---

Млечный путь

С самого начала существования человечества люди смотрели на небо. Еще на заре истории кто-то заметил, что некоторые небесные тела движутся по упорядоченным и предсказуемым траекториям, и родилась древняя наука Астрономия. Тем не менее, некоторые из новейших научных открытий были сделаны в этой же области, которая включает в себя изучение всей материи за пределами атмосферы Земли.

На протяжении столетий астрономы сосредоточились на изучении движения небесных тел. Они видели, как Солнце встает на востоке и садится на западе. В ночном небе они увидели крошечные светящиеся точки. Большинство этих огней-звёзд казалось, оставались на одном и том же месте по отношению друг к другу, как будто все они были прикреплены к огромному чёрному шару, окружающему Землю.

Однако другие огни, казалось, перемещались, переходя от группы к группе неподвижных звезд. Они назвали эти движущиеся точки планетами, что в переводе с греческого означает “странники".

Вид с Земли на Млечный путь:

Древние астрономы считали, что положение небесных тел показывает, что должно произойти на Земле - войны, рождение, смерть, удача или неудача. Эта система верований называется астрологией. Большинство ученых больше не верят в астрологию, но они обнаружили, что некоторые древние астрологи были хороши в наблюдении за движением и положением звезд и планет.

Млечный путь:

Видимое небо

Когда люди сегодня смотрят на небо без телескопа или другого современного инструмента, они видят в основном то же самое, что видели древние астрономы. Днём можно увидеть Солнце, а иногда и слабую Луну. В ясную ночь можно увидеть звезды и обычно Луну.

Иногда может показаться, что звезда находится в разных положениях от ночи к ночи: на самом деле это планета, один из “странников” древних. Все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, как и Земля. Они видны с Земли, потому что солнечный свет отражается от них. Звезды находятся гораздо дальше. Большинство звезд похожи на Солнце - большие, горячие и яркие. Они сияют от своей собственной энергии.

Широкая полоса тусклого света также видна на ночном небе. Это скопление слабых звезд, известных как Млечный путь. Млечный Путь является частью галактики Млечный путь - огромного скопления звезд, из которых Солнце является только одним членом из более чем 100 миллиардов звезд. Другие галактики существуют далеко за пределами Млечного пути.

Галактика Млечный Путь

Расположение Солнечной системы в Галактике Млечный путь:

Земля в космосе

Видимое движение Солнца, Луны и звёзд на запад не является реальным. Они как будто движутся вокруг Земли но это кажущееся движение на самом деле вызвано движением Земли. Земля вращается на восток, совершая по одному обороту в день.

Поначалу в это трудно поверить, потому что, когда мы думаем о движении, мы обычно также думаем о вибрациях движущихся автомобилей или поездов. Но земля свободно движется в пространстве, ни о что не трется, поэтому она не вибрирует. Именно это мягкое вращение, не сдерживаемое значительным трением, заставляет Солнце, Луну и звезды казаться восходящими и заходящими.

Землю сопровождает Луна, которая движется вокруг планеты на расстоянии около 30 земных диаметров. В то же время Земля движется вокруг Солнца. Каждый год Земля совершает один оборот вокруг Солнца. Это движение, наряду с наклоном оси вращения Земли (относительно оси ее вращения вокруг солнца), объясняет смену времен года.

Когда северная половина Земли наклонена к солнцу, Северное полушарие испытывает лето, а Южное полушарие, которое наклонено от Солнца, испытывает зиму. Когда Земля переместилась на другую сторону Солнца, шесть месяцев спустя, времена года меняются местами, потому что Южное полушарие затем наклоняется к Солнцу, а Северное полушарие отклоняется от Солнца.

Орбита Земли и Луны:

Луна

Луна не всегда выглядит одинаково с Земли. Иногда она выглядит круглой, иногда похожим на тонкую изогнутую щепку. Эти кажущиеся изменения называются фазами луны. Они возникают потому, что Луна светит только тогда, когда солнечный свет отражается от ее поверхности. Это означает, что только та сторона Луны, которая обращена к Солнцу, является яркой.

Когда Луна находится между Землей и Солнцем, светлая сторона Луны обращена в сторону от земли. Это называется новолуние, и с Земли его не видно. Когда Луна находится на другой стороне Земли от солнца, вся ее светлая сторона обращена к земле. Это называется полнолуние. На полпути между новой и полной лунами, в местах по обе стороны от земли, находятся первая четверть и последняя четверть (которые выглядят как половинки дисков, если смотреть с Земли).

Затмения

В древние времена люди часто приходили в ужас, когда казалось, что Солнце или Луна полностью исчезают, хотя обычно они были бы видны. Они не понимали, чем вызваны эти затмения В конце концов астрономы рассудили, что лунные затмения (когда ранее полная Луна по крайней мере частично исчезает с ночного неба) являются результатом прохождения Земли между Луной и Солнцем.

Таким образом, Земля отбрасывает тень на Луну. Точно так же солнечные затмения (когда Солнце частично или полностью исчезает с дневного неба) происходят, когда Луна проходит между Землей и Солнцем. Таким образом, Луна временно блокирует солнечный свет.

Солнечное затмение:

Затмения происходят нерегулярно, потому что плоскость орбиты Луны вокруг Земли немного отличается от плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Эти две плоскости пересекаются под углом около 5 градусов.

Это означает, что Луна обычно находится немного выше или ниже линии между Землей и Солнцем, поэтому ни Земля, ни Луна не отбрасывают тени друг на друга. Затмения могут происходить только тогда, когда Луна лежит в одной из двух точек пересечения плоскостей. Если бы это было не так, то с каждым полнолунием происходили бы лунные затмения, а с каждым новолунием - солнечные.

Лунное затмение:

Когда Луна действительно проходит прямо в тень Земли, круговое затемнение постепенно продвигается по поверхности Луны, полностью покрывая ее в течение примерно часа. Обычно Луна остается смутно видимой, когда солнечный свет проходит через нее и преломляется (изгибается) атмосферой земли, достигая, таким образом, потемневшей лунной поверхности.

Еще через час или два Луна выходит из тени и снова кажется полной. Интересно, что во время частичных фаз лунного затмения тень Земли легко увидеть круглой. Это указывало по крайней мере некоторым ранним астрономам на то, что Земля имеет приблизительно сферическую форму.

Когда тень Луны падает на Землю, происходит гораздо более драматическое зрелище. Тень состоит из двух частей - Умбры и полутени. В полутени Луна загораживает лишь часть солнца, а на Земле многие люди могут и не заметить ничего необычного. Однако Умбра - это конусообразная область, в которой солнечный свет полностью заблокирован.

Когда кончик этой тени достигает Земли, лунный диск кажется достаточно большим на земном небе, чтобы закрыть Солнце. Это тёмное пятно редко имеет ширину более 240 километров. Оно мчится по земле со скоростью более 1600 километров в час, когда движется Луна. Те, кто находится на его пути, видят, как Солнце полностью исчезает с неба и окутывается темнотой почти такой же глубокой, как ночь, примерно на 7 минут.

Во время всего этого можно видеть солнечную корону, или внешнюю атмосферу, окружающую черный силуэт лунного диска. Корона примерно такая же яркая, как полная луна, и обычно её заслоняет яркое дневное небо. Затмение дает редкую возможность увидеть корону.

Иногда Умбра не достигает поверхности Земли, что означает, что Луна находится слишком далеко от Земли, чтобы казаться достаточно большой, чтобы полностью закрыть Солнце. Это оставляет тонкое, но яркое кольцо солнечного света в середине затмения. Такие затмения называются кольцевыми. Они происходят несколько чаще, чем полные затмения.

Только полная фаза солнечного затмения безопасна для просмотра, так как взгляд даже на небольшую часть Солнца может привести к необратимому повреждению глаз. Существуют различные фильтры и другие методы, позволяющие безопасно просматривать частичные фазы, но даже они должны использоваться с осторожностью.

Камни из космоса

Иногда можно увидеть вспышку света, проносящуюся по ночному небу и исчезающую. Хотя это обычно называют падающей звездой, настоящие звезды не стреляют по небу так же, как и Солнце. Множество маленьких кусков камня, металла или других материалов вращаются вокруг Солнца. Иногда они входят в атмосферу Земли, и трение, вызванное их огромной скоростью, заставляет их гореть. Осколки могут либо испариться перед дальним путешествием, либо действительно упасть на землю.

Эти объекты имеют разные названия в зависимости от их местоположения. Тот, что находится за пределами земной атмосферы, называется метеоритом. Метеорит, который входит в атмосферу Земли, называется метеором. Метеорит, который действительно приземляется на поверхность земли, называется метеоритом.

Метеоритный дождь:

Метеориты, которые достаточно прочны, чтобы достичь Земли, по-видимому, являются кусками астероидов. Астероиды - это огромные камни, вращающиеся вокруг Солнца. Большинство метеоров, сгорающих в атмосфере, - это крошечные пылинки, остатки распавшихся комет. Кометы - это хрупкие объекты, состоящие в основном из замерзшей воды, замерзших газов и некоторых шероховатых материалов. Они также вращаются вокруг Солнца.

Иногда рой метеоритов входит в атмосферу Земли, вызывая метеоритный дождь, с десятками или сотнями “падающих звезд”, вспыхивающих по небу менее чем за час. Практически все эти метеориты сгорают в верхних слоях атмосферы. Значительное количество пыли и пепла от метеоритов оседает на Земле каждый день.

Метеориты Леонида вызвали самые сильные метеоритные дожди за всю историю наблюдений - в 1833 и 1966 годах. Эти метеоры появляются каждый ноябрь, с особенно ослепительными проявлениями примерно каждые 33 года. Метеоры Леонида названы так потому, что их движение относительно Земли заставляет их казаться идущими со стороны созвездия Льва.

Северное и Южное Сияние

Северное Сияние:

Люди, которые находятся относительно близко к Северному или Южному полюсу, могут увидеть одно из самых щедрых проявлений природы - северное сияние или австралийское сияние (южное сияние). Высоко в небе над магнитными полюсами Земли электрически заряженные частицы Солнца роем устремляются в земную атмосферу. Когда эти частицы сталкиваются с молекулами воздуха, в атмосфере Земли на высоте от 80 до 320 километров испускаются яркие полосы, серпантины или пучки цветных огней.

Солнечный ветер

Потоки заряженных частиц известны как солнечный ветер. Солнце постоянно посылает поток этих частиц в космос. В периоды, когда Солнце необычайно активно, то есть когда на его поверхности появляются большие солнечные пятна, солнечный ветер особенно силён. Затем огромные скопления частиц достигают атмосферы Земли, вызывая большие и яркие полярные сияния.

Телескопы

Телескопы, впервые использованные для астрономии Галилеем в 1609 году с помощью линз или зеркал стали формировать изображения удаленных объектов. Эти изображения могут быть просмотрены непосредственно или сняты с помощью пленки или электронных устройств.

Телескопы собирают больше света, чем невооруженный глаз, и увеличивают изображение, позволяя увидеть более мелкие детали. Несмотря на то, что первые телескопы были примитивны по современным стандартам, они почти сразу же позволили обнаружить такие объекты, как лунные кратеры, спутники Юпитера, кольца Сатурна, фазы Венеры, солнечные пятна и тысячи ранее невидимых звезд.

В 20 веке новые технологии позволили создать телескопы, способные обнаруживать электромагнитное излучение по всему спектру. Многие объекты излучают большую часть своего “света” на частотах, далеко выходящих за пределы видимого диапазона. Даже объекты, излучающие видимый свет, часто выдают гораздо больше информации при изучении на других длинах волн.

Телескопы Кек на Гавайских островах:

К 1990-м годам оптические телескопы (видимый свет) достигли огромных размеров и мощности, хорошим примером чего являются телескопы Кека на вершине Мауна-Кеа на Гавайях. Эти два телескопа имеют собирающие зеркала диаметром 10 метров, что позволяет обнаруживать объекты в миллионы раз слабее, чем можно увидеть невооруженным глазом, с детализацией примерно в тысячу раз тоньше.

На самом деле астрономы редко смотрят в такие телескопы напрямую. Вместо этого они используют камеры для фотографического захвата изображений или более новые, более чувствительные детекторы для электронного захвата изображений. В настоящее время большая часть работы выполняется с электронными детекторами, включая устройства с зарядовой связью (CCDs).

С 1940-х годов радиотелескопы внесли большой вклад. Самая большая одиночная антенна, с диаметром тарелки 500 метров, является радиотелескопом в провинции Гуйчжоу в Китае. Огромные массивы нескольких телескопов, такие как расширенный очень большой массив (EVLA) в Нью-Мексико, позволяют получать высокодетализированные изображения с использованием радиоволн, которые в противном случае дают довольно “размытые” изображения.

Самым крупным является очень длинный базовый массив (VLBA), состоящий из 10 тарелок, разбросанных на площади в тысячи миль в поперечнике. Данные этих приборов коррелируются с помощью метода, называемого интерферометрией. Уровень детализации, который затем можно увидеть в радиоизлучающих объектах (таких как центры далеких галактик), эквивалентен различению десяти копеечной монеты на расстоянии нескольких тысяч километров.

Огромным достижением стало размещение астрономических приборов в космосе. Телескопы и другие приборы на борту беспилотных космических аппаратов исследовали все планеты Солнца с близкого расстояния. Не менее важными были большие телескопы, размещенные на околоземной орбите, над затеняющими и размывающими эффектами земной атмосферы.

Космический Телескоп Хаббла

Наиболее известным из этих телескопов является космический телескоп "Хаббл", который был запущен в 1990 году на орбиту в 610 километров над поверхностью земли. Первоначально он возвращал неутешительные изображения из-за ошибки в шлифовке своего 2,4-метрового основного зеркала.

В 1993 году астронавты космического челнока установили корректирующую оптику, и с тех пор она возвращала великолепные данные. Хотя Хаббл меньше, чем многие наземные телескопы, недостаток воздуха для искажения изображений, как правило, позволял ему лучше видеть, чем можно было бы получить с Земли, что привело ко многим открытиям. Интересно, что технология, называемая адаптивной оптикой, теперь позволяет многим наземным телескопам соперничать с уровнем детализации Хаббла, устраняя большую часть размытого эффекта атмосферы.

Менее известными, чем "Хаббл", но, возможно, не менее важными были космические телескопы, предназначенные для обнаружения излучения в других частях спектра. Комптонская гамма-обсерватория НАСА (миссия которой длилась с 1991 по 2000 год) и рентгеновская обсерватория Чандра (запущенная в 1999 году) послали обратно поток данных о таких объектах, как нейтронные звёзды и чёрные дыры.

Эти объекты производят высокоэнергетическое излучение, которое в значительной степени блокируется атмосферой Земли. Космический телескоп "Спитцер" обнаружил широкий диапазон инфракрасного излучения, испускаемого более холодными объектами, включая межзвездные облака газа и пыли, где формируются звезды и планеты.

Звёзды и спектроскопия

Звёзды испускают целый спектр электромагнитного излучения. Вид излучения связан с температурой звезды: чем выше температура звезды, тем больше энергии она выделяет и тем больше эта энергия концентрируется в высокочастотном излучении. Прибор, называемый спектрографом, может разделять излучение на различные частоты. Массив частот составляет спектр звезды.

Цвет звезды также является показателем её температуры. Красный свет имеет меньше энергии, чем синий. Красноватая звезда должна иметь большое количество своей энергии в красном свете. Белая или голубоватая звезда имеет большее количество высокоэнергетического синего света, поэтому она должна быть более горячей, чем красноватая звезда.

Звезды имеют яркие или темные линии в своих спектрах. Эти яркие или темные линии представляют собой узкие области сверхвысокого излучения или поглощения электромагнитного излучения. Присутствие определенного химического вещества, такого как водород или кальций, в звезде вызывает определенный набор линий в спектре звезды. Поскольку большинство линий, обнаруженных в спектрах звезд, были идентифицированы с определенными химическими веществами, астрономы могут узнать из спектра звезды, какие химические вещества она содержит.

Эффект Доплера

Спектральные линии полезны и в другом отношении. Когда наблюдатель видит излучение, исходящее от источника, такого как звезда, частота излучения зависит от движения наблюдателя к источнику или от него. Это называется эффектом Доплера. Если наблюдатель и звезда удаляются друг от друга, наблюдатель обнаруживает сдвиг в сторону более низких частот. Если звезда и наблюдатель приближаются друг к другу, то смещение происходит на более высокие частоты.

Астрономы знают нормальные спектральные линии частот для многих химических веществ. Сравнивая эти известные частоты с теми же самыми рядами линий в спектре звезды, астрономы могут сказать, как быстро звезда движется к Земле или от нее.

Компьютерное моделирование

Среди множества типов астрономических явлений, которые можно смоделировать, есть эволюция звезд, планетных систем, галактик и даже самой Вселенной. Модели звезд успешно моделируют их наблюдаемые свойства и дают предсказания того, что происходит с ними по мере старения. Другие модели показали, как планеты могут образовываться из вращающихся облаков газа и пыли.

Модели ранней Вселенной позволяют астрономам изучать, как крупномасштабные структуры, такие как галактики, развивались по мере того, как гравитация подчеркивала крошечные различия в плотности Вселенной. По мере того как компьютеры и методы моделирования совершенствовались, это стало еще более важным инструментом астрономии.

Солнечная Система

Солнечная система состоит из Солнца плюс все объекты, которые вращаются вокруг него. С более чем 99 процентами общей массы Солнечной системы и диаметром более чем в 100 раз больше, чем у Земли и в 10 раз больше, чем у Юпитера, Солнце вполне естественно является центром системы.

Спектр, яркость, масса, размер и возраст Солнца и ближайших звезд указывают на то, что Солнце является типичной звездой. Как и большинство звезд, Солнце производит энергию посредством термоядерных процессов, происходящих в его ядре. Эта энергия поддерживает условия, необходимые для жизни на Земле.

Земля - не единственное тело, вращающееся вокруг Солнца. Многие куски материи, некоторые намного больше Земли, а некоторые микроскопические, попадают в гравитационное поле Солнца. Восемь самых больших из этих кусков называются планетами. Земля -третья планета от Солнца. К более мелким частицам материи относятся карликовые планеты, естественные спутники (Луны), астероиды, кометы, метеориты и молекулы межпланетных газов.

Движение планет

В начале 1600-х годов астрономы начали принимать идею о том, что Земля и планеты вращаются вокруг Солнца, а не о том, что Солнце и планеты вращаются вокруг Земли. Однако астрономы все еще не могли описать движение планет так точно, как они могли бы их измерить. Немецкий астроном Иоганн Кеплер, наконец, смог описать движение планет с помощью трех математических выражений, которые стали известны как законы движения планет Кеплера.

При тщательном изучении Марса Кеплер обнаружил, что его орбита не является круговой, как предполагалось ранее. Скорее, орбиты планет эллиптические, а Солнце находится в одной из двух неподвижных точек эллипса, называемых фокусами. Кроме того, поскольку планета движется вокруг Солнца, её скорость больше, когда она ближе к солнцу.

Воображаемая линия, проведенная от движущейся планеты к Солнцу, должна была бы охватить равные площади за равные промежутки времени. Наконец, Кеплер нашел математическую зависимость между средним расстоянием планеты от солнца и периодом ее обращения (временем, которое требуется для завершения орбиты). В частности, он обнаружил, что квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца.

Чтобы найти эти законы, Кеплер должен был сделать масштабный рисунок Солнечной системы. Он сделал это, используя чрезвычайно точные наблюдения, собранные Тихо Браге. Кеплер использовал шкалу относительных расстояний, в которой среднее расстояние от Земли до Солнца называлось одной астрономической единицей.

У Кеплера не было особенно точного значения для астрономической единицы. Чтобы помочь найти это расстояние, более поздние астрономы смогли использовать такие методы, как параллакс, кажущийся сдвиг в положении объекта из-за разницы в положении наблюдателя. Еще более продвинутые методы определили, что среднее расстояние Земли от Солнца на самом деле составляет 149 597 870 километров.

Законы Кеплера описывали положение и движение планет с большой точностью, но они не объясняли, что заставляет планеты следовать этим путям. Если бы на планеты не действовала какая-то сила, рассуждали ученые, они просто продолжали бы двигаться по прямой линии мимо Солнца к звездам. Должно быть, какая-то сила притягивает их к Солнцу.

Английский ученый Исаак Ньютон вычислил, что для того, чтобы законы Кеплера имели ту форму, которую они имеют, эта сила должна ослабевать с увеличением расстояния от Солнца, особым образом называемым законом обратных квадратов. Он также понял, что искривленный путь Луны вокруг Земли был своего рода ускорением по направлению к Земле.

Он рассчитал, что это ускорение будет намного меньше, чем у яблока, падающего с дерева. Сравнивая эти ускорения, он обнаружил, что их различие описывается тем же законом обратных квадратов, который описывает силу, которую Солнце оказывает на планеты. Даже орбиты спутников других планет можно было бы объяснить подобным образом. Ньютон пришел к выводу, что все массы во Вселенной притягиваются друг к другу с помощью этой универсальной силы, которую он назвал гравитацией.

Планеты Солнечной системы - размеры:

Вплоть до 18 века люди знали о семи телах, кроме Земли, которые двигались на фоне неподвижных звезд. Это были Солнце, Луна и пять планет, которые легко видны невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Затем в 1781 году Уильям Гершель, английский органист немецкого происхождения и астроном-любитель, открыл новую планету, получившую название Уран.

Движение Урана не соответствовало точному пути, предсказанному теорией тяготения Ньютона. Эта проблема была счастливо решена открытием восьмой планеты, получившей название Нептун. Два математика, Джон Коуч Адамс и Урбен-Жан-Жозеф Ле Верье, вычислили вероятное местоположение Нептуна, но в 1846 году планету обнаружил немецкий астроном Иоганн Готфрид Галле.

Даже тогда некоторые небольшие отклонения, казалось, оставались на орбитах обеих планет. Это привело к поиску еще одной планеты, основанной на расчетах, сделанных американским астрономом Персивалем Лоуэллом. В 1930 году американский астроном Клайд У. Томбо открыл объект, который стал известен как Плутон.

Плутон - это ледяное тело, которое меньше Луны Земли. Масса Плутона оказалась настолько малой - около 1/500 массы Земли - что он не мог быть ответственен за отклонения в наблюдаемых траекториях Урана и Нептуна. Однако отклонения орбит были предсказаны на основе наилучших оценок массы планет, имевшихся в то время. Когда астрономы пересчитали данные, используя более точные измерения, сделанные космическим аппаратом НАСА “Вояджер-2 "в 1989 году, отклонения исчезли.

Плутон:

В течение примерно 75 лет астрономы считали Плутон девятой планетой Солнечной системы. Однако это крошечное далекое тело оказалось необычным для планеты по своей орбите, составу, размеру и другим свойствам. В конце 20-го века астрономы обнаружили группу многочисленных небольших ледяных тел, которые вращаются вокруг Солнца из-за Нептуна в почти плоском кольце, называемом поясом Койпера.

Многие характеристики Плутона похожи на характеристики объектов пояса Койпера. Некоторые из этих объектов, особенно Эрис, имеют примерно тот же размер, что и Плутон. В 2006 году Международный астрономический союз, организация, утверждающая названия небесных объектов, исключил Плутон из списка планет. Вместо этого он сделал Плутон прототипом новой категории объектов, называемых карликовыми планетами. Плутон также считается одним из самых больших элементов пояса Койпера и плутоидом (карликовая планета, которая находится дальше от Солнца, чем Нептун, в среднем).

Орбита Плутона в Солнечной системе:

Все восемь планет вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, которые близки к кругам. Меркурий имеет самую эксцентричную (наименее круговую) орбиту. Все планеты движутся в одном направлении вокруг Солнца, в том же направлении, в котором вращается Солнце.

Более того, все орбиты планет лежат почти в одной плоскости. Меркурий наиболее наклонен примерно на 7 градусов относительно плоскости орбиты Земли (плоскости эклиптики). Для сравнения, орбита Плутона наклонена примерно на 17 градусов от плоскости эклиптики. Его орбита также более эксцентрична, чем орбита Меркурия.

За исключением Венеры и Урана, каждая планета вращается вокруг своей оси с запада на восток. В большинстве случаев ось вращения находится почти под прямым углом к плоскости орбиты планеты. Однако Уран наклонен так, что его ось вращения лежит почти в плоскости орбиты.

Внутренние планеты

Планеты можно разделить на две группы. Внутренние планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс находятся между Солнцем и поясом астероидов. Они плотные, каменистые и маленькие. Поскольку Земля является типичной внутренней планетой, эту группу иногда называют земными или похожими на Землю планетами.

Внешние планеты

Внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун лежат за поясом астероидов. Их также называют Юпитерианскими, или Юпитероподобными планетами. Они гораздо крупнее и массивнее внутренних планет. Масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли, и фактически он более массивен, чем все остальные планеты вместе взятые. Будучи состоящими в основном из водорода и гелия (в основном в жидких формах), Юпитерианские планеты также гораздо менее плотны, чем внутренние планеты.

Естественные Спутники

Известно, что шесть планет - Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют спутники. Карликовые планеты и астероиды также могут иметь спутники. Поскольку Луна велика по сравнению с Землей, систему Земля-Луна иногда называют двойной планетой.

Большой спутник Плутона, Харон, имеет чуть более половины диаметра Плутона, и эти два часто считаются системой двух тел. Хотя некоторые другие спутники намного больше, чем земная Луна или Харон, эти другие спутники намного меньше, по сравнению с телами, которые они окружают.

Плутон и Харон:

Многие из естественных спутников сами по себе представляют собой удивительные миры. Спутник Юпитера Ио имеет множество действующих вулканов, извергающих соединения серы по всей его поверхности. Европа, следующий спутник Юпитера, вполне может иметь под своей ледяной корой огромный океан жидкой воды. Тритон Нептуна имеет таинственные гейзеры, извергающиеся, несмотря на холодную температуру поверхности около -240 °C.

Спутники Юпитера:

Также большой интерес представляют спутники Сатурна, особенно Титан и Энцелад.

Титан, его самый большой спутник, имеет густую, холодную, туманную атмосферу азота и метана. На его поверхности дренажные каналы по-видимому, прорезанные ливнями метановых дождей прорезают корку водяного льда и пустуют в плоские области, которые могут быть дюнами, метановыми грязями или, возможно, даже жидкими метановыми озерами.

Хотя Энцелад небольшой и очень холодный, он геологически активен, с гейзерами около южного полюса, которые извергают водяной пар и водяной лед. Измерения вращения Энцелада показывают, что под поверхностью планеты, вероятно, находится океан, покрывающий весь земной шар.

Спутники Сатурна - Титан и Энцелад:

Астероиды

1 января 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пьяцци обнаружил небольшой планетоподобный объект в большом промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Этот скалистый объект, позже названный Церерой, был первым и самым крупным из тысяч астероидов, или малых планет, которые были открыты (Церера теперь тоже считается карликовой планетой).

Хотя большинство астероидов находится в поясе между Марсом и Юпитером, есть и несколько других. Некоторые из них пересекают орбиту Земли и могут представлять угрозу редкого столкновения с Землей в какой-то момент в будущем.

Пояс астероидов между Марсом и Юпитером:

Кометы

Кометы относятся к числу самых необычных и непредсказуемых объектов в Солнечной системе. Это небольшие тела, состоящие в основном из замерзшей воды и газов с примесью силикатного песка. Этот состав и характер их орбит позволяют предположить, что кометы образовались раньше или примерно в то же время, что и остальная часть Солнечной системы.

Кометы, по-видимому, происходят за орбитой Нептуна. На таких расстояниях от солнца они поддерживают очень низкие температуры, сохраняя своё замороженное состояние. Они становятся легко видимыми с Земли, только если проходят близко к Солнцу. Когда комета приближается к Солнцу, часть её льда испаряется. Солнечный ветер отталкивает эти испаренные газы от головы кометы и от солнца. Это временно дает комете один или несколько длинных светящихся хвостов, направленных в сторону от солнца.

Комета:

Определение источника комет было загадкой для астрономов. Некоторые кометы периодически возвращаются во внутреннюю часть Солнечной системы, двигаясь по длинным эллиптическим орбитам, которые могут простираться от орбиты Земли за пределы Нептуна.

Комета Галлея, например, появляется примерно каждые 76 лет. Однако кометы теряют материал с каждым проходом вблизи Солнца и, вероятно, могут пережить лишь несколько сотен таких посещений, прежде чем их летучие вещества истощатся. Это означает, что они могли путешествовать по таким орбитам лишь в течение небольшой части общепринятой 4,6-миллиардной истории Солнечной системы.

Орбиты других комет исчисляются десятками тысяч астрономических единиц и имеют периоды в миллионы лет. Некоторые из этих комет, возможно, действительно совершают свои первые визиты во внутреннюю Солнечную систему. Эти соображения привели Яна Оорта в 1950 году к предположению о существовании огромного сферического облака, содержащего, возможно, миллиарды комет. Такие возмущения, как гравитационное воздействие пролетающих звезд, могут отклонить эти кометы к Солнцу.

Джерард П. Койпер предположил в 1951 году, что другая группа ледяных тел, включая спящие кометы, может существовать в поясе сразу за орбитой Нептуна. Открытия, начавшиеся в 1990-х годах, подтвердили гипотезу Койпера, поскольку сотни объектов были найдены примерно на том расстоянии, которое он предсказал. Считается, что пояс содержит много миллионов ледяных объектов, большинство из которых маленькие. Однако самые крупные объекты Пояса Койпера, включая Плутон и Эрис, достаточно массивны, чтобы также считаться карликовыми планетами.

Современное мышление предполагает, что многие из короткопериодических комет, или те, которые завершают орбиту менее чем за 200 лет, возможно, возникли в поясе Койпера. Возможно, они были направлены во внутреннюю часть Солнечной системы в результате столкновений друг с другом и гравитационных столкновений с Нептуном.

Считается, что долгопериодные кометы происходят из облака Оорта (существование которого считается весьма вероятным, но не доказанным). Облако, возможно, было создано очень давно, поскольку ледяные тела вблизи и внутри орбиты Нептуна были отброшены далеко от Солнца гравитационными столкновениями с внешними планетами.

Пояс Койпера и Облако Оорта:

Происхождение и будущее Солнечной системы

Наиболее широко принятая модель происхождения Солнечной системы объединяет теории, разработанные Койпером и Томасом Кроудером Чемберлином. Астрономы считают, что около 4,6 миллиарда лет назад одна из многочисленных плотных шаровых газовых и пылевых облаков, существующих в галактике, сжалась в медленно вращающийся диск, называемый солнечной туманностью.

Горячим, плотным центром диска стало Солнце. Оставшийся внешний материал остывал, превращаясь в мелкие частицы камня и металла, которые сталкивались и слипались, постепенно вырастая в более крупные тела, чтобы стать планетами и их спутниками.

В холодных внешних частях новой солнечной системы некоторые из этих тел собрали большое количество водорода и гелия из солнечной туманности, став таким образом “газовыми гигантами” - Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Ближе к Солнцу эти лёгкие элементы были в основном вытеснены более высокими температурами и частицами, стекающими с Солнца. Там развивались более мелкие скалистые планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Не собранные обломки стали астероидами и (во внешних областях) кометами.

Солнце

Солнце медленно становится ярче, поскольку оно потребляет свой резервуар водорода и превращает его в гелий. Если современные расчеты эволюции звезд верны, то Солнце станет намного ярче и больше примерно через 5 миллиардов лет, что сделает Землю слишком горячей для жизни.

Позже Солнце исчерпает свой ядерный источник энергии и начнет остывать. В конце концов оно превратится в белый карлик, вся материя которого будет плотно упакована в пространстве, не намного большем, чем Земля. Вокруг него будут вращаться замороженные пустоши, планеты, пережившие солнечные потрясения.

Существует ли жизнь в другом месте вселенной?

Жизнь, как мы ее знаем, особенно в ее высших формах, может существовать только при определенных химических и физических условиях. Требования, предъявляемые к жизни, до конца не известны, но они почти наверняка включают в себя разумный температурный диапазон, так что могут возникать химические связи, и источник энергии, такой как солнечный свет или тепло, поступающее из недр планеты.

Также принято считать, что необходим растворитель, такой как вода, и некоторая защита от ультрафиолетового излучения. Целый ряд сред в пределах Солнечной системы может соответствовать этим критериям. Например, организмы могут существовать в подземной вечной мерзлоте Марса или в океане под ледяной корой спутника Юпитера - Европы.

Некоторые кометы и астероиды содержат органическое вещество (имеется в виду молекулы на основе углерода, не обязательно возникающие в результате жизни). Это говорит о том, что основные ингредиенты для жизни распространены в Солнечной системе.

Марс - интригующее место для поиска жизни. Космические аппараты сфотографировали крупные объекты, которые выглядят как сухие русла рек. Данные марсоходов Spirit и Opportunity НАСА в начале 2000-х годов убедительно свидетельствуют о том, что на поверхности планеты когда-то существовала жидкая вода. Кроме того, данные европейского орбитального аппарата "Марс Экспресс" и земных телескопов свидетельствуют о том, что метан выделяется из-под поверхности, и возможным источником этого могут быть подповерхностные колонии бактерий.

Марсоход:

В 1976 году экспедиция "Викинг" искала следы жизни в марсианской почве. Они не обнаружили никаких органических молекул. Тем не менее, несколько экспериментов викингов, которые искали признаки метаболических процессов, таких как эксперимент с Меченым высвобождением, дали, казалось бы, положительные результаты.

Эти открытия широко (но безрезультатно) интерпретировались как результат странных химических реакций, а не жизни. Хотя жизнь на Марсе не была обнаружена, многие ученые полагают, что она могла существовать в более влажном прошлом, а некоторые полагают, что она, возможно, сохранилась и в настоящее время.

Открытия жизни, существующей в экстремальных или необычных условиях на Земле - например, в горячих горных породах в километрах под поверхностью и в колониях вблизи вулканических жерл на глубоком морском дне  расширили перспективы поиска жизни в других местах.

Однако ни одно место в Солнечной системе, кроме Земли, не является легко пригодным для колонизации человеком или для крупных наземных растений или животных. Возможно, что вокруг других звезд вращаются более похожие на Землю планеты. На самом деле, число таких миров во Вселенной может быть поистине огромным.

Однако единственное место, где до сих пор была обнаружена жизнь, - это Земля. Один пример - это очень мало, чтобы продолжать, особенно если мы являемся частью примера. При скудной информации о вероятности возникновения жизни в других местах, даже в земных условиях, обсуждение жизни в других местах остается спекулятивным.

Звёзды

Глядя на ночное небо в телескоп или даже невооруженным глазом, можно увидеть сложный рисунок. Различные культуры во всем мире представляли себе различные паттерны в том, как появляются звезды. Созвездия - это группы звезд, которые, по-видимому, образуют формы людей, животных или предметов. Первый шаг в поиске своего пути среди звезд обычно состоит в том, чтобы научиться распознавать несколько основных созвездий, таких как Большая Медведица и Орион.

Туманность Ориона:

Звёзды в созвездиях не обязательно близки друг к другу в пространстве. Например, хотя средние пять звезд Большой Медведицы находятся относительно близко друг к другу, первая и последняя звезды только кажутся находящимися в одной группе. На самом деле они находятся гораздо дальше от Земли, чем остальные пять, и даже медленно движутся в разных направлениях.

Большая медведица и Малая медведица:

Системы координат

Астрономам необходимо фиксировать точное расположение звезд. В определенных пределах полезно находить объекты внутри созвездий. Числовые системы координат используются для более точного определения местоположения небесных объектов. Эти системы подобны системе координат широты и долготы, используемой для Земли.

Были изобретены различные небесные системы координат. Чтобы быть полезными, они должны принять во внимание, что Земля имеет два регулярных движения по отношению к звездам. Её вращение заставляет сферу звезд, казалось бы, делать полный круг вокруг планеты один раз в день. А вращение Земли вокруг Солнца приводит к тому, что видимые положения звезд в определенный час меняются изо дня в день, так что они возвращаются в свое “первоначальное” положение через год.

Система горизонта

Система горизонта, или азимута, основана на линии север-юг земли и горизонте наблюдателя. Она использует два угла, называемых азимутом и высотой. Азимут определяет положение звезды относительно линии Север-Юг, а высота - относительно плоскости горизонта. Для того чтобы эта система была полезной, необходимо точно знать время наблюдения и место, откуда оно производилось.

Система экватора

Система экватора основана на концепции небесной сферы. Все звезды и другие небесные тела можно представить расположенными на огромной сфере, которая окружает Землю. Сфера имеет несколько воображаемых линий и точек. Одной из таких линий является небесный экватор, который является проекцией экватора Земли на небесную сферу.

Другая - это линия эклиптики, которая представляет собой видимый годовой путь Солнца вдоль этой сферы. Небесный экватор и эклиптика пересекаются в двух точках, называемых весенним равноденствием и осенним равноденствием. (Когда Солнце находится в любой точке, день и ночь на Земле одинаково длинны.) Северный и Южный небесные полюса являются продолжениями Северного и Южного полюсов земли вдоль оси вращения Земли.

В системе экватора положение звезды определяется координатами, называемыми склонением и прямым восхождением. Склонение определяет местоположение звезды по ее угловому расстоянию к северу или югу от небесного экватора. Правое восхождение определяет местоположение звезды по ее угловому расстоянию к востоку или западу от точки весеннего равноденствия. Поскольку эта система привязана к небесной сфере, все точки на Земле (кроме полюсов) постоянно меняют свое положение в системе координат.

Определение расстояния до звёзд

Фиксация звезд на воображаемой сфере полезна для их обнаружения с Земли, но она не раскрывает их действительного местоположения. Одним из способов измерения расстояний ближайших звезд от Земли является метод параллакса.

Метод параллакса

Для измерения параллакса звёзд ученые используют годовое движение Земли вокруг Солнца. Из-за этого движения наблюдатели на Земле рассматривают звезды с разных позиций в разное время года. В любое данное время года Земля находится на расстоянии 300 миллионов километров на противоположной стороне Солнца от того места, где она была шесть месяцев назад.

Две фотографии близкой звезды, сделанные через большой телескоп с разницей в шесть месяцев, покажут, что звезда, по-видимому, смещается на фоне более отдаленных звезд. Если это смещение достаточно велико, чтобы его можно было измерить, астрономы могут вычислить расстояние до звезды.

Более четырех столетий назад феномен параллакса был использован для противодействия Николаю Копернику - предположение, что Земля вращается вокруг Солнца. Ученые того времени указывали, что если бы это было так, звезды должны были бы показывать ежегодное изменение направления из-за параллакса.

Но, используя доступные им приборы, они не смогли измерить никакого параллакса, поэтому они пришли к выводу, что Коперник был неправ. Астрономы теперь знают, что все звезды находятся на таких огромных расстояниях от Земли, что их углы параллакса чрезвычайно трудно измерить. Даже современные приборы не могут измерить параллакс большинства звезд.

Астрономы измеряют параллаксы звезд в секундах дуги. Это крошечная единица измерения; например, копейка должна быть на расстоянии 4 километра, прежде чем она покажется такой же маленькой, как одна секунда дуги. Однако ни одна звезда, кроме Солнца, не находится достаточно близко, чтобы иметь такой большой параллакс. Альфа Центавра, входящая в группу из трех ближайших к Солнцу звезд, имеет параллакс около трех четвертей угловой секунды.

Парсек

Астрономы разработали единицу измерения расстояния, называемую парсеком - расстояние, на котором угол, противоположный основанию треугольника, измеряет одну секунду дуги, когда основание треугольника является радиусом орбиты Земли вокруг Солнца. Один парсек равен 30,9 триллиона километров. Альфа Центавра находится на расстоянии около 1,3 парсеков.

Световой год

Две другие единицы измерения, используемые для записи больших астрономических расстояний, - это световой год и астрономическая единица. Световой год - это расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год. Свет, движущийся в вакууме, движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду - таким образом, один световой год равен примерно 9,46 триллиона километров. Проксима Центавра, входящая в систему Альфа Центавра, является ближайшей к Земле звездой (если не считать солнца), однако она находится на расстоянии около 4,2 световых лет. Это означает, что свету от этой звезды требуется более четырех лет, чтобы достичь Земли.

Проксима Центавра:

Астрономическая единица (АС) - это среднее расстояние от Земли до Солнца (150 миллионов километров). Один световой год равен 63 241 А.Е.

Поскольку параллакс дает расстояния только до относительно близких звезд, для более отдаленных следует использовать другие методы. Одним из таких методов является статистический параллакс, при котором анализируются видимые движения по небу групп звезд для определения их вероятного расстояния. Другой метод заключается в наблюдении за определенными звездами, яркость которых регулярно меняется.

Размер и яркость звёзд

Как размер, так и температура звезды определяют, сколько энергии излучения она испускает каждую секунду: это фактическая яркость или светимость звезды. В астрономии светимость определяется как количество света, испускаемого объектом в единицу времени. Светимость обычно выражается в терминах солнечной светимости. Одна солнечная светимость равна светимости Солнца, или 1033 эрг в секунду. Самые яркие звезды излучают несколько миллионов солнечных светимостей.

Светимость - это абсолютная мера силы излучения. То есть его величина не зависит от того, насколько удален объект от наблюдателя. Однако чем ближе звезда к земле, тем больше энергии ее излучения действительно достигнет Земли и тем ярче она будет казаться.

Астрономы обычно выражают яркость звезды в терминах её величины. В общем, чем ярче звезда, тем ниже ее назначенная величина. Для описания звезды используются два значения величины - видимое и абсолютное. Видимая величина относится к тому, насколько яркой звезда выглядит с Земли.

Видимая величина Солнца составляет -26,7; видимая величина полной Луны составляет около -11. Сириус, самая яркая звезда в ночном небе, имеет видимую величину -1,5. Напротив, самые слабые объекты видны через космический телескоп Хаббла имеют (приблизительно) видимую величину 30.

Абсолютная величина - это то, насколько яркой будет выглядеть звезда, если смотреть на нее с расстояния 10 парсеков, или 32,6 световых лет. Абсолютная величина Солнца равна 4,8. Видимая величина основана на размере звезды, температуре и расстоянии.

Температура определяется по её спектру; если расстояние известно, астрономы могут вычислить размер звезды и назначить значение для её абсолютной величины.

Звёздное скопление:

Некоторые звезды, яркость которых регулярно меняется, предоставляют астрономам важный способ оценки расстояний до удалённых галактик. У таких звезд абсолютная величина тесно связана с периодом изменения их яркости. Астрономы могут использовать наблюдаемый период для определения абсолютной величины, а затем сравнить ее с видимой яркостью, чтобы оценить расстояние.

Астрономы открыли все виды звезд - от огромных, ярко-красных сверхгигантов, более чем в 100 раз превосходящих диаметр Солнца, до чрезвычайно плотных нейтронных звезд всего лишь около десятка миль в поперечнике. Солнце находится примерно в среднем диапазоне размеров и яркости звезд.

Самые большие звёзды - это холодные красноватые сверхгиганты: у них низкая температура поверхности, но они настолько яркие, что должны быть чрезвычайно большими, чтобы испускать столько энергии. Белые карликовые звезды, с другой стороны, очень слабы, несмотря на их высокую температуру поверхности, и поэтому должны быть очень малы—только около размера Земли.

Звёзды - сверхгиганты ( первая точка слева - Солнце):

Что такое звезда?

Астрономы обнаружили, используя анализ спектров звезд , что звёзды состоят в основном из простейших элементов: водорода и гелия. Эти элементы находятся в газообразном состоянии. Однако в большинстве звёзд температура настолько высока (от тысяч до миллионов градусов), что газ ионизируется (с электронами, отделенными от атомных ядер) - состояние, называемое плазмой.

Взаимное гравитационное притяжение вещества звезды - это то, что заставляет её принимать приблизительно сферическую форму. Фактически, если бы не было ничего, что могло бы противодействовать этой внутренней силе, звезда коллапсировала бы до очень малых размеров.

Однако гравитационное сжатие газа нагревает её до очень высоких температур. В 1800-х годах астрономы считали, что это сжатие на самом деле является источником энергии для звезды. Однако геологические и биологические данные свидетельствуют о том, что Земля поддерживала условия для жизни на протяжении сотен миллионов лет.

20-й век принес решение этой проблемы. С открытием ядерной энергии астрономы смогли объяснить долговременную выработку энергии Солнца в результате ядерного синтеза: водород глубоко внутри Солнца был сплавлен вместе, чтобы сформировать гелий.

Этот процесс настолько энергичен, что может уравновесить внутреннюю силу гравитации. Звезды, таким образом, по существу являются полем битвы между двумя силами - внутренней давкой гравитации и внешним давлением от тепла, генерируемого ядерным синтезом.

Жизнь звёзд

Считается, что звёзды образуются, когда большие облака газа и пыли, называемые туманностями, сжимаются гравитационно (хотя другие силы также могут играть определенную роль). В конце концов они становятся достаточно горячими (несколько миллионов градусов) в центре, чтобы начать синтез водорода в гелий. К этому времени газ уже ярко светится, и рождается звезда.

Однако это не может продолжаться вечно, поскольку в конечном итоге большая часть водородного “топлива” превращается в гелий. У самых крупных звезд это занимает всего несколько миллионов лет. Звезды с очень низкой массой, с меньшим гравитационным давлением для борьбы, потребляют свое топливо очень медленно и могут длиться триллион лет. Солнце находится на промежуточном уровне, с расчетной продолжительностью жизни около 10 миллиардов лет, которая, как полагают, составляет почти половину.

Туманность Кошачий глаз:

Когда ядро звезды превращается в основном в гелий, в её структуре происходят драматические изменения. Компьютерные модели, подкрепленные наблюдениями за многими звездами на разных стадиях развития, предсказывают, что звезды, подобные Солнцу, увеличатся примерно в сто раз по сравнению с их прежним диаметром.

После относительно короткого периода в качестве такого красного гиганта звезда потеряет свои внешние слои, оставив небольшое горячее ядро. Затем ядро будет сжиматься, образуя белую карликовую звезду. Сотни таких объектов были замечены, в целом подтверждая предсказания.

Крабовидная туманность:

Звезды, рождённые с гораздо большей массой, чем Солнце, претерпевают еще более драматические события. Под огромным давлением такая звезда совершает множество дополнительных термоядерных реакций в своем ядре, производя широкий спектр элементов, вплоть до железа. В этот момент сверхплотное ядро может внезапно разрушиться, что приведет к колоссальному взрыву, называемому сверхновой звездой.

Многие подобные явления наблюдались с Земли, некоторые были настолько яркими, что их можно было увидеть даже при дневном свете. В течение нескольких недель взрывающаяся звезда может затмить целую галактику из ста миллиардов звезд. Элементы, выброшенные в космос, могут стать частью туманностей, которые в конечном итоге будут включены в будущие поколения звезд и планет.

Нейтронные звезды

После некоторых типов взрывов сверхновых звёзд остается чрезвычайно плотное ядро. Этот объект, называемый нейтронной звездой, имеет массу Солнца и состоит в основном из нейтронов. Его вещество настолько компактно, что чайная ложка его имеет массу небольшой горы.

Некоторые нейтронные звезды быстро вращаются, излучая излучение в космос. Если луч захватывает Землю, астрономы могут обнаружить его как серию импульсов радиоволн или иногда излучение на других длинах волн. Такая нейтронная звезда называется пульсаром.

Чёрная дыра

Даже более массивные звезды могут коллапсировать до такой высокой плотности, что их мощное гравитационное притяжение не позволит даже свету или чему-либо еще вырваться наружу. Они называются чёрными дырами. Чёрные дыры, образовавшиеся в результате коллапса одной умирающей звезды, могут иметь лишь несколько миль в поперечнике, но гораздо более крупные - с массой миллионов Солнц и размером Солнечной системы  предположительно существуют в центрах многих галактик.

Часто нейтронные звезды и черные дыры обнаруживаются только из-за их воздействия на соседние звезды - компаньоны. Газ (в основном водород) вытягивается из звезды-компаньона и затем быстро закручивается вниз на нейтронную звезду или черную дыру.

Сильный сжимающий нагрев и ускорение газа приводит к тому, что он испускает рентгеновские лучи, которые могут быть обнаружены с помощью спутников Земли. Такие двойные звездные системы называются рентгеновскими двойниками.

Планеты других звёзд

Астрономы давно считают, что, подобно Солнцу, многие или большинство звёзд должны сопровождаться вращающимися планетами. Однако эти планеты были бы так далеки от Земли, что их очень слабый свет был бы заглушен ярким светом их “солнц". Оказывается, существуют непрямые методы обнаружения таких планет, называемые экзопланетами.

Вращающаяся по орбите планета заставила бы звезду слегка колебаться, и это колебание можно было бы обнаружить как чередующиеся красные и синие доплеровские сдвиги света звезды. Кроме того, скорость и период колебания могли бы позволить астрономам оценить массу планеты и расстояние от звезды.

Этот метод был впервые успешно использован в 1995 году для поиска планеты, обращающейся вокруг звезды 51 Пегас. В течение следующих 10 лет таким образом было открыто около 140 внеземных планет (плюс несколько других способов, таких как падение света, вызванное прохождением планеты перед звездой).

В 2008 году астрономы объявили об открытии первых внеземных планет, видимых непосредственно на снимках. Снимки, сделанные с помощью телескопов в обсерваториях Keck и Gemini North, показали три планеты, вращающиеся вокруг звезды HR 8799, примерно в 128 световых годах от Земли.

Четвертая планета в этой внеземной планетной системе была открыта в 2010 году. Прямое изображение экстрасолярной планеты может быть сделано с помощью звёздного света, отраженного от планеты, или теплового инфракрасного излучения, испускаемого планетой. Визуализация лучше всего работает для планет, вращающихся вокруг ближайших к Солнцу звезд. Инфракрасная визуализация особенно чувствительна к молодым массивным планетам, которые вращаются далеко от своей звезды.

Многие из самых ранних обнаруженных экзопланет, по меньшей мере, столь же массивны, как Юпитер, однако они ближе к своим звездам, чем Меркурий к Солнцу. Такие близко расположенные массивные планеты легче всего обнаружить, поскольку они вызывают наибольшие колебания. Но их все равно трудно объяснить.

Современные теории образования планет предполагают, что такие большие планеты должны формироваться дальше от звезды, где температура достаточно холодная, чтобы позволить собирать большое количество газа. Одна из возможностей, которую рассматривают астрономы, заключается в том, что эти “горячие Юпитеры” сформировались дальше от своих звезд и мигрировали внутрь. Однако возникает вопрос, почему наша Солнечная система не испытала такой миграции планет.

Экзопланеты

В настоящее время идентифицировано несколько тысяч экзопланет. Более двух тысяч из них были открыты спутником Kepler, запущенным в 2009 году для обнаружения планет, вращающихся вокруг других звезд. Среди многих открытий Кеплера были первые внеземные планеты размером с Землю и первые планеты, которые были найдены на орбите в пределах обитаемой зоны звезды, такой как Солнце.

Обитаемая зона - это орбитальная область вокруг звезды, в которой планета земного типа может обладать жидкой водой на своей поверхности и, таким образом, возможно, поддерживать жизнь. Kepler-186f, открытый в 2014 году, был первой планетой размером с Землю, которая была найдена в пределах обитаемой зоны своей звезды.

Планета, похожая на Землю - Kepler-186f:

В настоящее время обнаружено более 20 таких планет - планет размером примерно с Землю, вращающихся в пределах обитаемых зон своих звезд. Среди них ближайшая к Земле - внесолнечная планета Проксима Центавра, открытая в 2016 году с помощью телескопов Европейской южной обсерватории (ESO). Планета вращается вокруг ближайшего соседа солнца, находящегося на расстоянии около 4,2 световых лет.

Межзвёздная Материя

Пространство между звездами содержит газ и пыль с чрезвычайно низкой плотностью. Эта материя имеет тенденцию сгущаться в облака. Эти облака называются туманностями когда они блокируют более далекий звездный свет, отражают звездный свет или нагреваются звездами так, что они светятся.

Межзвёздная пыль состоит из мелких частиц или зерен. Расстояния между звездами настолько велики, что пыль может блокировать свет от далёких звезд. Известно много маленьких тёмных областей, где мало или вообще нет звезд. Это тёмные туманности, пылевые облака с плотностью выше средней, достаточно плотные, чтобы затенять свет за ними.

Пылинки блокируют синий свет больше, чем красный, поэтому цвет звезды может казаться другими, если смотреть сквозь большое количество пыли. Чтобы определить температуру такой звезды, астрономы должны оценить ее цвет как более голубой, чем кажется, потому что большая часть её голубого света теряется в пыли. Когда облака пыли возникают вблизи ярких звезд, они часто отражают звездный свет во всех направлениях. Такие облака известны как отражательные туманности.

Туманность Конская голова:

Межзвездный газ

Межзвездный газ примерно в 100 раз плотнее пыли, но всё же имеет чрезвычайно низкую плотность. Газ не мешает звездному свету проходить через него, поэтому его обычно трудно обнаружить. Однако когда газовое облако возникает вблизи горячей звезды, излучение звезды заставляет газ светиться. Это образует тип яркой туманности, известный как область H II. Вдали от горячих звезд межзвездный газ довольно прохладен. Массы этого холодного газа называются H I областями.

Туманность Вуаль (Ведьмина метла):

Межзвездный газ, как и большинство звезд, состоит в основном из самого легкого элемента, водорода, с небольшим количеством гелия и только следами других элементов. Водород легко светится в горячих областях H II. В холодных областях H I водород испускает радиочастотное излучение. Большая часть межзвездного газа может быть обнаружена только при обнаружении этих радиоволн.

Водород встречается частично в виде отдельных атомов, а частично в виде молекул (два атома водорода соединены вместе). Молекулярный водород обнаружить еще труднее, чем атомарный, но он должен существовать в изобилии. Другие молекулы были обнаружены в межзвездном газе, потому что они испускают низкочастотное излучение. Эти молекулы содержат помимо водорода и другие атомы: кислород или углерод встречается в гидроксильных радикалах (OH-) и в монооксиде углерода (CO), формальдегиде (H2O) и многих других, включая многие органические молекулы.

Орлиная туманность:

Везде, где есть большое количество молодых звезд, есть также большое количество межзвездного газа и пыли. Новые звёзды постоянно формируются из газа и пыли в регионах, где облака имеют высокую плотность. Хотя многие звезды отдувают часть своего материала обратно в межзвездные области, газ и пыль медленно расходуются. Астрономы предполагают, что в конечном счете наступит время, когда новые звезды не смогут образоваться, и звездная система будет медленно угасать по мере того, как звезды будут гореть одна за другой.

Галактики

Звёзды встречаются в огромных группах, называемых галактиками. Ученые подсчитали, что большие галактики могут содержать до триллиона звезд, в то время как самые маленькие могут иметь менее миллиона. Крупные галактики могут иметь диаметр 100 000 и более световых лет.

Галактики могут иметь любую из четырех общих форм. Эллиптические галактики показывают мало или вообще не имеют структуры и в целом имеют форму от умеренно плоской и круглой или овальной до сферической.

Спиральные галактики имеют небольшую яркую центральную область, или ядро, и рукава, которые выходят из ядра и обматываются вокруг, замыкаясь подобно гигантскому вертушке. В полосчатых спиральных галактиках рукава вытягиваются в стороны по короткой прямой линии, прежде чем свернуть в спиральную форму. Оба вида спиральных систем плоские.

Нерегулярные галактики обычно довольно малы и не имеют симметричной формы.

Радиогалактики

Долгое время считалось, что галактики - это более или менее пассивные объекты, содержащие звезды, межзвездный газ и пыль и сияющие излучением, которое испускают их звезды. Когда астрономы получили возможность проводить точные наблюдения радиочастот, приходящих из космоса, они были удивлены, обнаружив, что ряд галактик испускают большое количество энергии в области радио.

Обычные звезды настолько горячи, что большая часть их энергии испускается в видимом свете, при этом мало энергии испускается на радиочастотах. Кроме того, астрономы смогли сделать вывод, что это излучение было испущено заряженными частицами чрезвычайно высокой энергии, движущимися в магнитных полях.

Радио галактика:

Как такие галактики, называемые радиогалактиками, умудряются отдавать столько энергии заряженным частицам и магнитным полям? Радиогалактики также обычно довольно своеобразны по внешнему виду. Многие галактики, и особенно радиогалактики, демонстрируют признаки расширения межзвездной материи от их центров, как будто в их ядрах произошли гигантские взрывы.

Гигантская эллиптическая галактика, известная как М87, имеет поблизости струю вещества, которое она, по-видимому, выбросила в прошлом. Сама струя размером с обычную галактику.

Астрономы обнаружили, что во многих галактиках звезды вблизи центра движутся очень быстро, по-видимому, вращаясь вокруг какого-то очень массивного невидимого объекта. Наиболее вероятное объяснение заключается в том , что в центре большинства крупных галактик скрывается гигантская черная дыра, масса которой в миллионы или даже миллиарды раз превышает массу Солнца. Когда звезды и газ закручиваются спиралью в этих черных дырах, большая часть их массы исчезает из виду. Сильный нагрев и сжатие производят огромное высвобождение энергии, в том числе высокоскоростных струй вещества (таких как в M87).

Квазары

Очень далекие галактики иногда обнаруживают в своих центрах чрезвычайно энергичные источники света и радиоволн. Эти объекты, называемые квазарами, обычно считаются находящимися на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от Земли. Это означает, что астрономы, наблюдающие квазары, на самом деле заглядывают на несколько миллиардов лет в прошлое.

Большинство астрономов считают, что квазары представляют собой раннюю фазу жизни некоторых галактик, когда центральные чёрные дыры с большим количеством свежего газа и звезд, производили огромное количество энергии.

Млечный путь

Как и большинство звезд, Солнце принадлежит галактике. Поскольку Солнце и Земля встроены в галактику, астрономам трудно получить общее представление об этой галактике. На самом деле, то, что можно увидеть в его структуре, - это слабая полоса звезд, называемая Млечным путем (слово “галактика”происходит от греческого слова "молоко"). Из-за этого галактика была названа галактикой Млечного пути.

Солнечная Система в Галактике Milky Way (Млечный путь) на английском языке:

Видимая полоса Млечного Пути, кажется, образует большой круг вокруг Земли. Это указывает на то, что галактика скорее плоская, чем сферическая. (Если бы она была сферической, звезды не были бы сосредоточены в одной полосе.) Солнце расположено на внутреннем краю спирального рукава. Центр, или ядро, галактики находится на расстоянии около 27 000 световых лет в направлении созвездия Стрельца. Все звёзды, видимые без телескопа, принадлежат галактике Млечный путь.

Не все звезды галактики ограничены галактической плоскостью. Есть несколько звезд, которые встречаются намного выше или ниже диска. Обычно это очень старые звезды, и они образуют то, что называется гало галактики. Очевидно, первоначально галактика была приблизительно сферической массой газа. Её гравитация и вращение заставили её сжаться в дискообразную форму, которую она имеет сегодня. Звезды, образовавшиеся до коллапса, оставались на своих прежних местах, но после коллапса дальнейшее звездообразование могло происходить только в плоском диске.

Все звезды в галактике движутся по орбитам вокруг ее центра. Солнцу требуется около 200 миллионов лет, чтобы совершить полный оборот. Орбиты большинства из этих звезд почти круглые и почти в одном направлении. Это дает ощущение вращения галактике в целом, даже когда вся галактика движется в пространстве.

Чёрная дыра галактики Млечный путь

Темные облака пыли почти полностью закрывают астрономам обзор центра галактики Млечный путь. Однако радиоволны проникают сквозь пыль, поэтому радиотелескопы могут дать астрономам представление о ядре галактики. В этой области звезды движутся по очень быстрым, узким орбитам, что подразумевает существование огромной массы в центре.

Находящаяся на орбите Земли рентгеновская обсерватория Чандра обнаружила вспышки рентгеновского излучения, длящиеся всего несколько минут в этом регионе, которые лучше всего объясняются существованием черной дыры это яростное ускорение и сжатие падающих сгустков материи. Инфракрасные наблюдения, проведенные в ESO, показали, что эта сверхмассивная черная дыра имеет массу примерно в 4,3 миллиона раз больше массы Солнца.

Вселенная

Космология - это научное исследование природы, истории, развития и судьбы Вселенной. Делая предположения, которые не противоречат поведению наблюдаемой Вселенной, ученые строят модели или теории, которые пытаются описать Вселенную в целом, включая ее происхождение и ее будущее. Они используют каждую модель до тех пор, пока не будет найдено что-то противоречащее ей. Затем модель должна быть изменена или отброшена.

Теория Большого взрыва:

Космологи обычно предполагают, что, за исключением небольших неоднородностей, Вселенная имеет одинаковый внешний вид для всех наблюдателей (а законы физики идентичны), независимо от того, где во Вселенной находятся наблюдатели или в каком направлении они смотрят.

Эта недоказанная концепция называется космологическим принципом. Одно из следствий космологического принципа состоит в том, что Вселенная не может иметь края, поскольку наблюдатель, находящийся вблизи края, будет иметь иной взгляд, чем наблюдатель, находящийся вблизи центра.

Таким образом, пространство должно быть бесконечным и равномерно заполненным материей, или же геометрия пространства должна быть такой, чтобы все наблюдатели видели себя в центре. Кроме того, астрономы считают, что единственное движение, которое может произойти, за исключением небольших нерегулярностей, - это равномерное расширение или сжатие Вселенной.

Поскольку Вселенная, по-видимому, расширяется, кажется, что в прошлом она должна была быть меньше. Это основа для эволюционных теорий вселенной. Если бы можно было проследить галактики назад во времени, то можно было бы найти время, когда они все были близко друг к другу.

Наблюдения за скоростью расширения показывают, что это было между 13 и 14 миллиардами лет назад. Таким образом, возникает картина эволюционирующей Вселенной, которая началась с некоего “взрыва” - большого взрыва. В некоторых моделях Вселенной расширение продолжается вечно. Другие говорят, что он остановится, и за ним снова последует сокращение до небольшого объема.

Однако данные, полученные с конца 1990-х годов о скоростях спада дальних сверхновых звёзд, убедительно свидетельствуют о том, что расширение на самом деле ускоряется. Это может означать, что Вселенная будет расширяться вечно. В настоящее время астрономы пытаются объяснить это ускорение.

В настоящее время любимым объяснением является идея тёмной энергии, которая может обеспечить силу отталкивания, которая противодействует (и в больших масштабах подавляет) взаимное гравитационное притяжение Вселенной.

Стационарное состояние

В 1950-х и 1960-х годах существовала конкурирующая модель, получившая название теории стационарного состояния. Основным допущением стационарного состояния был совершенный космологический принцип, применимый как ко времени, так и к положению.

Теория стационарного состояния утверждала, что Вселенная должна всегда иметь одни и те же крупномасштабные свойства; она не может эволюционировать, но должна оставаться однородной. Поскольку Вселенная, как считается, расширяется, что приведет к тому, что с течением времени материя будет становиться все тоньше, стационарное состояние предполагает, что для поддержания постоянной плотности должна быть создана новая материя. В теории стационарных состояний галактики формируются, они живут и умирают, и новые появляются, чтобы занять их место со скоростью, которая сохраняет среднюю плотность материи постоянной.

Когда астрономы наблюдают объект на большом расстоянии, они видят его таким, каким он выглядел давным-давно, потому что для прохождения света требуется время. Галактика, если смотреть на нее с расстояния в миллиард световых лет, выглядит такой, какой она была миллиард лет назад.

Далекие галактики действительно отличаются от соседних. Они кажутся ближе друг к другу, чем соседние, что противоречит утверждениям об устойчивом состоянии, но согласуется с мнением о том, что в прошлом Вселенная имела большую плотность. Кроме того, было обнаружено слабое свечение излучения, приходящее равномерно со всех сторон. Расчеты показывают, что это может быть излучение, оставшееся после Большого взрыва.

История астрономии

Руины многих древних сооружений свидетельствуют о том, что их строители наблюдали движение Солнца, Луны и других небесных тел. Самым известным из них , вероятно, является английский Стоунхендж, который был построен примерно между 3100 и 1550 годами до нашей эры. Некоторые из больших камней монумента были выровнены по отношению к положению восходящего солнца в день летнего солнцестояния. Несколько сотен других древних сооружений, показывающих астрономическую ориентацию, также были найдены в Европе, Египте и Америке.

Стоунхендж:

Во многих ранних цивилизациях астрономия была достаточно развита, чтобы появились надежные календари. В Древнем Египте астрономы-жрецы отвечали за предсказание сезона ежегодного разлива реки Нил.

Египетские Пирамиды:

Майя, жившие на территории современной Центральной Мексики, разработали сложную календарную систему около 2000 лет назад. Дрезденский кодекс, текст Майя 1-го тысячелетия нашей эры, содержит исключительно точные астрономические расчеты, включая таблицы, предсказывающие затмения и движения Венеры.

В Китае календарь был разработан к 14 веку до нашей эры. Около 350 года до нашей эры китайский астроном Ши Шен составил, возможно, самый ранний звездный каталог, в котором было перечислено около 800 звезд. В китайских записях упоминаются кометы, метеоры, большие солнечные пятна и новые звезды.

Древнегреческие астрономы знали многие геометрические соотношения небесных тел. Некоторые, включая Аристотеля, считали Землю сферой. Эратосфен, родившийся около 276 года до нашей эры, продемонстрировал её окружность. Гиппарх, живший около 140 г. до н. э., был талантливым астрономом. Среди многих других достижений он классифицировал звезды по кажущейся яркости, оценил размер и расстояние до Луны, нашел способ предсказывать затмения и рассчитал продолжительность года с точностью до 61/2 минут.

Исторически самым влиятельным древним астрономом был Птолемей (Клавдий Птолемей) Александрийский, живший около 140 года н. э. Его геометрическая схема предсказывала движение планет. По его мнению, Земля занимала центр вселенной. Его теория, аппроксимирующая истинное движение небесных тел, стойко держалась вплоть до конца Средних веков.

В Средние века Западная астрономия не развивалась. В течение этих столетий индуистские и арабские астрономы поддерживали жизнь науки. Записи арабских астрономов и их переводы греческих астрономических трактатов легли в основу позднейшего подъема Западной астрономии.

Система Коперника

В 1543 году, в год смерти Коперника, была опубликована его теория о том, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Его предложение противоречило всем авторитетам того времени и вызвало большие споры. Галилей поддержал теорию Коперника своими наблюдениями о том, что другие небесные тела, спутники Юпитера, явно не вращаются вокруг Земли.

Великий датский астроном Тихо Браге отверг теорию Коперника. Однако его данные о положении планет были позже использованы для подтверждения этой теории. Когда Тихо умер, его помощник Иоганн Кеплер проанализировал данные Тихо и разработал законы движения планет. В 1687 году Ньютоновский закон тяготения и законы движения объяснили законы Кеплера.

Тем временем приборы, доступные астрономам, становились все более совершенными. Начиная с Галилея, телескоп использовался для обнаружения многих невидимых до сих пор явлений, таких как вращение спутников вокруг других планет.

Развитие спектроскопа в начале 1800-х годов было крупным шагом вперед в развитии астрономических инструментов. Позднее фотография стала неоценимым подспорьем для астрономов. Они могли на досуге изучать фотографии и делать на них микроскопические измерения. Еще более недавние инструментальные разработки - в том числе радар, телескопы, которые обнаруживают электромагнитное излучение, отличное от видимого света, а также космические зонды и пилотируемые космические полеты - помогли ответить на старые вопросы и открыли астрономам глаза на новые проблемы.

Вечность вселенной: