Концепции современного естествознания: конспект лекций
Шрифт:
Для того чтобы превратиться в черную дыру, звезда должна сжаться до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса, определяемого формулой:
r= 2GM/c2,
где G– гравитационная постоянная, c– скорость света, M– масса звезды. Гравитационный радиус очень мал, например для Солнца он составляет всего 3 км. Черные дыры могут иметь разные размеры: от песчинки до галактики.
Время жизни черной дыры конечно. В 1974 г. С. Хокинг показал, что в силу законов квантовой механики черная дыра может отдать всю свою энергию. Дело в том, что в поле тяготения черной дыры вакуум неустойчив, поэтому в пространстве, которое находится перед горизонтом черной дыры,
Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде нейтронной звезды, или пульсара. На данный момент наблюдается около 700 пульсаров. Радиопульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда, рентгеновский пульсар – двойная звезда, состоящая из нейтронной и обычной. Нейтронные звезды имеют более высокую плотность, чем плотность атомных ядер, и представляют собой сгустки нейтронов. Температура пульсара около 1 млрд градусов. Нейтронные звезды быстро остывают и теряют светимость, для них характерно интенсивное радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Первые пульсары были открыты в 1967 г., теперь их известны сотни.
Те звезды, чья масса составляет от 10 до 40 солнечных масс, превращаются в нейтронные звезды, а те, чья масса больше, – в черные дыры.
Галактики – гигантские скопления звезд, пыли и газа, пронизанные магнитными полями и космическими лучами. В одной галактике может насчитываться до 1013звезд. Галактики наблюдались еще в конце XIX в. Тогда же было установлено, что некоторые из туманных пятен, а именно так выглядели галактики в телескопы того времени, имеют спиралевидную форму. В 1920-е гг. удалось выяснить, что галактики – это скопления звезд.
Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений, или сверхскоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики встречаются редко. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях в 10–20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Существуют также галактики-карлики размером до нескольких десятков световых лет.
Современные мощнейшие телескопы позволяют наблюдать миллиарды галактик на расстояниях до 1500 Мпк. Некоторые из них видны невооруженным глазом. Например, самой близкой к нам галактикой, расположенной на расстоянии 1,5 млн световых лет, является туманность Андромеды, которую можно разглядеть в бинокль. Это скопление звезд получило название благодаря тому, что в 1917 г. в созвездии Андромеды был открыт первый внегалактический объект, а в 1923 г. Э. Хаббл доказал его принадлежность к другой галактике.
Наиболее удаленные из наблюдаемых ныне галактик находятся на расстоянии 10 млрд световых лет. Свет этих звезд идет к нам миллионы и миллионы лет, поэтому мы наблюдаем их такими, какими они были много световых лет назад. Самой исследованной является Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика (Млечный путь) и туманность Андромеды. Семейство нашей Галактики включает еще 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и неправильных галактик. Семейство галактик туманности Андромеды несколько меньше: одна спиралевидная, две эллиптические, несколько карликовых. Ближайшие соседние от Местной группы галактики находятся на расстоянии от 2 до 20 Мпк. На расстоянии 20 Мпк находится центральное сгущение нашего сверхскопления галактик. Наше сверхскопление, размер которого составляет около 60 Мпк, насчитывает около 20 000 галактик.
Галактики могут иметь разные формы, которые связаны с их размерами, массой, светимостью и другими физическими характеристиками. Устоявшаяся классификация форм галактик была предложена Э. Хабблом. Галактики могут иметь эллиптическую форму. Это наиболее простые галактики, в которых нет сверхгигантов, горячих звезд и газовых туманностей. У таких галактик отсутствует ядро, а количество звезд равномерно убывает от центра. В галактиках неправильной формы, напротив, множество горячих звезд, сверхгигантов, газовых туманностей и т. п., однако в них также отсутствует ядро. Большинство неправильных галактик – карлики, их светимость невелика.
Наиболее распространенной является спиральная форма галактик. К этому типу относятся наша Галактика, а также туманность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее горячие звезды и массивные облака космического газа. Самые старые звезды расположены в ядре галактик, тогда как молодые и средние – в диске. Из ядер постоянно выбрасываются огромные облака газа, масса которых сравнима с миллионами масс Солнца. Ядра галактик содержат до 10 % их массы. Считается, что в некоторых галактиках ядро представляет собой черную дыру. Так, в центре ядра нашей Галактики находится скопление звезд с сильным радиоисточником, который называют Стрелец А. Предполагается, что Стрелец А является черной дырой с массой, примерно равной миллиону солнечных масс.
Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями (электромагнитными, гравитационными, потоками нейтрино и субатомных частиц). Основное вещество, составляющее межзвездный газ, – водород, на втором месте – гелий. Следует отметить, что водород и гелий – наиболее распространенные вещества не только в межзвездном пространстве, но и вообще во Вселенной. Считается, что межзвездный газ более чем на 67 % состоит из водорода, на 28 % – из гелия и 5 % приходится на все остальные элементы, среди которых самыми распространенными являются кислород, углерод и азот. Когда и каким образом произошел синтез более тяжелых веществ из водорода и гелия – один из актуальных вопросов современной астрономии и химии. Считается, что 85 % тяжелых элементов возникло примерно 9-10 млрд лет назад, 11–13 % имеют возраст 5 млрд лет. В межзвездной среде существуют и органические соединения, которые чаще всего встречаются в местах концентрации газово-пылевого вещества.
Наша Галактика – Млечный путь – имеет форму диска с выпуклостью в центре – ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Солнечная система расположена в одном из рукавов Галактики примерно на расстоянии 30 тыс. световых лет от ее центра. Млечный путь насчитывает около 200 млрд звезд. Считается, что большинство звезд Галактики имеют планетные системы. Плотность звезд около ядра выше, чем в остальных областях Млечного пути. Диаметр Галактики около 100 тыс. световых лет, толщина – примерно в 10–15 раз меньше, масса составляет 2 X1011 масс Солнца. Возраст нашей Галактики около 15 млрд лет. По форме она представляет собой диск с утолщением в центре, который вращается вокруг центра Местной группы галактик. В ядре нашей Галактики нет горячих сверхгигантов и пыли, но есть нейтральный водород, который постепенно растекается в плоскости диска. Большая часть звезд Млечного пути также сосредоточена в диске.
Метагалактика – это доступная наблюдениям часть Вселенной. Современные возможности наблюдения – это расстояния в 1500 Мпк. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик. В XX в. выяснилось, что галактики, составляющие видимую часть Вселенной, разлетаются, а Метагалактика постоянно расширяется, т. е. наша Вселенная нестационарна.
Современные астрономические данные свидетельствуют о том, что Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т. е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий – как бы по границам ячеек сетки. Такое строение свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна. Принцип однородности (4.2) справедлив только в масштабах от 30 до 100 Мпс, на расстояниях до 30 Мпс наблюдаются неоднородности в строении галактик и их скоплений.