Опорные конспекты по астрономии

Солнечная система: планеты земной группы, планеты-гиганты, малые тела Солнечной системы

Солнечная система включает в себя центральную звезду (Солнце) и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг неё. Она сформировалась путём гравитационного сжатия газопылевого облака при­мерно 4,57 млрд лет назад.

Общая масса Солнечной системы составляет около 2 • 10³⁰ кг, из ко­торых на долю Солнца приходится 99,87%. Крупнейшие (после Солнца) объекты нашей системы — восемь планет, движущихся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Благодаря тому, что масса Солнца во много раз превышает массу всех планет, оно своим сильным гравитационным полем удерживает их вокруг себя. Кроме восьми планет и их спутников вокруг звезды обращаются карликовые планеты, тысячи малых планет (астерои­дов), кометы и частички пыли. Поверхность Солнца нагрета до температу­ры около 6000 К. Солнце излучает собственный свет, а планеты и спутники им освещаются и светят отражённым светом.

Большинство крупных объектов, обращающихся вокруг Солнца, дви­жутся практически в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики.

Движение планет и их спутников подчиняется законам Кеплера.

Первый закон Кеплера

Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Схематически, на примере системы Солнце — Земля, этот закон можно изобразить следующим образом:

На рисунке 1 буквами F обозначены два фокуса эллипса, О — центр эллипса, OA — его большая полуось.

Ближайшая точка к Солнцу (на рис. 1 точка Р) получила название пе­ригелий, а максимально удалённая от Солнца (на рис. 1 точка А) — афе­лий.

Второй закон Кеплера

Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солн­ца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.

Третий закон Кеплера

Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет:

гдеТ1 и Т2 — периоды обращения двух планет, а1 и а2— большие полуоси их орбит.

Величина большой полуоси орбиты Земли называется астрономиче­ской единицей (а. е.) и является одной из основных единиц длины, исполь­зуемых в астрономии: 1 а. е. = 149,6 млн км. Кроме астрономических еди­ниц в астрономии применяются и другие специфические единицы измере­ния: 1 парсек - 3 • 10¹⁶ м, 1 св. год = 9,5 • 10¹⁵ м.

Четыре ближайшие к Солнцу планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — называются планетами земной группы. Они обладают высо­кой плотностью и состоят преимущественно из силикатов и металлическо­го железа.

Все планеты этой группы имеют следующее строение в центре ядро из железа с примесью никеля; мантия состоит из силикатов; кора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии и состоящая также из силикатных пород, но обогащенная несовместимыми элементами. Из планет земной группы коры нет у Меркурия, что объясня­ют её разрушением в результате метеоритной бомбардировки.

Две планеты из земной группы — Земля и Марс — имеют спутники. Ни одна из них (в отличие от всех планет-гигантов) не имеет колец. У всех четырёх планет есть атмосфера. Самой плотной атмосферой обладает Ве­нера, на втором месте — Земля, у Марса атмосфера ещё слабее и почти совсем незаметна она у Меркурия (в 10000 слабее земной). Гидросферу имеет только Земля. Венера, в отличие от трёх других планет, вращается в направлении, обратном её движению вокруг Солнца. У всех планет зем­ной группы есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры, ощутимое у Земли, Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напря­жённости.

Четыре более удалённые от Солнца планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — намного более массивны, чем планеты земной группы, и назы­ваются газовыми гигантами. В отличие от каменных планет земной груп­пы, все они являются газовыми планетами, обладают значительно боль­шими размерами и массами (вследствие чего давление в их недрах значи­тельно выше), более низкой средней плотностью, мощными атмосферами, быстрым вращением, а также кольцами и большим количеством спутни­ков. Почти все эти характеристики убывают от Юпитера к Нептуну. Круп­нейшие планеты Солнечной системы, Юпитер и Сатурн, состоят главным образом из водорода и гелия; меньшие газовые гиганты, Уран и Нептун, помимо водорода и гелия, содержат в составе своих атмосфер метан и угарный газ.

Основные характеристики планет Солнечной системы представлены в таблице:

До недавнего времени считалось, что в Солнечной системе 9 планет, но 24 августа 2006 г. Плутон был лишён «звания» планеты и стал называться карликовой планетой. За последние 10 лет в этот класс объектов Сол-печной системы были включены ещё четыре объекта — Эрида, Хаумея, Макемаки и Церера. Характерным отличием карликовых планет от обыч­ных является то, что они не обладают достаточной массой для того, чтобы своим воздействием удалить другие малые тела с орбит, похожих на соб­ственную.

В Солнечной системе существуют две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером (то есть он разделяет планеты земной группы и газовые гиганты), схож по со­ставу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов и ме­таллов. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются карликовая планета Церера и астероиды Паллада, Веста и Гигея. Всего в поясе астеро­идов обнаружено более 100 тыс. объектов, общая масса которых состав­ляет не более 0,1% массы Земли.

За орбитой Нептуна располагаются объекты, состоящие из замёрзшей воды, аммиака и метана, крупнейшими из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке, Квавар, Орк и Эрида. Область Солнечной систе­мы от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояния около 55 а. е. от Солнца называется поясом Койпера.

Шесть планет из восьми и четыре карликовые планеты имеют есте­ственные спутники. Крупные спутники (например. Луна у Земли) име­ют шарообразную форму, а мелкие — неправильную форму, свойственную астероидам.

Многие кометы также являются частью Солнечной системы — под действием притяжения Солнца они вращаются вокруг него по вытянутым эллиптическим орбитам. Вдали от Солнца комета малозаметна, но по ме­ре приближения к звезде, за счёт таяния и испарения льда, входящего в её состав, у неё появляется и постепенно увеличивается хвост, направленный в противоположную от Солнца сторону.

Ускорение свободного падения на планете можно найти по формуле

Как известно из курса механики, первой космической скоростью на­зывается минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизон­тально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите. Она вычисляется по формуле

Вторая космическая скорость

Средняя плотность планеты равна отношению массы планеты к её объёму:

Звёзды. Их эволюция и характеристики

Звезда — массивный газовый шар, излучающий свет и удерживае­мый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутрен­ним давлением. Внутри звёзд происходят(или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза.

Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из во­дорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура веще­ства в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхно­сти — тысячами кельвинов. Например, температура на поверхности Солн­ца равна примерно 6000 К.

Светимостью звезды называется энергия, излучаемая звездой за 1 с со всей её поверхности. Для Солнца эта величина равна L — А -10²⁶ Вт.

По температуре, цвету и виду спектра все звёзды можно разделить на спектральные классы, которые обозначили буквами О, В, A, F, G, К, М.

O Be A Fine Girle Kiss Me

Один бритый англичанин финики джевал как морковку

В зависимости от спектрального класса, светимости и температуры по­верхности (диаграмма Герцшпрунга — Рассела, см. рис. 5) звезды делятся на несколько основных групп.

Главная последовательность. К этой группе относится большинство звезд (порядка 90%), в том числе и Солнце. Плотности звёзд этой груп­пы сравнимы с солнечной плотностью. Положение звезды на главной по­следовательности определяется её массой и в малой степени химическим составом.

Красные гиганты. К этой группе в основном относятся звёзды крас­ного цвета с радиусами, в десятки раз превышающими солнечный.

Сверхгиганты. Это звёзды со светимостями в десятки и сотни тысяч раз превышающими солнечную. Радиусы этих звёзд превышают радиус Солнца в сотни раз.

Белые карлики. Эта группа звёзд в основном белого цвета со свети мо-стями в сотни и тысячи раз меньше солнечной. По размерам они сравнимы с размерами Земли, но их массы близки к массе Солнца.

Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах внутри звезды.

Внутри Солнца термоядерные реакции происходят внутри ядра (его ра­диус равен примерно 0,3#_с). Вне ядра температура недостаточна для про­текания термоядерных реакций. Энергия, выделившаяся в ядре звезды, пе­реносится наружу, к поверхности, двумя способами: лучистым и конвек­тивным переносами.

В самом центре красных гигантов и сверхгигантов, несмотря на высо­кие температуры, ядерные реакции отсутствуют. Они протекают в тонких слоях вокруг плотного центрального ядра.

В 1967 г. астрономы обнаружили в космосе пульсары (нейтронные звез­ды) — радиоисточники, которые испускали периодические импульсы ра­диоизлучения. Эти необычные звёзды имеют радиусы около 10 км и массы, сравнимые с массой Солнца.

Созвездиями в современной астрономии называются участки, на ко­торые разделена небесная сфера для удобства ориентирования на звёзд­ном небе. В одном созвездии могут быть и очень близкие, и очень далё­кие от Земли звёзды, никак друг с другом не связанные. В начале XIX в. В. Гершель установил по собственным движениям немногих близких звёзд, что по отношению к ним Солнечная система движется в направлении со­звездий Лиры и Геркулеса. Направление, в котором движется Солнечная система, называется апексом движения.

Происхождение и эволюция Солнца и звёзд

Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако меж­звёздного газа, сжимающееся под действием гравитационных сил и посте­пенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в тепло, и температура объекта возрастает. На этой ста­дии развития такое облако называется протозвездой. Когда температура в центре достигает 15—20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. В та­ком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рассела, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на пе­риферии гелиевого ядра.

В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Её свети­мость растёт, внешние слои расширяются, а внутренние, наоборот, сжи­маются. И некоторое время яркость звезды тоже снижается. Температу­ра поверхности снижается, звезда раздувается — она становится красным гигантом или сверхгигантом в зависимости от массы. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последова­тельности.

Е сли звезда имела небольшую массу, то её раздувшаяся оболочка об­разует планетарную туманность. После окончательного рассеяния оболоч­ки от звезды остаётся только горячее ядро — белый карлик. Если звезда имела большую массу, то она эволюционирует быстрее и в конце своей жизни она может взорваться сверхновой звездой, а её ядро резко сжаться и превратиться в нейтронную звезду или даже в чёрную ды­ру. Сброшенная оболочка, обогащённая гелием и другими тяжёлыми элементами, образовавшимися в недрах звезды, рассеивается в пространстве и служит материалом для формирования новых звёзд.

Наблюдая только за одной звездой, невозможно изучить звёздную эво­люцию — многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, что­бы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Поэтому учёные изучают множество звёзд, каждая из которых находится на определённой стадии жизненного цикла.

Млечный Путь и другие галактики

С олнечная система входит в состав галактики Млечный Путь. Она представляет собой плоскую систему, имеющую спиральную структуру и содержит в себе от 200 миллиардов до 400 миллиардов звёзд, среднее расстояние между которыми около 5 св. лет. Наша Галактика вра­щается, совершая один оборот почти за 200 млн лет. В центре галакти­ки Млечный Путь, в небольшой области, сравнимой по размерам с Сол­нечной системой, сосредоточена масса, превышающая массу Солнца в 2 млн раз. Это доказывает существование в центре нашей Галактики чёрной дыры. В структуре нашей Галактики выделяют ядро и окружающие его две си­стемы звёзд: дискообразную и почти сферическую галактическую корону (гало). На рисунке 18 схематически изображено строение нашей Галакти­ки (вид «сверху» на рис. 18а и вид «с ребра» на рис. 18б).

Галактика Млечный Путь является спиральной галактикой с перемыч­кой (баром), из концов которого в 13 ООО световых лет от центра Галактики начинают закручиваться спиральные рукава, расположенные в плоскости диска. Диск погружён в гало сферической формы, а вокруг него распола­гается сферическая корона.

В средней части Галактики находится утолщение, которое называет­ся балджем, составляющее около 25000 световых лет в поперечнике. Для центральных участков Галактики характерна сильная концентрация звёзд: в каждом кубическом парсеке вблизи центра их содержатся многие ты­сячи.

Диск достигает в поперечнике почти } 00 000 световых лет, а его толщи­на колеблется от 300 до 3 000 световых лет. На долю тонкого диска прихо­дится всего 5% галактической массы, но он излучает до 90% света, ведь в основном здесь находятся яркие молодые звёзды, возраст которых не пре­вышает нескольких миллиардов лет, а их концентрация возрастает по ме­ре приближения к галактической плоскости. Они и образуют так называ­емую плоскую составляющую. Газ в диске Галактики также сосредоточен в основном вблизи его плоскости. Он распределён неравномерно, обра­зуя многочисленные газопылевые облака — от гигантских неоднородных по структуре облаков протяжённостью свыше нескольких тысяч световых лет до небольших облаков размерами не более парсека. В этих облаках ещё миллиарды лет будут рождаться новые звёзды.

Галактический диск окружён сфероидным гало, состоящим из старых звёзд и шаровых скоплений, концентрация которых повышается при при­ближении к ядру. Центр симметрии гало Млечного Пути совпадает с цен­тром галактического диска. В то время как галактический диск содержит газ и пыль, что затрудняет прохождение видимого света, сфероидная ком­понента таких составляющих не содержит.

Солнечная система находится на расстоянии примерно 28 ООО свето­вых лет от галактического центра, вблизи плоскости Галактики, на внут­реннем крае рукава, носящего название рукав Ориона. Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220—240 км/с, делая один оборот примерно за 200 млн лет. Эта скорость вращения почти совпадает со ско­ростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом — обычно звезда, вращаясь вокруг центра Галактики, то попадает внутрь спиральных рукавов, то вы­падает из них. Единственное место, где скорости звёзд и спиральных ру­кавов совпадают, — это так называемый коротационный круг, и именно на нём расположено Солнце.

Видимая с Земли картина Млечного Пути — неярко светящаяся диф­фузная белёсая полоса, пересекающая звёздное небо почти по большо­му кругу, — следствие перспективы при наблюдении изнутри огромного, сильно сплюснутого скопления звёзд нашей Галактики наблюдателем, на­ходящимся вблизи плоскости симметрии этого скопления. Яркость Млеч­ного Пути в различных местах неравномерна. Полоса Млечного Пути име­ет на вид облачное строение, обусловленное, во-первых, существованием в Галактике звёздных облаков или сгущений и, во-вторых, неравномер­ностью распределения поглощающих свет пылевых тёмных туманностей, образующих участки с кажущимся дефицитом звёзд из-за поглощения их света.

На ночном небе кроме звёзд, принадлежащих нашей Галактике, мож­но увидеть звёзды и нескольких других галактик. В Северном полушарии можно увидеть галактику Андромеды. Это ближайшая к Млечному Пу­ти большая галактика, и она содержит примерно 1 триллион звёзд, что в 2,5 — 5 раз больше Млечного Пути. Расположена в созвездии Андро­меды и отдалена от Земли на расстояние 2,52 млн св. лет. Магеллановы Облака —Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Обла­ко — галактики-спутники Млечного Пути, видны невооружённым глазом в Южном полушарии. Они располагаются относительно близко друг к дру­гу и образуют гравитационно-связанную (двойную) систему. Расстояние от Магеллановых Облаков до Млечного Пути — около 49 тысяч парсек, или 160 тысяч световых лет.

Наша Галактика вместе с галактикой Андромеды, галактикой Треуголь­ника и более чем 40 карликовыми галактиками-спутниками — своими и Андромеды — образуют Местную группу галактик, которая входит в Мест ное сверхскопление (Сверхскопление Девы}.

Большинство галактик можно объединить в несколько типов.

• Эллиптические галактики имеют вид кругов или эллипсов и их яр­кость плавно уменьшается от центра к периферии. Они не вращаются, в них мало газа и пыли.

• Спиральные галактики состоят из ядра и нескольких спиральных рукавов, или ветвей. Эти галактики вращаются, в них много газа, пыли и молодых горячих звёзд спектральных классов О и В.

• Неправильные галактики не имеют чётко выраженного ядра и вра­щательной симметрии.

Спиральные галактики бывают двух подтипов: нормальные спираль­ные галактики (спиральные рукава начинаются непосредственно из цент­ральной области) и спиральные галактики с перемычкой (рукава выходят не из ядра, а связаны с перемычкой, проходящей через центр галактики).

Систематические исследования распределения галактик показали, что кроме отдельных галактик наблюдаются скопления галактик. Такие галак­тики связаны общим тяготением и движутся вокруг общего центра масс.

Для изучения физических свойств галактик астрофизики используют методы спектрального анализа. Наблюдения показали, что линии в спек­трах всех известных галактик смещены к красному спектру. Этот сдвиг вы­зван удалением исследуемой галактики со скоростью v от наблюдателя. При этом справедлив закон Хаббла:

Скорости удаления галактик возрастают прямо пропорционально рас­стоянию до них: где — постоянная Хаббла, v — скорость удаления галактики, r — расстояние до неё.

Наблюдаемое разбегание галактик объясняется расширением Вселен­ной. Радиус Вселенной можно оценить с помощью закона Хаббла. Так как максимальная скорость не может превышать скорость света с, то макси­мальное расстояние R:

С помощью закона Хаббла можно оценить и примерный «возраст» Вселенной — t = 13 • 10⁹ лет.

Обнаружение реликтового излучения доказало, что на ранних этапах эволюции Вселенной температура её вещества была очень высокой.