Походження та еволюція галактик і зірок.
Небесні тіла знаходяться в безперервному русі і зміні. Десятки тисяч років тому небо Землі прикрашали фігури інших сузір'їв, мільярди років тому взагалі ще не було Землі, Місяця, планет, Сонця, багатьох зірок і галактик. Коли і як саме вони відбулися, наука прагне з'ясувати, вивчаючи небесні тіла та їх системи. Розділ астрономії, що займається проблемами походження і еволюції небесних тіл, називається космогонією.
Сучасні наукові космогонічні гіпотези - результат фізичного, математичного та філософського узагальнення численних спостережних даних. У космогонічних гіпотезах значною мірою знаходить своє відображення загальний рівень розвитку природознавства. Подальший розвиток науки, обов'язково включає в себе астрономічні спостереження, підтверджує або спростовує ці гіпотези. Підтверджуються ті гіпотези, які не тільки можуть пояснити відомі з спостережень факти, а й передбачити нові відкриття.
Зірки виникали в ході еволюції галактик. Більшість астрономів вважають, що це відбувалося в результаті згущення (конденсації) хмар дифузійної матерії, які поступово формувалися всередині галактик. Одна з вихідних передумов такої гіпотези полягає в тому, що, як показують спостереження, "молоді" зірки завжди тісно пов'язані з газом і пилом. Ці зірки і дифузна матерія концентруються в спіральних гілках галактик. Місцями найбільш інтенсивного зореутворення вважаються маси холодного міжзоряного речовини, які називаються газово-пиловими комплексами. Найбільш вивчений газово-пилової комплекс нашої Галактики знаходиться в сузір'ї Оріона, він включає в себе туманність в Оріоні, більш щільні газово-пилові хмари і інші об'єкти. Уявімо собі холодну газово-пилові хмари. Сили тяжіння стискають його, воно приймає кулясту форму. При стисненні зростатимуть щільність і температура хмари. Виникне майбутня, яка народжується зірка (протозвезда). Температура її поверхні поки ще мала, але протозвезда вже випромінює в інфрачервоному діапазоні, а тому що народжуються зірки можна спробувати виявити серед досить численних джерел інфрачервоного випромінювання. Пошуки протозвезд (і протогалактик) зараз ведуться на багатьох обсерваторіях.
Одне з основних відмінностей протозвезди від зірки полягає в тому, що в протозвезде ще не відбуваються термоядерні реакції, тобто в ній немає ще основного джерела енергії звичайних зірок. Термоядерні реакції починаються, коли в процесі стиснення протзвезди температура її надрах стане порядку 107 К. З цього часу стадія стиснення зірки припиняється: сила внутрішнього тиску газу тепер уже може врівноважити силу тяжіння зовнішніх частин зірки.
Стадія стиснення зірок, маси яких значно більша за масу Сонця, триває всього лише сотні тисяч років, а зірки, маси яких менше сонячної, стискаються сотні мільйонів років. Чим більше маса зірки, тим при більшій температурі досягається рівновага. Тому у масивних зірок великі світності.
Стадію стиснення змінює стаціонарна стадія, супроводжується поступовим "вигорянням" водню. У стаціонарній стадії зірка проводить більшу частину свого життя. Саме в цій стадії еволюції знаходяться зірки, які розташовуються на головній послідовності діаграми "спектр - світність". Таких зірок найбільше. Час перебування зірки на головній послідовності пропорційно масі зірки, так як від цього залежить запас ядерного пального, і обернено пропорційно світності, яка визначає темп витрати ядерного пального. А оскільки світність зірки пропорційна приблизно четвертого ступеня її маси, то масивні зірки, маси яких у кілька разів більша за масу Сонця, еволюціонують швидше. Вони знаходяться в стаціонарній стадії тільки кілька мільйонів років, а зірки, подібні Сонцю - мільярди років.
Коли весь водень в центральній області зірки перетвориться на гелій, всередині зірки утворюється гелієвої ядро. Тепер вже водень перетворюватиметься в гелій не в центрі зірки, а в шарі, прилеглому до дуже гарячого гелієвої ядра. Поки всередині гелиевого ядра немає джерел енергії, воно буде поступово скорочуватися і при цьому ще більш розігріватися. Коли температура всередині зірки перевищить 1,5 * 107 К, гелій почне перетворюватися в вуглець (з подальшим утворенням все більш важких хімічних елементів). Світність і розміри зірок будуть зростати. В результаті звичайна зірка поступово перетвориться на червоного гіганта або надгіганта. Багато зірок не відразу стають стаціонарними гігантами, а деякий час пульсують, як би проходячи в своєму розвитку стадію цефеїд.
Заключний етап життя зірки, як і вся її еволюція, вирішальним чином залежить від маси зірки. Зовнішні шари зірок, подібних до нашого Сонця (але з масами, не великими 1,2 маси Сонця), поступово розширюються і врешті-решт зовсім покидають ядро зірки. На місці гіганта залишається маленький і гарячий білий карлик. Білих карликів в світі зірок багато. Це означає, що багато зірок перетворюються на білих карликів, які потім поступово остигають, стаючи "погаслими зірками".
Інша доля у більш масивних зірок. Якщо маса зірки приблизно вдвічі перевищує масу Сонця, то такі зірки на останніх етапах своєї еволюції втрачають стійкість. Зокрема, вони можуть вибухнути як наднові, збагачуючи міжзоряне середовище важкими хімічними елементами (які утворилися всередині зірки і під час її вибуху), а потім катастрофічно стиснутися до розмірів куль радіусом в декілька кілометрів, тобто перетворитися в нейтронні зірки.
Всередині зірок в ході термоядерних реакцій може утворитися до 30 хімічних елементів, а під час вибуху наднових - інші елементи періодичної системи. З збагаченої важкими елементами міжзоряного середовища утворюються зірки наступних поколінь.
Якщо маса зірки вдвічі перевищує масу Сонця, то така зірка, втративши рівновагу і почавши стискатися, або перетвориться на нейтронну зірку, або взагалі не зможе досягти стійкого стану. У процесі необмеженого стискування (колапсу) вона, ймовірно, здатна перетворитися в чорну діру. Така назва пов'язана з тим, що могутнє поле тяжіння зіщулена зірки не випускає за її межі ніяке випромінювання (світло, рентгенівські промені і т.д.). Тому чорну діру не можна побачити ні в якому діапазоні електромагнітних хвиль.
Подальший розвиток науки покаже, які з сьогоднішніх уявлень про походження галактик і зірок виявляться правильними. Але немає сумніву в тому, що зірки народжуються, живуть, вмирають, а не є одного разу створені і вічно незмінні об'єкти Всесвіту; зірки народжуються групами, причому процес зореутворення триває в даний час.
Сучасні уявлення про походження планет.
Проблема походження планет - дуже складна і далеко ще не вирішена проблема, багато в чому залежить від розвитку не тільки астрономії, а й інших природних наук (перш за все наук про Землю). Справа в тому, що поки можна досліджувати тільки єдину планетарну систему, навколишнє наше Сонце. Як виглядають більш молоді і більш старі системи, ймовірно існуючі навколо інших зірок, невідомо. Щоб правильно пояснити походження планет, необхідно також знати, як утворилося Сонце та інші зірки, тому що планетарні системи виникають навколо зірок в результаті закономірних процесів розвитку матерії.
Найбільш важливі висновки планетної космогонії зводяться до наступного:
а) планети сформувалися в результаті об'єднання твердих (холодних) тіл і частинок, які входили до складу туманності, яка коли-то оточувала Сонце. Цю туманність часто називають "допланетним" або "протопланетним" хмарою. Вважається, що сонце і протопланетное хмара сформувалися одночасно в єдиному процесі, хоча поки невідомо, як відбулося відділення частини туманності, з якої виникли планети, від "протосолнца".
б) формування планет відбувалося під впливом різних фізичних процесів. Наслідком механічних процесів стало стиснення (сплощення) обертається туманності, її видалення від "протосолнца", зіткнення частинок, їх укрупнення і т.д. Змінювалася температура речовини, туманності і стан, в якому знаходилася речовина. Уповільнення обертання майбутнього Сонця могло бути обумовлено магнітним полем, що зв'язує туманність з "протосолнца". Взаємодія сонячного випромінювання з речовиною протопланетної хмари призвело до того, що найбільш легкі і численні частки опинилися далеко від Сонця (там, де зараз планети-гіганти).
в) супутники планет (а отже, і наш Місяць) виникли, мабуть, з рою частинок, що оточують планети, тобто теж з речовини протопланетному туманності. Пояс астероїдів виник там, де тяжіння Юпітера перешкоджало формуванню великої планети.
Основна ідея сучасної планетної космогонії - це те, що планети і їх супутники утворилися з холодних твердих тіл і частинок.
Будова, походження і еволюція Всесвіту з точки зору сучасної науки.
Всесвіт нескінченний в часі і просторі. Кожна частинка всесвіту має свій початок і кінець, як у часі, так і в просторі, але вся Всесвіт нескінченний і вічна, так як вона є вічно саморушної матерією.
Всесвіт - це все існуюче. Від найдрібніших пилинок і атомів до величезних скупчень речовини зоряних світів і зоряних систем. Тому не буде помилкою сказати, що будь-яка наука так чи інакше вивчає Всесвіт, точніше, ті чи інші її сторони. З розвитком кібернетики в різних областях наукових досліджень набули неабиякої популярності методики моделювання. Сутність цього методу полягає в тому, що замість того чи іншого реального об'єкта вивчається його модель, більш-менш точно повторює оригінал або його найбільш важливі і суттєві особливості. Модель не обов'язково речова копія об'єкта. Побудова наближених моделей різних явищ допомагає нам все глибше пізнавати навколишній світ. Так, наприклад, протягом тривалого часу астрономи займалися вивченням однорідної і ізотропного (уявної) Всесвіту, в якій всі фізичні явища протікають однаковим чином і всі закони залишаються незмінними для будь-яких областей і в будь-яких напрямках. Вивчалися так само моделі, в яких до цих двом умовам додавалося третє - незмінність картини світу. Це означає, що в яку б епоху ми не споглядали світ, він завжди повинен виглядати в загальних рисах однаково. Ці багато в чому умовні і схематичні моделі допомогли висвітлити деякі важливі сторони навколишнього нас світу. Але! Як б складна не була та чи інша теоретична модель, які б різноманітні факти вона не враховувала, будь-яка модель - це ще не саме явище, а тільки більш-менш точна його копія, так би мовити, образ реального світу. Тому всі результати, отримані за допомогою моделей Всесвіту, необхідно обов'язково перевіряти шляхом порівняння з реальністю. Не можна ототожнювати саме явище з моделлю. Не можна без ретельної перевірки, приписувати природі ті властивості, якими володіє модель. Жодна з моделей не може претендувати на роль точного "зліпка" Всесвіту. Це говорить про необхідність поглибленої розробки моделей неоднорідною і не ізотропного Всесвіту.
Зірки у Всесвіті об'єднані в гігантські Зоряні системи, звані галактиками. Зоряна система, в складі якої як рядова зірка знаходиться наше Сонце, називається Галактикою.
Число зірок в галактиці порядку 1012 (трильйона). Чумацький шлях - світла срібляста смуга зірок - опоясує все небо, складаючи основну частину нашої Галактики. Чумацький шлях найбільш яскравий у сузір'ї Стрільця, де знаходяться наймогутніші хмари зірок. Найменш ярок він в протилежній частині неба. З цього неважко зробити висновок, що сонячна система знаходиться не в центрі Галактики, який від нас видно в напрямку сузір'я Стрільця. Наша Галактика займає простір, нагадує лінзу або сочевицю, якщо дивитися на неї збоку. Розміри Галактики були помічені за розташуванням зірок, які видно на великих відстанях. Це - цефеїди та гарячі гіганти. Діаметр Галактики приблизно дорівнює 3000 пк (Парсек (пк) - відстань, з яким велика піввісь земної орбіти, перпендикулярна променю зору, видно під кутом в 1. 1 Парсек = 3,26 світлового року = 206265 а.о. = 3 * 1013 км .) або 100000 світлових років (світловий рік - відстань, пройдену світлом протягом року), але чіткої межі в неї немає, оскільки зоряна щільність поступово сходить нанівець.
Зірки верхній частині головної послідовності, а особливо надгіганти і класичні цефеїди, складають більш молоді населення. Воно розташовується далі від центра й утворює порівняно тонкий шар або диск. Серед зірок цього диска перебуває пилова матерія і хмари газу. Субкарлики і гіганти утворюють навколо ядра й диска Галактики сферичну систему.
Маса нашої галактики оцінюється зараз у різний спосіб і дорівнює 2 * 1011 мас Сонця (маса Сонця дорівнює 2 * 1030 кг.) Причому 1/1000 її укладена в міжзоряному газі і пилу. Діаметр нашої Галактики становить 100000 світлових років. Шляхом копіткої роботи московський астрономом В.В. Кукарин в 1944 р знайшов докази спіральної структури Галактики, причому виявилось, що ми живемо в просторі між двома спіральними гілками, бідному зірками.
У деяких місцях на небі в телескоп, а подекуди навіть неозброєним оком, можна розрізнити тісні групи зір, зв'язані взаємним тяжінням, або зоряні скупчення.
Існує два види зоряних скупчень: розсіяні й кульові.
Розсіяні скупчення складаються зазвичай з десятків або сотень зірок головної послідовності і надгігантів із слабкою концентрацією до центру.
Кульові ж скупчення складаються зазвичай з десятків або сотень зірок головної послідовності і червоних гігантів. Іноді вони містять короткопериодические цефеїди.
Розмір розсіяних скупчень - кілька парсек. Розмір кульових скупчень із сильною концентрацією зір до центра - десяток парсек. Відомо понад 100 кульових і сотні розсіяних скупчень, але в Галактиці останніх десятки тисяч.
Крім зірок до складу Галактики входить ще розсіяна матерія, надзвичайно розсіяне речовина, що складається з міжзоряного газу і пилу. Воно утворює туманності. Туманності бувають дифузними (клочковатой форми) і планетарними. Приклад: газопилової туманність в сузір'ї Оріона і темна пилова туманність Кінська голова.
Відстань до туманності в сузір'ї Оріона дорівнює 500 пк, діаметр центральної частини туманності - 6 пк, маса приблизно в 100 разів більша за масу Сонця.
У Всесвіті немає нічого єдиного і неповторного в тому сенсі, що в ній немає такого тіла, такого явища, основні і загальні властивості якого не були б повторені в іншому тілі, іншими явищами.
Зовнішній вигляд галактик надзвичайно різноманітний, і деякі з них дуже мальовничі. Едвін Пауелла Хаббл (1889-1953), видатний американський астроном - спостерігач, обрав найпростіший метод класифікації галактик за зовнішнім виглядом, і, треба сказати, що хоча згодом іншими видатними дослідниками були внесені розумні пропозиції по класифікації, первісна система, виведена Хабблом, як як і раніше залишається основою класифікації галактик.
Хаббл запропонував розділити всі галактики на 3 види:
Еліптичні - позначаються Е (elliptical);
Неправильні - позначаються (irregular).
Еліптичні галактики зовні невиразні. Вони мають вигляд гладких еліпсів або кіл з поступовим круговим зменшенням яскравості від центру до периферії. Ніяких додаткових частин у них немає, тому що еліптичні галактики складаються з другого типу зоряного населення. Вони побудовані з зірок червоних і жовтих гігантів, червоних і жовтих карликів і певної кількості білих зірок не дуже високою світлості. Відсутні біло-блакитні надгіганти і гіганти, угруповання яких можна спостерігати у вигляді яскравих згустків, що додають структурність системі, немає пилової матерії, яка, в тих галактиках де вона є, створює темні смуги, що відтіняють форму зоряної системи.
Зовні еліптичні галактики відрізняються один від одного в основному однією рисою - більшим чи меншим стисненням (NGG і 636, NGC 4406, NGC 3115 і ін.)
З кілька одноманітними еліптичними галактиками контрастують спіральні галактики, є може бути навіть самими мальовничими об'єктами у Всесвіті. У еліптичних галактик зовнішній вигляд говорить про статичності, стаціонарності. Спіральні галактики, навпаки, являють собою приклад динаміки форми. Їх красиві гілки, що виходять з центрального ядра і як би втрачають обриси за межами галактики, вказує на потужний стрімкий рух. вражає