Происхождение и эволюция галактик и звезд

Происхождение и  эволюция галактик и звезд.

Небесные тела находятся  в непрерывном движении и изменении. Десятки тысяч лет назад небо Земли украшали фигуры других созвездий, миллиарды лет назад вообще еще  не было Земли, Луны, планет, Солнца, многих звезд и галактик. Когда и как  именно они произошли, наука стремится  выяснить, изучая небесные тела и их системы. Раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел, называется космогонией.

Современные научные  космогонические гипотезы – результат  физического, математического и  философского обобщения многочисленных наблюдательных данных. В космогонических  гипотезах в значительной мере находит  свое отражение общий уровень  развития естествознания. Дальнейшее развитие науки, обязательно включающее в себя астрономические наблюдения, подтверждает или опровергает эти  гипотезы. Подтверждаются те гипотезы, которые не только могут объяснить  известные из наблюдений факты, но и  предсказать новые открытия.

Звезды возникали  в ходе эволюции галактик. Большинство  астрономов считают, что это происходило  в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые  постепенно формировались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой  гипотезы состоит в том, что, как  показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом  и пылью. Эти звезды и диффузная  материя концентрируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивного звездообразования считаются  массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами. Наиболее изученный газово-пылевой  комплекс нашей Галактики находится  в созвездии Ориона, он включает в себя туманность в Орионе, более  плотные газово-пылевые облака и  другие объекты. Представим себе холодное газово-пылевое облако. Силы тяготения  сжимают его, оно принимает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и температура облака. Возникнет будущая, рождающаяся  звезда (протозвезда). Температура ее поверхности пока еще мала, но протозвезда  уже излучает в инфракрасном диапазоне, а поэтому рождающиеся звезды можно попытаться обнаружить среди  довольно многочисленных источников инфракрасного  излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях.

Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается  в том, что в протозвезде еще  не происходят термоядерные реакции, то есть в ней нет еще основного  источника энергии обычных звезд. Термоядерные реакции начинаются, когда  в процессе сжатия протзвезды температура  ее недрах станет порядка 107 К. С этого  времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения  внешних частей звезды.

Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солнца, продолжается всего  лишь сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при  большей температуре достигается  равновесие. Поэтому у массивных  звезд большие светимости.

Стадию сжатия сменяет  стационарная стадия, сопровождающаяся постепенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся  звезды, которые располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр – светимость». Таких звезд больше всего. Время пребывания звезды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно четвертой степени ее массы, то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной стадии только несколько миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу – миллиарды лет.

Когда весь водород  в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже  водород будет превращаться в  гелий не в центре звезды, а в  слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого  ядра нет источников энергии, оно  будет постепенно сжиматься и  при этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 * 107 К, гелий начнет превращаться в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры  звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превратится  в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, а некоторое  время пульсируют, как бы проходя  в своем развитии стадию цефеид.

Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решающим образом зависит от массы  звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но с массами, не большими 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются  и в конце концов совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остается маленький и горячий белый  карлик. Белых карликов в мире звезд  много. Это значит, что многие звезды превращаются в белых карликов, которые  затем постепенно остывают, становясь  «потухшими звездами».

Иная судьба у  более массивных звезд. Если масса  звезды примерно вдвое превышает  массу Солнца, то такие звезды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. В частности, они  могут взорваться как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами (которые  образовались внутри звезды и во время  ее взрыва), а затем катастрофически  сжаться до размеров шаров радиусом в несколько километров, то есть превратиться в нейтронные звезды.

Внутри звезд в  ходе термоядерных реакций может  образоваться до 30 химических элементов, а во время взрыва сверхновых –  остальные элементы периодической  системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды следующих поколений.

Если масса звезды вдвое превышает массу Солнца, то такая звезда, потеряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится  в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достигнуть устойчивого состояния. В процессе неограниченного сжатия (коллапса) она, вероятно, способна превратиться в черную дыру. Такое название связано  с тем, что могучее поле тяготения  сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лучи и т.д.). Поэтому  черную дыру нельзя увидеть ни в  каком диапазоне электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних  представлений о происхождении  галактик и звезд окажутся правильными. Но нет сомнения в том, что звезды рождаются, живут, умирают, а не есть однажды созданные и вечно  неизменные объекты Вселенной; звезды рождаются группами, причем процесс  звездообразования продолжается в  настоящее время.

 Современные представления  о происхождении планет.

Проблема происхождения  планет – очень сложная и далеко еще не решенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и других естественных наук (прежде всего наук о Земле). Дело в том, что пока можно исследовать только единственную планетарную систему, окружающую наше Солнце. Как выглядят более молодые и более старые системы, вероятно существующие вокруг других звезд, неизвестно. Чтобы правильно  объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовалось Солнце и другие звезды, потому что  планетарные системы возникают  вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи.

Наиболее важные выводы планетной космогонии сводятся к следующему:

а) планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших  в состав туманности, которая когда  –то окружала Солнце. Эту туманность часто называют «допланетным» или  «протопланетным» облаком. Считается, что солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неизвестно, как  произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от «протосолнца».

б) формирование планет происходило под воздействием различных  физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманности, ее удаление от «протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение и т.д. Изменялась температура  вещества, туманности и состояние, в  котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим  туманность с «протосолнцем». Взаимодействие солнечного излучения с веществом  протопланетного облака привело  к тому, что наиболее легкие и  многочисленные частицы оказались  вдали от Солнца (там, где сейчас планетыгиганты).

в) спутники планет (а  значит, и наша Луна) возникли, повидимому, из роя частиц, окружающих планеты, то есть тоже из вещества протопланетной туманности. Пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты.

Основная идея современной  планетной космогонии – это то, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.

 Строение, происхождение  и эволюция Вселенной с точки  зрения современной науки.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и  в пространстве, но вся Вселенная  бесконечна и вечна, так как она  является вечно самодвижущейся материей.

Вселенная  это  всё существующее. От мельчайших пылинок  и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или  иначе изучает Вселенную, точнее, те или иные её стороны. С развитием  кибернетики в различных областях научных исследований приобрели  большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в  том, что вместо того или иного  реального объекта изучается  его модель, более или менее  точно повторяющая оригинал или  его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно  вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных  явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени  астрономы занимались изучением  однородной и изотропной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом  и все законы остаются неизменными  для любых областей и в любых  направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье  неизменность картины мира. Это означает, что  в какую бы эпоху мы не созерцали  мир, он всегда должен выглядеть в  общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные  факты она ни учитывала, любая  модель – это еще не само явление, а только более или менее точная его копия, так сказать, образ  реального мира. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей  Вселенной, необходимо обязательно  проверять путем сравнения с  реальностью. Нельзя отождествлять  само явление с моделью. Нельзя без  тщательной проверки, приписывать природе  те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного «слепка» Вселенной. Это говорит о необходимости  углубленной разработки моделей  неоднородной и не изотропной Вселенной.

Звезды во Вселенной  объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой как рядовая  звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Число звезд в  галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный  путь  светлая серебристая полоса звезд  опоясывает всё небо, составляя  основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии  Стрельца, где находятся самые  мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно сделать заключение, что солнечная система находится  не в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия  Стрельца. Наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или  чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были замечены по расположению звезд, которые видны  на больших расстояниях. Это  цефеиды  и горячие гиганты. Диаметр Галактики  примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) –  расстояние, с которым большая  полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1º. 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013 км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние, пройденное светом в течение года), но четкой границы  у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре Галактики  расположено ядро диаметром 10002000 пк – гигантское уплотненное скопление  звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной  завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим наблюдениям  этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных  гигантов и короткопериодических цефеид.

Звезды верхней  части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодые  население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд  этого диска находится пылевая  материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и  диска Галактики сферическую  систему.

Масса нашей галактики  оценивается сейчас разными способами  и равна 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг.) причем 1/1000 ее заключена  в межзвездном газе и пыли. Поперечник нашей Галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой  работы московский астрономом В.В. Кукарин  в 1944 г. нашел доказательства спиральной структуры Галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между  двумя спиральными ветвями, бедном звездами.