Лекции / КСЕ (Концепции современного естествознания) / lekcii_estestvoznanie / 05-КСЕ / КСЕ-Лекции / 05-Строение и эволюция звёзд и планет

Лекция 05. Строение и эволюция звезд и планет

1/ Строение и эволюция звезд

2/ Солнечная система и ее происхождение

3/ Строение и эволюция Земли

1 Строение и эволюция звезд

Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнеч­ной системы, выдвинутой еще французским физиком и математи­ком Пьером Лапласом и развитой немецким философом Иммануи­лом Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем посте­пенного сжатия первоначальной туманности.

Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселен­ной существенным образом повлияло и на модели образования небес­ных тел и привело к гипотезе Виктора Амбарцумяна о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц — гиперонов) дозвездного ве­щества, находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации.

Интерпретация небесных тел определяется тем, какую из двух гипотез считают истинной. Открытие В. Амбарцумяном звезд­ных ассоциаций, состоящих из очень молодых звезд, стремящихся убежать друг от друга, было понято им как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества.

Ка­кая из двух концепций ближе к истине, решит последующее разви­тие естествознания.

Модель расширяющейся Вселенной встретилась с нескольки­ми трудностями, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого Взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого воз­ражения родилась в 1939 году гипотеза о наличии во Вселенной так называемых «черных дыр», которые невозможно увидеть, но кото­рые хранят 9/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает).

Что представляют собой «черные дыры» ? Если некоторая мас­са вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, крити­ческом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гра­витационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности ста­новится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому «черная дыра» ни­чего не выпускает наружу и не отражает, и стало быть ее невозмож­но обнаружить. В «черной дыре» пространство искривляется, а вре­мя замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то его этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предположено, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии.

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию — звезды, и не испускающие—планеты, кометы, метеориты, косми­ческую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино.

Звезды — это фабрики по производству химических элемен­тов и источники света и жизни. Тем самым решаются сразу не­сколько задач.

Звезды движутся вокруг центра галактики по слож­ным орбитам.

Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр — переменные звезды (Тау Кита) и нестационарные (моло­дые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование ту­манностей (скоплений газов).

Существуют очень крупные звезды — красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км); они называются так, потому что состоят из огромного сгустка нейтронов).

В 1967 году были открыты пульсары — космические источни­ки радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, прихо­дящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) перио­ды импульсов — 0,03-4 сек, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обыч­ной звезды) периоды составляют несколько секунд и более.

К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образую­щие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достига­ющего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в ко­смическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).

Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.

В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса оста­ется прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» — звезду, имеющую относительно высокую поверхностную темпера­туру (от 7000 до 30000° С) и низкую светимость, во много раз мень­шую светимости Солнца.

Предполагается, что одной из'стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в те­чение нескольких суток выделяет энергию, светя как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспыш­ки остается газовая туманность.

Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эво­люции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают об­ратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра», перехо­дящая затем в «белую дыру».

Процесс эволюции звезд представлен на схеме:

		обычные звёзды			белый карлик
звёздные ассоциации	переменные звёзды	нестационарные звёзды	нейтронные звёзды	новые и сверхновые звёзды	газовая туманность
		красные гиганты	«чёрная» дыра		«белая» дыра

2

2.Солнечная система и ее происхождение

Солнце — плазменный шар (плотность — 1,4 г/см3), хорошо нагре­тый (температура поверхности 6000°). Имеет корону, в которой нахо­дятся факелы, протуберанцы. Излучение Солнца — солнечная ак­тивность — имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активнос­ти на Солнце особенно много пятен.

Источником солнечной энергии, по-видимому, являются тер­моядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свиде­тельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Пер­вым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел Артур Эддингтон. Немецкий физик Ганс Бете (Нобелевская премия 1967 г.) рассчитал реакции термоядер­ного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтвержде­ний пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.

Скорость движения Солнца вокруг оси галактики — 250 км/сек. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшие к Солнцу звезды а-Центавра и Сириус.

Возраст солнечной системы, зафиксированный по древней­шим метеоритам, около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по кото­рой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Предполагается, что части­цы пыли состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали, и они конденсировались, образуя органические соединения, в состав кото­рых входит углерод. Затем образовались углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.

Из гипотез происхождения солнечной системы наиболее из­вестна электромагнитная . гипотеза шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным эле­ктромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состоя­ла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкнове­ний атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнит­ных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся свети­лом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, пере­давая его газовому облаку.

Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов — дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших эле­ментов — водорода и гелия, а более отдаленные — из железа и нике­ля. Наблюдения говорят об обратном.

Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность станови­лась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начи­нал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Ее- ли предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Известна также гипотеза образования планет Солнечной сис­темы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым Отто Юльевичем Шмидтом.

Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за ис­ключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окра­ины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 его диаметров.

Малые планеты, как и большинство спутников планет, не име­ют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недоста­точна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает угле­кислый газ, в атмосфере Юпитера аммиак. На Луне и Марсе имеют­ся кратеры вулканического происхождения.

3 Строение и эволюция Земли

Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса б²¹ тонн. Плотность 5,5 г/см³. Ско­рость вращения вокруг Солнца 30 км/сек.

Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладает азот и кислород. Разделяется она на топо-сферу (до 9 —17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, распо­лагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высо­ких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких кос­мических лучей, губительных для всего живого.

Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образо­валась 100 тыс. лет назад после великого оледенения.

В XIX веке в геологии сформировались две концепции разви­тия Земли:

1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кю­вье);

2) посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, сумми­руясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля).

Успехи физики XX века способствовали существенному про­движению в познании истории Земли. В 1908 году ирландский уче­ный Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значе­нии радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существова­ние расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смеще­ние континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент ма­терии — атом — имеет строго определенную длительность сущест­вования и неизбежно распадается. В следующем 1909 году русский ученый В. И. Вернадский основывает геохимию — науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.

В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоак­тивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактив­ных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

В 1915 году немецкий геофизик А. Вегенер предположил, ис­ходя из очертаний континентов, что в карбоне (геологический пери­од) существовал единый массив суши, названный им Пангеей (греч. «вся земля»), Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет на­зад Северная Америка — от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х годов расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, на­правленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.

Как мы увидим в дальнейшем. Земля является фабрикой по производству (причем безотходному) сложных соединений, минера­лов и живых тел.