Основы естествознания

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси. 

Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. В зависимости от массы и химического состава исходного облака образовавшаяся звезда попадает на тот или иной участок так называемой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Последняя представляет собой координатную плоскость, на вертикальной оси которой откладывается светимость звезды (т.е. количество энергии, излучаемой ей в единицу времени), а на горизонтальной - ее спектральный класс (характеризующий цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом "синие" звезды более горячие, чем "красные", а наше "желтое" Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов) (рис.2). Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O,B,A,F,G,K,M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2. На диаграмме видно, что большинство звезд располагается вдоль плавной кривой, идущей из левого верхнего угла в правый нижний. Это и есть главная последовательность. Наше Солнце также находится на ней. По мере "выгорания" водорода в центре звезды ее масса немного меняется и звезда немного смещается вправо вдоль главной последовательности. Звезды с массами порядка солнечной находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет (наше Солнце находится на ней уже около 4,5 млрд. лет). Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает "разбухать", а ее светимость увеличиваться. Звезда сходит с главной последовательности и перебирается в правый верхний угол диагрaммы Герцшпрунга-Рессела, превращаясь в так называемый "красный гигант". После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза - превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки - существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются "снаружи", и их излучение "раздувает" отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она переходит в левый нижний угол диаграммы и превращается в "белый карлик". Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд. 

Но встречаются  и аномалии. Некоторые звезды время  от времени вспыхивают, превращаясь  в новые звезды. При этом они  каждый раз теряют порядка сотой  доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет.Но иногда случаются и вспышки сверхновых - катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен нам теперь как Крабовидная туманность (рис.3), "медленное" распространение которой по небу мы наблюдаем в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне - эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках. 

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки "красным гигантом" превосходит солнечную в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый "белый карлик" образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется - нейтронная звезда. Согласно этой теоретической модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью - несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары - точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности - обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию. 

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат - "черной дырой". Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет - электромагнитный сигнал - не может ни отразиться, ни выйти "наружу". Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого "нормального" объекта, как Солнце. 

На фоне перечисленных  сведений об устройстве Вселенной основная космологическая проблема - откуда же взялось первоначальное облако межзвездного вещества, из которого произошли все эти объекты, - остается по-прежнему загадочной. Утверждение "Вселенная существовала всегда" оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Ведь если Вселенная сохраняет свои свойства во времени и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает т.н. "фотометрический парадокс": ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда. Но этого мы не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место красное смещение. И полагаем, что все галактики разлетаются. Значит, когда-то все они были поблизости друг от друга в какой-то малой области. А в "остальном пространстве" было пусто, и, значит, говорить о том, что равномерное распределение сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом, Вселенная эволюционирует. В настоящее время полагают, что примерно 25 млрд. лет назад все вещество было сосредоточено в одной точке. Такая ситуация не позволяет говорить о существовании даже таких основополагающих понятий, как пространство и время. Не было тогда ни пространства, ни времени в обычном смысле. Затем произошел Большой Взрыв, в результате которого образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом мы можем догадаться по существованию так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной, которое сейчас наблюдается в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжелых элементов, и к настоящему времени мы имеем то, что имеем. Но к чему же это все приведет? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд. лет) и начнется сжатие, в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 1015 лет звезды остынут, через 1019 они покинут свои галактики, еще через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо, еще гораздо позже железные "капли" превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 1067 лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой. 

Около одной  из звезд этой Вселенной вращается  девять планет, в число которых  входит и наша Земля. А как образовались планеты? Является ли существование у звезд планетных систем закономерным или случайным событием? Так, И.Кант и П.Лаплас были сторонниками закономерности возникновения планет. Оба они полагали, что все начиналось с туманности, которая впоследствии превратилась в звезду, вокруг которой вращались планеты. Однако Кант полагал, что туманность была холодной, затем она стала сжиматься, образовалось Солнце, а затем из него выделились планеты. В то время как Лаплас считал, что туманность была горячей, сжимаясь, она сформировала кольца, которые впоследствии стали планетами, а затем центральная часть сжалась еще сильнее и превратилась в звезду. "Критическим вопросом" к каждой из гипотез является вопрос о распределении момента количества движения в Солнечной системе. Составить представление об этой характеристике можно на примере фигуриста, выполняющего вращение. Пока его руки широко разведены в стороны, вращение довольно медленно, часть момента количества движения сосредоточена в них. Если же фигурист плотно прижмет руки к телу, его вращение ускорится. В Солнечной системе 98 % полного момента количества движения приходится на орбитальное движение планет, и только 2 % на вращение Солнца, которое, хотя и содержит подавляющую часть массы всей системы, вращается сравнительно медленно. Стало быть, необходимо объяснить, как могло возникнуть такое перераспределение момента количества движения в процессе образования системы звезда-планеты. 

Сторонники случайного образования планет ( Джинс, Шмидт, Литтлтон) обсуждали различные варианты столкновения (близкого прохождения) двух звезд или прохождения звезды через облако межзвездной пыли, в результате чего у звезды и могли бы образоваться планеты: либо из части ее вещества, вырвавшегося под действием гравитации второй звезды, либо из вещества облака. Однако, хотя и обоснованная расчетами, эта гипотеза является менее привлекательной, поскольку в этом случае лишь у одной из примерно 100000 звезд могла бы быть планетная система - уж слишком маловероятным является такое столкновение или даже прохождение. 

По счастью, в  результате наблюдения спектров, излучаемых краями звезд, вращающимися "к нам" или "от нас", было обнаружено, что  для звезд вплоть до класса F5 главной  последовательности характерно быстрое  вращение, а звезды последующих классов  вращаются примерно как наше Солнце. При этом, если мысленно "сбросить" все планеты Солнечной системы на Солнце, то из закона сохранения момента количества движения будет следовать, что Солнце должно после этого закрутиться в 50 раз быстрее - в точности так, как быстро вращающиеся звезды. Это наводит на мысль об образовании планетных систем в процессе эволюции звезд: более горячая и мощно излучающая звезда в какой-то момент сбрасывает в окружающее пространство часть своего вещества (это и будут впоследствии планеты), сама замедляет свое вращение и "сдвигается" вдоль главной последовательности в ту ее область, где находится и наше Солнце. Придумали и возможный механизм передачи момента количества движения. При отделении вещества от вращающейся звезды их общее магнитное поле тормозит вращение звезды, а диск отделяющегося вещества постепенно отодвигается от ее поверхности. Эти соображения привели к тому, что по современным оценкам примерно 20% звезд имеют планетные системы. Полагают, что важную роль играют и вспышки сверхновых, стимулирующие образование солнечных туманностей, а также излучение космических мазеров. 

Вещество первичной  солнечной туманности можно по точкам плавления или кипения разделить  на три класса: 

* породы (силикаты, окислы металлов, кремний, железо...), температуры плавления порядка тысяч градусов; 

* жидкости и  льды (химические соединения углерода, водорода, азота и кислорода), температуры  кипения порядка сотен градусов; 

* газы (H2, He, Ne, Ar). 

В нашей солнечной  системе вблизи Солнца расположены  каменистые вещества, далее появляется лед, еще дальше замерзшие метан и аммиак. Различают четыре внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и четыре внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). За Нептуном находится еще одна маленькая планета - Плутон, который, по-видимому, раньше был луной Нептуна. Между внутренней и внешней группами планет находится пояс астероидов - обломков различного размера от метров до километров в поперечнике. Для внутренних планет характерны радиоактивные процессы, протекающие в недрах. Это приводит к расплавлению вещества в центре, причем тяжелое вещество - железо - оказывается в самом ядре. Газы, выделяющиеся в процессе эволюции планеты, могут быть удержаны ею, только если масса планеты достаточно велика. Так, Меркурий полностью, а Марс в большой степени не удержали свои атмосферы. Внешние же весьма крупные планеты обладают толстыми атмосферами, состоящими в основном изо льдов. 

Меркурий представляет собой маленькую планету, величиной  с нашу Луну. Он (как, впрочем, и другие планеты) движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, причем большая полуось эллипса сама понемногу поворачивается. Забегая несколько вперед, хочется упомянуть, что только после появления теории относительности - одной из самых абстрактных теорий современной науки - была получена расчетная скорость вращения этой полуоси, совпадающая с наблюдаемой. Температура на поверхности Меркурия достигает 3400С. 

Венера, долго  бывшая надеждой писателей-фантастов  на освоение землянами в недалеком  будущем, обладает плотной атмосферой из углекислого газа, полной облаков. Эта атмосфера стремительно движется, и скорость ветра нарастает от 3,5 м/с на поверхности до 100м/с вдали от нее. Давление у поверхности достигает 90 атм., а температура 4750С (больше, чем на Меркурии!), что обусловлено парниковым эффектом. 

Землю мы обсудим  подробно в следующей главе. 

Марс более  миролюбив, чем Венера. Разреженная  атмосфера из углекислого газа (давление около 0,01 атм) имеет температуры  от 100С до -1200С. У полюсов имеются  полярные шапки из сухого льда. Биоэксперименты, выполненные в рамках программы "Викинг", не обнаружили жизни на Марсе, однако, полностью этот вопрос не закрыт.