Пожалуйста, введите доступный Вам адрес электронной почты. По окончании процесса покупки Вам будет выслано письмо со ссылкой на книгу.

Выберите способ оплаты
Некоторые из выбранных Вами книг были заказаны ранее. Вы уверены, что хотите купить их повторно?
Некоторые из выбранных Вами книг были заказаны ранее. Вы можете просмотреть ваш предыдущий заказ после авторизации на сайте или оформить новый заказ.
В Вашу корзину были добавлены книги, не предназначенные для продажи или уже купленные Вами. Эти книги были удалены из заказа. Вы можете просмотреть отредактированный заказ или продолжить покупку.

Список удаленных книг:

В Вашу корзину были добавлены книги, не предназначенные для продажи или уже купленные Вами. Эти книги были удалены из заказа. Вы можете авторизоваться на сайте и просмотреть список доступных книг или продолжить покупку

Список удаленных книг:

Купить Редактировать корзину Логин
Поиск
Расширенный поиск Простой поиск
«+» - книги обязательно содержат данное слово (например, +Пушкин - все книги о Пушкине).
«-» - исключает книги, содержащие данное слово (например, -Лермонтов - в книгах нет упоминания Лермонтова).
«&&» - книги обязательно содержат оба слова (например, Пушкин && Лермонтов - в каждой книге упоминается и Пушкин, и Лермонтов).
«OR» - любое из слов (или оба) должны присутствовать в книге (например, Пушкин OR Лермонтов - в книгах упоминается либо Пушкин, либо Лермонтов, либо оба).
«*» - поиск по части слова (например, Пушк* - показаны все книги, в которых есть слова, начинающиеся на «пушк»).
«""» - определяет точный порядок слов в результатах поиска (например, "Александр Пушкин" - показаны все книги с таким словосочетанием).
«~6» - число слов между словами запроса в результатах поиска не превышает указанного (например, "Пушкин Лермонтов"~6 - в книгах не более 6 слов между словами Пушкин и Лермонтов)
 
 
Страница

Страница недоступна для просмотра

OK Cancel
твует соответс С О ФГ льная те а ов з обра обще одготовка п М.А. КУНАШ АСТРОНОМИЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ КОЛЛЕДЖЕЙ Серия «Среднее профессиональное образование» М. А. Кунаш Астрономия общеобразовательная подготовка Рекомендовано Научно-методическим советом Международного научного общественного объединения «МАИТ» для использования в качестве учебного пособия для подготовки по предметам общеобразовательного цикла в учреждениях среднего образования (рецензия № РЭЗ 18-08 от 20.06.2018 г.) РостовнаДону «Феникс» 2019 УДК 52(075.32) ББУ 22.6я723 КТК 14    К91 Рецензент Шундалов М. Б. — к. ф.-м. н., доцент, доцент кафедры физической оптики и прикладной информатики Белорусского государственного университета. Кунаш М. А. К91 Астрономия : общеобразовательная подготовка : учеб. пособие для колледжей / М. А. Кунаш. — Рос т ов н/Д : Феникс, 2019. — 285 с. : ил. — (Среднее профессиональное образование). ISBN 978-5-222-31145-5 В учебном пособии изложено содержание курса астрономии в соответствии с требованиями ФГОС среднего (полного) общего образования и ФГОС среднего общего образования. Представлены и систематизированы современные достижения в изучении астрономических объектов и процессов, приведен обширный теоретический материал и сформулированы варианты практических заданий и упражнений по темам. Темы рассмотрены с учетом современных достижений астрономии, астрофизики и космологии. Данное пособие предназначено для студентов, обучающихся по предметам общеобразовательного цикла в учреждениях среднего профессионального образования и изучающих дисциплину «Астрономия». Пособие также может быть полезным при освоении дисциплины «Физика», служить руководством при изучении отдельных тем в рамках учебных программ общего образования, а также использоваться при общеобразовательной подготовке для формирования у обучающихся навыков научного познания мира. УДК 52(075.32) ББУ 22.6я723 © Кунаш М. А., 2018 © ООО «Феникс»: оформление, 2018 В #7; оформлении книги использованы иллюстрации по лицензии ISBN 978-5-222-31145-5 Shutterstock.com Глава 1. Предмет астрономии § 1. Предмет астрономии. Особенности астрономии как науки Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них, — это звездное небо надо мной и моральный закон во мне. И. Кант 1.1. Роль астрономии в развитии цивилизации Ежедневно мы наблюдаем астрономические явления — восход и заход Солнца, сияние звезд на небосводе, постепенный рост диска Луны и его убывание. Астрономия (от греческих слов «звезда» и «закон») — поистине великая наука, изучающая движение небесных тел и систем тел, их природу, происхождение и развитие. Из курса истории известно, насколько важную роль играли знания о некоторых астрономических явлениях в практической жизни людей древности. Появление на небосводе Древнего Египта ярчайшей звезды Сотис (Сириус) предвещало разлив Нила, определяя тем самым время посева и сбора урожая. Потребности в расширении торговли, в том числе морской, определяли необходимость поиска путей, навигации. Например, финикийцы, одни из самых искусных мореплавателей, ориентировались по звезде, которую греки так и называли — Финикийская звезда. А мы ее знаем как Полярную звезду. Веками звезды служили людям единственным средством ориентирования на местности, определения времени. 3 Астрономия | Общеобразовательная подготовка потребности Не только экономические и хозяйственные определяли наблюдения небесных тел древними. Человек стремился объяснить мир вокруг, его возникновение непротиворечиво и логично с позиции мышления древнего человека. Такое мышление названо мифологическим. В его основе — система взглядов на объективный мир и место в нем человека. Мифологическое мышление базируется не на теоретических доказательствах и рассуждениях, а на художественно-эмоциональном переживании мира, иллюзиях, вызванных восприятием людьми социальных и природных процессов и своей роли в них. Пифагорейцы первыми высказали идею о том, что Земля — шар. Но основанием для этого вывода являлось представление о сфере как идеальной геометрической фигуре, ведь боги могли сотворить только идеальное. 1.2. Эволюция взглядов человека на Вселенную. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы Вместе с тем в процессе наблюдений светил накапливались данные об особенностях их движения. Первые таблицы, в которых приводились положения светил, были составлены еще Гиппархом (II в. до н. э.). Астрономы Древнего Китая аккуратно фиксировали вспышки новых звезд и появление ярких комет. Сохранились древние обсерватории Индии, Междуречья, Египта. Во многих философских трудах древних мыслителей ставился вопрос о природе и строении мира. Наиболее важным этапом явились труды греческого философа Аристотеля (IV в. до н. э.), обобщившего и с опорой на логику научного геоцентрической доказательства представившего описание картины мира. Аристотель признавал шарообразность Земли, высказал верные суждения о причинах лунных затмений. Саму же Землю мыслитель рассматривал как неподвижную. И доказательством этого суждения являлась неподвижность звезд. Конечно, обнаружение смещения звезд лишь на ос4 Глава 1. Предмет астрономии нове наблюдения невооруженным глазом невозможно, что и порождало выводы мыслителя, согласно которым Земля располагалась неподвижно в центре мироздания. Вторым этапом в развитии геоцентрической системы мира явился труд Клавдия Птолемея (90–160 гг.) «Альмагест», в котором александрийский ученый дополнил ее математическими разработками. Вокруг неподвижной Земли (рис. 1.1) он расположил Луну и Солнце, а также пять «блуждающих звезд» (планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), которые двигались равномерно по круговым орбитам (эпициклам). Накопленные данные наблюдений не согласовывались с подобными орбитами. Например, некоторые светила совершали петлеобразное движение. Для их объяснения вводились Юпитер Солнце Меркурий Луна Марс Земля Венера Сфера Сатурн неподвижных звезд Рис. 1.1. Система мира Птолемея 5 Астрономия | Общеобразовательная подготовка деференты — окружности, по которым двигались центры эпициклов. Земля при этом продолжала покоиться в общем центре. В процессе согласования теории Птолемея с данными наблюдений вводились дополнительные эпициклы, что делало теорию громоздкой. В системе Птолемея центры эпициклов Меркурия и Венеры лежат на прямой, соединяющей Землю и Солнце. Это позволяло согласовать реальное движение планет с геоцентрическим движением. В целом теория хорошо согласовывалась с наблюдениями, позволяла предсказывать видимые положения планет и просуществовала 14 веков. Секрет этой устойчивости — в «изобретении» Птолемеем гармонического анализа за полтора тысячелетия до его изложения математиком Фурье: любое сложное движение в природе можно разложить на сумму круговых и равномерных движений. Такое представление может быть как угодно точным — все определяется количеством членов в указанной сумме. Модель, предложенная Птолемеем, не только опиралась на геоцентризм, но и страдала недостатками: отсутствие системности; законы движения каждой планеты рассмотрены без связи с другими. Развитие идей Птолемея и переход к гелиоцентризму принадлежат Н. Копернику, который разрабатывал его основы в 1505–1507 гг. В 1543 г. Коперник опубликовал научный труд «Об обращениях небесных сфер», в котором изложил математическую теорию движения нескольких планет, Луны, Солнца и звездной сферы. Расчеты Коперника были точнее выкладок Птолемея и послужили основой для уточнения длительности года. Эпоха Возрождения изменила мышление человека. В центре внимания оказалась не природно-космическая жизнь, а человек разносторонний, для которого знания, умения, навыки являются самоцелью. Человек воспринимался как творец себя и всей Природы. К этому времени значительно возрос объем наблюдений. «Новые астрономические таблицы», созданные 6 Глава 1. Предмет астрономии в обсерватории Улугбека, содержали каталог из 1018 звезд. Тихо Браге составил новые солнечные и планетные таблицы, а его звездный каталог хоть и уступал по числу звезд «Новым астрономическим таблицам», но превосходил существовавшие по точности. В этих условиях польский ученый Николай Коперник в своем труде «О вращении небесных сфер» поместил в центр своей системы Солнце, а Земля заняла почетную третью от него орбиту (рис. 1.2). Гелиоцентрическая система легко объяснила петлеобразное движение планет тем, что мы наблюдаем движение (рис. 1.3) этих планет, двигаясь при этом вместе с Землей вокруг Солнца. Для Меркурия и Венеры получили объяснение фиксированные угловые расстояния, на которые они могли отдаляться от Солнца для земного наблюдателя. ПреимущеЮпитер 1.2. Гелиоцентрическая система Коперника 7 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Видимый путь планеты 5 6 2 3 1 4 4 6 5 3 2 1 4 3 Орбита Солнце Земли 2 5 1 6 Орбита планеты Рис. 1.3. Петлеобразное движение планет ством системы Коперника являлось объяснение смены дня и ночи, а также видимое годичное движение Солнца. При этом систему Николай Коперник по-прежнему ограничивал сферой неподвижных звезд. Кроме того, орбиты планет он рассматривал как окружности. Именно поэтому первоначально система Коперника хуже предсказывала движение планет. В развитие представлений об устройстве Солнечной системы большой Галилео Галилей вклад внесли (астрономическими наблюдениями с использованием телескопа), Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон, сформулировавшие законы небесной механики. 1.3. Особенности методов познания в астрономии В отличие от других наук методы познания в астрономии определяются рядом особенностей астрономических объектов и процессов. Значительная удаленность большинства из них не позволяет проводить наблюдения невооруженным 8 Глава 1. Предмет астрономии глазом. Лишь Луну и Солнце человек может наблюдать как диски. Все остальные светила выглядят для нас как светящиеся точки, а иногда и вовсе не фиксируются глазом или сливаются друг с другом, поскольку человек с нормальным зрением способен различать детали размером всего лишь 2–3 угловые минуты. продолжительность Другой особенностью является процессов, протекающих во Вселенной, которая определяется промежутками времени, значительно превосходящими не только время существования цивилизации на Земле, но и самой Земли. 1.4. Телескопы Появление телескопов позволило астрономии начать свое стремительное развитие, а наблюдения, которые и ранее являлись основным источником информации об объектах Вселенной, обрели необходимую точность. Временем рождения телескопической астрономии считается 1609 г., когда Галилео Галилей сконструировал первый в мире линзовый телескоп (рис. 1.4). С его помощью ученый Рис. 1.4. Телескоп Галилея 9 Астрономия | Общеобразовательная подготовка впервые обнаружил лунные горы и моря, пятна на Солнце. Юпитер предстал светящимся диском, вокруг которого вращались четыре спутника, а у Венеры наблюдались фазы, подобные фазам Луны. В телескопе в качестве объектива использовалась собирающая линза, а в качестве окуляра — рассеивающая (рис. 1.5). рефракторами. Такие телескопы называют Изображение, даваемое телескопом, — прямое. Стекло линзы преломляет коротковолновый свет сильнее, чем длинноволновый, возникает несколько фокусов линзы, а изображение получается расплывчатым и окрашивается. Такое явление называется хроматической аберрацией. Спустя несколько десятилезеркальный Исаак Ньютон изобрел первый в мире телескоп, который не имел этих особенностей. В телескопе окуляром оставалась рассеивающая линза, но в качестве объектива использовалось вогнутое зеркало (рис. 1.6). Вспомогательное плоское зеркало отклонло лучи в сторону к окуляру. Общим недостатком первых простейших оптических телескопов считалась сферическая аберрация: краевая зона сферической линзы или зеркала фокусирует свет ближе к линзе, чем центральная, в результате чего точечный источник проецируется как пятно. Для устранения этого эффекта наблюдатель окуляр объектив Рис. 1.5. Схема телескопа-рефрактора 5 Астрономия | Общеобразовательная подготовка 1.5. Практическое применение астрономических исследований Сегодняшняя действительность немыслима без астрономических исследований. Астрономия рассматривает фундаментальные вопросы протекания природных процессов. Вычисление положений важнейших объектов, составление календарей основаны на астрономических данных. Навигация в мореплавании, авиации и космонавтике осуществляется с использованием широкой сети искусственных спутников связи. Кроме того, вычисление времени наступления морских приливов и отливов, составление географических и топографических карт — все это опирается на астрономические исследования. Мониторинг различных природных явлений (движения айсбергов в океанах, тайфунов, обширных лесных пожаров и т. д.) позволяет снизить их негативные последствия, направляя деятельность спасателей, движение судов, помогает в эвакуации людей из зон бедствий. Несколько десятилетий работают выведенные на орбиту космические аппараты для исследования солнечной активности. Гелиосферные обсерватории ведут наблюдения за Солнцем в различных диапазонах электромагнитных волн, позволяя предупредить о приближающихся магнитных бурях, вызванных активностью Солнца. Являясь одной из естественных наук, астрономия неразрывно связана с физикой, химией, биологией. Во Вселенной ученые наблюдают процессы, воспроизведение которых в лабораторных условиях Земли невозможно по физико-химическим характеристикам. Диапазон наблюдаемых температур астрономических объектов варьируется от долей градуса кельвина до сотен миллионов кельвинов в недрах звезд. С астрономическими объектами связаны сильные магнитные и гравитационные поля. Физические теории можно проверить, используя астрономические методы. 16 Глава 1. Предмет астрономии 1.6. Современные представления о структуре и масштабах Вселенной Наблюдения с Земли и из космоса с использованием современных телескопов позволили «заглянуть» на расстояние более 13 миллиардов световых лет. Это пространство названо Метагалактикой. Все фрагменты изображений Вселенной, полученных телескопами, позволяют утверждать, что распределение скоплений галактик во Вселенной имеет ячеистую структуру. Одна из галактик особая: на ее периферии расположена Солнечная система. Оценим пространственные масштабы Вселенной. Скорость света в вакууме — максимально возможная скорость передачи любых видов взаимодействий. Зная величину скорости света и расстояние от Земли до Луны, определим время, которое потребуется свету, чтобы достичь Луны: 384 ⋅ 10 6 ì = 1, 28 . ñ ì 8 3 ⋅ 10 ñ Аналогично можно рассчитать время, которое потребуется, чтобы свет прошел расстояние от Солнца до Земли. Оно составит 8,3 минуты. Чтобы достигнуть Нептуна (наиболее удаленной планеты Солнечной системы), свету потребуется более 4 часов. Современная картина мира непрерывно дополняется новыми сведениями. До ближайшей звезды (Проксима Центавра) свет будет идти более 4 лет, а до ближайшей галактики (Карликовая Галактика в Большом Псе) — 25 тысяч световых лет от Солнечной системы! Вопросы и задания 1. Перечислите особенности астрономии. В чем особенности источников информации в астрономии? 17 Астрономия | Общеобразовательная подготовка 2. Охарактеризуйте основные периоды развития астрономии. Обоснуйте свой ответ. 3. Сравните геоцентрическую и гелиоцентрическую системы мира. В чем состояло преимущество каждой из них? Почему систему Коперника нельзя считать моделью Вселенной? 4. Опишите особенности развития телескопов. Сравните преимущества наземных и космических обсерваторий. 5. Каково, с вашей точки зрения, значение современных астрономических явлений для науки и повседневной жизни человека? Глава 2. Основы практической астрономии § 2. Небесные координаты 2.1. Созвездия и небесная сфера Глядя на звездное небо, поражаешься бесчисленности звезд, кажущейся неизменности и беспорядочности их положений. Но это только на первый взгляд. В Северном полушарии даже в условиях города можно увидеть группы звезд с особым взаимным расположением. Так, легко различимы созвездия Кассиопеи, Большой и Малой Медведицы. С древних времен люди видели в определенных группах звезд изображения животных, мифических героев. созвездиями Если в древности называли группы ярких звезд, которые позволяли ориентироваться в пространстве путешественникам, морякам; сегодня понятие «созвездие» имеет более конкретное значение. Астрономы называют созвездием не только выразительную фигуру из ярких звезд, но и весь участок небесной сферы в пределах установленной границы, со всеми проецируемыми на него — с точки зрения земного наблюдателя — небесными объектами . В реальности 1 небесной сферы не существует. Она является воображаемой сферой произвольного радиуса, на которую наблюдатель, находящийся в ее центре, проецирует небесные объекты (рис. 2.1). Звезды, образующие рисунок созвездий, могут быть расположены от наблюдателя на разных расстояниях и лишь проецироваться в звездный узор как нечто целое. Названия созвездий и их границы были установлены решениями Международного астрономического союза (MAC) Сурдин В. Г. Разведка далеких планет. — Изд. 4-е, доп. — М.: Физ1 2017. — 368 с. 19 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Рис. 2.1. Проекция светил на небесную сферу в 1922–1935 гг. Впредь было решено эти границы и названия созвездий считать неизменными. Кроме официально утвержденных названий в каждой стране существуют и собственные, народные названия некоторых групп звезд. Так, звездное скопление Плеяды на Руси называли Стожары, семь ярких звезд Большой Медведицы называли Ковш. Наиболее яркие звезды каждого созвездия обозначают буквами греческого алфавита в порядке убывания их кажущейся яркости в этом созвездии: α (альфа), β (бета), γ (гамма), δ (дельта), ε (эпсилон) и т. д. Некоторые наиболее яркие звезды в созвездиях имеют собственные названия: Сириус (α Большого Пса); Процион (α Малого Пса); Полярная (α Малой Медведицы), Вега (α Лиры) и другие. Некоторые из них, например Капелла (α Возничего), Бетельгейзе (α Ориона), Альдебаран (α Тельца), Антарес (α Скорпиона), Арктур (α Волопаса), являются навигационными звездами: их свет способен проникать сквозь туман и легкие перистые облака, в то время как даже более яркие звезды невидимы. 20 Глава 2. Основы практической астрономии 2.2. Видимая звездная величина Наш глаз в идеальных условиях (100% зрение, ясная безлунная ночь) способен различать звезды, яркость которых имеет определенное значение. Еще во II в. до н. э. Гиппарх звездной величины — меры видимой яркости ввел понятие звезды, оцениваемой на глаз. Самые яркие звезды им были отнесены к первой звездной величине (обозначают 1 ), самые m слабые — к шестой. Шкала звездных величин сохранилась в своей основе и широко используется. Наблюдаемая яркость звезды определяется количеством световой энергии, приходящей от нее в единицу времени, на единицу площади поверхности, перпендикулярной лучам. Если в физике эта величина называется освещенностью, то в астрономии используется понятие блеск и выражается в звездных величинах. Чем слабее видна звезда, тем больше ее звездная величина. Более яркие звезды могут иметь нулевую или отрицательную звездную величину. Так, видимая звездная величина Солнца составляет –27 , Луна в полнолуние имеет звездную величиm –12,5 . Сегодня наблюдения с использованием современm телескопов позволяют обнаружить излучение объектов до 30 . m Самое большое созвездие Гидра имеет одну звезду ярче 2,5 . Некоторые созвездия так бедны яркими звездами, что m на небе почти незаметны. Например, в созвездии Микроскоп самые яркие звезды 4,7 . m 2.3. Основные точки и линии небесной сферы Рассмотрим основные элементы небесной сферы, которые можно использовать для ориентирования или навигации. Если наблюдатель находится в центре небесной сферы О, прямая ZОZʹ, называемая вертикалью наблюдателя, совпадает с направлением линии отвеса (груза на нити) в месте наблюдения 21 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Z (рис. 2.2). Эта линия пересекает небесную сферу в точках (зенит) над головой наблюдателя и Zʹ (надир). Плоскость большого круга небесной сферы NWSЕ перпендикулярна отвесной линии и называется математическим горизонтом. Окружность, ограничивающую плоскость NWSЕ (линию переистинным плоскости и небесной сферы), называют горизонтом. Следует подчеркнуть отличие истинного от видимого горизонта на суше. Линия неровная, ее точки видимого горизонта могут лежать и выше, и ниже истинного. Истинный горизонт делит небесную сферу на видимую и невидимую наблюдателю половины. Круг, проходящий через зенит и надир, называют небесным меридианом. Истинный горизонт пересекается с небесным меридианом в точках севера N и юга S. Линию NОS называют полуденной линией. 2.4. Суточное движение светил Земля за сутки делает один полный оборот вокруг своей оси, вращаясь с запада на восток. Для наблюдателя на Земле небесные объекты совершают оборот в обратном направлеZ 2.2. Небесная сфера 22 Глава 2. Основы практической астрономии нии: восходят на востоке и заходят на западе. Если за 24 часа небосвод поворачивается на 360°, то за час угол поворота составляет 15°. Если использовать неподвижный фотоаппарат с длительной экспозицией (более часа), каждая звезда оставит «след» в виде светлой дуги. Взаимное расположение звезд на внутренней поверхности сферы в течение суточного вращения остается неизменным. Вращение самой сферы — кажущееся и является следствием осевого вращения Земли. Сама небесная сфера вращается вокруг оси, которая ориентирована параллельно оси вращения Земли. Ось видимого вращения небесной сферы называют осью мира. Если ее указать на небесной сфере, она пересеР Рʹ чет небесный меридиан в точках и (рис. 2.3). Ось мира для наблюдателя параллельна оси вращения Земли, и они обе направлены в сторону Полярной звезды с учетом ее большой удаленности. Эти точки — соответственно, северный и южный полюсы мира. Р В настоящее время вблизи северного полюса мира находится Полярная звезда (α Малой Медведицы). Расстояние от нее до северного полюса мира в настоящее время чуть P Z E Q N S O Qʹ W Pʹ Zʹ Рис. 2.3. Ось мира и небесный экватор на небесной сфере 23 Астрономия | Общеобразовательная подготовка меньше 1°. Вблизи южного полюса мира яркие звезды отсутствуют. параллельная плоскости экватора Земли и проходящая через центр небесной сферы, пересекает последнюю в точках W и E (запада и востока). Эта плоскость называется небесным экватором. Он пересекает небесный меридиан в Q Qʹ. верхней точке экватора и в нижней точке экватора 2.5. Системы небесных координат Расположение светила на небесной сфере можно описать, систему координат. используя Положение точки на небесной сфере относительно плоскости и точки начала отсчета определяется двумя угловыми величинами соответствующих центральных углов. Они называются небесными координатами. Системы небесных координат подобны географическим координатам. Так, на поверхности Земли положение точки помогают определить широта и долгота. В астрономии используется несколько систем координат, которые отличаются выбором основной плоскости и точек начала отсчета. Для географических координат основной плоскостью является плоскость земного экватора (от нее отсчитывается широта), началом отсчета долгот является нулевой меридиан. горизонтальной системе В небесных координат основной плоскостью является плоскость истинного (математического) горизонта, отсчет ведется от зенита и точки юга. Определим положение светила М в горизонтальной системе координат (рис. 2.4). ZMZʹ кругом Большой круг небесной сферы называют высоты вы(вертикалом светила). Первая координата — сота светила h — угол mОМ между плоскостью истинного горизонта и направлением на светило М. Высоты находятся в пределах от 0 до 90° к зениту и от 0 до –90° к надиру. Вторая координата — азимут А — угол SOm между полуденной ли24 Глава 2. Основы практической астрономии Z E M N S O m W Zʹ Рис. 2.4. Горизонтальная система координат нией и линией пересечения плоскости истинного горизонта с плоскостью вертикального круга, проходящего через светило. Азимут отсчитывается в сторону суточного вращения небесной сферы (к западу от точки юга) и находится в пределах от 0 до 360°. В течение суток светило М вместе с небесной сферой для наблюдателя на Земле вращается. Светило опишет малый круг суточную параллель. небесной сферы — Его плоскость будет перпендикулярна оси мира и параллельна небесному экватору. Возможны несколько вариантов взаимного расположения суточной параллели светила и истинного горизонта (рис. 2.5): — суточная параллель светила М не пересекает плоскость 1 истинного горизонта и располагается выше него; светило нанезаходящим; суточная параллель светила дважды пересекает пло2 истинного горизонта; светило называется восходящим и заходящим; — суточная параллель светила М не пересекает плоскость 3 истинного горизонта и расположена ниже него; светило наневосходящи 7 Астрономия | Общеобразовательная подготовка бесного экватора с плоскостью круга склонения светила. Прямое восхождение отсчитывается в сторону, противоположную суточному вращению небесной сферы, измеряется в часах и находится в пределах от 0° до 24 , что соответствует полной ч окружности. Если полный оборот в 360° сфера совершает за 24 часа, то 1 соответствует 15°. Следовательно, ° равен 4 . ч м Экваториальная система координат позволяет составить каталоги положения светил, а также звездные карты. Горизонтальная система координат используется для определения направления на светило относительно земных объектов или с помощью угломерных инструментов. 2.6. Звездный глобус и звездные карты Для объемного изображения небесной сферы используют звездный глобус — модель небесной сферы с нанесенными названиями светил и координатной сеткой (рис. 2.7). Значительное распространение звездные глобусы получили для решения задач мореходной астрономии, не требующих значительной точности (определения высоты и азимута светила на заданное время, подбор звезд для астрономических наблюдений и т. д.). Подобно географическим картам создают и карты звезд- ного неба. Они обладают сходными особенностями. Так, невозможно создание карты звездного неба, которая была бы лишена искажений. Поэтому на картах изображают лишь часть звездного неба. Например, карта может представлять экваториальную зону (для значений склонения от –60° до +60°), северную полярную зону или южную полярную зону. Полярные карты чаще представляют в азимутальной равнопромежуточной проекции, а экваториальные — в цилиндрической равнопромежуточной проекции (рис. 2.7). Для каждого созвездия отмечены наиболее яркие звезды. На карты наносятся небесные параллели, меридианы, экватор 28 Рис. 2.7. Экваториальная карта звездного не 0 Глава 2. Основы практической астрономии Вопросы и задания 1. Приведите пример собственных наблюдений, подтверждающих суточное вращение небесной сферы. 2. Используя подвижную карту звездного неба (рис. 2.8), найдите созвездия, через которые проходит Млечный Путь. 3. Поясните, почему для создания карт звездного неба не использована горизонтальная система координат. 4. Укажите, используя подвижную карту звездного неба, в каком созвездии находится галактика, координаты которой α = 17 40 , δ = –29°. ч м 5. Почему на карту звездного неба не наносится положение Луны? 31 Астрономия | Общеобразовательная подготовка § 3. Видимое движение Солнца и Луны Жители Земли привыкли к чуду появления Солнца на небосводе, свету Луны. Эти два небесных тела мы без особого труда наблюдаем в виде дисков. Потрясающие явления для наблюдателей на Земле связаны с движением двух важнейших светил — главной звезды, дарящей нам энергию, и естественного спутника нашей планеты. 3.1. Видимое движение Солнца Солнце и звезды участвуют в наблюдаемом на Земле суточном вращении небесной сферы в направлении с востока на запад. Но это участие неодинаково. Суточное движение Солнца все время отстает от движения далеких звезд. В результате относительно Земли Солнце в течение года наблюдается в различных созвездиях и перемещается по отношению к звездам в обратном направлении. Двигаясь по орбите вокруг Солнца и одновременно вращаясь вокруг своей оси, Земля успевает полностью повернуться вокруг своей оси за год (один полный оборот вокруг Солнца) не менее 365 раз. Ось Земли наклонена к плоскости ее орбиты под углом 66°33ʹ. Поэтому экватор Земли наклонен к плоскости орбиты на угол, равный 23°27ʹ. Следствием движения Земли вокруг Солнца с постоянным углом наклона оси вращения к плоскости орбиты является смена времен года на Земле. Северное полушарие в течение весны и лета получает больший поток тепла, чем осенью и зимой (рис. 2.9). В Южном полушарии — наоборот. Для наблюдателя на Земле Солнце в течение года движется по большому кругу небесной сферы, который наклонен именно под углом 23°27ʹ (угол xOQ на рис. 2.10) к плоскости небесного экватора и называется эклиптикой. 32 Z Z P P Q Q E E N N S S O O W W Qʹ Qʹ Pʹ Pʹ Zʹ Zʹ зима лето Рис. 2.9. Положение Земли относительно Солнца в различные сезоны го 4 Глава 2. Основы практической астрономии на рис. 2.10) в Северном полушарии самая длинная ночь, а на Северном полюсе и некоторой прилегающей территории царит полярная ночь — Солнце в течение дня не появляется из-за горизонта. Вдоль эклиптики расположены созвездия, которые названы зодиакальными zoon — (от греч. животное). Отдавая дань традициям, к ним причисляют 12 созвездий (рис. 2.11). При этом следует учитывать, что Солнце проецируется еще на одно созвездие — Змееносец. Изменение экваториальных координат Солнца в течение года проходит неравномерно. 3.2. Движение и фазы Луны Луна, как и Солнце, восходит на восточной стороне горизонта. Луна — наиболее близкое к нам небесное тело, поэтому и перемещается по небесной сфере наш спутник быстрее других светил. За несколько часов невооруженным глазом можно заметить ее перемещение относительно звезд. В действительности общий центр масс (барицентр) системы Луна — Земля движется вокруг Солнца. Барицентр находится на расстоянии 2/3 земного радиуса от центра Земли по направлению к Луне. Вокруг барицентра Земля и Луна совершают один оборот в течение месяца. Для земного наблюдателя период обращения звездным, сидерическим, Луны вокруг Земли называется или месяцем. Он составляет 27,3 земных суток. Таким же по продолжительности является период обращения Луны вокруг своей оси, поэтому к земному наблюдателю наш спутник обращен одной стороной. Вместе с тем мы «заглядываем» и на обратную сторону Луны. Орбита нашего спутника относительно Земли имеет эллиптическую форму (подробнее об эллипсе в § 9). Луна для земного наблюдателя «покачивается» около своего среднего положения. Это явление названо либрацией (от лат. lībrātiō — раскачивание) по долготе. Кроме того, плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости экватора 35 Рыбы Овен Водолей Телец 14 марта Козерог 30 апреля Орбита Земли Близнецы Стрелец 6 августа Змееносец Рак Скорпион Весы Лев Дева Рис. 2.11. Проекция Солнца на зодиакальные созвездия для земного наблюдате 9 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Рис. 2.15. Фото «Восход Земли» 3.3. Солнечные и лунные затмения Особенности взаимного расположения и особенности орбит Луны и Земли относительно Солнца позволяют наблюдать удивительные явления — солнечные и лунные затмения. При своем движении вокруг Земли Луна может оказаться перед более далеким светилом, в том числе и перед Солнцем, и заслонить его своим диском. Это явление носит название покрытие светила Луной. Покрытия Солнца Луной называют солнечными затмениями. Для наступления солнечного затмения необходимо, чтобы Солнце и Луна для земного наблюдателя находились в одном и том же направлении (рис. 2.16). Это возможно только в новолуние. 40 Глава 2. Основы практической астрономии Если Луна в своем движении закрывает весь диск Солнца, полное наблюдается солнечное затмение (зона А на рис. 2.16). Такой вид затмения может наблюдаться лишь на ограниченной территории Земли, где проходит полоса полной фазы — полоса, которую прочерчивает по земной поверхности конус лунной тени (рис. 2.17). зона А зона В Солнце Луна Земля Рис. 2.16. Схема солнечного затмения Рис. 2.17. Полное солнечное затмение 6 Глава 2. Основы практической астрономии Солнце выглядит, как черный диск, окруженный сиянием солнечной короны. Важную роль в астрономических исследованиях играют покрытия Луной различных космических объектов: Луна последовательно закрывает своим краем от наблюдателя части изучаемых объектов, это дает возможность измерить распределение яркости по поверхности наблюдаемых объектов и получить их изображение. Такой способ изучения небесных тел называют методом лунных покрытий. С его помощью определяют диаметры астероидов, планет, звезд, исследуют тесные двойные звезды. Покрытия Луной используются для исследований в рентгеновской астрономии. Так, впервые рентгеновский источник в созвездии Тельца был отождествлен с Крабовидной туманностью, при наблюдении радиоизлучения межзвездных молекул детально исследовано ядро нашей Галактики. С 1973 г. на окололунную орбиту выведен радиоастрономический спутник «Эксплорер-49» для исследования низкочастотного радиоизлучения небесных объектов, включая Солнце и Юпитер. При этом с помощью Луны он «закрывается» от земных радиошумов. Данный метод обладает и недостатками. Дифракция света на краю лунного диска приводит к искривлению световых лучей. Этот эффект устраняют математическими методами. Другим недостатком является то, что траектория движения Луны сложна и никогда не повторяется в точности, в то время как для научных исследований важно наблюдать несколько покрытий одного и того же источника. Вопросы и задания 1. Пусть в данном месяце солнечный диск находится в созвездии Скорпиона. Какие зодиакальные созвездия можно наблюдать на ночном небе в этом месяце? Через полгода? 2. Чтобы определить, серп какой Луны наблюдается (растущей или убывающей), в Северном полушарии используется 47 Астрономия | Общеобразовательная подготовка мнемонический прием: если мысленно соединить «рога» полумесяца линией и при этом получится буква «Р», то Луна растущая, в обратном случае — убывающая (Луна по форме схожа с буквой «С» — «старая»). На всей ли территории Северного полушария применим данный прием? Можно ли пользоваться таким приемом в Южном полушарии? 3. Вечером после захода Солнца Луна была видна в виде тонкого серпа. Поясните, как будет изменяться вид нашего спутника далее. 4. Лунное затмение в Мурманске произошло 31 января 2018 г. В какой фазе в этот момент находилась Луна? Жители каких регионов Земли еще могли его наблюдать? Укажите, когда наступило после этого солнечное затмение. Поясните, могли ли мурманчане любоваться явлением солнечного затмения в 2018 г., если 20 марта 2015 г. на территории Мурманска наблюдалось 87%-е солнечное затмение. 5. Что будут наблюдать космонавты, находящиеся на Луне, если на Земле наблюдается солнечное затмение? Лунное за тмение? Рассмотрите все возможные случаи. 48 Глава 2. Основы практической астрономии § 4. Связь видимого расположения объектов на небе и географических координат наблюдателя (Практическая работа № 1) Цель работы: исследовать особенности движения и возможности наблюдения небесных светил в зависимости от географической широты местности наблюдения. Задание 1. Для любой точки на поверхности Земли наблюдатель видит вращение небесной сферы происходящим вокруг оси мира (найдите в § 2 определение понятий «небесная сфера», «ось мира»). 1.1. На рис. 2.23–2.25 изображены суточные параллели светил М , М , М для наблюдателей, находящихся на раз1 2 3 личных географических широтах. Укажите для каждого из рисунков положение наблюдателя, используя словосочетания «экватор Земли», «Северный полюс Земли», «средние географические широты». P Z M 1 N O M 2 Zʹ Рис. 2.23 S M 3 Pʹ 49 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Z P M 1 S N O M 2 M 3 Zʹ Pʹ Рис. 2.24 Z M 1 S P Pʹ N O M 3 M 2 Zʹ Рис. 2.25 1.2. В § 2 рассматривались понятия «невосходящее светило», «незаходящее светило», «восходящее и заходящее светило». Используя рисунки 2.23–2.25 укажите, какими будут все . Астрономия | Общеобразовательная подготовка § 5. Время и календарь Понятие «время» в современном научном знании имеет множество интерпретаций в различных научных областях. В философских науках время рассматривают с позиции изучения природных явлений и развития человеческого общества. В математике природа времени изучается в привязке к причинно-следственным связям событий. Физики как представители естествознания познают время в процессе изучения фундаментальных законов движения и взаимодействия материи. Время неразрывно связано с движением и изменениями. Обыденное восприятие времени оперирует терминами «длительность времени», «течение времени» и напрямую привязано к использованию привычных для всех измерителей промежутков времени — часов. Люди повсеместно используют часы — наручные, настенные, часы в мобильных устройствах. Час за часом мы отмеряем время в сутках, не задумываясь о том, что ежедневно (периодически) проживаем астрономические феномены природы: чередование дня и ночи, смену сезонов года. Эти природные явления связаны с вращением Земли вокруг своей оси и ее обращением вокруг Солнца, что в привычных для всех единицах счета времени принято называть сутки и год. 5.1. Понятие суток в астрономии Точность измерения времени определяется способом измерения периода того процесса, который использован для создания шкалы времени, и системы отсчета. С древности Солнце служило мерой прошедшей доли суток. Если в качестве точки отсчета выбрать центр видимого диска Солнца, то промежуток времени между последовательными моментами его одноименных кульминаций на одном и 56 Глава 2. Основы практической астрономии истинными солтом же географическом меридиане называют нечными сутками. Часы, идущие по Солнцу и измеряющие истинное солнечное время, должны то спешить, то отставать: движение Солнца по эклиптике неравномерно, а сама эклиптика наклонена к небесному экватору (см. § 3). В результате истинные солнечные сутки, например 23 сентября, короче, чем 22 декабря, на 50 секунд. Если в качестве точки отсчета выбрать точку весеннего равноденствия, то промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями точки весеннего равноденствия на одном том же географическом звездными сутками. меридиане называют Точка весеннего равноденствия ничем на небе не отмечена, в повседневной жизни пользоваться звездным временем неудобно: начало звездных суток приходится на различные моменты дня и ночи (21 марта — вблизи полудня, 23 сентября — вблизи полуночи). Но с ними связано решение многих астрономических и геодезических задач (для определения географической долготы, изучения вращения Земли). Так как звездные сутки — период осевого вращения Земли относительно звезд, являющихся инерциальной системой отсчета, солнечные сутки на 4 минуты длиннее звездных. Системы отсчета, движущиеся равномерно и прямолинейно (по инерции) относительно звезд, называют инерциальными. Чтобы получить сутки постоянной продолжительности, связанные с движением Солнца, в качестве точки отсчета выбирают точку, положение которой вычисляется теоретичесреднее Солнце. ски, — Теоретическая точка среднего Солнца движется с постоянной по модулю скоростью. Промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего Солнца на одном и том же географическом меридиане называют средними солнечными сутками. Они равны среднему значению продолжительности истинных солнечных суток за год. 57 Астрономия | Общеобразовательная подготовка 5.2. Измерение времени Кульминация любой точки небесной сферы происходит на разных меридианах Земли в разное время. Время, измеренное на данном географическом меридиане, называется местным временем. Чем восточнее расположено место наблюдения, тем раньше это происходит. Значит, можно связать время в данной точке Земли с географической долготой. Если выразить долготу в часовой мере (см. связь градусной и часовой меры в § 2), то разность и солнечных, и звездных времен Т равна разности долгот λ двух населенных пунктов: Т — Т = λ — λ . (2.4) 2 1 2 1 Например, Мурманск находится западнее Москвы на 4°31ʹ, поэтому в Мурманске полдень наступает на 18 минут позднее. Для близко расположенных населенных пунктов неудобно использование местного среднего времени. Например, в Московской области различие между окраинами составляет более 30 минут. В конце XIX в. была предложена поясная система счета среднего времени: поверхность земного шара разделили на 24 часовых пояса, проведя границы от северного до южного полюса Земли. Ширина каждого часового пояса составляет 15°. За начальный (нулевой) меридиан принят гринвичский меридиан (λ = 0 = 0 ) (рис. 2.29). Гринвичский меридиан назван в честь 0 ч 0 Гринвичской королевской обсерватории (Великобритания), где впервые был установлен нулевой меридиан как точка отсчета для разработки карт и навигации. n Нумерация часовых поясов идет с запада на восток: гринвичский часовой пояс — нулевой (n = 0); соседний с ним к востоку — первый; последний, 23-й, часовой пояс расположен к западу от нулевого пояса. Москва расположена во третьем часовом поясе. Местное среднее солнечное время основного меридиана определенного часового пояса 58 Глава 2. Основы практической астрономии Рис. 2.29. Гринвичский меридиан называют поясным временем Т . Местное среднее солнечn время гринвичского (нулевого) меридиана называется всемирным временем UТC. В астрономических календарях большинство явлений указывается по всемирному времени. Очевидно, что = UТC + n. Т (2.5) n Границы часовых поясов проведены строго по меридианам Земли только в ненаселенных местностях. Для населенных местностей учитываются границы государственных и административных районов. В РСФСР поясное время было введено с 1 июля 1919 г. Последний пересмотр границ часовых поясов проходил в России в 2016 г. Сегодня на территории нашей страны определено 11 часовых поясов: если для Калининn области = 1, то для Камчатского края, Чукотского n автономного округа, Сахалинской области = 11. 0 Глава 2. Основы практической астрономии 5.3. Летоисчисление и календарь На разных этапах своего развития народы мира приходили к необходимости создания летоисчисления. Систему счета длительных промежутков времени называют календарем. В основе летоисчисления лежит продолжительный повторяющийся процесс — смена времен года и фаз Луны. В зависимости от того, какой принцип положен в основу календаря, определяется и количество дней в году, а его начало будет обусловлено историческими особенностями развития культуры определенного народа и законами астрономии. Календарь устанавливает порядок счета дней, число суток в длительных периодах времени и указывает начало счета самих периодов. Начальная дата системы летоисчисления и последующая система называются эрой. Так, в Египте это были династии фараонов, в Древней Греции и на Руси — «от сотворения мира». Современное летоисчисление на Западе ведется от «Рождества Христова», у народов Востока — от хиджры и т. д. Различают три типа календарей. Лунный календарь основан на смене лунных фаз. Календарь, в основе которого смена времен года, — солнечный. Если учитываются оба явления, лунно-солнечным. то календарь называют Проблемой всех календарей является то, что год должен содержать целое количество суток для возможности определения точного начала года, в то время как ни один из природных процессов такой точностью не обладает. Лунный календарь появился в Древнем Вавилоне более четырех тысяч лет назад. Именно вавилонянами была введена семидневная неделя исходя из известных им семи светил. Лунный календарь содержит 354 дня в году. Длительность каждого из 12 месяцев чередуется по 29 и 30 дней (в среднем составляет 29,5 дня — близка к синодическому периоду Луны). Началом каждого месяца считается день появления 61 Астрономия | Общеобразовательная подготовка на вечернем небе узкого лунного серпа. Начало лунного года постепенно смещается по сезонам года, так как лунный год короче солнечного более чем на 11 дней. Лунные календари распространены сегодня в мусульманских странах. Наиболее простым и удобным из древних календарей был египетский солнечный календарь. В нем египтяне насчитывали 365, а позднее — 365,25 суток. Египетский календарь состоял из 12 месяцев по 30 дней и 5 добавочных суток. Позже астрономами Александрии было принято раз в 4 года прибавление одного лишнего дня. Современный календарь в значительной мере схож с египетским. Лунно-солнечные календари используются и сейчас в Израиле, Иране и других странах. В древнееврейском календаре счет лет велся по Солнцу, а месяцев — по Луне. Для восполнения разницы между солнечным годом и лунным вводился дополнительный тринадцатый месяц семь раз в 19 лет. Египетский календарь был принят в Древнем Риме, и в 46 году до н. э. Юлий Цезарь произвел реформу календаря. В юлианском календаре три последовательных года имели длительность 365 дней, а четвертый за ними — 366 дней — високосный год (от лат. bis sextus — второй шестой). Високосными считались те годы, номера которых делились на 4 без остатка. Юлианский календарь, который сейчас называют старым стилем, распространился в европейской части мира. В нем сохранялась древневавилонская семидневная неделя. Петр I указом перенес начало года в России на 1 января и ввел юлианский календарь в 1700 г. До этого календарный год начинался с 1 марта. 5.4. Современный календарь Юлианским календарем пользовались более 1600 лет. Но календарный год был длиннее солнечного на 0,0078 суток, и за 400 лет это привело к расхождению, составляющему около 3 дней. В результате день весеннего равноденствия наступал 62 Глава 2. Основы практической астрономии на три дня позже. Один из проектов современного календаря был разработан итальянским математиком и врачом Луиджи Лилио. В нем предлагалось исключить из счета 10 дней, вернув день весеннего равноденствия на 21 марта, и учитывать «набегающие» лишние дни в дальнейшем. Римский папа Григорий XIII ввел новый календарь в действие, и после 4 октября наступило 15 октября. А сам реформированный календарь называли григорианским календарем, или новым стилем. Этим календарем мы пользуемся и сейчас. В нем чередование простых и високосных лет схоже с юлианским. Последний год столетия считается високосным, если делится на 400. Следовательно, 1600, 2000, 2400 гг. — високосные и по юлианскому, и по григорианскому календарям, но 1700, 1800, 1900 и 2100 гг. в григорианском календаре содержат 365 дней и високосными не являются. После введения григорианского календаря произошло расхождение между стилями в 1600 г. на 10 дней, в 1700 г. — на 11. К 1900 г. расхождение составило 13 дней. Следующий день разницы между календарями добавится 1 марта 2100 г. Российская республика была переведена на григорианский календарь в 1918 г. декретом, принятым Советом народных комиссаров. Современный календарь (новый стиль) также является не идеально точным, так как продолжительность григорианского года превышает длительность тропического года, даже если учитывать новый способ счета високосных лет. Но смещение равноденствия на 1 день происходит лишь раз за 3333 года. Недостаток современного календаря — различное число дней в месяцах и различия в днях недели, на которую приходится начало нового года, что несколько осложняет некоторые деловые и производственные планирования. Существует много проектов календарной реформы, но существенные причины для введения нового календаря на сегодня отсутствуют. 63 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Вопросы и задания 1. Приведите примеры, подтверждающие важность повышения точности измерения времени. 2. Выше использованы понятия «солнечное время», «звездное время», «поясное время», «летнее время». Сколько времен существует? По какому времени идут настенные часы? 3. На окраине Женевы (Швейцария) расположен исследовательский центр CERN, в котором проводились эксперименты по исследованию влияния космического излучения на земной климат. В Женеве 17 часов 15 минут. Укажите, сколько времени в Москве, Мурманске и Санкт-Петербурге, если часовой n пояс Женевы = 1 и разница между всемирным временем и временем в Женеве составляет 1 час в летний период. 4. Какой ближайший относительно текущего год окажется високосным? 5. Талантливый советский ученый-астроном И. С. Шкловский, автор книг «Вселенная. Жизнь. Разум», «Звезды, их рождение, жизнь и смерть» и других, родился 18 июня (по старому стилю) 1916 г. В какой день по новому стилю было отмечено в 2016 г. столетие великого популяризатора астрономии? В какой день это произойдет в 2116 г. и почему? 64 Глава 2. Основы практической астрономии § 6. Наблюдение звездного неба (Лабораторная работа № 1) Цель работы: наблюдение небесных светил на небесной сфере наблюдателем, находящимся на определенной широте местности, невооруженным глазом. Приборы и материалы: подвижная карта звездного неба; «Школьный астрономический календарь» на текущий учебный год. Часть 1. Изучение структуры и содержания «Школьного астрономического календаря» на текущий учебный год Ход работы: 1. Ознакомьтесь с содержанием «Школьного астрономического календаря»: ▪ Укажите, из каких разделов он состоит. ▪ Какие астрономические явления согласно «Школьному астрономическому календарю» на текущий учебный год можно наблюдать в период, соответствующий проведению лабораторной работы? ▪ Какие наиболее значимые, с вашей точки зрения, астрономические памятные даты будут отмечены в текущем учебном году? ▪ Когда будет наблюдаться ближайшее солнечное затмение? Возможно ли его наблюдение на территории местности вашего проживания? 2. Сделайте вывод о значимости «Школьного астрономического календаря» на текущий учебный год и необходимости его переиздания ежегодно. 65 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Часть 2. Обнаружение созвездий на широте местности наблюдателя Ход работы: 1. Используя результаты Практической работы № 1 (п. 2.3), укажите, звезды каких созвездий могут наблюдаться на широте местности вашего проживания. 2. Найдите на небе созвездие Кассиопеи (яркие звезды созвездия расположены в виде перевернутой буквы М). ε γ β δ α 3. Найдите, используя средства Интернета, собственные имена некоторых звезд созвездия Кассиопеи. 4. Найдите на небесной сфере созвездия Большой и Малой Медведицы. Зарисуйте их взаимную ориентацию вместе с созвездием Кассиопеи. 5. Ручка ковша Малой Медведицы заканчивается Полярной звездой. Обозначьте ее на схематичном рисунке. 6. Найдите, используя средства Интернета, собственные имена звезд созвездий Малой и Большой Медведицы. 7. Зарисуйте и подпишите те созвездия, которые вам удалось определить в ходе наблюдений небесной сферы. Часть 3. Наблюдение вращения небесной сферы Ход работы: 1. Для наблюдения суточного вращения небесной сферы найдите на небе околополярные созвездия Малой и Большой Медведицы. Выбрав определенное положение для наблюдения, укажите время наблюдения и схематично зарисуйте положение Малого и Большого Ковша. 8 Глава 2. Основы практической астрономии § 7. Наблюдение планет В давно минувшие времена люди принимали планеты Солнечной системы, видимые невооруженным глазом, за «блуждающие звезды» — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Уильямом Гершелем Сатурн. Уран был открыт только в 1781 г., а существование самой дальней планеты Солнечной системы Нептун первоначально предсказали теоретически — «на кончике пера». Французский астроном Урбен Леверье в 1846 г. сообщил результаты своих теоретических расчетов Иоганну Галле, который и обнаружил планету с помощью телескопа . 1 Планеты выделяются на небесной сфере своим движением на фоне неподвижных звезд. Кроме того, звезды мерцают, а планеты сияют спокойным светом. Мерцание придается им земной атмосферой: газовые слои имеют различные температуру, плотность, показатель преломления. Планеты на небосводе воспринимаются не точками, а маленькими светящимися дисками, и наблюдатель не различает мерцания отраженного от их поверхности света, который сливается в ровное свечение. Планеты расположены в космическом пространстве гораздо ближе к Земле, чем звезды, поэтому мы видим достаточно яркое их свечение. Они также мерцают, но сложение переменной яркости и цвета отдельных точек оказывается таким, что общая сила света планеты неизменна для земного наблюдателя. Меркурий и Венера — планеты, которые видны сразу после заката или на рассвете, при этом Венера — самый яркий объект после Солнца и Луны, а Меркурий плохо различим на заре. Сатурн, Юпитер и Марс видны в различное время в течение ночи. Слова французского астронома и физика Доминика Франсуа Жан 1 Араго (Dominique François Jean Arago; 26.02.1786 — 2.10.1853): «Нептун — это планета, открытая на кончике пера». (Прим. авт.) 69 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Возможность наблюдать планету с Земли определяется несколькими факторами: положением Солнца относительно Земли и положением самой планеты относительно Солнца. Видимые на небесной сфере взаимные расположения планет Солнечной системы называются конфигурациями. По отвну- к орбите Земли планеты можно разделить на тренние внешние (Меркурий, Венера) и (остальные планеты, кроме Земли). Движение внутренних и внешних планет для земного наблюдателя различно. 7.1. Конфигурации и условия видимости внутренних планет Внутренние планеты расположены ближе к Солнцу и движутся по орбите с большей скоростью, чем Земля, и с меньшим периодом в сравнении с земным (рис. 2.30). На ри4 2.30. Конфигурации внутренних планет 70 Глава 2. Основы практической астрономии сунке положение Земли обозначено на внешней окружности, положение внутренней планеты — на внутренней. Конфигурация 1, при которой планета проходит между Солнцем и Землей, называется нижним соединением. В этом положении планета ближе всего расположена к земному наблюдателю. Плоскости орбит планет вокруг Солнца отличаются на небольшие углы, хотя очень близки друг к другу. Из-за наклонения орбиты планета для земного наблюдателя может располагаться над горизонтом днем севернее или южнее Солнца. Если нижнее соединение наступило вблизи узла орбиты, М. В. Ломоносов планета проецируется на диск Солнца. в конце XVIII в., наблюдая прохождение Венеры по диску Солнца, открыл атмосферу у планеты. Вблизи нижнего соединения планета невооруженному глазу наблюдателя не видна. Смещаясь, Земля оказывается в положении 2. Планета движется к западу быстрее и в положении 2 оказывается наиболее удалена от Солнца для земного наблюдателя. Положение наибольшего углового удаления планеты к западу называется западной элонгацией: прямая, соединяющая Землю с планетой, становится касательной к орбите планеты. Для Меркурия угол максимального удаления α находится в диапазоне от 18° до 28°, для Венеры — от 45° до 48°. С приближением планеты к положению западной элонгации возрастает ее видимость. Далее планета вновь начинает приближаться к Солнцу, продолжительность утренней видимости уменьшается. Скрываясь за Солнцем, внутренняя планета оказывается на линии, соединяющей ее с Землей (положение 3). Это расположение верхним соединением. называют Затем планета отходит к востоку. Оказываясь в положении 4, планета расположена на максимальном удалении от Солнца для земного наблюдателя, но с восточной стороны. Это расположение называют восточной элонгацией. Соот71 Астрономия | Общеобразовательная подготовка ветственно, угол максимального удаления от Солнца β находится для каждой из планет в том же диапазоне, что и α. На рис. 2.31 изображены основные конфигурации внутренних планет для земного наблюдателя. В процессе смены конфигураций блеск Меркурия меня- . ется от +3 до –2 У Венеры изменение блеска находится m m . в пределах от –2 до –4 Близкое расположение к Солнцу m m определяет то, что обе планеты ночью не видны, продолжительность утренней или вечерней видимости составляет от полутора часов для Меркурия до четырех часов для Венеры. Лучшие условия вечерней видимости — весной, утренней видимости — осенью. 7.2. Конфигурации и условия видимости внешних планет Орбиты внешних планет расположены за орбитой Земли. Они движутся с меньшими скоростями и с большими в срав3 2.31. Конфигурации внутренних планет для земного наблюдателя 72 Глава 2. Основы практической астрономии нении с земными периодами (рис. 2.32). К внешним планетам относятся Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. На рисунке положение Земли обозначено на внутренней окружности, положение внешней планеты — на внешней. Конфигурация 1, при которой планета расположена за Солнсоединением. называется В этом положении планета дальше всего расположена от земного наблюдателя. Вблизи соединения планета заходит и восходит практически одновременно с Солнцем, поэтому наблюдать ее невозможно. Земля, двигаясь быстрее вокруг Солнца, смещается к западу. Говорят, что планета находится в квадратуре, когда угол между направлениями с Земли на верхнюю планету и на Солнце составляет 90° (положение 1, рис. 2.33). Когда западное удаление достигает угла в 90° между направлением на планету и направлением на Солнце для земного наблюдателя, наступает конфигурация, которая называется западной квадратурой (положение 2). Планета восходит около полуночи. 2 1 3 α β Рис. 2.32. Конфигурации внешних планет 4 Глава 2. Основы практической астрономии на планету и направлением на Солнце с Земли, конфигурация восточной квадратурой называется (положение 4). В противостоянии внутренних планет расстояние до Земли может меняться в некоторых пределах в зависимости от того, как близко планета находится к перигелию и афелию своей орбиты. Если для далеких планет это изменение не столь велико из-за значительной их удаленности, то для Марса, который не только близко расположен к Земле, но и имеет ярко выраженную эллиптическую орбиту, различия в расстояниях до Земли существенны. Расстояние изменяется от 55,3 млн км до 491 млн км (когда Марс находится за Солнцем). Противостояния Марса, наступающие при расстояниях менее 60 млн км, называют великими противостояниями. Тогда видимый с Земли диаметр диска планеты увеличивается до 25ʺ, а блеск возрастает до –2 . m Вопросы и задания 1. Поясните, по какому основанию планеты Солнечной системы разделяют на внутренние и внешние. Какие общие характеристики объединяют все планеты? 2. Какие из конфигураций характеризуют и внешние, и внутренние планеты? Какие относятся только к внутренним? К внешним? 3. Используя «Школьный астрономический календарь» на текущий учебный год, определите: ▪ Какие планеты можно наблюдать в текущем месяце и в какое время суток? ▪ На фоне каких созвездий наблюдается каждая из планет? ▪ Когда возможна каждая из конфигураций Венеры в течение года? Меркурия? 4. При возможности наблюдения Венеры зарисуйте положение планеты относительно Солнца в условиях видимости. 5. Конфигурации повторяются через определенный промежуток времени. Найдите связь между сидерическим 75 Астрономия | Общеобразовательная подготовка (звездным) периодом обращения планеты и ее синодическим периодом (периодом повторения видимой конфигурации планеты) для Венеры и Меркурия (примечание: в процессе вывода используйте известный для Земли сидерический период). Как изменится полученное вами соотношение для внешних планет? Глава 3. Законы движения небесных тел § 8. Методы определения расстояний и размеров тел Солнечной системы Постижение азов небесной механики — законов движения небесных тел в Солнечной системе под действием гравитации — связано со способностью оценивать размеры космических объектов и расстояния между ними. Основные астрометрические подходы, рассмотренные в предыдущих главах пособия, и обращение к теоремам тригонометрии помогут освоить базовые подходы к изучению геометрических и кинематических свойств небесных тел. Так как в масштабе Вселенной размеры Солнечной системы достаточно малы, то, следуя ньютоновской механике, законы движения земных и небесных тел сходны, а значит, сходны и методы их изучения. 8.1. Методы определения расстояний до тел Солнечной системы Классическим методом определения расстояний до тел Солнечной системы является тригонометрический. Он основан на том, что координаты одного и того же небесного тела в определенный момент времени различный для разных параллактинаблюдателей на Земле. При этом измеряется ческое смещение тела Солнечной системы — его видимое смещение на фоне значительно более далеких звезд при перемещении наблюдателя из одной точки Земли в другую. базисом. Расстояние между этими точками называют Параллактическое смещение — кажущееся и возникает, когда наблюдатель, перемещаясь, видит якобы изменение положения небесного тела. На рис. 8.1 наблюдатель видит светило на горизонте (точка А). 77 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Oʹ A p R D 3 O Рис. 3.1. Горизонтальный экваториальный параллакс светила Параллакс тем больше, чем меньше расстояние до объекта и чем больше базис. Поэтому базисом при измерении параллакса тел Солнечной системы выступает радиус Земли. Так как форма нашей планеты — эллипсоид, то все его сечения плоскостями, проходящими через центр Земли, не являются окружностями. Поэтому для исключения неопределенности в вычислениях в качестве базиса измерения принимают экваториальный радиус Земли, который составляет R = 6378,16 км. З Тогда угол, под которым со светила, находящегося на горизонте, виден экваториальный радиус Земли, называют горизонтальным экваториальным параллаксом светила. Горизонтальный параллакс определяют по измерениям высоты светила в момент верхней кульминации для двух точек Земли, принадлежащих одному географическому меридиану. Из прямоугольного треугольника АООʹ расстояние до светила ООʹ = D, р — горизонтальный экваториальный параллакс. Тогда: R D = . (3.1) 3 sin p Луна имеет наибольший горизонтальный параллакс (р = 57ʹ02ʹʹ). Для других тел параллакс значительно меньше. Например, для Солнца р = 8,79ʹʹ. Параллакс обычно выражают в секундах дуги. Так как углы параллакса малы, то их синусы можно заменить величиной самого угла, выразив ее в радианах: 9 Астрономия | Общеобразовательная подготовка вого импульса служит лазер, приемником — телескоп. Отражается же луч лазера от уголковых отражателей, которые доставили к Луне пилотируемые экспедиции «Аполлон-11, -14, -15» и советские межпланетные станции «Луна‑17, -21». Уголковые отражатели представляют собой призмы с тремя взаимно перпендикулярными гранями с внутренними отражающими поверхностями. Вне зависимости от того, куда падает на отражатель луч, он отражается назад в направлении источника. В первых экспериментах по измерению расстояния до Луны в 1962 г. уголковые отражатели не использовались, точность ограничивалась неровностями лунной поверхности и составляла до 200 м. Сегодня точность измерения расстояния до отражателей на поверхности Луны достигает нескольких миллиметров, однако с течением времени наблюдается деградация уголковых отражателей, что впоследствии приведет к снижению точности измерений. Метод лазерной локации Луны позволил исследовать особенности лунной орбиты, проверить теорию гравитации. 8.2. Методы определения размеров тел Солнечной системы Определение размеров небесных тел Солнечной системы основано на возможности измерения угла, под которым с Земли виден диск светила. Для некоторых объектов (Солнца, Луны, планет) можно определить угловой радиус R, видимый под углом ρ, непосредственно из наблюдений, условно предположив, что наблюдение ведется из центра Земли (рис. 3.2). ВОʹО ООʹ D, В треугольнике расстояние до светила = ρ — угловой радиус светила. Тогда: R D sin p = . (3.4) R D sin ρ Ç 80 Глава 3. Законы движения небесных тел A Oʹ p R R D 3 ρ B O Рис. 3.2. Определение линейного радиуса тел Солнечной системы Углы ρ и р малы, поэтому sin ρ = ρ, sin р = р, так как ρ и р — малые углы с учетом межпланетных расстояний, а мы проводим приблизительные вычисления. Тогда из (3.4) следует, что: ρ R = R . (3.5) 3 p Радиусы Солнца, Луны и планет часто определяют в экваториальных радиусах Земли. Вопросы и задания 1. Зная горизонтальный параллакс Солнца, определите расстояние до звезды. 2. Одним из методов определения расстояний до внутренних планет является использование значения их наибольшей элонгации (максимального углового расстояния планеты от Солнца). Принимая орбиты Венеры, Меркурия и Земли круговыми, определите в единицах радиуса орбиты Земли расстояние от нашей планеты до каждой из внутренних планет Солнечной системы. 3. Видимые диаметры Солнца и Луны составляют 0,5°. Определите приближенные значения линейных размеров светил. Какие табличные данные вы должны использовать для решения задачи? 4. Согласно «Школьному астрономическому календарю» на 2017–2018 учебный год 27 июля 2018 г. произошли великое 81 Астрономия | Общеобразовательная подготовка противостояние Марса и лунное затмение. Луна на небосводе сблизилась с Марсом и окрасилась в багровый цвет, а Марс выглядел яркой красно-оранжевой звездочкой. Угловой размер Марса достиг 24,3ʺ. Определите, каково было расстояние между Марсом и Землей в этот день. Глава 3. Законы движения небесных тел § 9. Небесная механика К началу XVII в. сложились условия, позволившие астрономии выйти на качественно новый уровень. Во-первых, накопилось достаточное количество эмпирических данных Тихо Браге, о движении небесных тел. Датский астроном искуснейший наблюдатель, оставил бесценные многолетние наблюдения положений неподвижных звезд и планет, отличающиеся потрясающей точностью: ошибка измеренных им координат планет не превышала 2ʹ дуги. Во-вторых, на смену средневековому религиозному мышлению в Европе приходит мышление антропоцентрическое, художественно-эстетическое. Конец XVI — начало XVII в. характеризует стремление опереться в своих представлениях о мире на научные открытия. Астрономия приобретает особую роль. Идеи Николая Коперника ставили вопрос о месте человека во Вселенной, Джордано Бруно а утверждал, что Вселенная безгранична, а вокруг других звезд-Солнц вращаются планеты. Немецкий астроном Иоганн Кеплер, которого называли «законодателем неба», продолжил дело, начатое Коперником. 9.1. Законы Кеплера Иоганн Кеплер, анализируя наблюдения Тихо Браге, искал подтверждения идеям Коперника. Кроме того, великий астроном был убежден, вслед за Пифагором, что «миром правит число». Он исследовал траекторию движения Марса. Исходная идея Кеплера заключалась в том, что орбита Земли круговая. Ученому были известны угловое расстояние Марса от точки весеннего равноденствия, а также сидерический период обращения планеты. Метод Кеплера состоял в многократном определении точки пространства, в которой оказывался Марс за время, равное его сидерическому периоду. Он вычертил орбиту планеты в единицах радиуса орбиты Земли. 83 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Изучение полученных точек привело Кеплера к выводу, что скорость движения планеты по орбите меняется. Чем ближе планета к Солнцу, тем больше ее скорость (больше кинетическая энергия). Выводы согласуются с законом сохранения энергии: при приближении Марса к Солнцу уменьшается расстояние до светила (уменьшается потенциальная энергия). Полная энергия планеты неизменна в любой точке орбиты. Кеплер сформулировал закон, который получил название закона площадей: радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади (рис. 3.3). Радиус-вектор — переменный по своей длине отрезок, С на соединяющий Солнце (точка рисунке) и точку орбиты, П, О, А, Оʹ). в которой находится планета (точки Дуги окружности ПО и АОʹ планета проходит за один и тот же промежуток времени, площади заштрихованных фигур ПСО и АСОʹ равны между собой. В точке А скорость планеты v минимальна. а Эту точку орбиты называют афелий, или апогелий, — наиП удаленная от Солнца точка орбиты планеты. В точке v П перигескорость планеты максимальна. Точку называют п лий — ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты. Закон площадей — второй закон Кеплера. Исторически он был открыт первым, принятая нумерация законов соответствует последовательности исторического принятия и осмысления этих законов научными кругами. O  v A n  v C П a Oʹ Рис. 3.3. Второй закон Кеплера 6 Глава 3. Законы движения небесных тел полуосях орбит сидерические периоды обращения тел по орбитам будут одинаковы. Отдавая дань исторической традиции, законы Кеплера называют законами движения планет, но их границы применимости значительно шире. Законам Кеплера подчиняется движение всех небесных тел: планет, звезд, комет. Телескопические наблюдения Галилея открыли новую эпоху в астрономии. Открытые им спутники Юпитера в своем движении подчинялись третьему закону Кеплера. Законы Кеплера применимы к движению естественных и искусственных спутников. Законы Кеплера — эмпирические, установлены опытным путем. Ответ на вопрос, почему эти законы таковы, смог дать Исаак Ньютон. 9.2. Закон всемирного тяготения Размышления о единстве сил, удерживающих на орбите Земли Луну, заставляющих предметы падать на Землю, определяющих движение планет вокруг Солнца, вели Исаака Ньютона к выявлению закономерности, определяющей силу, действующую между телами. Центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения при падении камня на Землю. При этом расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли. Согласно законам Кеплера между Солнцем и планетами действуют силы, обратно пропорциональные квадратам их расстояния до Солнца. Учитывая, что сила тяжести пропорциональна массе тела, а силы тяготения носят всеобщий характер, ученый сделал вывод о пропорциональности силы тяготения массам взаимодействующих тел. Установленный Ньютоном закон получил название закона всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату 87 Астрономия | Общеобразовательная подготовка расстояния между ними. Закон выражается следующим соотношением: G (3.9) = , r 2 где M и m — массы взаимодействующих тел, r — расстояние между телами, G — гравитационная постоянная, 2 ⋅ Í ì G − 11 = 6,67 ⋅ 10 . 2 êã Соотношение (3.9) справедливо для материальных точек, тел конечного размера, обладающих сферически симметричным распределением вещества. Это условие выполняется для большинства небесных тел. Для движения небесных тел решающими являются гравитационные силы, поэтому закон всемирного тяготения является одним из наиболее значимых в астрономии. Наряду с другими законами он позволяет объяснить движение планет и искусственных тел в Солнечной системе, звезд в звездных скоплениях, динамику галактик. Тяготение определяет близкую к сферической форму звезд и планет, свойства их атмосфер, закономерности внутреннего строения звезд. Универсальность характера закона всемирного тяготения была подтверждена открытием эллиптических орбит комет. Первой кометой, для которой была подтверждена периодичность, оказалась большая комета 1682 г., которую назвали именем ее первооткрывателя Эдмунда Галлея. 9.3. Уточненные первый и третий законы Кеплера Закон всемирного тяготения носит универсальный характер. Он выступает научной основой эмпирически открытых законов Кеплера. На его основе Ньютон доказал, что в поле тяготения тело m может двигаться относительно M по кривым 88 Глава 3. Законы движения небесных тел нескольких типов: эллипс (частный случай — окружность), парабола и гипербола. Их называют коническими сечениями, так как формы этих кривых можно получить сечением конуса плоскостью: эллипс — при пересечении плоскостью всех образующих конуса, параболу — при пересечении плоскостью, параллельной любой образующей конуса, гиперболу — при пересечении плоскостью, параллельной двум образующим конуса. Уточненный первый закон Кеплера можно сформулировать следующим образом: под действием сил тяготения тело движется по одному из конических сечений (эллипсу, параболе или гиперболе), при этом притягивающее тело находится в фокусе кривой. Уточнение третьего закона Кеплера, полученное Ньютоном, позволяет определять массу небесных тел. Соотношение для центростремительного ускорения а тела массой m, ц движущегося по круговой орбите радиуса R в поле тяготения М: тела массой v 2 a = . (3.10) ö R Данное ускорение создает сила всемирного тяготения: M a = G . (3.11) ö R 2 Из соотношений (3.10) и (3.11) квадрат линейной скорости движения по орбите GM v 2 = . (3.12) R m Если период обращения тела массой вокруг тела массой М по орбите, близкой к круговой, равен Т, то 2 π R v = . (3.13) T 89 Астрономия | Общеобразовательная подготовка а = R, Учитывая, что большая полуось планеты из соотношений (3.12) и (3.13) получим 3 a GM (3.14) = . T 2 4 π 2 Если в левую часть выражения (3.14) перенести массу тела, то левая часть будет величиной постоянной. Отсюда T 2 M 4 π 2 = . (3.15) a 3 G Выражение (3.15) справедливо для любой системы двух взаимодействующих тел, обращающихся вокруг общего центра масс: Солнце и планета, планета и спутник (естественный или искусственный). Для случая, когда масса центрального тела сравнима с массой меньшего тела, можно записать соотношение 2 M m 2 ( + ) 4 π = . (3.16) a 3 G уточненным третьим заСоотношение (3.16) называют коном Кеплера: отношение квадрата сидерического периода обращения двух тел к кубу среднего расстояния между ними, умноженное на сумму масс взаимодействующих тел, есть величина постоянная. Используя данный закон, можно определить и отношение масс взаимодействующих тел. 9.4. Подтверждение справедливости закона всемирного тяготения Если тело Солнечной системы испытывает притяжение только со стороны Солнца, оно движется точно по законам небесной механики. Такое движение называют невозмущенным. В реальности тела Солнечной системы притягиваются 90 Глава 3. Законы движения небесных тел не только Солнцем, но и друг другом. Отклонения в движении возмущенным этих тел от кеплеровских орбит называют движением. Оно носит сложный характер. Именно возмущения в движении Урана привели к поискам другой планеты. Предположения о ее наличии появились спустя полвека после открытия Урана. Уверенность в справедливости закона всемирного тяготения подтолкнула ученых к расчетам характеристик орбиты неизвестной трансурановой планеты. Эти попытки удались известному французскому ученому Урбену Леверье и молодому английскому математику Джону Адамсу. Адамс раньше завершил свои расчеты и отправил их директору Гринвичской обсерватории. Позже выяснилось, что представленные Адамсом результаты вычислений не были проработаны детально настолько, чтобы наблюдатель смог использовать эти данные для наведения телескопа. Через год свои расчеты завершил Леверье и опубликовал в журнале Французской академии наук. Спустя несколько меИ оганн Галле сяцев обнаружил светило в указанной Леверье расчетной точке. Теоретическое открытие в 1846 г. «на кончике пера» новой планеты, которую назвали Нептун, стало триумфом небесной механики. Но и в движении Нептуна обнаружились возмущения. СпуКлайд Томбо, стя несколько десятилетий молодой астроном скрупулезно изучая фотографии различных участков звездного неба, в 1930 г. обнаружил планету, названную впоследствии Плутоном. С 2006 г. Плутон исключен из списка планет Солнечной системы и отнесен к классу карликовых планет. Другим примером проявления силы всемирного тяготения выступает взаимодействие Луны и Земли. Притяжение Луны деформирует Землю, особенно ее водную оболочку. Действие возмущающих сил на отдельные участки Земли вызывает явления, которые называют приливами и отливами. Если допустить, что вся поверхность Земли равномерно покрыта океаном, то Луна притягивает к себе как частицы твердой по 3 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Вопросы и задания 1. Как меняется скорость движения Земли по орбите в период изучения вами данной темы? Увеличивается или уменьшается? К какой точке (афелию или перигелию) приближается Земля? Как изменяется расстояние от Земли до Солнца? Как меняется полная энергия нашей планеты в процессе этого движения? 2. Иоганн Кеплер отмечал, что между орбитами Марса и Юпитера должна уместиться орбита еще одной планеты. Спустя годы там была обнаружена не одна, а множество малых тел. Но первой в поясе астероидов была открыта Церера. Ее сидерический период составляет 4,6 земного года. Определите, во сколько раз среднее расстояние от Цереры до Солнца больше, чем среднее расстояние от Земли до Солнца. T 2 3. Отношение = const = C . Постоянную С называют a 3 постоянной третьего закона Кеплера. Докажите, что для всех планет Солнечной системы выполняется данное соотношение. В каких единицах может выражаться эта постоянная? 4. Как вы считаете, какое из тел Солнечной системы, исключая Солнце, вызывает наибольшие возмущения в движении других тел? Ответ обоснуйте. 5. В результате излучения масса Солнца непрерывно уменьшается. Поясните, как влияет изменение массы светила на расстояние планет до Солнца. 94 Глава 3. Законы движения небесных тел § 10. Движение искусственных небесных тел …Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство… К. Э. Циолковский Законы небесной механики позволяют рассчитать скорости и траектории движения тел в гравитационных полях. Вместе с тем орбиты и характер движения искусственных небесных тел обладают особенностями. 10.1. Движение искусственных спутников Земли. Первая космическая скорость Искусственный спутник Земли (ИСЗ) после вывода на околоземную орбиту ракетоносителем обладает определенной круговой скоростью (точка А, рис. 3.6). Выше (см. § 9) приведено соотношение (3.11), откуда скорость v при движении по круговой орбите GM v = , (3.17) R R где — расстояние от спутника до поверхности Земли, R = R + h; R h — — радиус Земли, высота над поверхностью 3 3 Земли, M — масса Земли. Если высота запуска спутника много меньше радиуса Земли и в соотношении (3.17) ею можно пренебречь, то скорость называют первой космической скоростью: GM v gR = = = 7,9 . (3.18) êì/ñ 1 ê R 95 Астрономия | Общеобразовательная подготовка  v A 2 5 R Земля 4 1 3 Рис. 3.6. Орбиты ИСЗ Если скорость запуска спутника точно равна первой h космической скорости на высоте относительно экватора, то орбита будет круговой (орбита 1), а спутник станет ИСЗ. При значении скорости запуска спутника меньше или больше, чем круговая скорость, его орбитой будет эллипс. Но в первом случае точка выхода на орбиту окажется в апогее — точке орбиты, наиболее удаленной от Земли (орбита 2). Во втором случае точка выхода на орбиту окажется в перигее — точке орбиты, наиболее близкой к Земле (орбита 3). Спутник же, пролетев некоторое расстояние после вывода на орбиту, упадет на Землю. Из-за наличия вокруг Земли атмосферы спутник выводится на орбиту на высоте более 150 км. Запуск ИСЗ производится перпендикулярно к радиальному направлению. Причин, из 8 Глава 3. Законы движения небесных тел Многие ИСЗ являются орбитальными астрономическими обсерваториями. Запущенный СССР в 1983 г. «Астрон» наблюдал комету Галлея, вспышку сверхновой в Большом Магеллановом Облаке. Геостационарный спутник «Гиппарх», выведенный на орбиту Европейским космическим агентством, предназначен для составления современного звездного каталога. В 2016 г. с космодрома «Восточный» для научно-образовательных целей был запущен на круговую солнечно-синхронную орбиту спутник «Михайло Ломоносов», снабженный орбитальным телескопом для регистрации космических лучей предельно высоких энергий (проект был разработан учеными МГУ). 10.2. Движение космических аппаратов. Вторая и третья космические скорости Эллиптическое движение возможно при значениях скорости v, меньших некоторого значения, называемого параболической скоростью. Чтобы космический аппарат преодолел притяжение Земли и вышел в космическое пространство, необходимо достигнуть скорости, которая носит название второй космической скорости. У поверхности Земли 2 GM v v = = 2 ≈ 11, 2 . (3.19) êì/ñ 2 1 ê ê R При второй космической скорости космический аппарат (КА) движется по незамкнутой кривой — параболе. Тело может покинуть гравитационное поле Земли. Первая и вторая космические скорости для разных небесных тел различны. Так, вторая космическая скорость у поверхности Луны составляет: ν ≈ 2,38 км/с. 2к Луны Для того чтобы космический аппарат навсегда покинул Солнечную систему, ему необходима параболическая гелиоцентрическая скорость. 99 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Наименьшую скорость, при которой КА сможет преодолеть притяжение Земли и Солнца и выйти в космическое пространство за пределы планетарной системы, называют третьей космической скоростью: ν ≈ 16,7 км/с. Траекторией 3к КА при этом будет являться парабола. В зависимости от направления движения космического аппарата данная скорость может колебаться в пределах от 16,7 до 72,8 км/с. Траектории каждого КА при направлении к другим объектам Солнечной системы можно разделить на два типа участков. Первый тип — движение на активных участках. Оно определяется тягой реактивных двигателей. Пассивный участок траектории возникает при выключении двигателя и движении под действием гравитационного поля небесных тел. Для выполнения коррекции орбиты КА снова выходит на активный участок траектории. Именно после вывода на орбиту в конце активного участка КА должен достичь параболической скорости. При расчете космических траекторий межпланетной космической станции методика включает анализ необходимых скоростей и тех тел, в чьем поле гравитационного действия окажется аппарат. Запуск автоматической межпланетной станции (АМС) предполагает расчеты, связанные с движением станции сначала в гравитационном поле Земли, затем Солнца и наконец в поле тяготения планеты назначения, а также гравитационными возмущениями со стороны крупных небесных объектов. Наиболее эффективна при запуске КА полуэллиптическая орбита, которая касается своими вершинами орбит Земли и небесного объекта, к которому направляется аппарат. При этом Солнце будет находиться в одном из фокусов этой орбиты, а большая полуось пройдет через Солнце и Землю. При запуске к внешней планете перигелий орбиты станции будет совпадать с орбитой планеты запуска. В день сближения с межпланетной станцией планета назначения 1 1 Астрономия | Общеобразовательная подготовка 10.3. Исторические этапы развития пилотируемых полетов Достижение КА других космических объектов стало возможным благодаря идеям К. Э. Циолковского, который еще в конце XIX века выдвинул идею о возможности освоения человеком космического пространства. В своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» великий русский ученый показал возможность достижения необходимых скоростей при полете к небесным телам с помощью ракет на жидком топливе. Родоначальником экспериментальной базы для постройки и испытания ракет, осуществления пилотируемых полетов стал С. П. Королев. Впервые за всю историю человечества 12 апреля 1961 г. с космодрома Байконур в СССР был запущен первый космический корабль с человеком на борту. Пилотировал корабль «Восток-1» Юрий Алексеевич Гагарин. Первой женщиной-космонавтом, совершившей самостоятельный космический полет 16 июня 1963 г., стала Валентина Владимировна Терешкова. Спустя два года А. А. Леоновым был совершен первый выход в открытый космос с борта корабля «Восход-2». Уже в 1969 г. корабль «Аполлон» впервые доставил группу астронавтов на поверхность Луны. Еще в начале 1970-х гг. в СССР была реализована идея о работе на околоземной орбите постоянно действующей космической станции, оборудованной для проживания и организации работы космонавтов. С 1971 по 1985 г. на борту станций «Салют-1, -7» проводились научные исследования. С 1986 г. введена в действие космическая станция «Мир», которая являлась уже центром управления орбитальным комплексом. Ее деятельность была завершена в 2001 г., с 2000 г. начала работу Международная космическая станция. МКС — современный многофункциональный исследовательский центр, на борту 102 Глава 3. Законы движения небесных тел которого работают международные космические команды исследователей. Вопросы и задания 1. Используя справочные данные Приложения, рассчитайте первую и вторую космические скорости для Венеры и Марса. 2. Поясните, почему с точки зрения экономии энергии запуск ИСЗ производят с запада на восток? 3. Первый ИСЗ совершил один оборот вокруг Земли за 96,2 минуты. Может ли современный ИСЗ облететь Землю быстрее? 4. Определите, на какой высоте над Землей должен находиться спутник, чтобы двигаться по геостационарной орбите. С какой скоростью это движение будет происходить? 5. Расстояние до «Вояджера-1» ежегодно возрастает на 3,6 а. е. С какой скоростью (в км/ч) приблизительно движется космический аппарат? 103 Астрономия | Общеобразовательная подготовка § 11. Применение законов Кеплера (Практическая работа № 2) Цель работы: применить законы Кеплера при решении задач. Задание 1. Используя данные «Школьного астрономического календаря» на текущий учебный год, можно получить данные о положении планет, а также параметры орбит планет. 1.1. Заполните таблицу, используя содержание § 9 (примечание: приведите подробное аналитическое указание к способам расчета ускорения свободного падения у поверхности планет и первой космической скорости): Ускорение свободного ЭксценПервая космическая Планета падения у поверхности триситет скорость планеты Меркурий Венера Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун 1.2. Проанализируйте заполненную таблицу и данные Приложения: — орбита какой из планет обладает наиболее выраженной эллиптической формой? Орбита какой из планет наиболее близка к окружности? Ответ обоснуйте; — используя данные, опишите, как объяснить процесс, который назван «гравитационным разгоном»: при направлении АМС к дальним планетам можно разогнать КА при прохождении в гравитационном поле более близких планет, «подтолкнуть» КА гравитационным полем встречных тел (гравитационный разгон осуществлен, например, в 1974 г. при движении «Маринера-10», который после сближения с 104 Глава 3. Законы движения небесных тел Венерой направился к Меркурию, «Вояджера-1», АМС «Кассини» и «Розетта»). 1.3. Используя «Школьный астрономический календарь» на текущий учебный год, охарактеризуйте орбиту Меркурия: — проанализируйте приведенные в таблице «Школьного астрономического календаря» значения гелиоцентрических расстояний Меркурия в течение года. Установите примерные даты нахождения планеты в перигелии и в афелии; — используя значения гелиоцентрических расстояний, определите моменты времени, в которые планета находилась наиболее близко к точке перигелия и точке афелия. Сколько раз за земной год Меркурий будет находиться в точках орбиты, наиболее близких к перигелию и к афелию? — используя полученные значения, определите примерное значение большой полуоси орбиты Меркурия. Сравните полученное значение с табличными данными. Обоснуйте причины, связанные с расхождением между табличным значением и расчетным; — используя третий закон Кеплера и табличное значение среднего расстояния от Меркурия до Солнца, определите величину сидерического периода планеты; — используя полученные значения гелиоцентрических расстояний и моменты времени, в которые Меркурий находился в двух последовательных точках перигелия, определите сидерический период обращения планеты. Сравните полученное значение с рассчитанным теоретически и с табличным значением. Обоснуйте причины, вызвавшие расхождения между данными значениями. Задание 2. Для полета на Луну возможны несколько вариантов траекторий движения КА. 2.1. Изобразите графически каждую из орбит (фрагментов орбит) КА. 2.2. Укажите, каких скоростей должен достичь космический аппарат после вывода ракетоносителем на орбиту Земли. 1 6 Глава 4. Солнечная система § 12. Происхождение Солнечной системы Решение космогонических проблем (проблем происхождения и эволюции небесных тел) осуществляется в двух направлениях. Первое — теоретическое: законы физики позволяют определить условия, которые в прошлом должны были существовать, чтобы небесные тела приобрели именно те характеристики, которые мы наблюдаем сегодня. Второе — наблюдательное: сравнение характеристик небесных тел, находящихся на разных стадиях развития, позволяет установить, в какой последовательности эти стадии находились. Если первый подход применим к большому количеству небесных объектов, включая единичные, то второй подход требует множественного сравнения и выявления закономерностей развития звезд, звездных систем и т. д. Для объяснения происхождения Солнечной системы как единственной планетной системы, с которой знакомо человечество, в прошлом был применим только теоретический подход. Сегодня, когда вокруг других звезд открыты неизвестные ранее планетные системы, появляются возможности для применения наблюдательного подхода. Теория, объясняющая происхождение и эволюцию Солнечной системы как единого комплекса небесных тел, должна объяснять закономерности в ее строении. 12.1. Особенности Солнечной системы как единого комплекса небесных тел В состав Солнечной системы кроме планет входят их спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы, частицы межпланетного пылевого вещества. Солнце — центральное 107 Астрономия | Общеобразовательная подготовка тело, масса которого в 750 раз больше суммарной массы всех планет, но лишь 2% момента количества движения приходится на его долю. Особенностью системы является то, что орбиты всех планет лежат практически в одной плоскости. В свою очередь, данная плоскость приблизительно совпадает с плоскостью солнечного экватора. Вращение планет вокруг Солнца происходит по орбитам в одном и том же направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца вокруг своей оси. Орбиты в определенном приближении можно считать близкими к круговым. При этом среднее расстояние планет от Солнца подчиняется определенной закономерности (см. § 15). За исключением Венеры и Урана, направление осевого вращения планет также совпадает с направлением их вращения вокруг Солнца. По физическим характеристикам планеты Солнечной системы можно разделить на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (газовые гиганты Юпитер и Сатурн и ледяные гиганты Уран и Нептун). В Приложении приведены некоторые параметры, характеризующие планеты. Планеты-гиганты значительно превосходят по массе планеты земной группы. Второй характеристикой, по которой прослеживается разделение планет на две группы, является плотность: если между собой планеты земной группы и планеты-гиганты мало различаются по плотности, то между группами отличие значительно. На долю вещества, находящегося в твердом состоянии, приходится большая часть массы планет земной группы. Это оксиды, соединения тяжелых химических элементов (железа, магния, алюминия и других металлов, кремния и других неметаллов). Для планет- гигантов значительная часть массы находится в газообразном и жидком состояниях, а в составе планет преобладают водород и гелий. На долю остальных веществ приходится порядка 1–2% массы. 108 Глава 4. Солнечная система Третьим отличием групп планет друг от друга является то, что планеты-гиганты обладают многочисленным семейством разнообразных спутников как малым подобием собственной Солнечной системы. Количество открываемых спутников увеличивается. Если на долю всех планет земной группы приходится три спутника, то у планет-гигантов их число подходит к двум сотням. Большинство спутников обращается вокруг своих планет практически по круговым орбитам в плоскости экватора планеты в направлении, совпадающем с направлением ее осевого вращения. 12.2. Теоретические гипотезы происхождения Солнечной системы Первые научно обоснованные гипотезы происхождения Солнечной системы относятся к XVII–XVIII вв. Одними из наиболее известных гипотез, в которых содержались верные идеи о происхождении небесных тел, являлись теории И. Кант Канта, Лапласа и Джинса. Так, предположил, что П. Лаплас Солнечная система образовалась из облака пыли. рассматривал обширную медленно вращающуюся туманность, состоящую из горячего разреженного газа. Автор высказывал идею о том, что при сжатии туманности возрастала скорость ее вращения, а сама туманность обретала дискообразную форму. Сжатие протозвезды происходило в центре туманности. Процесс продолжался до момента, когда от протосолнца отделялось кольцо, которое, охлаждаясь и разрываясь на отдельные сгустки, составило далее основу для формирования планет. Аналогично образовывались и спутники планет. Длительное время теория Лапласа была ведущей, но она не смогла объяснить распределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Кроме того, идея горячего газа для образования планет являлась ошибочной, так как этот газ должен был быстро расшириться и рассеяться в пространстве. 109 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Д. Джинс В начале прошлого века английский астроном разработал приливную теорию происхождения Солнечной системы. В ней случайное сближение Солнца, которое образовалось без планетной системы, с другой звездой привело к образованию приливной волны. Результатом этого процесса стало мощное извержение струй газа, которые, сгустившись планетезималей в облака, стали основанием для роста — небольших твердых тел, из которых далее сформировались планеты. Значимым недостатком теории Джинса являлось то, что согласно расчетам скорость, с которой произошло столк новение Солнца и другой звезды, значительно превышает скорости движения небесных тел в нашей Галактике. 12.3. Современные представления о происхождении Солнечной системы Современная теория происхождения Солнечной системы до сих пор не является полностью завершенной. Но основные черты «сценария» зарождения и развития Солнца и планет определены. В формирование основ этой теории значительный вклад внесли отечественные ученые. Особенно значим вклад О. Ю. Шмидта. Основная идея современной теории — одновременное формирование Солнца и планет из единого холодного облака твердых тел и частиц под воздействием различных физических процессов. В современном сценарии можно выделить несколько этапов формирования Солнечной системы согласно современным представлениям. На первом этапе облако межзвездного вещества, состоящего из смеси частиц нескольких компонентов (скальный компонент, летучий и ледяной), начало уплотняться в результате ударной волны после взрыва сверхновой. Продукты взрыва диффундировали в межзвездную пыль. Под действием силы тяжести в некотором объеме смесь газа и пыли начинает сжиматься — возникает гравитационный коллапс. В центре 110 Глава 4. Солнечная система сжимающегося облака образуется сгущение газа и пыли, коаккреции — торое становится ядром выпадения рассеянного вещества из окружающего пространства на формирующуюся протозвезду. Вещество становится непрозрачным, а температура возрастает, когда центральное сгущение достигает массы, составляющей 10% от массы современного Солнца. Торможение вращения протосолнца вызывает магнитное поле, связывающее протозвезду с диском. Оставшаяся часть облака на протяжении этого времени становится плоским диском. В результате ударных волн турбулентные вихри ускоряют движение частиц, формируются кольца сжатия. Одни частицы в процессе движения вокруг формирующейся протозвезды в результате некоторых взаимодействий разрушаются, другие объединяются и образуют более крупные образования. При этом из-за сильного разогрева протозвезды из ближайших ее окрестностей улетучиваются легкие газы — водород, гелий, остаются более тяжелые. В результате этого процесса 90% массы первичного облака сосредоточивается в центральном горячем ядре протозвезды, а большая часть остатков массы — в крупных телах, которые имеют различный химический состав. Для тел вдали от протозвезды в «холодной» зоне содержание водорода и гелия оказывается повышенным, легкие вещества намерзают на твердые частицы. Объем вещества на окраинах формирующейся системы больший, чем в ближних окрестностях протозвезды. В «горячей» зоне низка концентрация водорода и гелия. В обеих зонах образуются плотные планетезимали, они сжимаются под действием тяготения, начинаются процессы разделения и образования планетных оболочек. При этом в «горячей» зоне формируются планеты земной группы, в «холодной» — планеты-гиганты. Мелкие планетезимали захватываются гравитационным полем крупных, из них формируются спутники. На границе зон из многочисленных мелких планетезималей и их осколков формируются астероиды, а на 111 Астрономия | Общеобразовательная подготовка самой периферии «холодной» зоны — множество кометных ядер. Спутники планет возникают из того же вещества протопланетной туманности. Подтверждением данной гипотезы выступает значительное число научных фактов. Так, вокруг нескольких звезд были обнаружены газопылевые облака, из которых в дальнейшем возможно образование планетной системы. Следы продуктов взрыва сверхновой вошли в состав углистых хондритов, которые обнаруживаются учеными при тонком химическом и изотопном анализе. Значимым подтверждением современной гипотезы выступает и сходство возраста различных объектов Солнечной системы. Так, анализ грунта метеоритов и лунной породы показывает возраст вещества около 4,5 миллиардов лет. Теоретические расчеты возраста Солнца близки к отметке 5 миллиардов лет. Вопросы и задания 1. Какие характеристики объединяют все тела Солнечной системы? 2. На основе каких характеристик можно разделить планеты Солнечной системы на две группы? 3. Сравните теории Лапласа и Канта с современной теорией происхождения Солнечной системы. Какими достоинствами обладает каждая из теорий? 4. Изобразите графически этапы возникновения Солнечной системы согласно современной теории происхождения нашей планетной системы. 5. Завершена ли эволюция планет Солнечной системы, включая Землю? Ответ обоснуйте. 112 Глава 4. Солнечная система § 13. Планеты земной группы Планета — небесный объект, обращающийся вокруг Солнца, имеющий сфероидальную форму и вблизи своей орбиты — пространство, свободное от других тел. Ряд характеристик являются сходными для всех планет земной группы (см. Приложение). Часть данных параметров уже рассмотрена (см. п. 12.1). Вместе с тем ряд особенностей характеризует каждую из планет данной группы. Первой характеристикой, объединяющей планеты земной группы, является сходство их внутреннего строения. Однако выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и т. д. Планеты данной группы имеют твердые оболочки, находящиеся в гидростатическом равновесии, в которых сосредоточена большая часть массы. Планетные оболочки имеют почти сферическую форму. На основе сейсмологических исследований создана модель строения твердых оболочек Земли. Для других планет модели строятся на основе аналогии. В их строении (рис. 4.1) выделяют кору (1), мантию (2) и ядро (3). Внешняя тонкая твердая оболочка (кора) образована наиболее легкими соединениями, в основном силикатами. Плотность мантии промежуточная. Ядро — наиболее плотная часть планетных недр. Она содержит более тяжелые элементы и 1 2 3 Меркурий Венера Земля Марс Рис. 4.1. Модели строения планет земной группы 113 Астрономия | Общеобразовательная подготовка соединения. Предполагают, что наличие магнитного поля у планеты свидетельствует о наличии жидкого ядра. Обратное утверждение неверно: вероятно, для формирования значимого магнитного поля необходимы другие факторы. Источником энергии в недрах планет являются радиоактивный распад и гравитационное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью. Поверхность планет формируют две группы процессов — внешние и внутренние. Если внутренние (тектонические и вулканические) продолжаются только на Земле, то внешние в определенной мере характеризуют все планеты земной группы — переработка поверхности в результате падения метеоритных тел, образующих характерные кратеры, а также механическая эрозия. 13.1. Меркурий Ближайшая к Солнцу планета — Меркурий (рис. 4.2). Планета не имеет спутников. Радиолокация Меркурия показала, что период его обращения вокруг оси составляет около 59 звездных суток. Сама ось планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты и отклонена на угол менее чем 1°. Как результат, на планете нет смены времен года. Особенностью орбиты Меркурия является и то, что из-за яркой выраженности эллиптической орбиты на участке вблизи перигелия угловая скорость орбитального движения превышает скорость вращательного движения. В результате Солнце на небе планеты останавливается и начинает двигаться в обратном направлении, с запада на восток. Так продолжается около 8 земных суток. Для точек, отстоящих от экватора на 90°, Солнце восходит или заходит дважды. Меркурианский год составляет 88 земных дней. Удивительно то, что день на планете длится почти в два раза дольше года (176 земных дней). Этот факт легко понять, если учесть, что за время одного полного оборота вокруг своей оси 114 Глава 4. Солнечная система Рис. 4.2. Меркурий. Снимок с зонда MESSENGER Меркурий пройдет порядка 2/3 длины своей орбиты, и точка поверхности, в которой первоначально Солнце находилось в зените, окажется на ночной стороне. Днем поверхность нагревается Солнцем до температур порядка 700 К в перигелии и до 560 К в афелии, а ночью опускается ниже 100 К. Меркурий — единственная из планет земной группы, не имеющая значительной газовой атмосферы. Вместе с тем у поверхности планеты концентрация газа (гелия, натрия) все же составляет 10 см . Возможные объяснения наличия такой 6 –3 газовой оболочки — фотохимические и термохимические процессы, а также воздействие солнечного ветра. Важные данные были получены в результате полета КА «Маринер-10». Полученные снимки показали, что боль1 6 Глава 4. Солнечная система 13.2. Венера Второй от Солнца планетой является Венера (рис. 4.4). Она почти равна по массе и размерам Земле, но ее мир сильно отличается от земного. Планета не имеет спутников. В 1960-х гг. с помощью радиолокации удалось установить, что звездные сутки на Венере составляют 243 земных дня и лишь на 18 дней отличаются от венерианского года: один оборот вокруг своей оси у Венеры дольше, чем один оборот вокруг Солнца. В результате радиолокации выяснилось, что вращение Венеры происходит в направлении, обратном наРис. 4.4. Венера 117 Астрономия | Общеобразовательная подготовка правлению орбитального движения. Наклонение экватора планеты к эклиптике составляет порядка 3°, поэтому смены времен года на Венере не наблюдается. В XVIII в. М. В. Ломоносов обнаружил атмосферу у планеты во время прохождения ею по диску Солнца. Следствием своеобразия атмосферы выступает явление «сумеречной дуги»: вблизи нижнего соединения Венеры в фазе узкого серпа «рога» удлиняются и могут смыкаться друг с другом. Это объясняется преломлением солнечного света в атмосфере планеты. Только при помощи аппаратуры космических зондов удалось установить, что верхняя граница облачного слоя находится на высоте около 70 км над поверхностью планеты. По мере приближения к поверхности Венеры температура возрастает от –40 °С в верхних слоях атмосферы до 500 °С у поверхности. Перенос тепла в атмосфере осуществляется инфракрасным излучением и конвекцией. Разогрев поверхестественный парниковый эффект ности — на планете. Под парниковым эффектом понимают повышение температуры поверхности и внутренних слоев атмосферы планеты вследствие того, что сама атмосфера оказывается более прозрачной для солнечного излучения, чем для теплового излучения поверхностью. Небо Венеры всегда затянуто густыми облаками, напоминающими туман и окрашенными в оранжевые тона. Эволюция Венеры, в результате которой сложилась атмосфера планеты, является современной проблемой для планетологов. Атмосферное давление у поверхности планеты сравнимо с давлением на километровой глубине земного океана — плотность атмосферы всего в 14 раз меньше плотности воды. Такие условия определяются составом атмосферы. Она почти целиком состоит из углекислого газа, венерианские облака — смесь серной и соляной кислот. Кислород на Венере присутствует лишь в следовых количествах, менее 0,02% (в атмосфере Земли доля кислорода примерно 21%). Дефицит воды на плане118 Глава 4. Солнечная система те — вопрос, который занимает сегодня ученых-планетологов. Из-за высокой температуры воды в жидком состоянии там нет, но количество водяного пара в атмосфере сравнимо со слоем жидкости на поверхности планеты толщиной около 1 см. Наблюдения с аэростатов, запущенных с АМС «Вега‑1, -2», показали, что на планете в верхних слоях атмосферы наблюдаются широтные ветры с периодом в 4 земных дня. Скорость ветров на высоте 50 км, где давление и температура сравнимы с земными, составляет 110 м/с, а вблизи поверхности уменьшается до 1 м/с. Советский аппарат «Венера-7» первым достиг поверхности планеты. Спутниками Венеры стали межпланетные зонды «Пионер-Венера-1», «Венера-15, -16», «Магеллан», которые с помощью радаров «рассмотрели» поверхность планеты. Обнаружены следы активной вулканической дея- тельности. Обширные равнины со следами излияния лавы в виде паутинной сети, куполообразные холмы и тектонические трещины отличают поверхность Венеры. На планете найдено несколько горных областей. Самой большой является Земля Иштар, по площади вдвое превышающая Тибет, в центре которой расположен вулканический конус высотой 11 км. На Венере найдены кольцевые кратеры метеоритного происхождения, схожие с лунными или меркурианскими кратерами. Многим объектам на поверхности Венеры даны женские имена, например равнина Геневры, плоскогорье, превышающее по размерам Тибет, Земля Афродиты. Химический состав грунта планеты схож с земными базальтами. Собственное магнитное поле Венеры очень слабое. 13.3. Система «Земля—Луна» Третья по счету планета Солнечной системы — Земля — уникальна прежде всего тем, что она единственная обладает гидросферой и биосферой — живой оболочкой, оказывающей влияние на саму планету. 119 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Атмосфера Земли уникальна по своему химическому составу: в ней преобладают молекулярный азот и кислород. Рассеивая и поглощая солнечное излучение, атмосфера определяет тепловой баланс планеты благодаря естественному парниковому эффекту. На нашей планете установилось равновесие между потоком энергии от Солнца и излучаемой Землей энергией. Плотность нашей атмосферы позволяет поддерживать этот баланс: углекислый газ и пары воды поглощают инфракрасное излучение и удерживают тепло, сохраняя равновесие при средней температуре +15 °С. Теоретически без его учета на Земле установилась бы средняя температура на 30 °С ниже. антропогенВместе с тем деятельность человека вызывает ный (искусственный) парниковый эффект. Он вызван техногенными факторами, нарушающими тепловой баланс Земли. Относительный контроль степени влияния выбросов в атмосферу углекислого газа осуществляется путем международных соглашений. Атмосфера выполняет важные функции. Так, в нижних слоях атмосферы (тропосферы), где содержится большая часть ее массы и водяного пара, возникают явления, определяющие погоду. Далее стратосфера защищает Землю от губительного влияния солнечного ультрафиолетового излучения — озон поглощает его. Уникальна и магнитосфера Земли. Обладая мощным магнитным полем, Земля защищена от потока плазмы, непрерывно «обдувающего» нашу планету, — «солнечного ветра». Земля — обладатель одного естественного спутника. Другие планеты Солнечной системы имеют и более крупные спутники. Например, Ганимед, спутник Юпитера, или Титан, спутник Сатурна, в полтора раза превышают радиус Луны. Но отношение диаметра Земли к диаметру Луны оказывается наименьшим (3,7 раза), в то же время для других планет это отношение значительно больше (от 22 раз). 1 3 Астрономия | Общеобразовательная подготовка позволяющим понять процессы, происходившие на Земле в далеком прошлом. Названия отдельных образований на нашем спутнике сходны с земными. Так, на карте Луны можно обнаружить горные цепи Кавказ, Альпы, Алтай, Апеннины. Некоторые названия несут отзвук мечтаний человечества: Море Спокойствия, Море Ясности, Море Мечты. На обратной стороне спутника расположилось Море Москвы. Ряд образований назван именами ученых: кратеры Циолковский, Лобачевский, Ломоносов. 13.4. Марс и его спутники Марс замыкает ряд планет земного типа (рис. 4.5). При значительной разнице между Землей и Марсом в размерах (диаметр планеты составляет около половины земного) у Рис. 4.5. Марс 124 Глава 4. Солнечная система планет-соседок сходства больше, чем у Земли и Венеры. Сила тяжести на Марсе значительно меньше земной, это обусловило слабую магнитосферу планеты, которая плохо удерживает атмосферу. Экватор планеты наклонен к плоскости орбиты на 24°56ʹ, что максимально приближено к земной характеристике. Поэтому на Марсе наблюдается смена времен года. Если марсианский год длится 687 земных дней (вдвое длиннее земного), то сутки лишь немного превышают привычную нам продолжительность и составляют 24 часа 37 минут и 23 секунды. Поэтому на планете наблюдается смена дня и ночи, подобно земной. Температура зимой составляет от –120 °С до –80 °С, летом поднимается до –30 °С, хотя в отдельные годы может достигать и 0 °С. Вблизи экватора днем температура может подниматься до +25 °С, быстро снижаясь при заходе Солнца. Колебания температуры объясняются особенностями атмосферы. Особенностью планетных оболочек Марса является наличие атмосферы и криосферы — льда в полярных шапках и в грунте. Атмосфера планеты в 100 раз более разрежена по сравнению с земной. В ней часто возникают пылевые бури, которые распространяются по всей планете, наблюдаются торнадо. В ее составе преобладают углекислый газ (95%) и смесь азота, аргона, водяных паров, кислорода, метана, происхождение которых для планетологов является загадкой. Белые полярные многослойные шапки представляют собой смесь замерзшей воды с твердой углекислотой («сухой» лед). Летом полярные шапки уменьшаются за счет испарения верхнего слоя, состоящего из «сухого» льда. При этом атмосферное давление повышается, что и дополняет условия для возникновения сильных ветров. Даже небольшого количества водяных паров в атмосфере с учетом низкого атмосферного давления достаточно для образования облаков и туманов. Зимой на Марсе образуется тонкий слой инея. Вода содержится не только в шапках, но 1 7 Астрономия | Общеобразовательная подготовка ущелий и каньонов. Темные области, занимающие значительную часть поверхности планеты, — моря, диаметр которых в некоторых случаях достигает нескольких сотен километров. Возвышенности напоминают земные континенты, имеют светлые оттенки. Марс уникален и наличием на его орбите двух удивительных спутников астероидного типа Фобос («страх») и Деймос («ужас»), не имеющих правильной формы, покрытых кратерами метеоритного происхождения. Например, кратер Стикини на Фобосе по размерам сопоставим с размерами самого спутника. В поперечнике спутники составляют, соответственно, 22–25 км и 10–13 км. Фобос удален от Марса менее чем на 2,8 его радиуса, что приводит к высокой скорости движения вокруг планеты с периодом 7 часов 40 минут. Деймос расположен на расстоянии порядка 6,9 радиуса планеты от поверхности Марса. Вопросы и задания 1. Сравните астрофизические особенности Меркурия и Луны. На основе каких критериев вы осуществите поиск сходств и различий двух небесных тел? 2. Выскажите собственное мнение относительно уникальности нашей планеты. 3. Определите ускорение свободного падения на Луне и ее первую космическую скорость. Какие данные о нашем спутнике для этого необходимы? 4. Сравните атмосферу Венеры, Земли и Марса. В чем сходство газовых оболочек планет? Чем определяется различие? Перечислите антропогенные факторы, которые вызывают возникновение искусственного парникового эффекта. 5. Сравните астрофизические особенности Земли и Марса. Выскажите собственную точку зрения относительно проектов по колонизации Марса человеком. 128 Глава 4. Солнечная система § 14. Планеты-гиганты Как и планеты земной группы, планеты-гиганты обладают общими характеристиками. Вместе с тем в группе четко дифференцированы Юпитер с Сатурном от Урана и Нептуна. Первой характеристикой, объединяющей планеты-гиганты, является сходство моделей их внутреннего строения. Все они не имеют твердой поверхности. Эта модель согласуется с малыми средними плотностями планет-гигантов и их химическим составом, а также быстрым вращением вокруг собственной оси. В модели строения планет-гигантов можно выделить несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и т. д. При этом строение Юпитера и Сатурна имеет собственные особенности (рис. 4.7). атмосферу В их строении выделяют газовую (1), состоящую из смеси молекулярного водорода и гелия. Все, что удается рассмотреть с помощью аппаратуры АМС, проис1 4.7. Модель строения Юпитера и Сатурна 129 Астрономия | Общеобразовательная подготовка ходит именно в атмосфере планет. Для Юпитера и Сатурна в модели строения выделяют слой молекулярного водорода и гелия в газожидком сверхкритическом состоянии (2). Ниже газожидкого слоя водород становится вырожденным — электроны отрываются от протонов, теряют индивидуальную принадлежность к отдельным атомам, поэтому слой предметаллизированный водород ставляет собой (3). Такую фазу водорода можно получить на Земле в лабораторных условиях. Предположительно следом располагается слой гидридов в газожидком состоянии (4) и в центре — твердое ядро (5), которое образовано смесью металлического водорода с силикатами и металлами. В недрах Урана и Нептуна велика доля каменистых материалов (рис. 4.8). Если ядро (3) и газовая атмосфера (1) имеют сходный с Юпитером и Сатурном состав, то мантия (2) представляет собой смесь водяного и аммиачно-метанового льдов. Именно по этой причине Уран и Нептун называют ледяными гигантами, в то время как Юпитер и Сатурн — газовыми гигантами. Сравнивая количество тепла, которое получает каждая из планет-гигантов, и количество энергии, отражаемое ими в окружающее пространство, расчетные температуры Юпитера, Сатурна и Нептуна оказались ниже тех значений, кото1 4.8. Модель строения Урана и Нептуна 1 1 Астрономия | Общеобразовательная подготовка расположению Земли и четырех наиболее удаленных планет Солнечной системы совершил пролет вблизи Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. 14.1. Юпитер, его кольца и спутники Открывает ряд планет-гигантов Юпитер. Самая большая планета Солнечной системы, превышает суммарную массу всех остальных планет и составляет тысячную долю массы нашей звезды. Будь планета в 80 раз больше по массе, с учетом схожего с Солнцем строения Юпитер смог бы стать второй звездой, а наша система получила бы двойную звезду Солнце — Юпитер. Выведенный на орбиту Юпитера искусственный спутник «Галилео» позволил получить важные сведения через прямые измерения температуры, давления, химического состава и т. д. с помощью зонда. Вокруг Солнца планета «пробегает» почти за 12 лет. Ось вращения Юпитера почти вертикальна по отношению к его орбите. Облачные полосы в слоях водородно-гелиевой атмосферы на диске планеты, вытянутые вдоль экватора, говорят о значительной скорости вращения вокруг своей оси: сутки на Юпитере длятся 10 земных часов. При этом скорости вращения на различных широтах несколько различаются — Юпитер вращается не как твердое тело. Красно-коричневая и желтоватая окраска полос свидетельствует о наличии примесей из аммиака, метана, углеводородов, соединений, содержащих фосфор и серу. Наличие же самих полос свидетельствует о различной скорости вращения на разных широтах. В атмосфере бушуют ураганные ветры, формируются циклоны. Так, еще в XVII в. было обнаружено образование, которое назвали Большим Красным Пятном. Оно является большим устойчивым вихрем размерами от 5 до 15 тысяч километров в поперечнике (данные разнятся). Скорость ветров достигает 500 км/ч. Если в верхних слоях атмосферы температура по разным оценкам составляет около –(130–145) °С, а облака пропу132 Глава 4. Солнечная система скают солнечный свет, то при погружении вниз на 4000 км лучи Солнца уже не в состоянии пробиться под облака. При этом температура начинает сильно расти и может достигать нескольких тысяч градусов по Цельсию — тепло исходит из недр планеты, от горячего ядра. Юпитер — обладатель самого сильного магнитного поля планет Солнечной системы. На полюсах оно в 20 тысяч раз сильнее земного, а магнитосфера простирается на миллионы километров, достигая орбиты Сатурна. Заряженные частицы больших энергий потока солнечного ветра захватываются магнитным полем планеты, образуя радиационные пояса, сходные с земными. Как и на Земле, у полюсов планеты наблюдаются полярные сияния, возникающие в результате взаимодействия магнитосферы Юпитера с солнечным ветром. Радиационные полюса Юпитера были обнаружены по их мощному радиоизлучению. Электроны в магнитном поле планеты теряют энергию при торможении в виде излучения, которое так и магнитотормозное. названо — При значительных энергиях электронов это излучение является синхротронным, подобным космическим источникам радиоизлучения. Юпитер имеет систему колец толщиной от 2 до 12 тысяч километров, которые состоят из частиц пыли (рис. 4.9). С. К. Всех В 1960 г. их наличие предсказал советский ученый святский. Его гипотеза основывалась на появлении с определенной периодичностью тонкой темной полосы на экваторе Юпитера. Некоторое время спустя автоматические зонды «Вояджер-1, -2» обнаружили систему тонких колец, обращенных ребром к нашей планете, состоящую из мелких твердых частиц, слабо отражающих свет. Четыре спутника планеты были открыты еще в 1610 г. Галилео Галилеем — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто — и относятся к планетоидному типу. Остальные спутники — от самого близкого Амальтеи до самого далекого — имеют неправильную форму и относятся к астероидному типу. 1 4 Глава 4. Солнечная система положениям ученых, под ледяной коркой вода присутствует на Европе и в жидком состоянии. Природа длинных борозд, обнаруженных на поверхности Ганимеда, остается загадкой для исследователей. Это самый крупный спутник Солнечной системы. Его особенностью является наличие атмосферы, а на полюсах обнаружены ледяные полярные шапки. Кратеры метеорного происхождения покрывают поверхность Каллисто. Один из самых заметных на нем — кратер «Бычий глаз» диаметром 600 км — имеет многокольцевую структуру. 14.2. Сатурн, его кольца и спутники Знаменитый своими кольцами Сатурн замыкает череду планет, которые можно наблюдать невооруженным глазом (рис. 4.10). Если не учитывать размеры колец, Сатурн лишь немного уступает по размерам Юпитеру и составляет 95 земных масс. Если бы нашелся водоем, который бы смог вместить Сатурн, планета бы в нем плавала — плотность Сатурна составляет 700 кг/м (плотность воды 1000 кг/м ). 3 3 Как и Юпитер, Сатурн по составу близок к нашей звезде, у него отсутствует четко выраженная поверхность, а понятие рельефа к нему неприменимо. Температура в его облачном слое достигает –178 °С. Сатурн делает полный оборот вокруг нашего светила за 29,5 земных лет, при этом на планете проходит около 25 тысяч сатурнианских суток — 25 тысяч раз успевает планета обернуться вокруг своей оси, так как сутки на Сатурне длятся 10 часов, 39 минут и 22 секунды. Период обращения при этом, как и у Юпитера, увеличивается с увеличением широты. Достаточно выражена эллиптичность орбиты планеты. Если бы Сатурн был расположен ближе к Солнцу, на планете наблюдалась бы такая же смена сезонов, как и на Земле: на135 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Рис. 4.10. Сатурн клон оси Сатурна близок к земным значениям и составляет 26°45ʹ. Но планета получает значительно меньше солнечного тепла в течение года, поэтому и смена сезонов выражена слабо. Температура диска Сатурна близка к –170 °С и без притока тепла из недр была бы на несколько десятков градусов ниже. На диске Сатурна также можно различить полосы и другие образования, хотя контраст деталей и меньше, чем на Юпитере. В атмосфере Сатурна появляются белые пятна, которые по своей сути сходны с Большим Красным Пятном Юпитера. Ураганные ветры на планете потрясают — их скорость достигает 600 км/ч, а при некоторых условиях и гораздо больших значений. Планета обладает мощным магнитным полем, сравнимым с земным, а вблизи полюсов Сатурна наблюдаются полярные сияния. Ослепительные кольца достигают в ширине 80 000 км, что превышает радиус самой планеты. При этом их толщина — всего несколько километров. Все кольца Сатурна 1 7 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Энцелад обладает идеальной сферической формой. «Кассини» зарегистрировал на спутнике потрясающие по размерам гейзеры (рис. 4.11). Струи воды в виде пара и льдинок поднимаются вверх настолько, что способны преодолеть притяжение спутника. По орбите спутника проходит одно из колец Е). Сатурна (кольцо Предполагают, что планета приобрела это кольцо благодаря вулканической деятельности Энцелада. 14.3. Уран, его кольца и спутники Уран по праву называют триумфом наблюдательной астрономии — У. Гершель открыл эту планетув XVIII в., хотя до этого астрономы замечали ее не менее 20 раз, но ошибочно относили к звездам. Удивляет и ось вращения планеты — она располагается в плоскости орбиты Урана (угол с вертикалью составляет 97,9°), что приводит к своеобразию перемещения Солнца на небе планеты. За один период обращения вокруг Солнца, составляющий 84 года, склонение последнего измеРис. 4.11. Энцелад 138 Глава 4. Солнечная система няется. Почти во всех точках планеты возможно наблюдение полярной ночи и полярного дня. Сутки на Уране продолжаются 17,24 часа. Детали на диске Урана неразличимы, но наблюдаются периодические колебания блеска. Спектроскопическим методом в атмосфере планеты обнаружены наряду с гелием и водородом метан, ацетилен. Именно значительно большее количество метана (по сравнению с Юпитером и Сатурном) в верхнем облачном слое придает Урану зеленоватую окраску. Кроме того, в атмосфере планеты содержится гораздо большее количество льда. Ураганные ветры достигают скоростей свыше 560 км/ч. Температура планеты близка к –200 °С. Данные показывают, что поверхности Урана, как освещаемые, так и неосвещаемые Солнцем, имеют практически равную температуру. В отличие от других планет, Уран не излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Научно обоснованных однозначных предположений относительно низкой мощности генерируемой планетой энергии пока нет. Уран — самая холодная планета Солнечной системы. Обращает на себя внимание особенность магнитного поля планеты: ось, проходящая через магнитные полюсы планеты, смещена на расстояние 6000 км от центра Урана и наклонена к оси вращения на 60°. В 1977 г. у планеты была обнаружена система колец. Их отражательная способность мала, а разреженность частиц колец велика. По этой причине кольца не наблюдаемы любительскими телескопами. Сами кольца представляют собой тела размером в несколько метров в диаметре, состоящие из льда и пыли. Система колец узкая и не превышает 10 км. При этом радиус внешнего кольца расположен на расстоянии 97 730 км от центра Урана. Спутники Урана в любительские телескопы не видны. Самые крупные из 27 спутников — Титания и Оберон. Их поверхность изрезана кратерами, следами вулканической 139 Астрономия | Общеобразовательная подготовка деятельности. Умбриэль — обладатель очень темной поверхности. вызывает один из наименьших спутников планетоидного типа — Миранда. Его поверхность имеет уникальную структуру, возникшую, видимо, в результате мощных ударных процессов, которые могли привести спутник к полному разрушению. Нептун, его кольца и спутники Самая дальняя планета Солнечной системы — Нептун (рис. 4.12). Открытие планеты увеличило размеры Солнечной системы почти в два раза. Период обращения составляет 165 лет. Сутки длятся на Нептуне около 16 часов. Подобно Рис. 14.12. Нептун 140 Глава 4. Солнечная система другим планетам-гигантам, Нептун вращается не как твердое тело. Угол наклона оси вращения Нептуна к его орбите близок к земным значениям и составляет 28,3°, поэтому смена сезонов на планете была бы наблюдаемой при его более близком расположении к Солнцу. Пролетевшая мимо Нептуна АМС «Вояджер-2» значительно расширила наши представления о Нептуне. Подобно Урану, цвет атмосфере Нептуна придают кристаллы метана, сероводорода, аммиака, которые содержатся в ней вместе с водородом и гелием. Но полного научного обоснования глубокого синего цвета Нептуна сегодня не представлено. КА позволил обнаружить в атмосфере темные пятна. Эти бури хотя и сопоставимы по масштабам с Большим Красным Пятном, но значительно менее продолжительны — около нескольких лет. В атмосфере планеты бушуют ураганные вихри со скоростью свыше 1000 км/ч. Это самые сильные ветры в Солнечной системе. Температуры поверхности Нептуна и Урана сопоставимы (–214 °С). Но Нептун, подобно Юпитеру и Сатурну, излучает больше тепла, чем получает от Солнца. Магнитное поле Нептуна создает мощную магнитосферу планеты. При этом ось, проходящая через магнитные полюсы планеты, смещена по отношению к оси вращения на 47°. Поэтому при вращении планеты магнитосфера изменяет свою форму. Кольца Нептуна были обнаружены сравнительно недавно — в 1989 г. В их структуре чередуются светлые и темные участки. Вещество в кольцах распределено неравномерно, образуя отдельные сгущения, называемые арками. У планеты обнаружены 14 спутников, которые в любительские телескопы не видны. Тритон — самый крупный спутник Нептуна — был открыт спустя несколько недель после открытия самой планеты (рис. 4.13). Тритон — обладатель азотистой атмосферы. На его поверхности обнаружены кратеры, полярные шапки и гейзеры. 141 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Рис. 4.13. Нептун и Тритон Отражательная способность поверхности спутника очень велика. А обратное направление вращения спутника позволяет выдвинуть предположение, что ранее Тритон, являясь карликовой планетой, был захвачен гравитационным полем Нептуна. Вопросы и задания 1. Сравните астрофизические особенности ледяных и газовых гигантов. На основе каких критериев вы осуществите поиск сходств и различий двух групп небесных тел? 2. Охарактеризуйте особенность спутников планет-гигантов. Сравните наиболее крупные из них с Луной. На основе каких критериев вы осуществите поиск сходств и различий Луны и наиболее крупных спутников планет-гигантов? 3. Поясните, в чем состоят сходство и различия системы колец каждой из планет-гигантов. 142 Глава 4. Солнечная система 4. Перечислите и поясните суть проблем, над решением которых сегодня работают планетологи, исследующие планеты-гиганты. Охарактеризуйте структуру планет-гигантов. Поясните, почему является некорректным применение к их поверхности понятия «рельеф»? Предположите, что подразумевают под понятием «поверхность планеты-гиганта». Астрономия | Общеобразовательная подготовка § 15. Малые тела Солнечной системы В состав Солнечной системы наряду с нашей звездой, планетами и их спутниками входят объекты, движущиеся по различным орбитам. В 2006 г. Международный астрономический союз (МАС) своим решением определил критерии для классификации малых тел Солнечной системы, а также ввел еще один класс небесных объектов — карликовые планеты. Поэтому «населением» нашей Солнечной системы являются астероиды, кометы, метеорные тела, карликовые планеты, пыль и газ. 15.1. Астероиды Астероиды («звездоподобные») — малые тела Солнечной системы размером от нескольких сотен километров до нескольких десятков метров. Открытие первого астероида (Церера, сейчас отнесена к карликовым планетам) связано с поиском планеты между орбитами Марса и Юпитера. Еще в конце XVIII в. немецкий астроном Иоган Боде опубликовал «Руководство по изучению звездного неба», где представил правило, сформулированное еще немецким математиком Тициусом: расстояние планеты от Солнца R можно определить на основе числовой послеn В астрономических единицах это расстояние определяется следующей закономерностью: n R = 0, 4 + 0,3 ⋅ 2 , n n n = где = –∞ для Меркурия и 0, 1, 2… для последующих планет. Расстояние до Урана определялось данной последовательностью с ошибкой лишь в 2%. Эта последовательность «предсказывала» и наличие планеты между орбитами Марса и Юпитера. 1 января 1801 г. Джузеппе Пиацци открыл новый объект именно в этом районе, но ошибочно решил, что это 144 Глава 4. Солнечная система комета. Имевшихся наблюдений было недостаточно для точного определения орбиты. Ровно через год эту планету переоткрыл Генрих Ольберс. И расстояние от Цереры, как была названа новая планета, до Солнца согласовывалось с правилом Тициуса—Боде. Уже спустя год Генрих Ольберс обнаружил еще одно небесное тело, названное Палладой. Далее последовали Юнона, Веста, Астрея и другие. Как и Церера, некоторые астероиды терялись, их переоткрывали заново. По состоянию на 11 сентября 2017 г. в базе данных НАСА — «HORIZONS» насчитывалось 739 062 объекта, из которых для 496 915 точно определены орбиты и которым присвоены официальные номера. Большинство астероидов обнаружены в Главном поясе, между орбитами Марса и Юпитера. Но найдены объекты и внутри орбиты Марса, Земли, за орбитой Юпитера и Сатурна, а также в транснептуновой области в поясе Койпера (пояс малых тел, расположенных за орбитой Нептуна на расстоянии 35–50 а. е.). Наиболее далекие из открытых астероидов (Седна) в поясе Койпера удаляются от Солнца на расстояние порядка 400 а. е. Орбиты астероидов имеют большие, чем у планет, эксцентриситеты — в среднем около 0,15. В результате отдельные орбиты астероидов могут пересекать орбиты планет. Так, астероид Икар пересекает орбиты Земли, Венеры и Меркурия и каждые 9, 19 и 38 лет сближается с Землей. Но все же у большинства астероидов орбиты не слишком отличаются от окружностей и чаще близки к плоскости эклиптики. Первоначально имена астероидов соответствовали именам мифических женщин: Паллада, Юнона, Веста. Сейчас в каталогах астероидов можно найти и названия, связанные с именами великих ученых, писателей, артистов, и просто номера соответствующих объектов. Впервые снимок астероида (Гаспар, затем Ида) был выполнен в 1991 г. АКА «Галилео», который направлялся к Юпитеру. Специально предназначенный для по1 6 Глава 4. Солнечная система А 1 А 2 Рис. 4.14. Точки Лагранжа в системе Солнца и планеты на равное расстояние от одной из планет (Юпитера, Нептуна, Сатурна, Марса) и Солнца. По современным оценкам число троянцев на орбите Юпитера превышает один миллион. Греки опережают Юпитер, а троянцы отстают от планеты приблизительно на 60°, находясь в резонансном движении с Юпитером с отношением периодов 1:1. 15.2. Карликовые планеты Карликовые планеты — малые тела, обращающиеся вокруг Солнца, обладающие сферической формой и не являющиеся спутниками планет. Масса карликовой планеты такова, что ее достаточно для пребывания планеты в состоянии гидростатического равновесия, что и позволяет приобрести небесному телу сферическую форму, но при этом массы недостаточно, чтобы планета была способна «расчистить» окрестности своей орбиты. Новая группа тел Солнечной системы «возникла» в 2006 г. решением Астрономического союза. В эту группу вошли Плутон, первый из открытых и крупнейший астероид Церера в поясе астероидов, а также Эрида — планета, открытая за орбитой Нептуна. Именно открытие Эриды способствовало 147 Астрономия | Общеобразовательная подготовка выделению особого типа объектов — карликовых планет. Диаметр Эриды составляет около 2500 км. Уже в 2009 г. к ним присоединились Хаумея и Макемаке, далее претендует на звание карликовой планеты Квавар, который по размеру сравним с Плутоном, но сильно уступает по массе, и открытая спустя год Седна, расположенная за поясом Койпера и, вероятнее всего, принадлежащая облаку Оорта. Ее орбита, в отличие от других карликовых планет, имеет ярко выраженную эллиптическую форму. Она вытянута настолько, что в афелии Седна удаляется от Солнца на 961 а. е., а в перигелии приближается лишь на 76 а. е. Период ее обращения вокруг Солнца составляет 12 тысяч лет. В спектре Седны обнаружено присутствие водяного льда, метана, азота. Предполагают, что в перигелии у Седны появляется временная атмосфера. Сходные изменения касаются и Плутона. Ему принадлежит особый статус среди планет-карликов. Открытый в 1930 г., он оказался обладателем крупного спутника Харона, сравнимого с ним по массе. Поэтому систему «Плутон — Харон» нередко называют двойной карликовой планетой. Плутон и Харон вращаются синхронно, обращенные друг к другу одной и той же своей стороной. Плутон обладает атмосферой, которая при приближении к Солнцу (орбита Плутона пересекает орбиту Нептуна!) окружает карликовую планету, а при удалении замерзает и в виде снега падает на поверхность. С Плутона Солнце выглядит как яркая звезда, слабо освещающая поверхность планеты. Температура на Плутоне не превышает –220 °С. Его орбита достаточно вытянута, а среднее расстояние от Солнца составляет 39,53 а. е. Период осевого вращения составляет 6,4 земного дня. Один оборот вокруг Солнца Плутон совершает за 247,7 земного года. При этом плоскость орбиты имеет значительное наклонение (17°). Поверхность карликовой планеты покрыта льдами из метана и азота с примесью углеводородов. Таков же состав атмосферы. Церера — знаменитый представитель группы карликовых 148 Глава 4. Солнечная система планет. Она имеет температуру поверхности около –106 °С. Обращаясь по орбите, близкой к круговой, находится в поясе астероидов. По приблизительно этой же орбите движутся другие объекты — астероиды Паллада, Веста, Юнона. Диаметр Цереры — около 950 км. Вероятно, что внутри ее недр расположены каменное ядро и ледяная мантия. Лед обнаружен и на поверхности карликовой планеты. Сутки на Церере длятся около 9 земных часов, а период обращения вокруг Солнца — 4,6 земного года. Потрясающая Хаумея — трехосный эллипсоид. Его вытянутая форма не нарушает общего условия попадания в класс карликовых планет: вращение тела в состоянии гидростатического равновесия приводит к тому, что из сферической тело приобретает форму эллипсоида, сжатого вдоль оси вращения. Учитывая скорость вращения (период составляет менее 4 часов), данное условие выполняется. Общими характеристиками планет-карликов являются их размеры (различие не превышает 3–4 раза) и масса (различие не более чем в 20 раз). 15.3. Кометы Кометы — малые тела Солнечной системы, состоящие из смеси льда и пыли. Согласно современным представлениям облаке Оорта. кометные ядра расположены в Под воздействием внешних факторов отдельные кометные ядра могут изменить свою орбиту, влетая в область планетных орбит. Кометы движутся вокруг Солнца по ярко выраженным эллиптическим или гиперболическим орбитам. Различают короткопериодические кометы с эллиптической орбитой и периодом обращения менее 200 лет и долгопериодические. Солнце находится в одном из фокусов эллипса орбит. Орбиты периодических комет подвергаются воздействиям со стороны гравитационного поля планет-гигантов. Поэтому комета может перестать быть наблюдаемой. 149 Астрономия | Общеобразовательная подготовка ядра, головы (комы) хвоста Комета состоит из и (хвостов). В центре головы просматривается ядро кометы. При приближении к Солнцу лед начинает испаряться. Ядро кометы окутывается газами и пылью — мелкими частицами камня и металлов, которые были вморожены в ледяное ядро. От головы кометы тянется хвост. Газопылевое облако светится. Частично это отраженный солнечный свет, частично — собственное свечение. Чем ближе к Солнцу приближается комета, тем большее количество частиц вылетает из кометного ядра. На нейтральные молекулы и атомы вещества, пылинки действует давление солнечного света, на ионизированные молекулы и атомы — давление солнечного ветра. У кометы появляется огромный светящийся хвост. Он имеет сложную структуру. Русский ученый Ф. А. Бредихин классифицировал кометные хвосты по трем типам. Каждый из типов хвостов образуется частицами разного рода. Так, ионы атомов и молекул образуют первого типа — плазменные хвосты длинные, направленные почти прямо от Солнца. Хвосты второго типа составляют вырывающиеся из ядра пылинки — изогнутые, отклоненные. При вылете целого облака пыли появляются хвосты третьего типа — короткие, почти прямые и отклоненные. Длина хвоста может достигать в длину сотен миллионов километров (рис. 4.15). Вся масса сосредоточена именно в ядре кометы. За один виток комета теряет значительную долю вещества. Так, комета Галлея теряет до 370 миллионов тонн. В настоящее время ядро кометы Галлея содержит около 10 миллиардов тонн льда. Самая знаменитая из всех комет, легко доступная для наблюдения, она стала одним из триумфов законов небесной механики: Эдмунд Галлей, основываясь на математическом аппарате, разработанном И. Ньютоном, рассчитал параметры орбит нескольких появлений кометы и сделал вывод о том, что наблюдалась одна и та же комета. Полученный период 1 1 Астрономия | Общеобразовательная подготовка система только формировалась. Другая особенность связана с проблемой зарождения жизни на Земле. Одна из гипотез основывается на возможности привнесения органической жизни на Землю вместе с кометными ядрами. 15.4. Метеорные тела Потеряв большую часть массы, кометное ядро может развалиться на множество мелких осколков. Возможно и столкновение кометного ядра с астероидом или планетой, и движение этих осколков по орбите, пересекающей орбиту Земли. Небесные объекты, влетающие в атмо с феру Земли, называют метеорными телами. Их движение сквозь атмосферу Земли может вызвать различные явления. Если при движении по своей орбите мелкие осколки комет или астероидов пересекают орбиту Земли, в атмосфере за счет значительного трения мелкие метеорные тела сгорают — метеоров метеорных потонаблюдается явление или ков: земной наблюдатель видит яркие следы «падающих звезд» — кратковременные вспышки, оставляющие на несколько секунд узкий светящийся след. Если продолжить короткие следы, то все они сходятся почти в одной точке, которую называют радиантом. Орбиты некоторых потоков метеорных тел Земля пересекает с определенной периодичностью. Так, метеорный дождь Леонид систематически наблюдается с XVIII в. с периодом в 33 года. Некоторые метеорные дожди выпадают ежегодно. В «Школьном астрономическом календаре» на учебный год указываются периоды их возможного наблюдения и созвездия, на которые они проецируются для земного наблюдателя. Так, Персеиды наблюдаются регулярно целое столетие с конца июля и почти до конца августа (радиант в созвездии Персея). В период с 24 апреля по 20 мая можно наблюдать Аквариды (радиант в созвездии Водолея) — метеорный ливень, связанный с кометой Галлея, и т. д. Установлено, что наблюдавшиеся в 152 Глава 4. Солнечная система конце XIX в. интенсивные метеорные дожди Андромедид (радиант в созвездии Андромеды) были вызваны осколками развалившегося ядра кометы Биэлы. Более крупные метеорные тела с массами в десятки граммов могут вызвать при движении в атмосфере явление болида. Появление болида сопровождается ярким следом за огненным шаром, движущимся в течение нескольких минут. Если масса падающего тела достигает нескольких килограммов, оно может не успеть полностью разрушиться в полете и упасть на Землю в виде метеорита. Процессы испарения и свечения, происходящие при полете метеорного тела, происходят в поверхностном слое, кристаллическая структура при этом не повреждается, а снаружи образуется кора плавления с характерными вмятинами — регмаглиптами (следами полета со сверхзвуковой скоростью метеорного тела в атмосфере Земли). Химический анализ позволяет сделать вывод о природе метеорного тела, выпавшего в виде метеорита. Различают три вида метеоритов по химическому составу: каменные, железокаменные и железные. Железные метеориты содержат никелистое железо (91% железа, 8,5% никеля, 0,6% кобальта), которое в земных минералах не встречается. Если поверхность такого метеорита отполировать, то при травлении кислотой на ней появляется система продольных и поперечных полос. Они объясняются первоначальными процессами образования породы, при этом исходное космическое тело должно было иметь диаметр, сравнимый с диаметрами астероидов. Каменные метеориты подразделяют на хондриты и ахондриты. Наиболее часто встречаются хондриты. В своем составе они содержат 36% кислорода, 26% железа, 18% кремния и 14 % магния. По содержанию кислорода и кремния они близки к составу земной коры, но с меньшим количеством металлов. Для них характерно наличие хондр — небольших круглых частиц размерами от долей до нескольких сантиметров. Эти 1 5 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Туринской шкалы астероидной опасности. Она содержит 11 уровней (от 0 до 10 баллов), в соответствии с которыми классифицируются объекты, исходя из степени их опасности для Земли, в зависимости от массы, возможной скорости и вероятности столкновения с Землей, а также потенциальных разрушений, к которым может привести катастрофа. Подобно шкале Рихтера, используемой в сейсмологии для указания разрушительной силы землетрясений, Туринская шкала доступна для интерпретации широкому кругу пользователей. К нулевому уровню отнесены те объекты, о которых с уверенностью можно сказать, что они не достигнут поверхности Земли. Пятый-седьмой уровни включают тела, явно угрожающие Земле, а объекты последних трех уровней неизбежно столкнутся с нами с последствиями от локальных разрушений до глобальной катастрофы. Перемещение объекта из одной категории в другую возможно в зависимости от поведения на орбите и уточнения данных о нем. Так, открытый в июле 2002 г. астероид 2002 NT7 по предварительным расчетам мог столкнуться с Землей в феврале 2019 года, но последующие наблюдения показали, что его траектория менее опасна для нашей планеты. Список астероидов, пролетающих вблизи Земли, приведен на сайте программы NEO (NASA) и дублируется на других сайтах, предназначенных как для профессионалов, так и для астрономов-любителей. 15.5. Другие малые тела Солнечной системы Весной с западной стороны неба и осенью в восточной стороне небесной сферы можно наблюдать слабое свечение в виде наклонного конуса, растянутого вдоль эклиптики. Его яркость сравнима с яркостью Млечного Пути и уменьшается с ростом высоты. Зодиакальный свет — результат рассеяния солнечного света мелкими пылинками, расположенными в Солнечной системе. Плотность этого пылевого облака составляет 10 кг/м . –20 3 156 Глава 4. Солнечная система Ряд объектов, открытых учеными в последнее время в транснептуновой области, затруднительно отнести к определенному классу. Основной проблемой в их изучении является удаленность пояса Койпера. В нем сегодня рассматривают подгруппы малых тел (плутино, кьюбивано и др.). Все объекты, обнаруживаемые в этой области Солнечной системы, обращаются вокруг нашей звезды в прямом направлении, как и планеты, астероиды и другие тела. Но за поясом Койпера предполагается существование новых объектов облака Хилса и еще более удаленных и неизученных объектов облака Оорта. Вопросы и задания 1. Сравните малые тела Солнечной системы, исходя из особенностей их траекторий и областей расположения. 2. Охарактеризуйте группу планет-карликов. Поясните, что означает фраза «расчистить собственную орбиту от других тел сравнимой массы». 3. Дайте характеристику кометам. Какие физические процессы и явления описывают изменение внешнего вида кометы при приближении к Солнцу и при удалении от него? 4. Поясните термин «астероидно-кометная опасность». Выскажите собственную позицию относительно уровня опасности. Ответ обоснуйте. 5. Перечислите классы объектов, входящих в состав Солнечной системы, и основные направления их исследования. 157 Глава 5. Звезды § 16. Методы изучения звезд Мир звезд бесконечно разнообразен. Солнечная система — обладатель удивительной звезды по имени Солнце, которая относится к желтым карликам. Вообще, шарообразные звезды — небесные объекты, излучающие свет, состоящие из газа и удерживаемые в равновесном состоянии гравитационными силами, в недрах которых протекают термоядерные реакции. Учитывая, что другие звезды удалены от нас на значительное расстояние, полученные при изучении Солнца данные ученые экстраполируют на другие подобные объекты Вселенной. При этом учитывается, что физические законы, открытые на Земле, действуют во всей доступной наблюдениям части Вселенной. 16.1. Анализ электромагнитного излучения Основной источник информации о звезде — ее излучение. Ранее (§ 2) рассматривалось понятие «видимая звездная веI I личина». Если обозначить через и блеск звезд, видимая 1 2 звездная величина которых, соответственно, m и m , и учесть, 1 2 что блеск двух светил, звездные величины которых отличаются на единицу, отличается, в свою очередь, в 2,512 раза, то I m − m 1 = 2,512 . (5.1) 2 1 I 2 Прологарифмировав выражение (5.1), получим соотношение, которое носит название формулы Погсона и позволяет по измеренному отношению блеска двух светил находить разность их видимых звездных величин и наоборот: I m m = lg 1 0, 4( − ) . (5.2) 2 1 I 2 158 Глава 5. Звезды Звезды находятся от нас на различных расстояниях, и светивидимые звездные величины не несут информации о мости небесных объектов: Солнце и Луна являются наиболее яркими светилами земного неба, потому что расположены значительно ближе других. Под светимостью будем понимать полную энергию, излучаемую светилом в единицу времени. абсолютДля сравнения звезд по светимости используют ную звездную величину М — видимую звездную величину, которую имела бы звезда, если бы находилась от нас на расстоянии 10 парсек. Парсек — расстояние, на котором параллакс светила равен 1ʺ. Ранее (§ 8) рассматривалось понятие параллактического смещения для тел Солнечной системы. Но звезды расположены от земных наблюдателей настолько далеко, что параллактическое смещение можно обнаружить только с использованием телескопов, оборудованных специальными устройствами для точных угловых измерений. При этом базиа. Годичным сом выступает большая полуось орбиты Земли параллаксом (или просто параллаксом) звезды называют угол, под которым со светила была бы видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно направлению на звезду. На рис. 5.1 точка С — положение Солнца, точка А — М — положение Земли при ее движении по орбите, положение светила. Тогда расстояние D до светила М c учетом его параллакса р определяется из соотношения a D = . (5.3) sin p Впервые измерения годичного параллакса светил осуществили в XIX в. Для ближайшей к Солнечной системе звезды (Проксима Центавра) р = 0,75ʺ. С учетом того, что параллаксы других светил еще меньше, синусы углов можно заменить величиной самого угла, выразив ее в радианной мере. Синус 1 0 Глава 5. Звезды С учетом (5.5): D 2 M − m = 2,512 . (5.7) M D 2 m Прологарифмировав соотношение (5.7) и используя свойства логарифмов и то, что D = 10 парсек, представим в виде: M 0, 4( M − m = ) lg10 2 − lg D 2 . (5.8) m Тогда, зная расстояние (или параллакс светила), а также его видимую звездную величину, можно определить абсолютную звездную величину: M = m + 5 – 5lg D . (5.9) m 16.2. Спектральный анализ Важнейшую информацию о физических процессах, характеризующих звезды, дает спектральный анализ. Еще в XIX в. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф установили, что линейчатые спектры химических элементов специфичны, каждому элементу соответствует свой набор спектральных линий, что позволяет по характеру спектра определить химический состав вещества — провести спектральный анализ. Разреженный одноатомный газ дает линейчатый спектр, сжатый газ, жидкие и твердые тела испускают сплошной спектр. Каждая отдельная линия в линейчатом спектре образуется светом с определенной длиной волны. При пропускании белого света через пары вещества возникают на фоне сплошного спектра темные линии — линейчатый спектр поглощения. Впервые в спектре нашего светила Й. Фраунгофер обнаружил и описал линии поглощения, что позволило изучить состав атмосферы звезды. В дальнейшем оказалось, что в целом атмосферы звезд имеют сходный химический состав, разнообразие звездных спектров объясняется различием температуры светил. Важным выводом явился и тот факт, что все обнаруженные элементы в составе небесных тел были известны (гелий, впервые обнаруженный в атмосфере Солнца, был найден и на Земле). 161 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Звезды, находясь от нас на значительных расстояниях, кажутся нам неподвижными. Но каждая из них движется в пространстве относительно нашей планетной системы. Изменение положения линий в спектре звезд позволяет определить скорость их движения. Так, если светило приближается к наблюдателю, то линии в принимаемом наблюдателем спектре светила будут смещаться к сине-фиолетовому концу спектра по отношению к положению линий в спектре неподвижного источника (например, наблюдаемого в лаборатории). Если светило удаляется от наблюдателя, будет регистрироваться смещение длин волн излучения в сторону красной части эффектом Доплера. спектра. Это явление называется Сколучевая скорость v, рость источника по лучу зрения, или определяется соотношением | λ − λ | v = c , (5.10) 0 λ 0 где λ — длина волны в спектре движущегося источника; λ — длина волны спектральной линии для неподвижного 0 источника; с — скорость света в вакууме. Благодаря эффекту Доплера удалось обнаружить, что звезды вращаются вокруг своих осей, а также определить скорости их вращения. Оказалось, что скорость осевого вращения звезд зависит от их спектрального класса, что может быть связано с эволюционными процессами звезд. 16.3. Энергетические методы оценки физических параметров звезд Любое нагретое материальное тело состоит из множества атомов и молекул, которые в процессе роста температуры набирают, а затем и излучают энергию. Лучеиспускательная способность нагретых объектов есть функция длины волны и температуры, это спектральная характеристика теплового излучения. При повышении температуры длина волны умень162 Глава 5. Звезды шается. Поэтому раскаленное тело с повышением температуры становится сначала красным, оранжевым и постепенно белым. Согласно закону смещения Вина длина волны, на которую приходится максимум излучения абсолютно черного тела (поглощает любые излучение при любой температуре), определяется соотношением − 3 K 2,910 ⋅ 10 ⋅ ì λ = . (5.11) max T Закон смещения Вина справедлив и для серых тел. Это один из методов, позволяющий дать оценку температуры светила. Другой метод оценки температуры звезд основан на определении мощности излучения, приходящейся на единицу площади поверхности тела. Энергия Е, излучаемая нагретым телом с единицы площади поверхности абсолютно черного тела в единицу времени (при использовании идеи Планка о дискретной, квантовой природе излучения), определяется законом Стефана—Больцмана: 4 E = σ ⋅ T , (5.12) Âò где σ — постоянная Стефана, σ = 5,67 ∙ 10 . –8 2 ⋅ 4 ì Ê Эту же энергию можно определить через величину светимости звезды L и ее радиус R: L E = . (5.13) R 2 4 π С учетом (5.11) и (5.12) можно получить соотношение для оценки температуры светила: L T = . 4 (5.14) R 2 4 π σ 163 Астрономия | Общеобразовательная подготовка L L можно Светимость звезд и связать с их абсолютными 1 2 звездными величинами М и М по аналогии с соотноше 1 2 нием (5.7): L M − M = 2,512 . (5.15) 1 2 1 L 2 Если в качестве одной из звезд выбрать Солнце, принять, что его светимость равна единице, а абсолютная звездная величина составляет +5, то светимость звезды может быть определена в единицах светимости Солнца: L = 2,512 5 − M . (5.16) Вопросы и задания 1. Охарактеризуйте методы определения расстояний до звезд и их температур. 2. Раскройте особенности применения спектрального метода в астрономических исследованиях. 3. Солнечная постоянная составляет 1370 Вт/м . Пользуясь 2 законом Стефана—Больцмана и законом Вина, определите максимальную длину волны, на которую приходится максимум излучения Солнца. 4. Параллакс Веги (α Лиры) впервые определил русский В. Я. Струве. ученый Он оказался равен 0,121ʺ. Определите, на каком расстоянии от земного наблюдателя находится звезда. Определите расстояние в километрах, парсеках, астрономических единицах и световых годах. 5. Определите величину и направление лучевой скорости звезды, если линия ее спектра с длиной волны 0,55 мкм была смещена к фиолетовому концу спектра на 55 пм. 164 Глава 5. Звезды § 17. Солнце и его особенности В древнегреческих стихах есть строки, посвященные Солнцу: «Солнце собой возрождает все то, что способно меняться» . 1 Двухмиллиардная доля потока излучения нашего светила определяет физические процессы и условия на Земле, приводя в движение колоссальные массы воздуха в земной атмосфере, определяя погоду и климат, способствуя возникновению источников энергии, обеспечивая теплом и светом живое на нашей планете. Солнце — типичный представитель мира звезд, уникальный для нас, потому что только для этого водородно-гелиевого шара мы можем непосредственно наблюдать и организовывать исследование свойств и процессов, протекающих на нем. В России мониторинг корональных выбросов проводится, в частности, Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН). Исследования проводятся «на базе как наземных (Большой солнечный телескоп с вектормагнитографом, единственные в России радиоспектрографы метрового диапазона, Большой внезатменный коронограф), так и космических («КОРОНАС-Ф» (Комплексные Орбитальные ОколоземSOHO and ные Наблюдения Активности Солнца), (Solar Heliospheric Observator) и др.) наблюдений» . 2 Для изучения солнечно-земной физики используются КА SOHO, STEREO, SDO (Solar Dynamics Observatory), RHESSI (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager), Hinode и др. Неизвестные поэты разных эпох. Хвала Солнцу. Т. 4. Античная 1 лирика. — М.: Художественная литература, 1968. — С. 625. (Прим. авт.). http://www.izmiran.ru/IZMIRAN75/STP/Fomichev.pdf. Фомичев В. В. 2 Обридко В. Н. Филиппов Б. П. Исследования по физике Солнца и солнечно-земным связям. 165 Астрономия | Общеобразовательная подготовка 17.1. Физические особенности Солнца Солнце представляется наблюдателю почти идеальным кругом на небесной сфере с четкими границами (лимбом). Так как звездное вещество находится в нескольких агрегатных состояниях и их четкие границы не проявлены, а выраженная поверхность у Солнца отсутствует, для определения радиуса Солнца используют понятие «фотометрический край» (резкий перепад распределения яркости монохроматического излучения с длиной волны в 5 ∙ 10 м у лимба). Радиус диска –7 Солнца меняется для земного наблюдателя в течение года из- за изменения расстояния Земли от Солнца при ее движении по эллиптической орбите. Поверхность сферы, описанной вокруг центра Солнца радиусом 696 000 км, можно назвать условной поверхностью — она близка к верхнему слою самой глубокой части солнечной атмосферы (фотосферы), где достигаются температурный минимум и наибольшая непрозрачность газов, что обеспечивает резкость видимого края светила. Если видимая звездная величина составляет –26,74 , то согласно m (5.9) абсолютная звездная величина нашего светила +4,83 . m Поверхность Солнца исходя из спектрального анализа имеет температуру, равную 5800 К (соотношение 5.11). Эти же значения найдены, исходя из энергии, получаемой нашей планетой от Солнца (соотношение 5.12). Она характеризуется солнечной постоянной — величиной, определяемой полной энергией, падающей в единицу времени на единицу площади, расположенной перпендикулярно солнечным лучам вне атмосферы Земли на среднем расстоянии от нашей планеты до Солнца. Величина солнечной постоянной истинно постоянной не является и составляет примерно 1373±14 Вт/м . Многолет2 измерения показывают, что данная величина, испытывая определенные периодические колебания возле стабильного среднего значения, которые могут объясняться появлением солнечных пятен от ±0,1% до ±0,2%, в среднем остается не166 Глава 5. Звезды изменной. Учитывая соотношение (5.13), можно определить светимость Солнца, которая равна 3,8 ∙ 10 Вт. Учитывая, что     26 мощность современных атомных электростанций составляет порядка миллиарда Вт, Солнце действует подобно 10 таким 17 атомным электростанциям. Еще Галилей, наблюдая наше светило в телескоп, обнаружил на нем темные пятна. Температура пятен ниже температуры фотосферы — около 4500–5000 К. Поэтому пятна кажутся темными по сравнению с остальной поверхностью. Перемещение отдельных деталей по солнечному диску, а также смещение спектральных линий от различных точек диска светила подтверждают движение вещества наружных слоев — Солнце вращается. Плоскость солнечного экватора, перпендикулярная оси его вращения, образует с плоскостью эклиптики угол в 7°15ʹ. Скорость вращения светила, определяемая по перемещению пятен на поверхности Солнца, убывает по мере удаления от экватора — различные по широте зоны Солнца вращаются вокруг оси с различными периодами. Для точек экватора сидерический период составляет порядка 25 суток, а вблизи полюсов — 30 суток (рис. 5.2). точки поверхности точки поверхности в конце в начале периода периода после полного обращения оборота Рис. 5.2. Схема вращения Солнца 167 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Из-за движения Земли наблюдателю на нашей планете вращение Солнца кажется чуть более медленным, поэтому синодический период вращения на экваторе составляет 27 суток, а у полюсов — 32 дня. Солнце вращается дифференцированно (на экваторе быстрее и медленнее на полюсах). В то же время внутренние части Солнца (ядро и лучистая зона) вращаются быстрее, чем внешние (конвективная зона и фотосфера). Характер вращения Солнца связан с его неоднородной плотностью. Массу Солнца можно определить, опираясь на третий закон Кеплера и используя ньютоновскую формулировку: квадраты сидерических периодов планет, умноженные на сумму масс Солнца и планеты, относятся как кубы больших полуосей орбит планет. Масса Солнца составляет порядка 99,87% от суммарной массы других тел всей Солнечной системы (1,9885 ∙ 10 кг). Исходя из величины массы и радиуса     30 Солнца, можно определить среднюю плотность вещества нашей звезды, которая составляет около 1410 кг/м . Веще3 значительная часть атомов ство Солнца — (газ, которого ионизирована). Исходя из массы и размеров светила, ускорение свободного падения на «поверхности» звезды порядка 274 м/с . 2 17.2. Состав и строение Солнца Наше светило расположено сравнительно близко. Это единственная звезда, которую мы можем наблюдать в качестве объемного тела. В распоряжении астрономов — телескопы с астроспектрографами. Установлено, что 90% числа атомов, из которых состоит Солнце, приходится на водород, почти 10% — на гелий. По массе водород составляет порядка 70% массы Солнца, гелий — порядка 29%. В видимой области излучение нашего светила имеет непрерывный спектр с наложением линий поглощения. В спектре светила отож 168 Глава 5. Звезды солнечная корона хромосфера фотосфера ядро зона лучистого переноса конвективная зона Рис. 5.4. Схема строения Солнца дествлены линии 72 химических элементов. Солнечный спектр простирается как в видимой, так и в невидимых частях диапазона электромагнитных волн. Инфракрасная область солнечного спектра до 15 мкм частично поглощается при прохождении земной атмосферы. Радиоизлучение светила отличается переменностью, амплитуда увеличивается с ростом длины волны. Солнце излучает в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Все виды излучений, которые мы принимаем от Солнца, возникают в его атмосфере. Она состоит из трех областей (рис. 5.4). Нижняя область — тонкий слой высотой 300 км — фотосфера. Именно ее мы и воспринимаем как поверхность Солнца, солнечный диск. Поверхность фотосферы гранулирована конвекционными процессами, которые способствуют 1 0 Глава 5. Звезды зона формирует вышележащие слои солнечной атмосферы. Грануляция — наблюдаемое в фотосфере проявление конвективной зоны в масштабе верхнего уровня конвективных элементов (ячеек). В темных промежутках между гранулами находится более холодный газ, опускающийся вниз. 17.3. Источники энергии Солнца С увеличением глубины плотность светила увеличивается и к центру Солнца достигает 150 000 кг/м , что превышает 3 плотность твердых тел в земных условиях. Температура и давление по направлению к центру Солнца быстро растут, а в центре давление достигает 2 ∙ 10 Па.     18 Вследствие частых и сильных столкновений и сближений частиц звездного вещества силы притяжения протонов преодолевают силы электрического отталкивания одноименных частиц, протоны объединяются, образуя атомы гелия, и происходят термоядерные реакции с выделением огромного количества энергии. Внутри Солнца происходит термоядерный протон-протонная цепочка термоядерных реаксинтез — ций, топливом для которых служит водород и энергия которых измеряется в мегаэлектронвольтах (1 эВ = 1,6 ∙ 10 Дж): –19 1 1 2 + H + H → H + e + v + 1, 442 ÌýÂ 1 1 1 2 H 1 H 3 He + → + γ + 5, 494 (5.17) ÌýÂ 1 1 2 3 He + 3 He → 4 He + 2 1 H + 12,860 . ÌýÂ 2 2 2 1 Первый этап реакции осуществляется примерно за 10 миллиардов лет, второй длится секунды, а третий этап требует порядка миллиона лет. Часть выделившейся энергии расходуется на взаимодействие элементарных частиц, а другая часть уходит на поддержание активного звездного вещества в некотором стационарном состоянии. Во время протон-протонных реакций синтеза, каждый раз, когда четыре протона водорода превращаются в гелий, характерным является обра171 Астрономия | Общеобразовательная подготовка зование двух нейтрино. Нейтрино — незаряженные частицы, двигающиеся со скоростью света и обладающие высокой проникающей способностью. Нейтрино, покинув глубины Солнца, за 8 минут достигают Земли. «Солнце производит много нейтрино, порядка 1,8 × 10 в секунду, и даже на Земле, 39 на расстоянии 150 млн км от Солнца, около 100 миллиардов нейтрино в секунду проходят через площадку размером с ноготь большого пальца (около 1 см). Они проходят сквозь Землю так, как если бы ее вообще не было» . 1 Для наблюдения солнечных нейтрино советский физик Б. М. Понтекорво в 1946 г., работая в канадской Национальной лаборатории в Чок-Ривере, предложил способ их обнаружения на основе реакции на изотопе хлора-37 с образованием радиоактивного ядра аргона-37. Несколько десятилетий исследователи разных стран регистрировали поток солнечных нейтрино значительно меньший, чем предполагалось в расчетных моделях. Наконец, в 2002 г. были получены дополнительные экспериментальные данные, которые позволили предположить, что по пути к Земле нейтрино меняют свой сорт, осциллируя (превращаясь в электронные, мюонные и тау нейтрино), и в силу этого меняют свои энергетические свойства. Осцилляция нейтрино перевернула представления ученых о физике Вселенной, выявив, что нейтрино обладают не нулевой массой, а значит, необходимо пересмотреть гипотезы оценки суммы масс Вселенной. 17.4. Солнечная активность Для атмосферы Солнца характерно наличие активных образований, которые периодически изменяются и связаны с изменениями магнитного поля, при этом активные образования в фотосфере, хромосфере и коре Солнца отличаются по своим проявлениям и обладают специфическими особенностями. Дэвис Р. (мл.). Полвека с солнечным нейтрино. УФН. 2004. Т. 174. 1 № 4. С 408–417. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0174.200404g.0408. 172 Глава 5. Звезды Самыми известными проявлениями солнечной активности являются солнечные пятна (рис. 5.5). Рис. 5.5. Пятна на Солнце Образование солнечных пятен сопровождается плавным увеличением напряженности магнитного поля, которое в центре крупных пятен резко возрастает. То, что пятна кажутся темными, свидетельствует об их более низкой температуре — магнитное поле тормозит движение вещества поперек силовых линий, в конвективной зоне под пятном ослабляется циркуляция газов. Систематические наблюдения пятен на поверхности Солнца показали, что в их появлении существуют закономерности. В качестве меры пятнообразовательной деятельности Солнца число Вольфа, используется а период изменения составляет около 11 лет. Во время минимума солнечной активности число пятен минимально. Вокруг пятен могут быть видны яркие образования — фотосферные факелы. Они имеют ячеистую структуру и 1 4 Глава 5. Звезды цы — в виде арок, сложных дуг, петель, которые развиваются быстро, — в течение нескольких дней или часов. Протуберанцы могут быть спокойными длительное время, словно облака, плавающие над поверхностью Солнца. Высота протуберанца может достигать нескольких сотен тысяч километров. Они представляют собой гигантские фонтаны водорода, в которые «подмешано» немного гелия. Отдельные части протуберанцев быстро устремляются вверх и поднимаются на высоту до 1 млн км. Это происходит во время вспышек. 17.5. Солнечно-земные связи Вещество, выбрасываемое солнечной короной, является магнитными облаками. плазмой с магнитным полем — Непрерывно расширяющаяся солнечная корона, состоящая из гелиево-водородной плазмы, называется солнечным ветром. Скорость ионизированных частиц солнечного ветра достаточно велика и позволяет преодолеть гравитацию, а сам солнечный ветер является неоднородным. Солнечный ветер состоит из электронов и ионов. Ионная составляющая солнечного ветра включает протоны, альфа-частицы и малые ионные компоненты. Скорость солнечного ветра определяют как скорость потока протонов, а ее среднее значение за 11-летний цикл 5,0 · 10 1/(м · с ). Солнечный ветер структурирован, а его 5 6 1 поток включает спокойную и возмущенную составляющие. Спокойный солнечный ветер, в свою очередь, разделяют на низкоскоростной (со скоростью менее 4 · 10 м/с на уровне 5 орбиты Земли ) и высокоскоростной потоки. 2 Впервые в 2004 г. капсула КА «Генезис» доставила на Землю частицы солнечного ветра, которые были «собраны» на расстоянии около 1,5 млн км от нашей планеты. Состав солнечного ветра соответствует содержанию химических ГОСТ 25645.136-86. Ветер солнечный. Состав, концентрация частиц 1 и скорость. ГОСТ 25645.110-84. Ветер солнечный. Термины и определения. 2 175 Астрономия | Общеобразовательная подготовка элементов в короне Солнца. Потоки плазмы, обусловленные солнечными вспышками и корональными выбросами, достигают Земли через сутки. Взаимодействие магнитных облаков с магнитосферой Земли вызывает магнитную бурю — нерегулярная кратковременная значительная вариация геомагнитного поля Земли . 1 Ионосфера нашей планеты также представляет собой ионизированный слой. Плазма является хорошим проводником электрического тока, эффективно взаимодействует с электрическими и магнитными полями. Возникающие в плазме электрические токи и магнитные поля существуют в течение длительного времени, не затухая. Взаимодействие плазмы с магнитным полем приводит к эффекту «вмораживания» магнитного поля в плазму, когда поток солнечного ветра движется поперек постоянного магнитного поля, а силовые линии и частицы вещества жестко связываются и перемещаются вместе со средой. В этом случае заряженные частицы плазмы движутся вдоль линий индукции магнитного поля. Из-за воздействия солнечного ветра магнитосфера Земли оказывается «прижатой» к Земле с дневной стороны, а с ночной оказывается отброшенной на расстояния, превышающие сотни земных радиусов. Частицы солнечного ветра, попав в магнитное поле Земли, обвиваются вокруг магнитных линий. Они обнаруживаются везде внутри магнитосферы Земли. Но есть области, где их особенно много, — внутренний и внешний радиационные пояса. В процессе «путешествия» вблизи полюсов Земли магнитные линии сгущаются, а частицы замедляются, двигаясь от полюса к полюсу до тех пор, пока не потеряют энергию, окончательно вторгнувшись в атмосферу в приполярных областях, и тогда возникает удивительное зрелище, которое называется полярным сиянием — люминесцентное свечение атомов и молекул земной атмосферы при ГОСТ 24284-80. Гравиразведка и магниторазведка. Термины и 1 определения. 176 Глава 5. Звезды их бомбардировке заряженными частицами (чаще протонами и электронами). Магнитные бури вызывают возмущения ионосферы, что приводит к изменениям в прохождении радиосигналов от навигационных спутников. В линиях электропередачи и трубопроводах индуцируются токи, вызванные изменением геомагнитного поля. При исследовании поперечных срезов стволов деревьев оказалось, что толщина годичных колец в любом районе Земли у всех деревьев ритмично повторяется с периодом в 11 лет. Советский ученый А. Л. Чижевский обнаружил связь между увеличением количества пятен на Солнце и вспышками эпидемий, рядом других крупных бедствий на Земле. Это доказывают и исторические документы. В ритме с солнечными явлениями изменяются некоторые функции человеческого организма. Так, изменяется способность сыворотки крови растворять инородные частицы и микробы, обостряются сердечно-сосудистые заболевания. В результате родилось новое направление, изучающее воздействие Солнца на биологические процессы, — гелиобиология. Сегодня за состоянием ионосферы Земли ведется непрерывное наблюдение, используют методы радиотомографии (радиопросвечивание), зондирования (отражение от ионо с феры радиоволн), кросс-модуляции (изменение поглощения зондирующего коротковолнового радиосигнала), некогерентного рассеяния радиоволн. Действует сеть ионозондов, которая включает в себя систему ИСЗ и приемников на Земле. Вопросы и задания 1. Сравните Юпитер и Солнце. Какие критерии вы используете для поиска сходства и различий небесных объектов? 2. Составьте «паспорт» Солнца. Какие характеристики позволяют описать наиболее важные параметры нашего светила? 177 Астрономия | Общеобразовательная подготовка 3. Сформулируйте правила, которыми необходимо руководствоваться при проведении самостоятельных наблюдений Солнца. 4. Охарактеризуйте возможные формы проявления солнечной активности. Поясните, по каким причинам необходимо проводить системные наблюдения данных явлений на нашем светиле. 5. Как вы понимаете термин «солнечно-земные связи»? Есть ли возможность указать на другие планеты Солнечной системы, для которых данные закономерности значимы? В чем состоит отличие влияния Солнца на Землю от других планет? Глава 5. Звезды § 18. Основные характеристики звезд Из наблюдаемых объектов Вселенной звезды — одни из наиболее распространенных объектов. Все они для земных наблюдателей видны как точечные светящиеся, а в условиях действия земной атмосферы мерцающие светила, не меняющие своего положения. История наблюдения и фиксации координат звезд, а также использование современных технических средств земного и космического наблюдения позволяют получить обширную информацию о визуально наблюдаемых Звездой и проявляющих себя косвенно небесных объектах. будем называть пространственно обособленное гравитационно связанное непрозрачное для излучения космическое тело, излучающее свет, в котором происходили, происходят или будут происходить термоядерные реакции. 18.1. Пространственные скорости звезд Неподвижных звезд не существует. Термин «неподвижная звезда» можно использовать только в историко-культурном аспекте изучения развития представлений о Вселенной. Длительные астрономические наблюдения показывают, что светила изменяют свое положение на небесной сфере: в XVIII в. Э. Галлей, сравнив наблюдавшиеся им положения звезд с приведенными в каталоге Гиппарха (II в. до н. э.), обнаружил для нескольких звезд заметное перемещение Угловое перемещение светила на относительно остальных. небесной сфере за год собственным движением. называют Скорость движения звезды в пространстве относительно наблюдателя называется пространственной скоростью. Если обозначить вектор пространственной скорости светила S через v , то его можно представить в виде суммы двух созв v ставляющих (рис. 5.6) — , направленной τ лучевой v, перпендикулярно лучу зрения, и направленной вдоль луча зрения (см. § 19). 179 Астрономия | Общеобразовательная подготовка  v çâ  v τ  v O D S Рис. 5.6. Пространственная скорость светила Геометрически по теореме Пифагора можно определить модуль пространственной скорости v : зв v v 2 v 2 = + . (5.18) τ çâ Измерение тангенциальной скорости осуществляют через сравнение изображений одного и того же участка неба, выполненных телескопом с промежутком в несколько лет. Зная расстояние до звезды D, можно определить годичный параллакс светила ρ (см. § 19). Обозначив собственное движение светила μ в секундах t — дуги в условную единицу времени перемещения, время а — перемещения, равное земному году, среднее расстояние от Земли до Солнца в парсеках, определим проекцию пространственной скорости звезды на картинную плоскость, называемую тангенциальной скоростью v : τ µ a ïàðñåê êì = v = 4,74 µ a . (5.19) τ ′′ 206 265 ãîä ñ Э. Барнардом В начале XX в. была обнаружена звезда в созвездии Змееносца, которая заметно быстрее всех перемеЛетящей звездой щается по небу (μ = 10,3ʺ). Она была названа Барнарда. Пространственные скорости звезд относительно Солнца составляют порядка нескольких десятков километров в секунду. Наблюдения показали, что Солнечная система относительно ближайших звезд в целом движется со скоростью апекс около 20 км/с в направлении созвездия Геркулеса — Солнца. Вообще собственное движение звезд приводит к 1 3 Астрономия | Общеобразовательная подготовка Ими могут быть внесолнечные планеты (см. § 21). Невидимые спутники (вероятнее всего, не менее трех планет) существуют у Летящей звезды Барнарда. Если в паре звезд расстояние между компонентами сравнимо с их размерами, такая пара называется тесной двойной системой. Под действием взаимных приливных сил звезды в них деформируются, в результате чего каждое светило приобретает эллипсоидальную форму. Когда расстояние между звездами оказывается таким, что лишь немного превышает суммарный радиус компонентов, может возникнуть перетекание вещества с менее плотной звезды на более плотную — аккреция вещества. Часть пространства, в которой значимо притяжение одного из тел в двойной системе, называют полостью Роша. Именно в тот момент, когда одна из звезд полностью заполняет свою полость Роша, вещество с ее поверхности начинает перетекать на вторую звезду и вытекать в околозвездное пространство. Обмен вещества между компонентами значительно влияет на их эволюцию. 18.2. Цвет, температура и светимость звезд Визуальное наблюдение звезд показывает, что они имеют различный цвет. Он свидетельствует о различной температуре фотосферы звезды (§ 16). Так, подобно Солнцу, Капелла, являясь желтой звездой, имеет температуру порядка 6000 К. Самые холодные звезды имеют температуру менее 2000 К, а их наблюдение возможно лишь в инфракрасной части спектра. Звезды, излучающие в красной и инфракрасной областях спектра, видимы в красных оттенках — от красного до оранжево- красного. Так, Антарес (α Скорпиона) и Бетельгейзе (α Ориона) — две из двадцати самых ярких звезд небосвода — видны как красные. При этом Антарес — двойная звездная система, включающая: Антарес А — доминирующая по гравитации и являющаяся красным гигантом (температура поверхности 184 Глава 5. Звезды В — 3400 K) и Антарес голубовато-белая звезда (температура поверхности 18 500 K), скрытая звездным ветром гиганта. У Бетельгейзе также есть секреты. Обладая температурой поверхности порядка 3600 K, звезда сокращает свой диаметр, что обнаружили астрономы из калифорнийского университета Беркли в 2009 г. Однозначного мнения о том, что происходит с Бетельгейзе, у исследователей нет, но одной из версий такого поведения светила ученые полагают его превращение в сверхновую (явление с резким увеличением яркости звезды на 10– 20 звездных величин с последующим медленным затуханием). Оранжевый Альдебаран (α Тельца) обладает температурой порядка 4010 К. Температуры поверхностей таких ярких звезд белого спектрального класса, как Вега (α Лиры) — 9600 К, Денеб (α Лебедя) — 8550 К и Сириус (α Большого Пса) — 9940 К, распределились в границах 10 000 К. Горячие бело-голубые звезды демонстрируют температуры до 22 000 К, например Регул (α Льва) — 12 460 K и Беллактрис (γ Ориона) — 22 000 К. Температурой более 30 000 К обладают звезды ультрафиолетовой области спектра, имеющие выраженный голубой оттенок. Примером такой звезды может служить Наос (ζ Кормы) с температурой поверхности порядка 42 000 К. Звезды значительно различаются по светимости. Светимость (мощность излучения) — полная энергия звезды, излучаемая в условную единицу времени. Мощность излучения звезд измеряют, соотнося ее или с излучением Солнца, или в абсолютных единицах измерения, опираясь на закон Стефана—Больцмана, устанавливающий связь между излучаемой энергией и температурой абсолютно черного тела. Таким образом, светимость звезды изменяется в соответствии со спектральным классом и зависит от размеров поверхности звезды и ее температуры. Многие из наблюдаемых невооруженным глазом светил имеют более высокую светимость по сравнению с Солнцем. 1 6 Глава 5. Звезды регистрацией «события образования гравитационной микролинзы» в 1993 г. 1 Можно обозначить традиционные методы определения массы звезд: фотометрические методы, основанные на фиксировании блеска и светимости звездных объектов; методы спектрального анализа с использованием различных моделей спектров и гравитационного красного смещения; аналитические методы, опирающиеся на законы Кеплера и используемые только для определения массы двойных звезд. 18.3. Масса и размеры звезд Для определения массы звезд можно использовать соотМ между массой и светимостью являющееся зв фундаментальным свойством стационарных звезд в гидростатическом равновесии (масса-светимость зависимость (А. С. Эдингтона): чем больше масса звезды, тем выше ее светимость). Масса-светимость зависимость была получена для звезд главной последовательности (см. § 18.5), при этом значение показателя степени α для разных звезд будет различным и изменяться в пределах от 1 до 6, а для звезд главной последовательности α может принимать значение 3,5–4: M α L = . 1 1 çâ (5.20) L M α 2 2 çâ Другой метод определения масс звезд основан на использовании уточненного третьего закона Кеплера (соотношение 3.16) и может быть применен к двойным системам. При этом масса определялась по параметрам орбит звезд системы и периоду их обращения вокруг друг друга. Результаты изучения звезд многих исследователей показали, что масса светил может варьироваться от сотых долей https://arxiv.org/abs/astro-ph/0405124. Andrew Gould (Ohio State), 1 David P. Bennett (Notre Dame), David R. Alves (Columbia) The Mass of the MACHO-LMC-5 Lens Star (Submitted on 6 May 2004). 187 Астрономия | Общеобразовательная подготовка солнечной массы до массы сотен Солнц. При большей массе газовые шары неустойчивы и быстро «сбрасывают» с себя избыточную массу, поэтому и встречаются редко. Звезды с массой менее 0,05 солнечной из-за низкой температуры имеют низкую светимость и наблюдаемы только при сравнительно близком расположении относительно Солнца, в то время как именно звезды малой массы — самые многочисленные в природе. В 1995 г. был открыт новый тип объектов, которые отличаются от планет-гигантов тем, что на ранних этапах их эволюции в недрах протекает термоядерная реакция. Их назвали коричневыми карликами. Именно они «открывают» класс звезд. Линией демаркации между планетой и звездой является масса объекта, позволяющая «запустить» термоядерный реактор: порядка 13 масс Юпитера или 0,07–0,08 солнечной массы. Современная техника астрономических наблюдений позволяет измерить угловые диаметры лишь нескольких звезд с помощью специальных оптических приборов — звездных интерферометров. Потому в астрономии используют другие методы (см. соотношения 5.13–5.14). Используя соотношение между светимостью и эффективной температурой звезды, вычисляют радиус звезды, ее объем и площадь фотосферы. Солнце имеет радиус порядка 700 000 км, что для звезд — достаточно небольшой размер. Наиболее и наименее массивные звезды по размерам отличаются больше. Звезды самой большой светимости (сверхгиганты) имеют и очень большие размеры. Например, если бы на месте Солнца оказался Бетельгейзе, то внутри него оказалась бы сфера, радиус которой превышал бы размеры орбиты Юпитера. Их радиусы в сотни раз превосходят радиус Солнца. Так, радиус звезды VV Цефея превосходит солнечный в 1200 раз. Десятки солнечных радиусов имеют гиганты. Карлики могут быть близки к размерам Солнца и меньше его в десятки раз. Так, некоторые имеют радиусы, сравнимые с размерами Земли и Луны. 188 Глава 5. Звезды Различия в массах и размерах приводят к различиям в средних плотностях светил. У гигантов и сверхгигантов плотность очень мала. Например, Бетельгейзе имеет плотность порядка 0,001 кг/м . При этом существуют белые карлики, 3 плотность которых (например, Сириус В) составляет порядка 4 10 кг/м . В некоторых случаях эта величина может быть . 7 3 больше в тысячу раз. Такие плотности создают условия для возникновения особых свойств вещества звезд, состоящего из атомных ядер и оторванных от них электронов. 18.4. Спектры и спектральные классы звезд Важнейшие сведения о природе звезд можно получить при изучении их спектров. Классификация спектров начала разрабатываться до того, как они получили физическое объяснение. Первая попытка систематизации звезд по спектру была предпринята в XIX в. Дж. Б. Донати и А. Секки. Наиболее часто используемая и сегодня — Основная спектральная (Гарвардская) классификация (или HD), была создана в 1885–1924 гг. исследователями обсерватории Гарварда. HD комплексно описывает и группирует звезды. Сходные между собой спектры звезд объединяются в спектральные классы, при этом классы внутри делятся на подклассы от 0 до 9 (звезды с подклассом 0 — самые горячие). Спектральные классы означены буквами латинского алфавита. Первоначально были выделены 7 классов: O — B — A — F — G — K — M. Кроме них позже ввели дополнительные классы-ответвления от одномерной последовательG К. Относящиеся ности у классов и к ним звезды имеют аномальный химический состав. Так, класс С отличается от классов К и М наличием линий поглощения атомов углерода и полос поглощения углеродных молекул. Класс S отличается от звезд класса М тем, что вместо полос окиси титана у них присутствуют полосы окиси циркония. На сегодня в данную 189 Астрономия | Общеобразовательная подготовка классификацию добавлены новые классы, соответствующие W), горячим звездам с протяженной атмосферой (класс ядрами планетарных туманностей (класс Q) и новых звезд (класс Р). После открытия холодных звезд (коричневых карликов) выделено еще два класса (классы L и Т). При записи спектральных характеристик звезд применяется система префиксов и суффиксов, например dM6e (d — спектр карликов, е — наличие эмиссионных линий, М — «красный» класс, 6 — подкласс). Эмпирически классы группируются по интенсивности спектральных линий и отражают зависимость степени ионизации различных химических элементов от температуры. Химический состав звезд определяется по их спектрам. Выделяют два класса (населения) звезд по их химическому составу: население I типа бедно тяжелыми элементами, население II сходно по составу с солнечным, а химические элементы тяжелее гелия занимают примерно 2% массы звезды. М) Для красных звезд (класс в спектре проявляются линии молекул оксида титана и ванадия, их молекулярные соединения видны на спектральных полосах поглощения, а температура поверхности попадает в интервал 2500–3600 K. Для желто-оранжевых звезд с более высокими температуК, 3700–5200 K, отнесенными к классу молекулярные соединения распадаются, появляются линии поглощения атомов нейтральных металлов. При 5200–6000 K для спектра характерно присутствие линий ионизированных металлов и слабо выражен водород G) (класс ионизированного кальция. Наше Солнце — типичный пример желтой звезды класса G. При температурах порядка 6000–7500 K (звезды класса F) цвет звезд желтовато-белый, а в спектрах преобладают линии ионизированных металлов (кальция, железа, титана). Если температура фотосферы достигает 8000–10 500 K, А, звезду относят к классу и в спектрах белых звезд линии 190 Глава 5. Звезды поглощения атомов водорода достигают наибольшей интенсивности. увеличении температуры до 11 000–20 000 K (класс В) у бело-голубых звезд наибольшей интенсивности достигают спектральные линии нейтрального гелия. При температуре выше 20 000–30 000 K у голубых звезд О) (класс большая часть атомов водорода ионизирована, поэтому спектральные линии поглощения водорода слабые, активны линии ионизированного гелия. При дальнейшем повышении температуры ионизируются атомы гелия, в спектрах звезд возникают линии поглощения ионизированных атомов W). кислорода и азота (класс Развитием Гарвардской классификация стала разработка в 40-х годах XX века двумерной йеркской классификации, называемой аббревиатурой от имен ее создателей У. У. Моргана, Ф. Ч. Кинана, Э. Келмана — МКК. Йеркская классификация кроме температурной спектральной классификации учитывает зависимость спектров звезд от светимости классов, а класс зависит от абсолютной звездной величины звезды. Спектральная классификация развивается вместе с научно-техническим прогрессом. Наши современники применяют нейронные сети для обработки информации собранной космическими аппаратами, разрабатываются трехмерные спектральные классы, а трехмерное картирование космического пространства открывает новые перспективы в познании тайн звезд. 18.5. Связь между физическими характеристиками звезд Э. Герцшпрунг В начале XX в. голландский ученый и американский астроном Г. Рассел независимо друг от друга установили существование зависимости между спектрами звезд и их светимостями. Эта зависимость носит название диаграмма «спектр—светимость» или диаграмма Герц 191 Астрономия | Общеобразовательная подготовка шпрунга—Рассела. На диаграмме по вертикальной оси откладывают светимости звезд (или абсолютные звездные величины), а по горизонтальной оси — спектральные классы звезд (или их температуру). Температуру принято откладывать в направлении справа налево. Светимость на диаграмме определяется в светимостях Солнца. Распределение звезд на диаграмме неравномерно. Каждому светилу на диаграмме соответствует определенная точка, но эти точки формируются в пределах нескольких областей, которые носят название последовательностей (рис. 5.8). Это свидетельствует о наличии закономерной взаимосвязи между физическими характеристиками — спектральным классом и светимостью звезд. главной поБольшинство светил (до 90%) принадлежит следовательности. Она занимает пространство по диагонали диаграммы от горячих сверхгигантов до холодных красных и L, L c Антарес сверхгиганты 10 4 Полярная звезда Беллатрикс 10 Альдебаран 2 главная последовательность гиганты 1 Солнце 10 –2 белые карлики звезда Барнарда Процион В 10 –5 O B A F G K M L класс 30 000 15 000 10 000 8000 6000 4500 2000 1500 T, K Рис. 5.8. Диаграмма Герцшпрунга—Рассела 1