19. Основные типы космических объектов.

Еще с древнейших времен человек интересовался небесными явления­ми: движением Солнца, Луны, планет и звезд, появлениями комет и метео­ров, солнечными и лунными затмениями. Строение и развитие различных космических тел, а также образуемые ими системы изучает астрономия. Ас­трофизика - раздел астрономии, изучающий физическую природу астроно­мических объектов, особенно звезд. Астрофизика возникла в XX веке и дополняет традиционные разделы астрономии, такие как астрометрия, небесная механика, звездная динамика и кинематика и т. п.

Результаты многовековых исследований небесных тел впечатляют. Звездный каталог-путеводитель, созданный для космического телескопа «Хаббл» (выведен на околоземную орбиту в апреле 1990 года) в качестве ба­зы данных содержит информацию о 18 819 291 космологическом объекте. Это самый большой из когда-либо составленных каталогов небесных объек­тов. Он включает 15 миллионов звезд и свыше трех миллионов галактик и по мере проведения научных исследований продолжает пополняться.

Самым распространенным космологическим объектом является звезда -самосветящийся газовый шар, в горячем ядре которого в ходе процессов ядерного синтеза генерируется энергия. Минимальная масса, которая требу­ется для образования звезды, составляет около одной двадцатой массы Солн­ца (1,989-10 кг). Ниже этого предела гравитационная энергия, высвобож­дающаяся при уплотнении массы, недостаточна, чтобы поднять температуру до уровня, при котором может начаться реакция превращения водорода в ге­лий. Масса наиболее массивных из известных звезд составляет около 100 солнечных масс. Именно масса представляет собой тот основной фактор, ко­торый определяет температуру и светимость звезды в течение всего периода ее существования как звезды главной последовательности (когда ядерным топливом в ее ядре является водород). В химическом составе звезд преобла­дает водород, а другим основным компонентом является гелий.

Звезды образуются в газопылевых облаках межзвездной среды скопле­ний. Вещество протозвезды уплотняется и коллапсирует, т. е. резко и быстро сжимается, в результате чего высвобождается гравитационная энергия и ядро нагревается до тех пор, пока температура не станет достаточно высокой для поддержания ядерных реакций превращения водорода в гелий. Горение во­дорода в ядре продолжается, пока не истощатся запасы водородного топлива. Для Солнца время жизни составляет приблизительно 10 млрд. лет (около по­ловины которого уже прошло), а для звезды, в три раза более массивной, -только 500 млн. лет.

Дальнейшая эволюция звезды зависит прежде всего от ее массы. Звезды, светимость которых в 10-1000 раз больше светимости Солнца, а радиус обычно превышает радиус Солнца в 10-100 раз, называются гигантами. Звезда становится гигантом, когда исчерпывается запас водородного топли­ва, необходимого для поддержания в ней ядерных реакций синтеза, а начи­нающийся переход к новому энергетическому равновесию вызывает значи­тельное расширение внешних слоев. Поверхностная температура падает, но из-за большого увеличения поверхности полная светимость звезды возраста­ет. Примеры звезд-гигантов - Капелла, Альдебаран и Арктур. Гигантами иногда называют и массивные горячие звезды, которые очень велики по сравнению с Солнцем, даже если они еще не достигли поздней стадии эво­люции.

В массивных звездах каждый раз, когда очередной вид топлива истоща­ется, происходит повышение температуры, достаточное для того, чтобы за­горелось новое, более тяжелое топливо. В конце концов, когда у звезды обра­зовалось железное ядро с массой, примерно равной солнечной массе, новые реакции горения становятся невозможными. На этой стадии сжатие ядра продолжается до тех пор, пока не произойдет катастрофический взрыв сверх­новой. Оставшееся «голое» ядро становится нейтронной звездой, т. е. звездой с массой от 1,5 до 3,0 солнечных масс, которая под действием гравитацион­ных сил коллапсировала до такой степени, что теперь состоит почти полно­стью из нейтронов. Нейтронные звезды имеют в поперечнике всего около 10 км при плотности 1017 кг/м .

В звездах с меньшей массой (таких, как Солнце) температура их центра никогда не становится достаточно высокой, чтобы зажечь водород и гелий во внешних концентрических оболочках. Развивается неустойчивость, которая приводит к отделению внешних слоев звезды от ядра. В результате образует­ся белый карлик, который не имеет внутреннего источника энергии и поэтому продолжает охлаждаться. Описанная схема эволюции характерна для оди­ночных звезд. Членство в двойной или в кратной системе может сильно по­влиять на процесс эволюции звезды, поскольку при этом может иметь место передача массы.

Двойная звезда состоит из двух звезд, вращающихся друг около друга и удерживаемых вместе силой взаимной гравитации. Приблизительно полови­на всех «звезд» на самом деле - двойные или кратные системы, хотя многие из них расположены так близко, что их компоненты по отдельности наблю­даться не могут.

Кратные звезды ~ это группа из трех или нескольких звезд, обращаю­щихся в одной системе, в которой они удерживаются взаимным гравитаци­онным притяжением. Общеизвестный пример - система из четырех звезд Эп­силон Лиры.

Пульсар представляет собой вращающуюся нейтронную звезду с массой, примерно равной массе Солнца, но имеющую диаметр всего около 10 км. Он является источником радиоволн и характеризуется высокой частотой и регу­лярностью всплесков излучения. Время между последовательными импуль­сами составляет от нескольких миллисекунд (у быстрых) до 4 с (у самых медленных). Некоторые пульсары кроме радиоволн генерируют пульсирую­щее излучение и в других диапазонах электромагнитного спектра, в том чис­ле в видимом свете. Больше всего пульсаров находится в шаровых скоплени­ях, где звезды плотно упакованы и гравитационные взаимодействия возни­кают очень легко. По крайней мере, один пульсар, по-видимому, имеет в ка­честве звезды-компаньона другую нейтронную звезду, а еще один имеет два или три компаньона планетарного размера. Пульсары образуются при взры­вах сверхновых, хотя в настоящее время только два из них, пульсар в Крабовидной туманности и пульсар в Парусах, находятся внутри наблюдаемых ос­татков сверхновых.

Черная дыра - предположительно конечная стадия эволюции некоторых звезд, масса которых, а следовательно, и сила тяготения настолько велики, что они подвергается катастрофическому гравитационному коллапсу, т. е. сжатию, которому не могут противостоять никакие стабилизирующие силы (например, давление газа). Плотность вещества в ходе этого процесса стре­мится к бесконечности, а радиус объекта - к нулю. Согласно теории относи­тельности Эйнштейна, в центре черной дыры возникает сингулярность про­странства-времени. Гравитационное поле на поверхности сжимающейся звезды растет, поэтому излучению и частицам становится все труднее ее по­кинуть. В конце концов такая звезда оказывается под «горизонтом событий», который подобен односторонней мембране, пропускающей вещество и излу­чение только внутрь и не выпускающей ничего наружу. Черные дыры можно обнаружить только по резкому изменению свойств пространства-времени около нее. Астрономы полагают, что в нашей Галактике имеется множество черных дыр. Так, считается, что рентгеновское излучение двойной системы Лебедь Х-1 обусловлено тем, что одним из ее компонентов является черная дыра. Гигантские черные дыры, возможно, находятся в центрах некоторых галактик, в том числе и нашей. Очень маленькие черные дыры могли образо­ваться в начальной фазе эволюции Вселенной из сверхплотного состояния. Сегодня поиски черных дыр во Вселенной и их детальное изучение являются одной из важнейших задач космологии, астрофизики и астрономии.

Квазарами называют квазизвездные источники радиоизлучения, испус­кающие поток энергии как сотни нормальных галактик. Их природа еще до конца не изучена. Спектры квазаров характеризуются большим красным смещением. Согласно современным представлениям, квазары - самые уда­ленные из известных нам объектов во Вселенной, которые представляют со­бой тип наиболее ярких активных галактических ядер. У небольшого числа квазаров было обнаружено слабое туманное свечение окружающей галакти­ки. К настоящему времени каталогизировано несколько тысяч квазаров. У некоторых квазаров наблюдается заметное и быстрое изменение светимости.

Системы, состоящие из скопления звезд, пыли и газа образуют галакти­ки. Их полная масса составляет от 1 млн. до 10 трлн. масс Солнца. Истинная природа галактик была окончательно установлена только в 20-х годах XX ве­ка. До этого времени при наблюдениях в телескоп они выглядели как диф­фузные пятна света, напоминающие туманности. Расстояние до ближайшей к нам галактики - туманности Андромеды - составляет 2,25 млн. световых лет. Все галактики содержат звезды, газ и пыль, но в различных пропорциях, и даже в пределах одной галактики распределение этих составляющих может сильно меняться. Большинство галактик имеет ясно различимое ядро, т. е. центр конденсации вещества, испускающий мощный поток энергии или даже взрывающийся; в ряде случаев наблюдаются выбросы вещества со скоростя-38

ми, близкими к световым. В космическом пространстве сосредоточено ог­ромное количество вещества, которое распределено неравномерно, образуя группы или скопления галактик, причем самые маленькие содержат всего не­сколько галактик, тогда как в более крупных скоплениях их может насчиты­ваться до нескольких тысяч.

Происхождение и эволюция галактик еще до конца непоняты. В совре­менной космологии выделяется несколько типов галактик: спиральные, эл­липтические и неправильные. Лучше всего изучен первый тип. К нему отно­сят галактики, имеющие четко выраженную спиральную структуру, как у ту­манности Андромеды или нашей Галактики (принято писать с большой бук­вы). Большая часть звезд и светящегося вещества образуют спиральные ру­кава, которые также содержат межзвездные пыль и нейтральный водород. Массы почти всех спиральных галактик лежат в диапазоне от 1 до 300 млрд. масс Солнца.

Эллиптические галактики также довольно распространены. Их размеры варьируются в широком диапазоне: от маленьких карликовых эллиптических галактик всего в несколько миллионов солнечных масс до гигантских эллип­тических галактик массой 10 трлн. солнечных. Большая часть их вещества пребывает в виде звезд и горячего газа. Массивные эллиптические галактики находятся в центрах нескольких самых крупных скоплений галактик. Они имеют большое ядро или, возможно, несколько ядер, быстро движущихся относительно Друг друга в пределах протяженной оболочки. Часто это до­вольно сильные источники радиоизлучения. Космологи предполагают, что они могут эволюционировать в квазары.

Местная группа - это совокупность галактик, к которой принадлежит наша Галактика - Млечный Путь, а Солнце в нем - одна из 100 млрд. состав­ляющих его звезд. Доминирующие члены - туманность Андромеды, которая является самой большой и наиболее массивной галактикой, и наша собствен­ная Галактика. В Местную группу также входят Большое Магелланово Обла­ко, лежащее вблизи нашей Галактики, и целый ряд небольших эллиптиче­ских, неправильных и карликовых сферических галактик, которые напоми­нают изолированные шаровые скопления. Она не имеет центрального уплот­нения, а состоит из двух подгрупп, сосредоточенных вокруг двух наиболее массивных ее членов. Местная группа занимает объем пространства с радиу­сом около 3 млн. световых лет. Другие близкие галактики удалены на рас­стояния, вдвое или даже втрое большие.

Радиогалактики являются космическими объектами, отождествляемыми с оптическими галактиками и отличающимися от них мощным потоком ра­диоизлучения, который составляет 10³⁵-10³⁸ Вт, что в 10 тыс, - 1 млн. раз больше, чем радиоизлучения нормальной галактики. На каждый миллион га­лактик приходится одна радиогалактика. В радио галактике Лебедь А, часто считающейся прототипом радиогалактик, имеются два обширных облака ра­диоизлучения, расположенных симметрично с каждой стороны возмущеннойэллиптической галактики и простирающихся более чем на 3 млн. световых лет. Механизм генерации энергии радиогалактик еще неизвестен. Маловеро­ятно, что столь большое выделение энергии может быть результатом нор­мальных ядерных реакций в звездах. Ученые предполагают, что в качестве «центрального движителя» этих космических образований работают черные дыры. Радиогалактики тесно связаны с квазарами, многие из которых в ра­диодиапазоне имеют близкие характеристики.

Газовая туманность - светящееся облако газа в межзвездном простран­стве, которое может быть либо эмиссионной, либо отражающей туман­ностями. В прошлом, газовой туманностью называли все галактики, кроме нашей. Теперь же слово «газовая», как правило, опускают, поскольку поня­тие «туманность» связывается только с межзвездными облаками, а не с га­лактиками.

Планеты - массивные несамосветящиеся тела в составе планетной сис­темы, образовавшиеся из окружающей звезду газопылевой материи. К ним относятся тела размерами от нескольких километров (например, астероиды) до объектов с массой, равной 10 массам Юпитера. Более массивные тела пре­вращаются в звезды, так как температура в их центре достаточна для начала реакций термоядерного синтеза. Планеты могут быть твердыми типа внут­ренних планет (Меркурий, Венера, Земля и Марс) или газообразными с не­большим твердым ядром, подобно внешним планетам (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Эти восемь планет вместе с Плутоном являются большими планетами Солнечной системы. На Плутоне, хотя и напоминающем твердые планеты, сохранилось значительное количество льда и в Солнечной системе он представляет собой единственный пример большой планеты - ледяного карлика. В пределах Солнечной системы имеется множество малых планет -спутников больших планет, астероидов и небольших ледяных карликов, со­ставляющих так называемый пояс Койпера за пределами Нептуна. Процесс формирования планетных систем во многом напоминает процесс звездообра­зования.

Внесолнечная планета - это несамоизлучающее тело, вращающееся во­круг любой другой звезды, кроме Солнца. Применение методов, позволяю­щих обнаружить небольшие периодические изменения скоростей звезд на основе доплеровского эффекта, позволило получить в 1995-1996 годах аргу­менты в пользу существования внесолнечных планет у нормальных звезд. Вероятно, планеты и их системы - довольно распространенное явление во Вселенной.

Кроме рассмотренных, во Вселенной существуют такие объекты, как космические лучи, кометы, астероиды, метеориты, болиды и др.