5.4 ЭЛЕМЕНТЫ АСТРОФИЗИКИ

5.4.1 Солнечная система: планеты земной группы и планеты гиганты, малые тела солнечной системы

Главными обитателями Солнечной системы, за исключением солнца являются планеты. Их значимость кроется в массивности, по сравнению с другими обитателями Солнечной системы .

Планеты в Солнечной системе делятся на две группы. Более близкой к Солнцу является четверка планет земной группы. Они получили свое название за сходство с нашей планетой Земля. На уже почтенных расстояниях от центрального светила расположились планеты-гиганты. Их тоже четыре.

Планеты земной группы

Планеты земной группы в порядке удаленности от Солнца: Меркурий, Венера, Земля и Марс.

При исследовании этих планет выяснилось, что все они обладают малыми размерами и, главное, массами. Самая массивная из планет земной группы – Земля – в 330 000 раз легче Солнца. Однако плотность планет земной группы довольно велика: в среднем, она в пять раз больше плотности воды.

Обратите внимание на то, как Солнце расположено относительно орбит. Видно, что для орбит Земли и Венеры Солнце находится почти в центре. По меньшей мере, на глаз увидеть то расстояние, на которое Солнце от центра отстоит, трудно. Для Меркурия и Марса очевидна эллиптичность их орбит, о центра которых Солнце заметно удалено. Орбиты Марса и, особенно, Меркурия существенно вытянуты. Посмотрите, как в разных точках орбиты Марса меняется расстояние до орбиты Земли. Для большей ясности в рассматриваемом вопросе Вы можете обратиться к материалам другой страницыМожет, это Вам и покажется по началу и без того очевидным и лишним, но эти четыре планеты имеют твердую поверхность. Впрочем, Земля, скорее, обладает поверхностью жидкой. Однако у океанов есть твердое дно.

Планеты земной группы довольно-таки по-разному вращаются вокруг своей оси: один оборот длится от 24 часов для Земли и до 243-х суток у Венеры.

У планет есть атмосферы: довольно плотная у Венеры и почти незаметная у Меркурия. Можно даже, не боясь сильно ошибиться, сказать, что Меркурий атмосферы не имеет. Земля в этом показателе ближе к Венере, а Марс занимает промежуточное положение между нашей планетой и Меркурием. Состоят эти атмосферы из веществ, молекулы которых относительно тяжелы. В атмосферах Земли, Венеры, Марса можно обнаружить углекислый газ, водяные пары, азот. Меркурий забирает частицы для своей воздушной оболочки из солнечного ветра, а потому в атмосфере планеты, напротив, много легкого гелия. Но гелий в атмосфере не задерживается и улетучивается, на место утраченных частиц Меркурий «приглашает» из окружающего пространства новые. Атмосфера у Меркурия, как бы, не своя.

Схож и химический состав планет первой четверки. Они, в основном, состоят из соединений кремния (силикатов) и железа. Остальные элементы, конечно, тоже присутствуют, но их относительно немного.

Строение планет земной группы также одинаково. В центре планет есть железные ядра разной массы. По-видимому, только Венера не имеет расплавленного железного ядра. У остальных часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который называют мантией. Это те самые соединения кремния, о которых было сказано чуть раньше. Мантия тоже может подразделяться на слои: внешний твердый и внутренний жидкий. Верхний слой мантии называют корой. Он подвергается различным внешним воздействиям и несколько отличается от более близких к центру планет слоев мантии.

У этих планет есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряженности.

Наконец, планеты земной группы бедны естественными спутниками – еще одним типом небесных тел, населяющих Солнечную систему. Эти тела вращаются не вокруг Солнца, а вокруг планет. В этом смысле, планеты являются спутниками Солнца. Так вот, на четыре планеты земной группы приходится всего три спутника: один большой у Земли и два крохотных у Марса.

Планеты-гиганты

Планеты-гиганты расположились за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Уже давно астрономы знают, что планеты-гиганты гораздо больше и массивнее планет земной группы. Самый легкий гигант – Уран – в 14,5 раза массивнее Земли. Но даже самая массивная планета Солнечной системы – Юпитер – в 1 000 раз уступает в этом показателе Солнцу. Впрочем, надо сказать, что по астрономическим меркам эту разницу можно назвать значительной, но не огромной. В то же время, плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.

На рисунке представлены орбиты планет-гигантов и Плутона. С помощью верхнего изображения мы смотрим на Солнечную систему с точки, расположенной над северным полюсом Солнца. Исследуйте эту схему, как и схему орбит земной группы, приведенную выше. Нижний же рисунок перемещает нас в плоскость орбиты Плутона. Видно, насколько она сильно наклонена к орбитам других планет.

У планет-гигантов нет ни твердой, ни жидкой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние. Именно отсутствие резкого перехода от газобразного состояния вещества в атмосфере к твердому или жидкому позволяет нам говорить о планетах-гигантах как о планетах без поверхности.

Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). При этом, они вращаются слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а околополярные области являются самыми неторопливыми. Как мы увидели раньше, планеты-гиганты – нетвердые планеты, этим обстоятельством и вызвано их необычное вращение. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями, но с периодом 25-35 суток.

Юпитер и Сатурн, их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. Ученые выяснили, что с увеличением массы гиганта растет и его атмосфера. Следовательно, самой обширной атмосферой обладает Юпитер. Уран и Нептун, близкие по массе, мало отличаются и своими атмосферами. Сатурн занимает промежуточное положение. Разница в химическом составе гигантов обусловлена ходом эволюции Солнечной системы.

В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико. Как было сказано, атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. Скорее всего, в недрах планет-гигантов, где высоки давление и температура, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем. Здесь, впрочем, есть много неясного, требующего уточнений в будущем.

Магнитные поля планет-гигантов, в целом, превосходят магнитные поля планет земной группы. Интенсивность магнитного поля качественно определяется размерами магнитосферыпланеты: пространства вокруг нее, в котором магнитное поле Солнца уступает планетному. Влияние солнечного ветра – потока заряженных частиц, вырывающихся с поверхности Солнца, – делает очертания магнитосфер несимметричными. В направлении Солнца магнитосферы сплюснуты и непротяженны, зато в обратном направлении они сильно вытянуты (см. подробнее на примере магнитосферы Земли). У всех исследованных планет, кроме Сатурна, ось симметрии магнитного поля составляет значительный угол с осью вращения самой планеты.

Почти все естественные спутники планет в Солнечной системе вращаются вокруг планет-гигантов. Точное их число еще не известно. Но лишь три из 102-[ известного на сегодня спутника имеют отношение к планетам земной группы. У Сатурна открыто 30 спутников, у Урана – 21, у Юпитера – 39, у Нептуна – 8.

Кроме спутников, планеты-гиганты обзавелись еще и кольцами – скоплениями мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Однако только Сатурн обладает внушительными по размерам кольцами. Остальные планеты-гиганты обладают лишь невнятными и еле различимыми колечками. Впрочем, планеты первой четверки не обладают и такими. За подробностями о кольцах Вы можете отправиться прямо к Сатурну.

Завершая наш планетный обзор, вспомним о различиях планет двух групп. Планеты земной группы обладают существенно меньшими размерами и массами, но большей плотностью. Они ближе расположены к Солнцу и, как мы знаем, быстрее движутся по орбитам. Кроме того, они гораздо медленнее вращаются вокруг своей оси и меньше сжаты у полюсов, чем планеты-гиганты. Последние имеют гораздо более внушительные атмосферы и магнитосферы. Они состоят, преимущественно, из легких элементов и веществ, у них нет твердой или жидкой поверхности. Число естественных спутников у планет этой группы велико: 98 из 102 известных в Солнечной системе. Также у планет-гигантов есть образования из мелких частиц – кольца, которые отсутствуют у планет земной группы.

Сейчас астрономам известны девять больших планет. Однако планет земной группы и планет-гигантов набирается лишь восемь. Девятой планетой почти по всем статьям является Плутон – девятая по удаленности, девятая по массе и размерам. Она не подходит ни к одной из групп, описанных выше. Плутон – крохотный ледяной шар, с атмосферой из тяжелых газов. Он больше походит на некоторые спутники планет-гигантов, причем кое-каким из них уступает в массе и размерах. Плотность Плутона примерно в два раза больше плотности воды. У Плутона есть один спутник. О магнитном поле планеты точно ничего неизвестно. Из-за удаленности своей эта планета изучена крайне плохо. На рубеже веков и тысячелетий астрономы стали подумывать об исключении Плутона из списка планет…

Малые тела солнечной системы

Между орбитами Юпитера и Марса проходят орбиты тысяч небольших (в среднем, несколько километров) и немассивных тел, именуемых астероидами. Эти тела, которые еще именуют малыми планетами, не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики. Эти орбиты часто заметно вытянуты. Однако все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении. За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние наблюдения, тоже находится пояс астероидов. Орбита планеты Плутон, видимо, уже проходит внутри этого пояса.

Похожи на малые планеты и кометы, состоящие из смеси замерзших газов и пыли (грязные снежки). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Солнечный же ветер отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца. Как и астероиды, кометы обладают малыми массами. Размеры комет за счет длины хвоста могут значительно превосходить размер самого Солнца. При этом средняя плотность комет ничтожно мала. Орбиты хвостатых светил могут быть самыми различными: у них всевозможные эксцентриситеты, наклоны к плоскости эклиптики. Кометы могут двигаться вокруг Солнца, как в прямом, так и в обратном направлении.По самым разным орбитам в Солнечной системе движется бессчетное число крохотных метеорных тел. Их размеры составляют от долей миллиметра до нескольких метров. Строго говоря, между метеорными телами и астероидами нет четкого разграничения. Иногда удается найти на поверхности Земли упавшие метеорные тела – метеориты. Исследования показали, что метеориты можно разделить на три группы: каменные, железо-каменные и железные. Разделение происходит на основе содержания в метеоритах металлов: железа и никеля.Вся Солнечная система пронизана излучением всех длин волн. Это, в основном, излучение Солнца. Планеты тоже излучают в тепловых лучах. Видим же мы их благодаря отраженному свету Солнца. Частицы, вырывающиеся с поверхности Солнца, образуют изменяющиеся по интенсивности потоки солнечного ветра, который также заметен в любой точке Солнечной системы вне пределов магнитосфер планет.

5.4.2 Звезды: разнообразие звездных характеристик и их закономерности. Источники энергии звезд

Характеристики звезд и их закономерности

Согласно современных взглядов, звезда представляет собой раскаленный газовый шар, который существует в своём состоянии достаточно большое количество времени из-за того, что у него имеется собственная внутренняя энергия. На протяжении всей своей жизни состояние звёзд поддерживается противостоянием, зависящим, в свою очередь, от гравитации, которая стремится как можно сильнее сжать небесное тело, а также давления газа, которое старается разорвать его и разнести по всему космическому пространству.

Высокая температура звезд достигается, благодаря наличию постоянно существующего источника энергии, которым являются термоядерные реакции, идущие в недрах. Основными характеристиками звезд, которые можно так или иначе определить, является их мощность, степень излучения, вес, радиус, температура, а также химический состав атмосферы, которая их окружает. Если знать большую часть данных параметров, то вполне возможно определить, сколько той или иной звезде лет. Указанные характеристики могут периодически изменяться в довольно больших границах. Кроме того, все они связаны между собой. В частности, звезды, которые ярче всего светят, чаще всего обладают и наибольшим весом. В свою очередь, мелкие звезды практически не светят, а продолжительность существования звезд является настолько большой что учёные не могут достоверно проследите ее от начала и до конца. К примеру, даже самая молодая звезда, которая утратила свое состояние, могла просуществовать несколько миллионов лет. А между тем, осуществляя наблюдение за молодыми и старыми звездами, ученые могут составить наиболее оптимальную картину мира, которая могла бы объяснить характеристики данных небесных тел.

Химическим составом звезд впервые заинтересовались в середине XIX века. В это время при помощи метода спектрального анализа было определено, из каких элементов состоит солнце, а также наиболее ближайшие к Звезде звезды. Кроме того, тот же самый метод показал, что ни на одной из обнаруженных звезд нет химических элементов, которые не были бы известны науке. Наиболее часто встречающимся элементом в составе звезд является водород, следующим за ним идет гелий, концентрация которого примерно в 3 раза меньше предыдущего. Помимо данных элементов, на звездах можно встретить и иные химические соединения – кислород, азот, железо, углерод и так далее.

Когда человек смотрит на звёзды, то первый момент, на который он обращает — это различная степень их яркости. Что касается характеристик, в данном случае основной из них является степень блеска любой звезды. Определяется, согласно историческим традициям, первая звездная величина, присвоенная наиболее ярким небесным телам, шестая — к самым слабым. Разница каждой ступени заключается в том, что звезда более высокой ступени светит примерно в два с половиной раза ярче предыдущий. Впоследствии были добавлены нулевые, а также отрицательные звездные величины — это звёзды, блеск которых невозможно увидеть невооружённым глазом.

Относительно расстояния от Земли до той или иной звезды, а также расстояния между самими звездами следует сказать, что его можно определить лишь при помощи достаточно точного оборудования. Пожалуй, именно этим объясняется тот факт, что до пятидесятых годов прошлого века точно определить эти расстояния никому не удавалось. Что касается определения расстояния на сегодняшний день, то его можно найти лишь для тех звезд, которые близко расположены к Земле.

Помимо света, а также видимого блеска одной из основных характеристик звёзд является их цвет. В частности, у большинства небесных тел заметен голубовато-белый либо красный цвет. В зависимости от света зависит и температура звезды. Голубые звезды является наиболее теплыми, а жёлтые — самыми холодными. Кроме того, необходимо отдельно выделить красные звезды, температура которых очень низкая. Однако, даже такая звезда будет горячее любого расплавленного металла для человека.

Для того чтобы более подробно узнать о той или иной звезде, в сегодняшнее время применяют спектральный аппарат. Это специальное устройство, которое устанавливается на телескоп и определяет основные характеристики звёзд.

Что касается размеров звезд, то они являются достаточно большими. Например, на сегодняшний день известна такая звезда, размер которой превышает размер солнца в несколько сотен раз. Если ее поместить вместо солнца, то она займёт практически половину всей Солнечной системы. Между тем, данная звезда находится не в нашей галактике. Прямые оценки массы могут быть сделаны только на основании закона всемирного тяготения. Такие оценки удалось получить для большого числа звезд, входящих в двойные системы, путем измерения скорости их движения вокруг общего центра масс. Все другие способы вычисления массы считаются косвенными, поскольку они строятся не на законе тяготения, а на анализе тех звездных характеристик, которые так или иначе связаны с массой. В основном это светимость. Практически для всех звезд действует правило: чем выше светимость, тем больше масса.

Ещё одной достаточно важной характеристикой звёзд является их масса. От этого зависит ее температура и давление, что в свою очередь влияет и на остальные характеристики. Чем меньше масса звезды, тем она будет холоднее. Изучая основные характеристики звезд и соотнося их друг с другом, ученые в сфере астрономии смогли установить те, факты, которые до этого были неизвестны человечеству. В частности, они определили, как устроено то или иное небесное тело, как оно появляется и какие изменения происходят в течение всей жизни этого тела.

Источники энергии звезд

Звезды светят очень и очень долго. Откуда же берётся огромная энергия, необходимая для излучения звезд? Успехи ядерной физики и квантовой механики позволили сделать вывод о том, что таким источником являются термоядерные реакции, происходящие в недрах звёзд благодаря очень высоким температурам. Это реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода (протонов).  2 протона на огромной скорости сталкиваются и соединяются в дейтрон, состоящий из 1 протона и 1 нейтрона. Далее дейтрон сталкивается с другим протоном и испускает γ–квант, в результате образуется частица Не3. Заключительная реакция, синтезирующая Не4 происходит между двумя частицами Не3. Схема реакций:

5.4.3 Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звезд

Солнце образовалось из огромного облака газа 4,5 миллиарда лет назад. Так же, как другие звезды, сгущающиеся из молекулярных облаков, Солнце гравитационно выросло из океана водорода, гелия и вкраплений других элементов. Планеты сформировались из остатков вещества. Наращивание и столкновения определили их размеры и расположение в партии космического бильярда.
Когда в XVIII веке завоевала признание гелиоцентрическая модель, возникли вопросы о зарождении Солнечной системы. Небулярная гипотеза — что Солнце и планеты сформировались из гигантского облака газа — была предложена в 1734 году Эмануэлем Сведенборгом и разработана позднее, в том же столетии, Иммануилом Кантом и Пьером Симоном Лапласом. Хотя в целом она верна, с тех пор она получила мощное развитие. Как другие звезды формируются из молекулярных облаков — к примеру, туманность Ориона, — так и Солнце, должно быть, сгустилось из облака, богатого водородом, гелием и вкраплениями других элементов. Облако-предок Солнца, по-видимому, было размером в много световых лет и содержало достаточно газа, чтобы создать тысячи Солнц. Наше светило, возможно, было не единственным в этом облаке: судя по метеоритам, содержащим тяжелый изотоп железа, туманность была загрязнена выбросами от соседней сверхновой. Таким образом, Солнце могло вырасти среди других массивных звезд, жизнь которых была короче, и они взорвались до рождения Солнечной системы. Солнце постепенно росло из особенно плотной зоны облака благодаря действию сил тяготения. За 100 000 лет оно стало протозвездой — горячим плотным газовым шаром, в котором еще не шел ядерный синтез. Оно было окружено диском газа и пыли в сотни раз больше радиуса орбиты сегодняшней Земли. Примерно через 50 миллионов лет включился ядерный двигатель Солнца, и оно стало звездой главной последовательности.
Внутренние области формирующейся Солнечной системы были очень горячи, поэтому летучим компонентам — таким как вода — оседать не удавалось. Каменные, богатые металлами планеты формировались на основе атомов элементов с высокими температурами плавления: железа, никеля, сплавов алюминия, силикатов — ныне это основы вулканических пород, наблюдаемых на Земле. Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — постепенно росли от слияния меньших объектов. Считается, что внутренние планеты сформировались дальше от Солнца, чем их сегодняшнее расположение, поскольку их орбиты сжимались по мере того, как планеты замедлялись при движении сквозь газ, который все еще оставался в постепенно рассеивающемся диске.

Гигантские газовые планеты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун — формировались дальше, за «снеговой линией», где летучие компоненты остаются замерзшими. Эти планеты были достаточно велики, и потому им удалось всосать атмосферы из водорода и гелия. Эта четверка составляет 99 % массы, вращающейся вокруг Солнца. Через 10 миллионов лет молодое Солнце размело весь оставшийся в диске газ, планеты заняли свои места и перестали расти. Изначально считалось, что планеты в основном формировались там, где мы видим их сегодня. Но в ХХ веке астрономы поняли, что все было иначе. Они разработали новые теории и предположили, что планеты в действительности активно перемещались из-за столкновений — так называемого космического бильярда.
Когда внутренние планеты почти сформировались, в их зоне все еще было много эмбрионов планет размером с Луну. Они мощно сталкивались с готовыми планетами. Мы знаем, что это происходило: Земля приобрела Луну в одном из таких столкновений, Меркурий потерял большую часть своей внешней оболочки в другом. Наиболее вероятная причина этих столкновений в том, что орбиты планет тогда были более вытянутыми и потому часто пересекали траектории меньших объектов. С тех пор орбиты поменяли форму и сделались почти круговыми — возможно, путем последовательных столкновений или тяготения обломков. Каменные осколки в поясе астероидов между Марсом и Юпитером могут быть остатками планеты, разбитой множеством столкновений. Эта зона была особенно подвержена катаклизмам из-за гравитационного влияния Юпитера, самой крупной планеты Солнечной системы. Смещение орбиты Юпитера вызвало обильные разрушения. Гравитационный «резонанс» взбаламутил зону, прилежащую к его орбите. Последовавшие столкновения разнесли находившуюся там планету, от которой осталась лишь россыпь астероидов. Некоторые ледяные астероиды из этого пояса могло занести на орбиту Земли, из-за чего на молодой планете появилась вода. Могли доставить воду и кометы. Юпитер и другие внешние планеты на поздних стадиях формирования активно перемещались. На радиусах самых внешних планет диск был бы слишком холодным и рассеянным, чтобы получались по-настоящему крупные объекты. И потому Уран, Нептун и объекты пояса Койпера, включая Плутон и кометы, скорее всего, зародились ближе к Солнцу и были отброшены вдаль гравитационными взаимодействиями. Нептун, возможно, получился прямо внутри орбиты Урана, а затем выбрался за ее пределы. Вероятная причина — орбитальный танец, начавшийся между Юпитером и Сатурном через 500 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Какое-то время период обращения у Юпитера был вдвое короче, чем у Сатурна, что вызвало резонансные колебания, которые отдавались во всей Солнечной системе. Нептун выпихнуло наружу, а мелкие ледяные тела разбросало в поясе Койпера.
В период, когда внешние планеты меняли расположение, к внутренним планетам летело множество астероидов. Орбиты планет земной группы к тому времени в основном установились, основные столкновения остались в прошлом. В результате случился период «поздней тяжелой бомбардировки», во время которого на Луне появилось множество кратеров от ударов, повредило поверхности и других планет. Первые признаки жизни на Земле появились после «бомбардировки», 3,7 миллиарда лет назад.

5.4.4 Наша галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной

Эллиптические и спиральные галактики
Галактики бывают двух видов: эллиптические и спиральные. Астрономы давно подозревали, что их сходства и различия вроде балджей (вздутий) в центре и наличия или отсутствия плоского диска звезд указывают на эволюцию галактик.

Эллиптическая галактика

Когда в 1920-х годах наука постановила, что некоторые размытые туманности, которыми усыпано небо, — это галактики за пределами нашей, астрономы взялись их классифицировать. Галактики бывают двух основных типов: гладкие, эллипсообразной формы, и с отчетливым спиральным рисунком. Они называются, соответственно, эллиптическими и спиральными. Эдвин Хаббл, американский астроном, который первым установил, что туманности находятся за пределами Млечного Пути, на огромных расстояниях, предположил, что галактики образуют последовательность, и дал им соответствующие названия. Его классификация используется до сих пор. Эллиптические галактики обозначают буквой Е и номером (от 0 до 7), который возрастает в зависимости от того, насколько галактика вытянута. Е0 — почти круглая галактика, Е7 больше напоминает сигару. В трех измерениях эллиптические галактики имеют форму мяча для регби.
Спиральная галактика
Спиральные галактики, по схеме Хаббла, обозначают буквой S и дополнительной буквой (a, b или c) в зависимости от того, насколько туго закручены их спиральные рукава. Галактика Sa — тугая спираль, а Sc — свободная. В трех измерениях спиральные галактики сплющены, как летающая тарелка или линза. Картина усложняется тем, что в некоторых спиральных галактиках есть прямой элемент, или перемычка, проходящая через внутренние области галактики.
Составляя карту неба, астрономы нашли множество близко лежащих пар галактик, которые явно взаимодействовали между собой. В самых наглядных случаях из обеих галактик взаимным тяготением вытягиваются длинные, как у головастиков, хвосты звезд, — как, например, в паре сталкивающихся галактик Антенны:
Другие галактики прокладывают себе путь прямо сквозь центр своей напарницы, поднимая облака звезд и дымящиеся кольца газа. Получающиеся возмущения зачастую порождают чрезвычайно яркое свечение, поскольку в клубящихся облаках газа формируются новые звезды. Эти молодые голубые звезды могут быть окутаны космической сажей, и некоторые их области от этого светят красным, подобно тому, как пыль делает ярче закат солнца на Земле. Слияние галактик — потрясающее зрелище. Тем не менее подробности строения галактик остаются неясными. Чтобы уничтожить огромный диск звезд и оставить голый эллиптический балдж, потребовалось бы катастрофическое столкновение, а, чтобы галактика образовала достаточных размеров диск, не разрушаясь, требуется постепенное мягкое приращение. Астрономы видят лишь немногие галактики в промежуточных состояниях, и истинная картина того, как именно галактики меняются через слияние, скорее всего, очень сложна.
В галактиках может содержаться от миллионов до триллионов звезд. Эллиптические галактики и балджи спиральных состоят в основном из старых красных звезд. Они движутся по произвольно наклоненным орбитам, тем самым создавая раздутую эллипсоидную форму галактики или балджа. Диски же спиральных галактик в основном состоят из молодых голубых звезд. Они сосредоточены в спиральных рукавах; при прохождении рукава сквозь газовое облако диска в нем запускается формирование звезд. Диски спиралей содержат огромное количество газа, особенно водорода. В эллиптических галактиках содержится очень мало газа, и поэтому новых звезд в них рождается меньше. В галактических же дисках была открыта темная материя. Края спиралей движутся слишком быстро, чтобы объяснить это лишь их массой в звездах и газе, а значит, присутствует еще какая-то форма материи. Она может существовать в форме экзотических частиц, которые трудно обнаружить, поскольку они редко вступают во взаимодействие, или в виде сжатых массивных объектов вроде черных дыр, незагоревшихся звезд или газовых планет. Темная материя образует сферический кокон вокруг галактики, который называется «гало галактики».
Одни и те же основные типы галактик существуют по всей Вселенной. Чтобы понять, как выглядит средний срез далекой Вселенной, в 1995 году космический телескоп «Хаббл» следил за небольшой полоской неба (шириной в 2,5 угловые минуты) в течение 10 дней. Орбитальная обсерватория позволила астрономам наблюдать космос намного глубже, чем это возможно через телескопы с Земли, и вид далеких галактик открылся нашим глазам. Свету нужно время, чтобы дойти до нас через космические пространства, и потому мы видели эти галактики такими, какими они были миллиарды лет назад. Поскольку было специально выбрано поле без звезд на переднем плане, почти все 3000 объектов в кадре — далекие галактики. Большинство из них можно классифицировать как эллиптические и спиральные, а значит, оба типа сформировались очень давно. Но неправильных и маленьких голубых галактик больше в далекой Вселенной, чем ближе к нам. Кроме того, 8–10 миллиардов лет назад звезды формировались в 10 раз быстрее, чем сейчас. Оба фактора заставляют предположить, что быстрый рост галактик в молодой Вселенной обусловлен более частыми их столкновениями.
Галактики группируются вместе, образуя скопления — самые большие элементы Вселенной, скрепляемые воедино силой тяготения. Эти массивные нагромождения из тысяч галактик содержат резервуары очень горячего газа и темной материи, разбросанные между членами скопления.
Скопления галактик удерживает вместе сила тяготения. Как звезды движутся по орбитам в галактиках, так и галактики движутся по траекториям вокруг центра масс скопления. Типичное большое скопление галактик имеет массу в миллион миллиардов раз больше Солнца. Само пространство, время искривляется от такого количества материи в столь малом объеме. По аналогии с резиновым полотном скопления лежат во вмятине, образованной их собственным весом. Но в нее падают не только галактики — в яме пространства-времени накапливается и газ. Скопления галактик полны горячего газа. Из-за его высокой температуры — миллионы градусов Цельсия — это море газа светится достаточно ярко, чтобы испускать рентгеновские лучи, которые можно обнаружить со спутников. Горячий газ называют межкластерным носителем информации. Похожим образом в гравитационном колодце скоплений собирается темная материя. Поскольку астрономы надеются увидеть темную материю в новой среде, за пределами отдельных галактик, они высматривают в скоплениях необычные знаки, которые помогут им понять, из чего состоит темная материя. Скопления можно нелестно представить, как космические свалки: они так велики, что в них падает что попало. Потому они и интересны космическим археологам. Более того, как самые крупные объекты, какие удерживает вместе сила тяготения, они должны, по идее, содержать обычную и темную материи в тех же пропорциях, что и во всей Вселенной. Если бы можно было посчитать массу всех скоплений, получилась бы приблизительная величина общей массы Вселенной.

5.4.5 Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной

Исследуя собственное вращение галактик, астрономы обратили внимание на то, что скорости звёзд, расположенных на периферии галактик, и скорости спутников галактик заметно выше той, которую они имели бы, если бы всё вещество галактики было сосредоточено в звёздах, газе и пыли.
Наблюдения указывают на то, что в галактиках имеется не излучающая свет тёмная материя, которая по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звёзд. Это несветящееся вещество не участвует в электромагнитном взаимодействии, мало проявляется в ядерном и слабом взаимодействиях, поэтому оно себя не обнаруживает. В основном оно участвует в гравитационном взаимодействии. Природа этой материи пока не ясна, но она вносит основной вклад в массу галактик. Делать выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как ряд наблюдений указывают на существование во Вселенной более экзотической по свойствам тёмной материи, которая получила название тёмной энергии. По своей массе она превышает все другие формы материи и вносит основной вклад в расширение Вселенной.
Проявление тёмной энергии было обнаружено по наблюдениям вспышек сверхновых звёзд в очень далёких галактиках. Удалось независимо от метода измерения расстояния по красному смещению линий в спектрах далёких галактик и закону Хаббла определить расстояние до них. Оказалось, что это расстояние больше, чем даёт закон Хаббла. Отсюда следовало, что на таких расстояниях расширение происходит с ускорением, т. е. во Вселенной проявляет себя новая сила отталкивания, которая является определяющей в больших масштабах, а на малых расстояниях ею можно пренебречь. Природа тёмной энергии и связанная с ней сила отталкивания пока не известны. Тёмная материя не испускает электромагнитного излучения и потому не доступна для наблюдения. Её можно обнаружить только по её массе, т.е. гравитационному влиянию на другие объекты, в том числе и свет.
В начале XIX в., изучая собственное движение звёзд, астрономы обратили внимание на то, что движение Сириуса не было прямолинейным, он испытывал периодические отклонения от прямой траектории. Было предположение, что вокруг Сириуса вращается невидимая звезда, которая своим притяжением приводит к видимым колебаниям Сириуса.
Когда для наблюдений стали использовать более мощные телескопы, около Сириуса обнаружили слабенькую звезду — белый карлик. Это открытие подтолкнуло астрономов к более тщательному исследованию движений звёзд.
 
В настоящее время для поиска планет за пределами Солнечной системы (экзопланет) используют и другие методы, основанные на наблюденях: по ослаблению света от звезды, когда планета проходит по её диску и заслоняет часть звезды; по измерению доплеровского смещения спектральных линий в звёздном спектре из-за движения звезды вокруг центра масс звезды и экзопланеты.
Трудность поиска экзопланет состоит в том, что для обнаружения планеты типа Земли скорости, которые нужно измерить, составляют несколько метров в секунду, а ослабление света звезды составит доли процента.
Теперь основная цель наблюдений — обнаружение атмосферы у этих экзопланет и определение её химического состава. Если в химическом составе будет обнаружен кислород, углекислый таз, метан, то на этих планетах возможно наличие жизни.
Многие астрономы искали проявление жизни на планетах Солнечной системы. Так, открытие Дж. Скиапарелли каналов и морей на Марсе во время Великого противостояния планеты в конце XIX в. вызвало большой интерес к проблеме связи с марсианской цивилизацией. Предлагали прорубить в сибирской тайге просеки в виде теоремы Пифагора с гигантскими квадратами на катетах и гипотенузе, засеять их пшеницей, и тогда на зелёном фоне тайги «марсиане» увидят этот рисунок и в конце концов дадут нам знать о себе.
К проблеме поиска связи с внеземными цивилизациями учёные обратились в конце 50-60 гг. XX в. Учёные К. Саган, Ф. Дрейк и И. Шкловский попытались на основе знаний из астрономии, биологии, химии, социологии и других естественных наук оценить количество разумных цивилизаций в нашей Галактике, с которыми мы могли бы надеяться связаться в настоящее время. Расчёты показали, что в Млечном Пути должно быть от одной цивилизации (нашей земной) до миллиона. В крупные радиотелескопы астрономы пытаются услышать эти цивилизации. Первые наблюдения в рамках поиска внеземных цивилизаций были проведены в 1960 г. Тогда астрономы, используя радиотелескоп с диаметром антенны в 25 м, прослушивали две близкие звезды, похожие на Солнце — Кита и Эридана в надежде услышать радиосигналы искусственной природы. Сигналы пока так и не были обнаружены. С помощью гигантских антенн радиотелескопов Центра дальней космической связи в Евпатории были оправлены послания в сторону нескольких ближайших звёзд, похожих на наше Солнце.
Наблюдения вспышек сверхновых звёзд в очень далёких галактиках позволили определить расстояния до них независимо от метода красных смещений. Полученное различие в оценках расстояний указывает на ускоренное расширение Вселенной на больших расстояниях. Это говорит о том, что наряду с силой всемирного тяготения между телами во Вселенной действует сила всемирного отталкивания. По-видимому, эта сила отталкивания является проявлением особой формы материи, которая называется тёмной энергией. Одним из её свойств является то, что она обладает отрицательным давлением.
В настоящее время обнаружено свыше 4000 экзопланет, определены их массы и расстояния до звезды, вокруг которой они обращаются. Среди них всего около 40 с массами, сравнимыми с массой Земли, и расположенных на расстояниях от звезды, обеспечивающих комфортные условия для образования и эволюции жизни на ней.
Для поиска внеземных цивилизаций проводится прослушивание космического пространства, а также посылаются закодированные послания в области Галактики, где, возможно, существует разумная жизнь. Кроме того, планируется сформировать и направить экспедицию на Марс. Согласно предположений многих ученых, на Марсе присутствуют или когда-то присутствовали формы жизни.