

Общая теория относительности стала одной из основополагающих теорий космологии, а создание квантовой механики дало возможность изучать не только механическое движение космических тел, но и их физические и химические характеристики. Получили развитие звездная и внегалактическая астрономия. Астрономия стала всеволновой, т.е. астрономические наблюдения проводятся на всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения (радио, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-излучение). Ее экспериментальные возможности существенно возросли с появлением космических аппаратов, позволяющих проводить наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей излучение. Все это привело к значительному расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию целого ряда необычных (а часто и необъяснимых) явлений.

Основной инструмент астрономических исследований - телескоп, другие приборы, например спектроскопические, исследуют излучение, собираемое телескопом. Сейчас лишь малая часть астрономических работ осуществляется визуально, в основном исследования проводятся с помощью фотокамер и других регистрирующих излучение приборов. Появились радиотелескопы, позволяющие изучать радиоизлучение всевозможных объектов Солнечной системы, нашей и других галактик. Радиоастрономия чрезвычайно расширила знания о Вселенной и привела к открытию пульсаров (нейтронных звезд), квазаров – внегалактических объектов, являющихся самыми мощными из известных источников излучения, позволила получить информацию о наиболее удаленных областях Вселенной, обнаружить изотропное «реликтовое» излучение. Все это – важнейшие открытия ХХ в. Дополнительную информацию дают и исследования в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и - диапазонах, но эти излучения сильно поглощаются атмосферой, и соответствующая аппаратура устанавливается на спутниках. К выдающимся открытиям ХХ в. относится и обнаруженное в 1929 г. американским астрономом Эдвином Хабблом (1889 – 1953) увеличение длины волны, соответствующей линиям в спектрах удаленных галактик («красное смещение»), которое свидетельствует о взаимном удалении космических объектов, т.е. о расширении Вселенной.

Структура Вселенной

Солнечная система. Солнечная система – космический дом человечества. Солнце - источник тепла и света, источник жизни на Земле. Солнечная система - взаимосвязанная совокупность звезды – Солнца и множества небесных тел, к которым относятся девять планет, десятки их спутников, сотни комет, тысячи астероидов и др. Все эти разнообразные тела объединены в одну устойчивую систему благодаря силе гравитационного притяжения центрального тела – Солнца.

Солнце – плазменный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся в состоянии дифференцированного вращения вокруг своей оси. Наибольшая скорость вращения в экваториальной плоскости – один оборот за 25,4 суток. Источником солнечной энергии, скорее всего, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, протекающие во внутренних областях солнца, где температура достигает 10⁷ К. Температура поверхностных частей 6000 К. Поверхность Солнца не является гладкой, на ней наблюдаются гранулы, обусловленные конвективными газовыми потоками, возникают и исчезают «пятна», вихри. Взрывные процессы на Солнце, солнечные вспышки, периодически возникающие на его поверхности пятна, могут служить мерой активности Солнца. Исследования показали, что цикл максимальной активности Солнца регулярен и составляет приблизительно 11 лет. Пятна и вспышки на Солнце – наиболее заметные проявления магнитной активности Солнца. Связь между солнечной активностью и процессами на Земле отмечалась еще XIX веке, а в настоящее время имеется огромный статистический материал, подтверждающий влияние активности Солнца на земные процессы.

Разработанная в XVII – XVIII вв. теоретическая основа классической астрономии – классическая механика позволяет прекрасно описать движение связанных гравитационным взаимодействием тел Солнечной системы, но не дает ответа на вопрос о ее происхождении. Планеты солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, за исключением последней движутся вокруг Солнца в одном направлении в единой плоскости по эллиптическим орбитам. Планеты, как и их спутники, не являются самосветящимися телами и видны только потому, что освещены Солнцем. С 1962 г. планеты и их спутники исследуются не только с Земли, но и с космических станций. В настоящее время накоплен обширный фактический материал об особенностях физических и химических свойств поверхности планет, их атмосферы, магнитном поле, периодах вращения вокруг оси и Солнца. По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Земля, Венера, Марс). Орбита наиболее удаленной от Солнца планеты – Плутона, размер которого меньше размера спутника Земли – Луны, определяет размер Солнечной системы 1,2·10¹³м.

Солнечная система, являясь частью нашей галактики, как целое движется вокруг ее оси со скоростью 250 м/с, делая полный оборот за 225 млн. лет. Согласно современным представлениям формирование современной структуры Солнечной системы началась с бесформенной газопылевой туманности (облака). Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце – звезда второго (или более позднего) поколения, т.к. кроме обычных для звезд водорода и гелия содержит и тяжелые элементы. Элементный состав Солнечной системы характерен для эволюции звезд. Под действием гравитационных сил облако сжималось так, что самая плотная его часть находилась в центре, где сосредоточена основная масса вещества первичной туманности. Там возникло Солнце, в недрах которого затем начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий, являющиеся основным источником энергии солнца. По мере увеличения светимости Солнца газовое облако становилось все менее однородным, в нем появились сгущения – протопланеты. С ростом размеров и массы протопланет их гравитационное притяжение усиливалось, таким образом сформировались планеты. Остальные небесные тела образованы остатками вещества исходной туманности. Итак, примерно 4,5 - 5 млрд лет назад Солнечная система окончательно сформировалась в сохранившемся до нас виде. Вероятно, еще через 5 млрд лет Солнце истощит запасы водорода, и его структура начнет изменяться, что приведет к постепенному разрушению нашей Солнечной системы.

Хотя современные представления о происхождении Солнечной системы остаются на уровне гипотез, они согласуются с идеями закономерной структурной самоорганизации Вселенной в условиях сильнонеравновесного состояния.

Звезды. Галактики. Солнце – песчинка в мире звезд. Звезда – основная структурная единица мегамира. Стационарная звезда представляет собой высокотемпературный плазменный шар в состоянии динамического гидростатического равновесия. Она является тонко сбалансированной саморегулирующейся системой. В отличие от других небесных тел, например планет, звезды излучают энергию. Энергия, генерируемая в них ядерными процессами, приводит к возникновению в недрах звезд атомов химических элементов тяжелее водорода и является источником света. Звезды – природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества. Они сильно различаются по своим физическим свойствам и химическому составу. Наблюдаются разные типы звезд, которые соответствуют разным этапам их эволюции. Эволюционный путь звезды определяется её массой, которая меняется в основном в пределах от 0,1 до 10 масс Солнца. Звезды рождаются, изменяются и гибнут. При массе, меньшей 1,4 солнечной, звезда, пройдя стадию красного гиганта, превращается сначала в белого карлика, затем – в черного карлика, холодную мертвую звезду, размер которой сравним с размером Земли, а масса – не более солнечной. Более массивные звезды на завершающем этапе эволюции испытывают гравитационный коллапс – неограниченное стягивание вещества к центру и могут вспыхнуть как сверхновые с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство в виде газовых туманностей и превращением оставшейся части в сверхплотные нейтронную звезду или черную дыру.

Звезды образуют галактики - гигантские гравитационно связанные системы. Наша Галактика, в которую входит Солнце, называется Млечный путь и насчитывает 10¹¹ звезд. Галактики разнообразны по размерам и по форме. По внешнему виду выделяют три типа галактик – эллиптические, спиральные и неправильные. Наиболее распространенными являются спиральные, к ним относится и Наша Галактика. Она представляет собой уплощенный диск с диаметром ~ 10⁵ световых лет с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика вращается, причем быстрота вращения зависит от расстояния до ее центра. Солнечная система находится на расстоянии приблизительно 30 000 световых лет от центра галактического диска.

С Земли невооруженным глазом можно наблюдать три галактики – Туманность Андромеды (из Северного полушария) и Большое и Малое Магеллановы облака (из Южного). Всего же астрономы обнаружили около ста миллионов галактик.

Помимо миллиардов звезд галактики содержат вещество в виде межзвездного газа (водород, гелий) и пыли. Плотные газово-пылевые облака скрывают от нас центр нашей Галактики, поэтому о его структуре можно судить только предположительно. Кроме того, в межзвездном пространстве существуют потоки нейтрино и электрически заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, а также поля (гравитационные, электромагнитные). Следует отметить, что, хотя количество молекул органических соединений в межзвездном веществе невелико, их присутствие является принципиально важным. Например, теория абиогенного происхождения жизни на Земле опирается на участие в этом процессе молекул органических веществ, электромагнитного излучения и космических лучей. Чаще всего органические молекулы встречаются в местах максимальной концентрации газопылевого вещества.

В конце 70-х годов нашего века астрономы обнаружили, что галактики во Вселенной распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Таким образом, в небольших масштабах вещество распределено очень неравномерно, но в крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.

Метагалактика. Мы вкратце рассмотрели структурные уровни организации вещества в мегамире. Есть ли верхняя граница в возможности наблюдения Вселенной? Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Существует принципиальное ограничение размеров наблюдаемой части Вселенной, связанное не с экспериментальными возможностями, а с конечностью её возраста и скорости света.

Космология на основе общей теории относительности Эйнштейна и закона Хаббла(см. ниже) определяет возраст Вселенной Т_вс 15-20 млрд лет (10¹⁸с). Никаких структурных единиц до этого не существовало. Введем понятие космологического горизонта, отделяющего те объекты от которых свет за время t<Т_вс до нас дойти не может. Расстояние до него

, (2.14)

где с – скорость света в вакууме, Т_вс – возраст Вселенной.

Космологический горизонт образует границу принципиально наблюдаемой части Вселенной - Метагалактики. Если принять, что возраст Вселенной 10¹⁸ с, то размер Метагалактики имеет порядок 10²⁶м, причем космологический горизонт непрерывно удаляется от нас со скоростью 3·10⁸ м/с.

Важное свойство Метагалактики в современном состоянии – её однородность и изотропность, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Одно из важнейших свойств Метагалактики – её постоянное расширение, «разлет» галактик. Американский астроном Э. Хаббл установил закон, согласно которому чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются.

Расширяющаяся Вселенная – это Вселенная изменяющаяся. А значит, у неё есть своя история и эволюция. Эволюция Вселенной как целого изучается космологией, которая в настоящее время дает описание и первых мгновений её возникновения и возможных путей развития в будущем.