Модель Солнечной системы

В центре Солнечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются девять больших планет вместе со своими спутниками, множество малых планет — астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны, как яркие светящиеся диски небольших диаметров и известны людям с древних времен. С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным, а Юпитера — 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. По-видимому, они не имеют твердой поверхности в отличие от планет земной группы. Особое место занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она близка к планетам земной группы. Сравнительно недавно обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

Центральное тело нашей планетной системы — Солнце — ближайшая к Земле звезда, представляет собой раскаленный плазменный шар, гигантский источник энергии мощностью около 3,86 1023 кВт Солнце играет исключительно важную роль в возникновении и развитии жизни на Земле, на которую попадает лишь незначительная часть его энергии, в то же время достаточная для поддержания газообразного состояния земной атмосферы, нагревания поверхностей суши и водоемов и обеспечения жизнедеятельности животных и растений. Существенная часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и природного газа. Предполагается, что в недрах Солнца при огромных температурах — около 15 млн. градусов — и гигантском давлении протекают термоядерные реакции синтеза, сопровождающиеся выделением чрезвычайно большого количества энергии. Одной из возможных реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Термоядерная реакция не прекратится до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода, составляющие в настоящее время около 60% массы Солнца. Таких запасов должно хватить, по меньшей мере, на несколько миллиардов лет. Солнца поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Интенсивность невидимых излучений существенно меняется и зависит от уровня солнечной активности. Наблюдаются циклы солнечной активности с периодом в 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности Солнца, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т.д. Солнце оказывает заметное влияние нетолько на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу, включающую животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека.

Луна. Подобно тому как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна — естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, ее диаметр составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать плотную, как на Земле, атмосферу и сохранить на ее поверхности воду. Минералогический состав лунных пород близок к земным породам — базальтам. Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения.

Меркурий — самая малая планета в земной группе — не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для атмосферы Земли, Венеры, Марса. Атмосфера Меркурия крайне разрежена и содержит в основном Ar, Ne, He. Земная атмосфера отличается относительно большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым существует биосфера и развивается жизнь. Атмосфера Венеры и Марса содержит сравнительно много углекислого газа и мало кислорода и паров воды — все это характерные признаки безжизненных планет. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых организмов. Планеты Меркурий и Венера не имеют спутников. Естественные спутники Марса — Фобос и Деймос. Плутон — наименьшая среди известных нам планет Солнечной системы и наиболее далекая от Солнца. Плутон был открыт сравнительно недавно. Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает от него в 1600 раз меньше тепла и света, чем наша планета. Плутон — это холодный темный и безмолвный мир, поверхность которого покрыта метановым льдом. Температура планеты рекордно низка: -230 °С. Период вращения Плутона равен 6,4 сут., а период обращения — почти 248 лет. В 1978 г. американский астроном Дж. Кристи открыл у Плутона один спутник, названный Хароном. Он удален от планеты на расстояние в 17 000 км.Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. Юпитер — пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы. Он является мощным источником теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой, имеет 28 спутников и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км. Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы. Он имеет кольца, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему из мелких камней, льдинок размером до 10—20 м. Сатурн имеет 30 спутников и радиационные пояса. Уран — седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Он имеет систему колец. Вокруг него обращаются 16 спутников: 6 из них обнаружены при наблюдении с Земли, а остальные — с помощью космических аппаратов. Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет имеет 8 спутников. Период его обращения — 164,8 г. Нептун находится на сравнительно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ограничивает возможность его детального исследования.

Астероиды. Большая часть астероидов (более пяти тысяч тел размером от одного километра до тысячи километров) движется между орбитами Марса и Юпитера. Орбиты их, как правило, не слишком сильно отличаются от окружностей. Периодические изменения яркости, наблюдаемые у некоторых астероидов, указывают на то, что они обладают неправильной формой, неровной поверхностью и вращаются вокруг своих осей. Поверхности астероидов, как и спутников планет, должны нести следы ударов более мелких тел. Атмосфер у астероидов нет.

Кометы — эти странные небесные скитальцы вызывали у людей суеверный страх чаще, чем любые другие небесные тела. Большинство комет движется по чрезвычайно вытянутым орбитам и при каждом обороте приближаются к Солнцу лишь на непродолжительное время. В перигелии, при максимальном сближении с Солнцем, их блеск очень сильно возрастает. В это время они столь активны, что теряют заметную долю своего вещества и вокруг их ядра образуется протяженная атмосфера (кома) из газа и мелких пылевых частиц. Под давлением солнечного излучения и выброшенных Солнцем частиц кометный газ и пыль покидают голову кометы, порождая протяженный хвост, а то и несколько хвостов всегда сложной структуры. Вероятно, кометы внесли свой вклад в обогащение вещества Солнечной системы такими легкими летучими составляющими, как углерод и вода, без которых была бы невозможна жизнь на Земле.

28. Основные случайные задержки на пути развития Вселенной.

Природа темной энергии (когда два гигантских галактических объекта сталкиваются друг с другом.), загадочного агента, вызывающего ускорение расширения Вселенной - одна из самых больших проблем науки. Чтобы понять ее лучше, астрономы находят новые способы определить его влияние на Вселенную. Недавний прорыв в этой области был совершенный Алексеем Виклининым и его коллегами, изучает, как темная материя замедляет эволюцию больших структур, что приводит к замедлению развития Вселенной. Что конкретно меняется в сегодняшней Вселенной с наличием темной энергии? Что если лишить раннюю Вселенную отталкивающего действия, а все остальное - количество материи, и крошечные неравномерности, наблюдаемые в космическом микроволновом фоне - осталось бы тем же? В таком сценарии, как бы Вселенная выглядела спустя 13.7 миллиарда лет? В соревновании между притяжение темной материи и отталкиванием темной энергии, что случится если изъять последнюю еще до того, как начнется вся эта игра?
Оказывается, что последствия этого будут весьма драматичны. Если бы не было темной энергии, Вселенная бы расширялась на 50% медленнее, а космические структуры - такие как галактики и скопления галактик были бы гораздо массивнее и росли бы еще больше. Поглощение галактик было бы совершенно обычным делом. Наш Млечный Путь, по всей видимости, уже бы объединился с Туманностью Андромеды, и эта огромная галактика была бы уже на пути вхождения в скопление Девы. Интересно думать о том, что этот загадочный агент, который оказал такое влияние на формирование Вселенной, известен всего 10 лет.
Эффект темной энергии иллюстрируется на следующем рисунке, показывающем, масштаб Вселенной (внизу) и рост больших структур (вверху), как они могли бы меняться со временем. Рост структур проиллюстрирован весом галактических кластеров как дял формирования новых объектов, так и для общего увеличения массы существующих скоплений.
Оранжевая линия показывает существующую Вселенную, желтая - Вселенную высокой плотности без темной энергии, синяя- Вселенную низкой плотности без темной энергии. Из графиков видно, как темная энергия сдерживает развитие Вселенной.
Еще один важный вопрос в том, можем ли мы исключить возможность, что темной энергии нет в наблюдаемой Вселенной? Чтобы исследовать его, придется придумать Вселенную, в которой темной энергии никогда не существовало, и ее расширение не ускорялось (см. синюю линию). Можно ли отличить поведение такой вселенной от поведения наблюдаемой части нашей Вселенной? И как следствие, можно ли посмотреть назад во времени на отдаленные скопления и определить влияние на них темной энергии?
Ответ из работ Виклихина и др. - однозначно "да". Наблюдаемая расширяющаяся Вселенная расширялась медленнее в прошлом чем такая же вселенная низкой плотности, но без темной энергии (приведем простую аналогию - мы обгоняем машину, которая движется медленнее, мы знаем, что движемся быстрее, это значит, что мы были позади этой машины некоторое время назад). Медленное расширение подразумевает больший рост в прошлом у расширяющейся вселенной с темной энергией, что и наблюдается в настоящий момент. Разница в массе типичного галактического скопления примерно на 30% больше, чем у вселенной низкой плотности без темной энергии. Иными словами, коэффициент увеличения массивного кластера примерно 12.5, тогда как в модели низкой плотности всего 7.
На основе предыдущих исследований кластеров, астрономы уже знали, что мы живем во Вселенной скорее низкой, чем высокой плотности. С 1998 года из измерений расстояний до галактик по сверхновым, мы знали, что темная энергия в настоящий момент доминирует масс-энергетическом составе Вселенной. Новая работа теперь раскрывает влияние темной материи на рост космических структур и, в комбинации с ранними работами, предоставляет полную картину того, что есть темная энергия.