Владимир Петрович Бровко
Катехизис по астрономии
5.В чем сущность закона Всемирного тяготения?
Открытый Исааком Ньютоном в XVII веке закон всемирного тяготения является одним из универсальных законов природы.
Согласно этому закону, все материальные тела притягивают друг друга, причем величина силы тяготения не зависит от физических и химических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела.
На Земле тяготение проявляется прежде всего в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землей.
Формулируется закон всемирного тяготения следующим образом: каждые две материальные частицы притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; сила направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы.
Коэффициент пропорциональности в указанном соотношении называют универсальной гравитационной постоянной.
Под «частицами» подразумеваются тела, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними, то есть материальные точки.
С открытием закона всемирного тяготения эмпирически открытые Кеплером законы движения планет, дотоле не имевшие объяснения, свелись к действию на планеты одной-единственной силы, направленной к Солнцу.
Действие этого же закона обусловливает движение всех остальных тел Солнечной системы (спутников планет, астероидов, комет, метеоритов), а также взаимное движение любой другой пары объектов во Вселенной (звезд, галактик, скоплений галактик).
6.Что такое Вселенная?
Вселенная – не имеющее строгого определения понятие в астрономии и философии. Оно делится на две принципиально отличающиеся сущности:
умозрительную (философскую) и материальную, доступную наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем.
Первую умозрительную (философскую) следуя традиции, называют Вселенной, а вторую —материальную астрономической Вселенной или иногда еще и Метагалактикой.
В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «космос», «мир», «небесная сфера».
Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части.
Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба.
Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение физика за тем, как раскалывается ядро атома, ребёнка за кошкой или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой, – всё это наблюдение за Вселенной, вернее, за отдельными её частями.
Эти части служат предметом изучения отдельных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология; при этом под Вселенной понимается или область мира, охваченная наблюдениями и космическими экспериментами, или объект космологических экстраполяций – физическая Вселенная как целое.
7.Как велик возраст Вселенной и на основе каких данных он определен?
В 2003 году с помощью запущенного NASA (Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства) космического зонда, оснащенного специальной аппаратурой, были проведены измерения температуры фонового микроволнового (реликтового) излучения с точностью до миллионной доли градуса. Результаты этих измерений позволили установить, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет и что формирование первого поколения звезд началось спустя 200 миллионов лет после Большого взрыва.
8.Какова структура Вселенной?
Изучение скоплений и сверхскоплений Галактик позволяет создать модель Вселенной в большом масштабе, то есть определить, как распределяется материя внутри очень большого пространства.
В этом смысле самый значительный результат, полученный космологией за последние 50 лет, заключается в том, что Вселенная, похоже, состоит из больших полых пузырей, пересекающихся друг с другом, в результате чего они напоминают губку.
В таком контексте скопления и сверхскопления галактик распределяются по стенкам пузырей, образуя волокнистые структуры длиной в десятки миллионов световых лет. Эти пузыри представляют собой полости, содержащие темную материю.
Изучение динамики движения галактик (их взаимного удаления, вызванного расширением Вселенной) показало, что в направлении созвездия Стрельца, видимо, существует огромная концентрация материи, так называемая великая точка притяжения, которая своей гравитацией притягивает даже Местное сверхскопление галактик.
9.С помощью каких единиц измеряют расстояния в Астрономии?
Земные единицы измерения расстояния не подходят для измерения огромных расстояний между небесными объектами, поэтому в астрономии используют три другие основные единицы измерения.
Внутри Солнечной системы обычно пользуются «астрономической единицей» (а. е.), равной среднему расстоянию от Земли до Солнца – 149 600 000 километров.
По этой измерительной шкале Марс находится на расстоянии 1,52 астрономической единицы от Солнца.
Для оценки межзвездных расстояний применяют две единицы измерения:
Световой год и Парсек.
Световой год равен расстоянию, которое проходит свет за год, перемещаясь, как известно, со скоростью 300 000 километров в секунду.
Легко убедиться, что световой год равен приблизительно 9460 миллиардам километров.
Например, самая близкая к Солнцу звезда (Проксима Кентавра) расположена от нас на расстоянии примерно 4,2 световых года.
Профессиональные астрономы часто пользуются вместо светового года Парсеком.
Парсек определяется как такое расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду дуги.
Это очень маленький угол: под таким углом монета в одну копейку видна с расстояния в три километра.
Один парсек (пк) составляет около 3,26 светового года, то есть приблизительно 30 триллионов километров.
Кратные единицы измерения – килопарсек (кпк), равный 1000 парсеков, и мега-парсек (Мпк), равный 1 миллиону парсеков, – используют для оценки расстояний до внегалактических объектов.
Галактика Андромеды находится на расстоянии около 2,2 миллиона световых лет, или 675 килопарсеков.
Некоторые расстояния в парсеках:
1 астрономическая единица (а. е.) составляет приблизительно 4,848·106 парсека;
по состоянию на 13 февраля 2015 года, космический аппарат «Вояджер-1» находился на расстоянии 0,000630 пк (19,4 млрд км, или 130 а. е.) от Солнца, удаляясь по 17,5
расстояние от Солнца до ближайшей звезды (Проксима Центавра) составляет 1,3 парсека;
расстояние в 10 пк свет проходит за 32 года 7 месяцев и 6 дней;
расстояние от Солнца до ближайшего шарового скопления, M 4, составляет 2,2 кпк;
расстояние от Солнца до центра нашей Галактики – около 8 кпк;
диаметр нашей Галактики около 30 кпк;
расстояние до туманности Андромеды – 0,77 Мпк;
ближайшее крупное скопление галактик, скопление Девы, находится на расстоянии 18 Мпк;
в масштабах порядка 300 Мпк Вселенная практически однородна до горизонта наблюдаемой Вселенной – около 4 Гпк (если измерять расстояние, пройденное регистрируемым на Земле светом), или, если оценивать современное расстояние – с учётом расширения Вселенной (то есть до удалившихся объектов, это излучение когда-то испустивших) 14 Гпк;
10. Как измеряют астрономические расстояния?
Основным методом измерения астрономических расстояний является Метод годичного параллакса.
Это чисто геометрический метод, центральная идея которого довольно проста. Относительно близкая звезда, наблюдаемая из разных мест космоса, визуально смещается на фоне более далеких звезд.
Для наблюдения целесообразно выбрать два возможно более удаленных друг от друга места.
Для этого можно использовать обращение Земли вокруг Солнца.
Так как среднее расстояние Земля – Солнце равняется 150 миллионам километров, два наблюдения, проведенные с интервалом в 6 месяцев, будут осуществлены из двух мест космоса, находящихся на расстоянии приблизительно 300 миллионов километров, что составляет диаметр земной орбиты.
Измерив видимый угол смещения звезды из двух разных мест, можно вычислить расстояние до нее тригонометрическими методами.
Таким образом, годичный параллакс звезды – это малый угол (при звезде) в прямоугольном треугольнике, гипотенуза которого есть расстояние от Солнца до звезды, а малый катет – большая полуось земной орбиты.
Другими словами, годичный параллакс – это угол, под которым из точки, в которой находится звезда, виден радиус земной орбиты.
Концептуальная простота метода годичного параллакса не означает такую же простоту измерений, потому что углы измерения из-за больших расстояний до звезд ничтожно малы. С помощью метода годичного параллакса можно измерить расстояния до звезд, находящихся не более чем в 100 световых годах от Земли
11.Как образовались химические элементы во Вселенной?
Большой взрыв создал только два химических элемента – водород и гелий (и небольшие количества дейтерия и лития).
Все остальные элементы, заполняющие таблицу Менделеева, появились только после возникновения звезд.
В их недрах в ходе термоядерных реакций синтеза постепенно образовались азот, кислород, углерод и более тяжелые элементы.
Эволюция крупных звезд завершается их взрывами, после которых накопившиеся в таких звездах элементы рассеиваются в пространстве, загрязняют облака межзвездного газа и в свой час служат исходным сырьем для возникновения новых звезд.
В мире, в котором мы живем, идет постоянная переработка первородной материи – Вселенная обогащается тяжелыми элементами, а самых легких становится все меньше.
Из образовавшихся в звездных недрах химических элементов состоит и наша Земля, и все живые существа на ней, в том числе люди.
Поэтому все мы в определенном смысле дети звезд.
12.Какой химический элемент наиболее распространён во Вселенной?
Наиболее распространенными во Вселенной являются самые легкие элементы – водород и гелий.
Водород
Гелий в твердом (замороженном виде)
Солнце, звезды, межзвездный газ по числу атомов на 99 процентов состоят из них. На долю всех других, в том числе самых сложных «тяжелых», элементов приходится менее 1 процента
По массе 76,5 процента приходится на водород, 21,5 процента – на гелий, 0,3 процента – на неон, 0,82 процента – на кислород, 0,34 процента – на углерод, 0,12 процента – на азот, 0,12 процента – на железо, 0,07 процента – на кремний, 0,06 процента – на магний, 0,04 процента – на серу.
Остаток – 0,13 процента – приходится на все другие элементы. Таким образом, самым распространенным во Вселенной химическим элементом является водород. Невидимый невооруженным глазом, этот газ может быть обнаружен с помощью радиотелескопов по испускаемым радиоволнам длиной 21 сантиметр. Водород заполняет почти все межзвездное пространство, однако он невероятно разрежен: всего один атом на 10 или даже 100 кубических сантиметров.
Тем не менее, поскольку межзвездное пространство огромно, огромен и общий объем газа. Некоторые водородные облака «горячие», они имеют температуру до 7500 градусов, в редких случаях температура водорода доходит до миллионов градусов.
Существуют также водородные облака большей плотности, в которых на 1 кубический сантиметр приходится от 10 до 100 атомов. Эти облака гораздо холоднее: их температура может опускаться до – 200 градусов Цельсия.
13. Что такое Галактика?
Галактика (др.-греч. «Млечный Путь» от др.-греч. , «молоко») – гравитационно-связанная система из звёзд и звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, и тёмной материи.
Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего центра масс.
Галактики – чрезвычайно далёкие астрономические объекты.
Расстояние до ближайших из них измеряют в мегапарсеках, а до далёких – в единицах красного смещения z . Самой удалённой из известных по состоянию на декабрь 2012 года является галактика UDFj-39546284.
Разглядеть на небе невооружённым глазом можно всего лишь три галактики: галактика Андромеды (видна в северном полушарии) и Большое и Малое Магеллановы Облака (видны в южном; являются спутниками нашей Галактики).
Точное количество галактик в наблюдаемой части Вселенной неизвестно, но, по всей видимости, их порядка двух триллионов.
В пространстве галактики распределены неравномерно: в одной области можно обнаружить целую группу близких галактик, а можно не обнаружить ни одной (так называемые войды).
Разрешить изображение галактик до отдельных звёзд не удавалось вплоть до начала XX века.
К началу 1990-х годов насчитывалось не более 30 галактик, в которых удалось увидеть отдельные звёзды, и все они входили в Местную группу.
После запуска космического телескопа «Хаббл» и ввода в строй 10-метровых наземных телескопов число разрешённых галактик резко возросло.
Галактики отличаются большим разнообразием: среди них можно выделить сфероподобные эллиптические галактики, дисковые спиральные галактики, галактики с перемычкой (баром), линзовидные, карликовые, неправильные и т. д..
Если же говорить о числовых значениях, то, к примеру, их масса варьируется от 107 до 1012 масс Солнца, для сравнения – масса нашей галактики Млечный Путь равна 2·1011 масс Солнца.
Диаметр галактик – от 5 до 250 килопарсек (16—800 тысяч световых лет), для сравнения – диаметр нашей галактики составляет около 30 килопарсек (100 тысяч световых лет).
Самая большая известная (на 2012 год) галактика IC 1101 имеет диаметр более 600 килопарсек.
Одной из нерешённых проблем строения галактик является тёмная материя, проявляющая себя только в гравитационном взаимодействии. Она может составлять до 90 % от общей массы галактики, а может и полностью отсутствовать, как в некоторых карликовых галактиках
14. В какой Галактике находится наша планета Земля?
Наша галактика Млечный Путь, называемая также просто Галактикой, является большой спиральной галактикой с перемычкой, диаметром около 30 килопарсек (или 100 тыс. световых лет) и толщиной 1000 световых лет (до 3000 в районе балджа. Солнце с Солнечной системой находятся внутри галактического диска, наполненного пылью, поглощающей свет.
Поэтому на небе мы видим полосу звёзд, но клочковатую, напоминающую сгустки молока.
Из-за поглощения света Млечный Путь как галактика изучен не до конца: не построена кривая вращения, до конца не выяснен морфологический тип, неизвестно число спиралей и т. д. Галактика содержит около 3·1011 звёзд, а её общая масса составляет около 3·1012 масс Солнца.
Большую роль в изучении Млечного Пути играют исследования скоплений звёзд – относительно небольших гравитационно связанных объектов, содержащих от сотен до сотен тысяч звёзд.
Их гравитационная связанность, вероятно, вызвана единством происхождения. Поэтому, исходя из теории эволюции звёзд и зная расположение звёзд скопления на диаграмме Герцшпрунга – Рассела, можно рассчитать возраст скопления. Скопления делятся на рассеянные и шаровые.
