Сайт викладача фізики

Тема 3. Загальні відомості про об’єкти Сонячної системи.

§14. Загальні відомості про Сонце.

§15. Загальні відомості про Землю.

§16. Місяць – природний супутник Землі.

§17. Планети земної групи.

§18. Планети-гіганти.

§19. Карликові планети та малі тіла Сонячної системи.

Тема 4. Загальні відомості про зірка та галактики.

§20. Спектральна класифікація зірок.

§21. Еволюційна класифікація зірок.

§22. Загальні відомості про галактики та квазари.

.

Тема 3.   Загальні відомості про об’єкти Сонячної системи.

Нагадаємо, Сонячна система – це сукупність гравітаційно пов’язаних космічних об’єктів, які обертаються навколо Сонця. Про загальний устрій цієї системи та про закономірності механічного руху її об’єктів, ви вже знаєте. Про те як виникла ця система, ми поговоримо в процесі вивчення теми «Основи космології». Наразі ж мова піде про загальний устрій та загальні характеристики основних елементів Сонячної системи. А цими елементами є Сонце, планети та їх супутники, карликові планети, астероїди, комети, метеорити, тощо.

Мал.87. Сонячна система – це сукупність гравітаційно пов’язаних космічних об’єктів, які обертаються навколо Сонця.

.

§15. Загальні відомості про Сонце.

Сонце – це одна з незліченних зірок нашого Всесвіту. При цьому, за мірками сучасного Всесвіту, воно є активною зіркою середніх розмірів, середньої маси, середнього віку та середньої світності (енергетичної потужності). Сонце представляє собою розжарену газоподібну кулю, температура поверхні якої близька до 5800К. Радіус цієї кулі 695∙10⁶м, що в 109 разів перевищує радіус Землі. А це означає, що об’єм Сонця в (109)³=1,3∙10⁶ разів більший за об’єм Землі. Маса Сонця близька до 2∙10³⁰кг, що  в 330 000 разів перевищує масу Землі і в 750 разів – загальну масу всіх планет Сонячної системи. Середня густина Сонця 1,4 г/см³, що в 4 рази менше за середню густину Землі. Прискорення вільного падіння на умовній поверхні Сонця становить 274 м/с² і тому вага тіл на цій поверхні приблизно в 28 разів більша ніж на Землі.  Сонце, на 73% складається з водню, на 25% – з гелію і на 2% – з інших хімічних елементів. Джерелом тієї енергії яку постійно випромінює Сонце, є ті термоядерні реакції які відбуваються в розжарених до 13,5∙10⁶К  надрах Сонця, і в процесі яких, ядра атомів водню перетворюються на ядра атомів гелію.

Дослідження показують, що Сонце знаходиться на відстані 30 000 св.р. від центру галактичного диску і обертається навколо цього центру з швидкістю 220 км/с. При цьому період обертання Сонця близький до 200 мільйонів років. Сонце обертається не тільки навколо центру Галактики, а й навколо власної осі. Обертається в тому ж напрямку, що і планети Сонячної системи. Кут нахилу осі обертання Сонця до тієї площини в якій обертаються планети Сонячної системи (площини екліптики) становить 82º45′. Характерною особливістю обертання Сонця навколо своєї осі є факт того, що період обертання його поверхневих шарів на екваторі та на полюсах є суттєво різним: для точок близьких до екватора, цей період становить 25 діб, а для точок близьких до полюсів – 30 діб. Даний факт пояснюється тим, що Сонце обертається не як тверде тіло, а як газоподібна куля.

Мал.88. Сонце обертається навколо власної осі в напрямку обертання всіх його планет.

На перший погляд, Сонце представляє собою однорідну світлову кулю з чітко окресленими контурами, що дозволяє говорити про певні геометричні розміри Сонця і зокрема про його радіус, тобто відстань від геометричного центру Сонця до його поверхні. Насправді ж, чітко окресленої поверхні Сонця не існує. Цією поверхнею прийнято вважати відносно тонку, відносно щільну та відносно гарячу частину сонячної атмосфери, яку називають фотосферою. Загалом же, описуючи устрій Сонця виділяють наступні структурні шари (мал.89):

– зона термоядерних реакцій (сонячне ядро);

– зона променистої рівноваги;

– зона конвекції;

– фотосфера;

– хромосфера;

– сонячна корона.

При цьому сонячне ядро, зону променистої рівноваги та зону конвекції відносять до внутрішніх шарів Сонця. А фотосферу, хромосферу та сонячну корона – до його зовнішніх шарів, тобто тих шарів які утворюють сонячну атмосферу.

Мал.89. Загальний устрій Сонця.

Описуючи параметри вище згаданих структурних шарів Сонця та ті процеси, що відбуваються в них, гранично стисло і спрощено можна сказати наступне.

Сонячне ядро. Сонячним ядром називають ту центральну частину Сонця, радіус якої приблизно в 4 рази менший за радіус Сонця і в якій відбуваються термоядерні реакції. Густина речовини в центральній частині сонячного ядра близька до 150 г/см³, що в 150 разів більше за густину земної води і в 19 разів більше за густину звичного для нас заліза. Температура в центрі ядра близька до 15∙10⁶К, а на його периферії – до 7∙10⁶К. В сонячному ядрі відбуваються так званий водневий цикли термоядерних реакцій, в процесі якого чотири ядра атомів водню (чотири протони) об’єднуються в одне ядро атома гелію. При цьому, виділяється 26,71МеВ енергії. Узагальнюючий результат цих реакцій можна представити у вигляді наступних співвідношень:

4Н₊₁¹ → Не₊₂⁴ + 2е₊₁¹ + 24,67МеВ

2е₊₁¹ + 2е_–1¹ → 2,04МеВ.

Результатом подібних перетворень є факт того, що в надрах Сонця, у повній відповідності з рівнянням Е=mc², щосекундно 4,26∙10⁹кг речовини перетворюється на 3,8∙10²⁶Дж енергії. Ця енергія поступово проходячи через зону променевої рівноваги та зону конвекції, досягає фотосфери і випромінюється у вигляді сонячного світла.

Зона променистої рівноваги. Над ядром, на відстань до 0,7 радіуса Сонця знаходиться так звана зона променистої рівноваги (радіаційна зона). Температура цієї зони поступово зменшується від 7∙10⁶К до 2∙10⁶К, а її густина зменшується від 20 г/см³ до 0,2 г/см³. Перенос енергії в зоні променистої рівноваги здійснюється головним чином шляхом випромінювання та поглинання фотонів світла (зазвичай світла рентгенівського та ультрафіолетового спектрів). Це означає, що в процесі надзвичайно інтенсивного хаотичного руху заряджених частинок, ці частинки постійно випромінюють та поглинають відповідні світлові фотони (кванти електромагнітних хвиль). І потрібно зауважити, що напрям руху цих фотонів є усереднено хаотичним і тому вони можуть потрапляти як до більш високих так і до більш низьких шарів зони променистої рівноваги. А це означає, що в зоні променистої рівноваги загальна швидкість руху фотонів в напрямку поверхні Сонця є досить низькою. Характеризуючи величину цієї усередненої швидкості достатньо сказати, що від зони термоядерних реакцій (ядро Сонця), до тієї зони яка випромінює видиме світло (фотосфера), електромагнітні фотони постійно випромінюючись та поглинаючись, мандрують близько 10 млн. років. Так що те світло, яке випромінює поверхня Сонця і яке долітає до Землі за 8,3 хвилини, мільйони років мандрує надрами Сонця. І левову частину цих мільйонів років, воно мандрує зоною променистої рівноваги.

Зона конвекції. Між зоною променистої рівноваги та фотосферою Сонця знаходиться так звана зона конвекції (конвективна зона). Температура внутрішніх шарів цієї зони змінюється від 2∙10⁶К до 6000К. Наочним аналогом тих процесів що відбуваються в надрах зони конвекції є нагрівання води в посудині: полум’я нагріває нижні шари води, при цьому, в результаті теплового розширення ці шари стають менш густими і тому витісняються вгору більш холодними та відповідно більш густими шарами води. Аналогічні процеси відбуваються і в надрах зони конвекції: та енергія яка випромінюється зоною термоядерних реакцій і яка переноситься зоною променистої рівноваги, нагріває нижні шари зони конвекції та спричиняє певний кругообіг речовини в ній. Рух речовини в конвекційній зоні Сонця не є хаотичним, а представляє собою певні відносно стійкі вихрові циркуляції. Одним з наслідків цих циркуляцій, є факт того, що поверхня Сонця представляє собою сукупність величезної кількості відносно дрібних фрагментів, які прийнято називати гранулами.

Мал.90. В зоні конвекції основним способом переносу енергії є вихрові конвекційні потоки розжареної плазми.

Ті вихрові циркуляції розжареної плазми які відбуваються в надрах конвекційної зони, а по суті потужні вихрові електричні струми, створюють відповідно потужні магнітні поля. Одним з наочних проявів цих полів є поява на поверхні Сонця так званих сонячних плям. Ці плями представляють собою достатньо великі фрагменти сонячної поверхні, які відрізняються тим, що їх температура приблизно на 1000К менша за середню температуру цієї поверхні. Наявне зниження температури сонячних плям пояснюється наступним чином. Ті потужні вихрові струми які виникають в надрах конвекційної зони Сонця, створюють відповідно потужні магнітні потоки. А ці магнітні потоки, у відповідності з законом електромагнітної індукції, протидіють причині їх появи, тобто протидіють тим вихровим струмам які і створюють відповідне магнітне поле. По суті це означає, що те магнітне поле яке створюється вихровими циркуляціями високо температурної плазми, певним чином гальмує ці циркуляції, а отже сприяє зниженню температури в них.

Фотосфера. Фотосфера (від грец. photos – світло, sphaira – куля) – відносно тонкий нижній шар сонячної атмосфери, що випромінює той неперервний спектр електромагнітних хвиль, який прийнято називати видимим світлом. Оскільки товщина фотосфери є відносно малою (приблизно 300км, що менше тисячної частини радіуса Сонця), та зважаючи на факт того, що власне фотосфера випромінює те світло яке викликає наші зорові відчуття, саме фотосферу умовно називають поверхнею Сонця. Усереднена (ефективна) температура фотосфери Сонця 5800К. При цьому реальна величина цієї температури плавно змінюється від 6600К (для гранично нижніх шарів) до 4400К (для гранично верхніх шарів). Густина фотосфери змінюється від 3∙10^–6г/см³ до 3∙10^–7г/см³, що усереднено в тисячу разів менше за густину атмосферного повітря Землі (ρ=1,29∙10^–3 г/см³).

Потрібно зауважити, що поверхня Сонця, а по суті його фотосфера, є не однорідною. Ця поверхня представляє собою сукупність величезної кількості вихрових збурень (гранул), які динамічно змінюючи одна одну, в одних місцях утворюють області підвищеної температури та відповідно більшої яскравості, а в інших – області зниженої температури, а отже і меншої яскравості (сонячні плями). Крім цього, цю поверхню час від часу збурюють потужні викиди речовини, які прийнято називати протуберанцями (від лат. protubero – здуватись).

Мал.91. Поверхня Сонця є не однорідною і представляє собою певну складну динамічну систему.

Хромосфера. Хромосферою (від грец. chroma – колір) називають той шар атмосфери Сонця, який знаходиться між його фотосферою та короною і який характеризується поступовим зростанням температури від 4400К (на межі з фотосферою) до 1∙10⁶К (на межі з сонячною короною). Причиною підвищення температури того розрідженого газу який утворює хромосферу і сонячну корону, є все ті ж потужні магнітні поля які створюються вихровими потоками плазми в зоні конвекції. Втім, деталі тих складних процесів які призводять до розігріву хромосфери і сонячної корони ще уточнюються.

Хромосферу Сонця можна спостерігати під час повних сонячних затемнень, тобто в ті моменти, коли Місяць практично повністю закриває видимий диск Сонця. При цьому, можна помітити, що затемнений Місяцем диск Сонця, оточує відносно тонке рожеве кільце з не явно вираженими контурами. Це кільце і є хромосферою Сонця. А його рожевий колір пояснюється фактом того, що основною складовою сонячної хромосфери є атоми водню, які при енергетичному збудженні випромінюють такий лінійчатий спектр, результуючий колір якого рожевий. Товщина хромосфери близька до 14 тис.км. При цьому її верхні контури є такими, що схожі на язики того полум’я яке утворюється при горінні сухої трави. Ці схожі на язики полум’я утворення називаються спікулами (від лат. spiculum – вістря).

Сонячна корона. Зовнішню частину сонячної атмосфери прийнято називати сонячною короною. Сонячна корона представляє собою надзвичайно розріджену високотемпературну плазму, густина якої в мільярди разів менша за густину атмосферного повітря, а температура близька до 2∙10⁶К. Яскравість сонячної корони в мільйони разів менша за яскравість фотосфери і тому за звичайних умов сонячна корона є практично не видимою. Її можна спостерігати лише в моменти повного сонячного затемнення. В ці моменти, затемнений Місяцем диск Сонця оточує сріблясте сяйво, яке і є видимою частиною сонячної корони.

Мал.92. Загальний вигляд сонячної корони в момент повного сонячного затемнення.

Товщина сонячної корони приблизно дорівнює двом радіусам Сонця. Втім, ця товщина визначальним чином залежить від активності тих процесів які відбуваються в надрах Сонця. Скажімо в періоди низької сонячної активності, над приполярними областями Сонця виникають так звані корональні діри – області сонячної корони, які характеризуються наднизькою густиною високотемпературної плазми і які в спектрі видимого світла є практично невидимими. В періоди ж високої сонячної активності, сонячна корона практично рівномірним шаром оточує всю сонячну сферу.

Оскільки температура тієї розрідженої речовини що утворює сонячну корону є надзвичайно високою (над активними зонами, до 20∙10⁶К), то відповідно великою є і величина кінетичної енергії частинок цієї речовини. (Нагадаємо, температура (Т) – це міра середньої кінетичної енергії частинок речовини, виміряної не в джоулях, а в кельвінах). В такій ситуації, навіть потужне гравітаційне поле Сонця, не може утримати ті високо енергійні частинки, що знаходяться в віддалених шарах сонячної корони. Зважаючи на ці обставини, певна кількість частинок сонячної корони, неперервним потоком вилітає в міжпланетний простір, утворюючи так званий сонячний вітер. Сонячний вітер представляє собою потік заряджених частинок (головним чином електронів, протонів та α-частинок), які безповоротно вилітають за межі сонячної атмосфери. На відстані орбіти Землі, швидкість частинок сонячного вітру близька до 500км/с. При цьому усереднена концентрація цих частинок мізерно мала: 5 частинок на см³. Попри таку мізерну концентрацію, загальна кількість тієї речовини яка «випаровується» з сонячним вітром є надзвичайно великою. За рік ця кількість дорівнює 1∙10¹⁶кг, що становить 2∙10^–14 від загальної маси Сонця.

Потрібно зауважити, що коли ми говоримо: «температура того розрідженого газу який утворює сонячну корну близька до 2∙10⁶К», то термін «температура» застосовуємо досить умовно. Адже мова йде лише про те, що у відповідних областях сонячної атмосфери, середня кінетична енергія тих частинок з яких ця атмосфера складається, відповідає температурі 2∙10⁶К, тобто становить 4,1·10^–17Дж або 258еВ. При цьому ви маєте розуміти, що на тих висотах де частинки зустрічаються настільки рідко, що довжина їх вільного пробігу вимірюється десятками і сотнями кілометрів, загальна енергія потоку цих частинок є надзвичайно малою.

Причиною тих процесів які відбуваються в сонячній атмосфері є певна сукупність складних явищ, які позначають терміном сонячна активність. Сонячна активність – це сукупність тих явищ, які відбуваються в атмосфері Сонця і які обумовлені тими процесами, що відбуваються в його надрах. Певними проявами сонячної активності є гранульована структура фотосфери та наявність в ній сонячних плям, сонячних факелів та спалахів. Наявність в сонячній атмосфері спікул, протуберанців, корональних петель, корональних викидів, тощо. Проявами сонячної активності є утворення сонячного вітру та інтенсивних потоків ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання. По суті результатом сонячної активності є і факт того, що по мірі віддалення від поверхні Сонця, температура того розрідженого газу який утворює хромосферу та сонячну корону, не зменшується, а збільшується.

Дослідження показують, що сонячна активність характеризується певною періодичністю (циклічністю). Це означає, що з плином часу величина сонячної активності змінюється, і що ці зміни відбуваються з певною періодичністю. Зазвичай ця періодичність (проміжок часу між сусідніми максимумами або мінімумами активності) становить 11 років. При цьому величини пікових значень 11-річних циклів сонячної активності, в свою чергу також змінюються. І ці зміни відбуваються з періодичністю близькою до 90 років. Певні факти вказують і на те, що окрім вище згаданих циклів сонячної активності, існує ще й більш тривалий, тисячолітній цикл, періодичність якого близька до 1100 років.

Контрольні запитання.

1. Дайте характеристику загально фізичних параметрів Сонця.
2. Дайте загальну характеристику кінематичних параметрів Сонця.
3. Чому періоди обертання поверхневих шарів Сонця на екваторі і полюсах є різним?
4. Опишіть внутрішній устрій Сонця.
5. Які процеси відбуваються в зоні ядерних реакцій?\
6. Які процеси відбуваються в зоні променевої рівноваги?
7. Які процеси відбуваються в зоні конвекції?
8. Як сучасна наука пояснює причини появи сонячних плям?
9. Дайте загальну характеристику фотосфери Сонця.
10. Чому хромосфера Сонця має рожеве забарвлення?
11. Що позначають терміном «сонячний вітер»?
12. Що позначають терміном «сонячна активність»?

.

§16. Загальні відомості про Землю.

Для людей та всього земного життя, безумовно найважливішою планетою Сонячної системи є Земля. Стисло характеризуючи параметри Землі як космічного об’єкту, можна сказати наступне.

Земля, це третя від Сонця планета Сонячної системи, яка належить до планет земної групи та є найбільшою з цих планет. Маса Землі 6,98∙10²⁴кг; середня густина 5,52 г/см³; усереднене значення прискорення вільного падіння 9,8 м/с². Земля обертається навколо Сонця еліптичною (але дуже близькою до колової) орбітою, усереднений радіус якої 149,6∙10⁶км. При цьому середня швидкість обертального руху Землі 29785 м/с, а період обертання 365,24 доби (зоряний рік). Крім цього, Земля обертається навколо своєї осі. Період цього обертання 23год 56хв 4,1с. Обертання Землі навколо своєї осі спричиняє зміну дня і ночі, а обертання навколо Сонця у поєднанні з нахилом осі обертання до площини екліптики, спричиняють зміну пір року.

Потрібно зауважити, що для земного спостерігача, реальна тривалість доби, а по суті видимий період обертання Землі навколо своєї осі, становить не 23год 56хв 4,1с, а 24год 00хв 00с. Це пояснюється тим, що Земля обертається не тільки навколо своєї осі, а й навколо Сонця. При цьому за той час поки певна точка поверхні Землі зробить повний оберт навколо своєї осі (23год 56хв 4,1с), Земля встигне зробити 1/365,24 = 0,002738 оберту в тому ж напрямку навколо Сонця. А це означає, що для видимого завершення повного добового оберту Землі, вона має обертатись певний додатковий час. І величина цього часу 3хв 55,9с.

Земля має форму дещо приплюснутої на полюсах і розтягнутої на екваторі сфери (еліпсоїда). При цьому, середній радіус Землі 6371км, а різниця між її екваторіальним та полярним радіусами становить 21,3км. Факт того, що форма Землі не сферична, а дещо еліпсоїдна, пояснюється фактом її обертання навколо своєї осі. Дійсно. Гравітаційні сили є такими, що прагнуть надати Землі ідеально сферичної форми. І якби Земля не оберталась навколо своєї осі, то була б сферичною. Однак в реальності Земля обертається. А це означає, що кожна її точка рухається з певним доцентровим прискоренням (а) і тому на неї діє певна відцентрова сила інерції (F_i = –ma). Власне ця сила і деформує Землю.

Кліматичні умови того чи іншого регіону Землі залежать від великої кількості обставин: віддаленості чи близькості до вод океанів і морів, наявності теплих чи холодних океанічних течій, рельєфу місцевості, рози вітрів, тощо. Однак якщо говорити про загально планетарні кліматичні умови, та про загальну сезонність зміни цих умов,  то вони визначальним чином залежать: 1) від тієї географічної широти на якій знаходиться відповідна територія; 2) від факту того, що вісь обертання Землі нахилена до площини її обертання навколо Сонця (площини екліптики) під кутом 66,5° (а відповідно до перпендикуляру до цієї площини – під кутом 23,5°). Власне саме ці кути і визначають загально планетарний поділ кліматичних поясів Землі на пояси екваторіального, помірного та арктичного (антарктичного) клімату. В загальних рисах про ці пояси можна сказати наступне.

Екваторіальний кліматичний пояс знаходиться між паралелями 23,5° північної широти та 23,5° південної широти. В цьому поясі сонячні промені протягом року падають на поверхню Землі під максимально великим кутом. При цьому на межі поясу (паралель 23,5°) величина виміряного від поверхні Землі кута падіння променів, змінюється від 90° в день літнього сонцестояння, до 66,5° в день зимового сонцестояння і навпаки За таких умов, екваторіальний пояс характеризується жарким кліматом та незначними відмінностями між літніми і зимовими місяцями.

Арктичний (антарктичний) кліматичний пояс знаходиться за тією паралеллю яка називається полярним колом (за широтою 66,5°). В цьому поясі сонячні промені падають на поверхню Землі під гранично малими кутами, величина яких не перевищує 23,5°. Характерною особливістю арктичного поясу є наявність того, що називають полярним днем та полярною ніччю. Кліматичні умови арктичного поясу є надзвичайно суровими та малопридатними для життя.

Якщо ж говорити про помірний кліматичний пояс, то він характеризується широким різноманіттям кліматичних умов, параметри яких в залежності від географічної широти та місцевих особливостей, можуть бути як близькими до екваторіального клімату так і до клімату приполярного. Однак в загальних рисах пояс помірного клімату є сприятливим для життя.

Мал.93. В загально планетарному масштабі можна виділити три кліматичні пояси Землі: екваторіальний, помірний та арктичний (антарктичний)

Описуючи загальний устрій Землі як твердого тіла, можна сказати наступне. Зовнішню тверду оболонку Землі називають земною корою. Земна кора є найбільш складною, найбільш неоднорідною і з практичної точки зору, найбільш важливою частиною земної кулі. Земна кора займає близько 1% від загального об’єму земної кулі та близько 0,5% від її загальної маси. В земній корі зустрічаються практично всі хімічні елементи, починаючи від водню (Н₁¹) і закінчуючи ураном (U₉₂²³⁸). При цьому, основними хімічними складовими земної кори є кисень О (47%), кремній Si  (29,5%), алюміній Aℓ (8,05%) та ферум Fe (4,65%).

В залежності від геологічного складу і товщини, земна кора поділяється на материкову та океанічну. Товщина материкової кори становить 25 – 80 км, а товщина кори океанічної – лише 5 – 15 км. При цьому, материкова кора складається з трьох базових шарів: базальтового, гранітного та осадового, а океанічна кора має лише два шари – базальтовий та осадовий.

Мал.94.  Загальний устрій земної кори.

Базальтовими породами (базальтами)  називають сукупність тих кристалічних гірських порід, густина яких близька до 3,0 г/см³. Базальти представляють собою дрібнокристалічну гірську породу темного кольору. Основними складовими базальтів є: SiO₂ ≈ 50%, Aℓ₂O₃ ≈ 16%, Fe₂O₃+FO ≈ 15%.

Гранітними породами (гранітами) називають сукупність тих кристалічних гірських порід, густина яких близька до 2,65 г/см³. Граніти представляють собою крупнокристалічну гірську породу, зазвичай світло сірого кольору. Основними складовими гранітів є: SiO₂ ≈ 70%, Aℓ₂O₃ ≈ 15%, Fe₂O₃+FO ≈ 3%.

Осадовими породами називають сукупність тих порід які утворились в результаті механічної, вітрової, водяної, термічної, хімічної, біологічної та інших видів руйнації верхніх шарів земної кори, в результаті вулканічних, геофізичних та інших процесів, а також в результаті життєдіяльності живих організмів. Прикладами осадових порід є різноманітні глини, пісок, гравій, вапняки, ґрунти, глинисті сланці, поклади різних солей, поклади різноманітних руд, торфу, вугілля, тощо. Усереднена густина осадових порід близька до 2,2 г/см³.

По суті, тією твердою основою земної кори на яку спираються як материки так і океани є базальтовий шар. Цей шар опоясує всю земну кулю. При цьому його товщина в різних місцях є суттєво різною. Зазвичай, для континентальної земної кори товщина базальтового шару становить 20 – 30 км, а для кори океанічної  4 – 8 км. Твердий базальтовий шар земної кори, плавно переходить в більш густу (ρ ˃ 3,4 г/см³), аморфно-в’язку масу, яку прийнято вважати верхньою частиною мантії Землі (верхньою мантією). Сукупність земної кори та верхньої мантії Землі називають літосферою (від грец. litos – камінь, spaira – сфера, куля).

По мірі заглиблення в надра Землі, густина речовини та її температура поступово збільшуються. При цьому, відповідна речовина стає все менш і менш в’язкою. За певним набором ознак, внутрішню частину земної кулі умовно розділяють на мантію, зовнішнє ядро та внутрішнє ядро.

Мал.95.  Схема загального устрою земної кулі.

Мантією називають ту внутрішню частину земної кулі, яка знаходиться між її твердою оболонкою (корою Землі) та ядром Землі. Прийнято вважати, що нижньою межею мантії є глибина 2900км. Мантія займає близько 83% від загального об’єму земної кулі та близько 67% від її загальної маси. Основними складовими мантії Землі є оксиди кремнію (SiO₂), магнію (MgO), заліза (FeO) та алюмінію (Aℓ₂O₃).

Ту частину земної кулі що знаходиться на глибині понад 2900км називають ядром Землі. Ядро займає близько 17% від загального об’єму земної кулі, та близько 33% від її загальної маси. Про устрій, хімічний склад, та ті процеси що відбуваються в земному ядрі, відомо лише на основі аналізу непрямих методів досліджень. А ці дослідження вказують на те, що ядро Землі складається з двох суттєво різних частин: рідкого зовнішнього ядра та умовно твердого внутрішнього ядра. Основними хімічним складовими ядра є залізо  (~83%), кремній  (~7%) та нікель  (~5%). Розрахункова температура в центрі ядра близька до 6000°С, густина – до 12,5г/см³, тиск – до 3500 атмосфер.

Дослідження показують, що земна кора не є суцільною і що вона складається з певної кількості великих фрагментів які називаються тектонічними (або літосферними) плитами. Виділяють сім великих тектонічних плит: Тихоокеанська, Євразійська, Північно-Американська, Південно-Американська, Африканська, Індо-Австралійська та Арктична. Крім цього існує ще вісім малих та над малих плит, найбільшими серед яких є плита Наска та Аравійська плита.

Мал.96. Карта тектонічних плит Землі.

Під дією тих конвекційних теплових потоків які постійно циркулюють у в’язкій мантії Землі, тектонічні плити певним чином переміщуються. При цьому в одних місцях, плити розходяться, в інших – наштовхуються одна на одну.

Розходження (дивергенція) тектонічних плит відбувається в зонах середньо-океанічних хребтів. Ці зони характеризуються так званими рифтами – системами довгих тектонічних розривів земної кори. Ці рифтові розриви заповнюються магматичною лавою, яка в процесі охолодження перетворюється на тверду базальтову основу земної кори. Загально відомим прикладом зони розходження тектонічних плит є Середньо-Атлантичний хребет, який тягнеться вздовж всього Атлантичного океану і має довжину понад 18 тис. кілометрів. По лінії цього хребта, дві групи континентальних плит (Євразійська і Африканська з одного боку та Північно Американська і Південно Американська – з іншого), з середньою швидкістю 2 см/рік, взаємно віддаляються, збільшуючи тим самим як площу земної кори так і площу Атлантичного океану.

Мал.97.  Загальна схема тих процесів, що відбуваються на межі активного контакту тектонічних плит.

Ясно, якщо в одному місці земної кори стає більше, то в іншому – її має ставати менше. І це дійсно відбувається. Відбувається в зонах зіткнення (конвергенції) тектонічних плит. Більшість подібних зон розташовані по периметру Тихого океану та утворюють так зване тихоокеанське вогняне коло.

В загальному випадку  можливі три варіанти зіткнення (конвергенції) тектонічних плит. 1. Континентальна плита стикається з океанічною плитою. При цьому більш щільна і тонка океанічна плита занурюється під континентальну. Наприклад по лінії західного берегу Південної Америки, океанічна тектонічна плита Наска занурюється під материкову Південно Американську плиту. Одним з наслідків цього занурення є утворення потужної прибережної гірської системи яку називають Андами.

2. Океанічна плита стикається з іншою океанічною плитою, або з океанічною частиною континентальної плити. При цьому одна з плит занурюється під іншу. Одним з наслідків такого занурення є утворення так званих острівних дуг. Прикладами таких дуг є Алеутські, Курильські, Маріанські, Соломонові та інші острівні архіпелаги.
3. Континентальна плита стикається з іншою континентальною плитою. При цьому відбувається зминання континентальної кори та утворення потужних гірських пасм. Наприклад результатом зіткнення Євразійської, Африканської та Індо-Австралійської плит стало утворення Альпійсько Гімалайського гірського поясу.

Не важко збагнути, що ті процеси які відбуваються в зоні активного контакту тектонічних плит супроводжуються різноманітними катаклізмами, як то землетруси, виверження вулканів, гейзерна активність, зсуви ґрунтів, цунамі, тощо.

Важливими складовими Землі є її гідросфера та атмосфера. Гідросферою Землі називають всю сукупність тієї твердої, рідкої та газоподібної води, що міститься на Землі. Складовими цієї сукупності є океани, моря, льодовики, річки, озера, болота, сніги, ґрунтові та підземні води, атмосферна волога і навіть та вода що входить до складу живих організмів. Загальна маса гідросфери Землі близька до 1,46·10²¹кг. Це приблизно 0,025% від загальної маси всієї планети і в 275 разів більше за масу атмосфери Землі. Левова частина гідросфери Землі (приблизно 96,5%) зосереджена в водах Світового океану, складовими якого є океани та моря, а також океанські та морські затоки. Ще приблизно 3,5% гідросфери Землі відносять до вод суходолу, складовими яких є річки, озера, болота, штучні водойми, льодовики, підземні та грунтові води. При цьому, левова частина вод суходолу зосереджена в льодовиках та підземних водах. Відносно незначна частина гідросфери (приблизно 0,001%) постійно зосереджено в атмосфері Землі.

Атмосфера (від грец. atmos – пар; sphaira – куля, сфера) – це газова оболонка планети, яка обертається разом з нею як єдине ціле. Атмосфера Землі представляє собою суміш газів, яку прийнято називати повітрям. До складу атмосферного повітря входять азот (78,08%), кисень (20,95%), аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,03%) та певна кількість інших газів, зокрема гелію, неону, водню, метану, озону, криптону, ксенону, тощо. Вагомою складовою атмосферного повітря є водяний пар, кількість якого в різних географічних частинах атмосфери є різною і знаходиться в межах від 3% (для тропічних широт) до 0,00002% (для полярних областей). Крім цього, невід’ємною складовою атмосфери є певна кількість мікроскопічних домішок, починаючи від частинок земного та космічного пилу і закінчуючи вірусами та спорами рослин.

Точно оцінити лінійні розміри атмосфери практично не можливо. Адже не існує тієї чітко визначеної межі, яка відділяє те що можна назвати атмосферою, від того що прийнято називати космічним простором. Зазвичай, в науковій практиці умовною межею земної атмосфери прийнято вважати висоту 400км над рівнем світового океану. На цій висоті молекули зустрічаються настільки рідко, що довжина їх вільного пробігу близька до 60км. Втім, якщо говорити з практичної точки зору, то межею атмосфери Землі можна вважати висоту 100км над рівнем світового океану.

Варто зауважити, що атмосфера, гідросфера та літосфера Землі, перебувають у постійному взаємозв’язку. Власне всі ці «сфери» утворюють єдиний цілісний організм. В цьому організмі, атмосфера насичує гідросферу повітряними газами, а гідросфера – насичує атмосферу водяними парами. В цьому організмі, повітряні та водяні маси значною мірою формують ландшафт земної поверхні, а підземні річки та озера є не менш чисельними та повноводними за наземні. В цьому організмі, атмосфера, літосфера та гідросфера в своїй сукупності створюють сприятливі умови для процвітання життя, а те в свою чергу суттєво впливає на ті процеси що відбуваються в повітрі, воді та під землею.

Атмосфера, гідросфера, літосфера, мантія та ядро Землі, це речовинні складові нашої планети. Однак існує ще одна матеріальна складова Землі, яка не є речовинною і яку прийнято називати магнітосферою. Магнітосфера Землі – це та зона навколоземного простору, фізичні властивості якої зумовлені магнітним полем Землі та його взаємодією з потоками тих заряджених частинок які випромінює Сонце.

Магнітне поле Землі спрощено можна уявити як поле магнітного диполя (стержневого магніту), нахиленого до осі обертання Землі під кутом 11,5°. Це означає, що магнітні полюси Землі не співпадають з її географічними полюсами. Скажімо на теперішній час магнітний полюс північної півкулі знаходиться в заполярній частині Канади. Магнітні та географічні полюси Землі не лише розташовані в суттєво різних місцях, а й фактично є різнойменними. Адже якщо північний полюс компаса вказує на північ (а він вказує саме так), то це означає, що там на півночі знаходиться південний магнітний полюс Землі. І навпаки, її північний магнітний полюс знаходиться на півдні. Втім зазвичай, той магнітний полюс який знаходиться на півночі називають північним, а той який розташований на півдні – південним.

Мал.98. Магнітне поле Землі є результатом тих природних процесів які відбуваються в надрах планети.

На теперішній час, кількісної та безумовно доведеної теорії магнітного поля Землі, не існує. Однак не має жодних сумнівів в тому, що магнітне поле Землі є результатом тих природних процесів які відбуваються в надрах планети. Більшість вчених обгрунтовано вважають, що основним джерелом магнітного поля Землі є ті вихрові потоки, а фактично вихрові електричні струми, які постійно циркулюють в рідкому зовнішньому ядрі планети. Ядрі, яке приблизно на 80% складається з заліза.

Основними енергетичними причинами тих конвекційних потоків які виникають в надрах Землі є: 1) та енергія яка виділяється при розпаді радіоактивних елементів; 2) та енергія яка виділяється тими коливаннями (припливними хвилями), поява яких обумовлена обертанням Землі навколо своєї осі, обертанням Місяця навколо Землі, та обертанням Землі навколо Сонця. Власне ця надлишкова енергія у поєднанні з фактом обертання Землі навколо своєї осі та прецесійного обертання самої осі і створюють ті вихрові потоки (електричні струми), які є джерелом відповідного магнітного поля.

Магнітосфера Землі захищає нашу планету від того згубного для всього живого потоку заряджених частинок, який постійно випромінює Сонце і який прийнято називати сонячним вітром. Одним з видимих проявів такого захисту є полярні сяйва. Поява цих сяйв обумовлена тим, що в моменти найбільшої сонячної активності, певна частина тих заряджених частинок які утворюють сонячний вітер, прямуючи вздовж ліній магнітного поля, потрапляють в приполярну частину атмосфери Землі, де при взаємодії з атомами цієї атмосфери спричиняють відповідне випромінювання.

Мал.99. Магнітосфера Землі захищає її поверхню від згубної дії частинок сонячного вітру.

Контрольні запитання.

1. Відомо, що тривалість земної доба 24год. 00хв. 00с. При цьому період обертання Землі навколо своєї осі становить 23год. 56хв. 4,1с. Як пояснити даний факт?
2. Чому Земля дещо розтягнута в екваторіальній площині?
3. Який фактор визначально впливає на кліматичні умови певної ділянки Землі?
4. Який фактор визначально впливає на сезонність змін кліматичних умов на Землі?
5. Дайте загальну характеристику внутрішнього устрою Землі.
6. Опишіть загальний устрій земної кори.
7. Чим відрізняються материкова та океанічна земна кора?
8. Які події відбуваються в рифтових розломах?
9. Які події відбуваються в зонах зіткнення тектонічних плит? Які наслідки цих подій?
10. Яка основна причина руху тектонічних плит?
11. Дайте загальну характеристику гідросфери Землі.
12. Дайте загальну характеристику атмосфери Землі.
13. Поясніть загальний механізм формування магнітного поля Землі.

.

§17. Місяць – природний супутник Землі.

Місяць – єдиний природний супутник планети Земля, який з періодичністю 27,3 доби,  обертається навколо цієї планети слабо вираженою еліптичною орбітою, середній радіус якої 384 400 км, що еквівалентно 60  радіусам Землі. Маса Місяця 7,34∙10²²кг. Середній радіус 1737 км. Середня густина 3,35 г/см³. Прискорення вільного падіння 1,62 м/с².

Мал.100. Загальний вигляд та порівняльні розміри Землі і Місяця.

Відношення маси Місяця до маси Землі у порівнянні з подібною величиною для супутників інших планет дуже велике і становить 1:81. Наприклад у цьому порівняльному ряду, друге місце займає планета Нептун та його супутник Тритон, для яких співвідношення мас 1:700. Або наприклад, співвідношення мас Марса та його більшого супутника Фобоса становить 1:64000000. Зважаючи на ці обставини, систему Земля – Місяць можна вважати певною подвійною планетою, тобто такою системою, в якій не лише Земля визначально впливає на параметри руху Місяця, а й Місяць суттєво впливає на параметри руху Землі.

Скажімо, коли ми стверджуємо, що Місяць обертається навколо Землі, то це не зовсім відповідає дійсності. Адже фактично і Земля і Місяць певним чином обертаються навколо центру мас системи Земля – Місяць. А цей центр знаходиться на відстані 4650 км від центру Землі. По суті це означає, що траєкторія руху Землі навколо Сонця не є строго еліптичною, а представляє собою певну комбінацію еліпса та синусоїдальних коливань, амплітуда яких 4650 км, а періодичність 27,3 доби (мал.101). Інша справа, що в масштабі руху Землі навколо Сонця, місячні коливання траєкторії цього руху є мізерно малими. Однак ви маєте знати, що такі коливання існують і що за певних обставин мають бути врахованими.

Мал.101. Загальна картина траєкторії руху системи Земля – Місяць навколо Сонця.

Та як би там не було, а маса Землі все таки непорівнянно більша за масу Місяця і тому прийнято вважати, що вплив Місяця на загальну траєкторію руху Землі є не суттєвим і що саме Місяць обертається навколо Землі, а не якось інакше.

Як і Земля, Місяць обертається навколо власної осі. Однак період цього обертання, в точності дорівнює періоду обертання Місяця навколо Землі (27,3 доби). А це означає, що в процесі свого обертального руху, Місяць завжди повернутий до Землі однією і тією ж стороною, і що земний спостерігач може побачити лише половину його поверхні. Втім, оскільки та площина в якій Місяць обертається навколо Землі, нахилена до площини обертання Землі навколо Сонця (площини екліптика) під кутом 5º, то в реальності з Землі можна побачити близько 60% місячної поверхні. Крім цього, факт того що період обертання Місяця навколо своєї осі становить 27,3 доби, вказує на те, що тривалість місячної доби дорівнює 27,3 земних діб. А отже, тривалість місячного дня приблизно дорівнює двом земним тижням.

Сили гравітаційної взаємодії між Землею та Місяцем створюють цілу низку надзвичайно важливих та цікавих ефектів (явищ). Найвідомішим з них є морські припливи та відпливи. Про суть та причини цього явища ми говорили в §3. Тому просто нагадаємо. Під дією сили гравітаційної взаємодії Землі з Місяцем та тих сил інерції які виникають в процесі обертання Землі навколо своєї осі, відбувається певні періодичні коливання води світового океану. При цьому, періодичність цих коливань (12год. 26хв.) вдвічі менша за періодичність видимого обертання Місяця навколо Землі (24год. 52хв).

Мал.102. В процесі обертання Землі навколо своєї осі та Місяця навколо Землі, під дією гравітаційних та інерціальних сил, створюється потужна хвиля, яка двічі на добу огинає земну кулю.

Приливні хвилі виникають не лише в океанах та морях, а й в усьому тілі планети, в тому числі і в її твердих частинах. Просто в твердих тілах приливні хвилі реалізуються не у вигляді очевидних переміщень речовини, а в її періодичних деформаціях. А ці приливні деформації неминуче призводять до виділення певної кількості теплоти. Власне ця теплота і є одним з основних джерел тієї енергії, що підтримує ту високу температуру яка існує в глибоких надрах як Землі так і Місяця.

Наявні на Землі припливні хвилі, не лише створюють періодичні коливання великих мас води, та деформаційні коливання внутрішніх шарів планети, а й спричиняють багато інших глобальних процесів. Наприклад призводять до того, що з плином часу швидкість обертання Землі навколо своєї осі зменшується, а швидкість обертання Місяця навколо Землі – відповідно збільшується. Стисло та спрощено пояснюючи даний факт, можна сказати наступне. Оскільки швидкість руху приливної хвилі вдвічі більша за швидкість видимого з Землі добового обертання Місяця, то сили гравітаційної взаємодії Землі і Місяця дещо гальмують швидкість обертання Землі навколо своєї осі та відповідно прискорюють швидкість обертання Місяця навколо Землі.

А це означає, що з плином часу, тривалість земної доби стає все більшою і більшою. Скажімо 1,5 мільярдів років тому, тривалість земної доби становила 18 годин. А через 200 мільйонів років, ця тривалість становитиме 25 годин. З іншого боку, прямим наслідком припливного прискорення Місяця, є факт того, що з плином часу відстань між Землею і Місяцем неухильно збільшується. І швидкість цього збільшення становить 3,8 сантиметрів на рік.

Крім цього, припливні сили по суті відповідальні за факт того, що період обертання Місяця навколо своєї осі, в точності дорівнює періоду його обертання навколо Землі. Адже приливні хвилі виникають не лише на Землі, а й на Місяці. І ці хвилі гальмують як осьове обертання Землі, так і осьове обертання Місяця. А оскільки маса Місяця порівняно мала, то приливні сили вже давно змусили Місяць обертатись навколо своєї осі з періодичністю його обертання навколо Землі.

Оскільки Місяць практично позбавлений газової оболонки (атмосфери) то його небо завжди чорне. Вночі на місячному небі можна побачити багато невидимих з Землі слабких зірок. При цьому загальний вигляд зоряного небу буде практично таким же як і на Землі. Вдень яскраво сяє Сонце і тому видно лише найбільш яскраві зорі і планети. Оскільки кут нахилу тієї площини в якій Місяць обертається навколо Землі до площини екліптики є малим (5°), то над місячним горизонтом, Земля не піднімається вище 10º. Видимі з Місяця розміри Землі, в 3,7 разів більші за видимі з Землі розміри Місяця. При цьому яскравість видимої з Місяця освітленої півкулі Землі, приблизно в 50 разів більша за яскравість Місяця у повні. Подібно до того як з Землі, з певною періодичністю можна побачити різні фази Місяця, з Місяця можна побачити різні фази Землі.

Мал.103. Видимі з Місяця розміри Землі, в 3,7 разів більші за видимі з Землі розміри Місяця.

Відсутність атмосфери та велика тривалість дня і ночі, призводять до великих температурних перепадів на поверхні Місяця: від +120 ºС вдень,   до –190 ºС вночі. Втім, такі температурні перепади стосуються лише поверхні Місяця. Адже вже на глибині декількох десятків сантиметрів, температура місячного ґрунту є практично незмінною і близькою до –30ºС. Це пояснюється тим, що місячний ґрунт є дуже пористим і має низьку теплопровідність.

Навіть не озброєним оком видно, що деякі ділянки місячної поверхні є світлішими, а деякі – темнішими. Світліші ділянки поверхні Місяця, Галілей назвав материками, а темніші – морями. Більш детальні дослідження показують, що поверхня Місяця вкрита шаром суміші тонкого пилу та дрібного каміння, яку прийнято називати реголітом. При цьому на Місяці є великі рівнини які утворені застиглою кам’янистою лавою і які власне й називаються місячними морями. Місячні моря розташовані переважно в низинах і вкривають приблизно 25% поверхні Місяця (на видимій з Землі півкулі – приблизно 40%). Решта поверхні, це так звані материки, які представляють собою горбисту місцевість, яка візуально виглядає більш світлою.

Факт наявності заповнених кам’янистою лавою рівнин, безумовно вказує на те, що на ранніх стадіях свого еволюційного розвитку, надра Місяця були розігрітими до високих температур, а його поверхня характеризувалась високою вулканічною активністю.

Ще однією очевидною та загально відомою рисою місячного ландшафту є наявність величезної кількості кратерів. Частина з цих кратерів мають вулканічне походження, але переважна більшість, є результатом бомбування місячної поверхні великими та малими метеоритами. Розміри місячних кратерів найрізноманітніші, від дрібних ямок, до велетенських басейнів діаметром в сотні і навіть тисячі кілометрів. Крім кратерів, на Місяці трапляються й інші деталі рельєфу – хребти, пагорби, гряди, долини, тощо.

На відміну від Землі, ландшафт якої в процесі руху тектонічних плит, землетрусів, вивержень вулканів, циклів льодовикових періодів, вітрової, водяної, хімічної, біологічної та інших ерозій, постійно змінюється, ландшафт Місяця за останні 3 мільярдів років залишається практично незмінним. За винятком тих випадків, коли на місячну поверхню падають метеорити та астероїди.

Дослідження показують, що Місяць, як і Земля, складається з певних шарів (мал.104). В центрі Місяця знаходиться відносно невелике (діаметром близьким до 300 км) тверде розпечене залізне ядро, оточене оболонкою розплавленого заліза. Навколо ядра знаходиться частково розплавлений прикордонний шар, який плавно переходить в товстий шар кам’яної мантії, яка в свою чергу, переходить в зовнішню оболонку Місяця – його кору. Середня товщина місячної кори близька до 60км, що значно перевищує середню товщину земної кори (приблизно 25км).

Мал.104. Картина ймовірного внутрішнього устрою Місяця.

Якщо вам потрібні приклади того, як науково подібну маячню видають за наукові гіпотези ба навіть теорії, то поцікавтеся питанням про походження Місяця. В свій час ми поговоримо про те, яким чином 4,5 мільярдів років тому, у повній відповідності з законами Природи, еволюційно сформувалася Сонячна система, в тому числі і та її складова якою є система Земля – Місяць. При цьому ви дізнаєтесь, що процес формування системи Земля–Місяць, ні чим не відрізнявся від процесу формування інших планет та їх супутникових систем. Звичайно з урахуванням тих індивідуальних особливостей, які у повній відповідності з законами Природи притаманні тій чи іншій конкретній ситуації, та тим чи іншим конкретним умовам.

Скажімо, абсолютно природнім є факт того, що в процесі формування протосонячного диску, атоми більш важких хімічних елементів, схильні зосереджуватися в близьких околицях його центру, тоді як більш легкі атоми, схильні концентруватися в периферійних частинах диску. Тому нема нічого дивного в тому, що наближені до Сонця планети земної групи складаються з більш важких атомів, тоді як основними складовими віддалених планет-гігантів є легкі атоми водню та гелію. Нема нічого дивного в тому, що в процесі формування Землі, більш важкі та щільні залізо-нікелеві матеріали зосереджувались в центральній частині земної кулі, тоді як менш важкі та менш щільні базальти і граніти, виштовхувались на периферію цієї кулі. Нема нічого дивного в тому, що в центральній частині того протоземного диску з якого природнім шляхом сформувалася Земля та її супутник Місяць, збиралися відносно важкі матеріали, а в його периферійних частинах – більш легкі, і що тому середня густина Землі (5,52 г/см³), є суттєво більшою за середню густину Місяця (3,34 г/см³). Нема нічого дивного в тому, що на відміну від масивної Землі відносно легкий Місяць не має газової оболонки. Нема нічого дивного в тому, що з плином часу та під дією сил приливного тертя, період обертання Місяця навколо власної осі, став в точності дорівнювати періоду його обертання навколо Землі. Нема нічого дивного в тому, що ядро Місяця менше і холодніше за ядро Землі. І загалом, в системі Земля – Місяць нема жодного реального натяку на те, що ця система сформувалася якось не так як всі інші складові Сонячної системи та у відриві від еволюційного, абсолютно природного та закономірного формування цієї системи.

Втім, для деяких «дослідників», факт того що густина Місяця є суттєво меншою за густину Землі та співрозмірною з густиною її поверхневого шару, є вагомою підставою для того, щоб виокремлювати еволюцію системи Земля–Місяць із загального контексту еволюції Сонячної системи. І от, замість того, щоб дослідити та врахувати всю сукупність тих індивідуальних особливостей, які безумовно мали місце при формуванні системи Земля–Місяць, ці «дослідники» починають вигадувати якісь конспірологічні теорії.

Загалом, сукупність науково подібних гіпотез про те як сформувалась система Земля–Місяць, є показовим прикладом того, як на підставі тенденційно підібраних фактів створюються конспірологічні теорії. Візьмемо для прикладу факт того, що середня густина Місяця співрозмірна з густиною приповерхневих шарів Землі. Факт, який є абсолютно закономірним наслідком тієї науково доведеної та безумовно достовірної теорії, яка пояснює еволюцію Всесвіту загалом та всіх його елементів зокрема. І от на основі цього абсолютно закономірного, абсолютно природного факту, який комусь, з якогось переляку здається аномальним, починають вигадувати якусь конспірологічну маячню, яка суперечить всім законам Природи і не має нічого спільного з реальністю. А як інакше назвати ось такі «наукові» перли?

– Гіпотеза відцентрового розділення: від протоземлі, яка швидко оберталась, під дією відцентрових сил, відділився шматок речовини, з якої потім утворився Місяць.

– Гіпотеза захоплення: Земля і Місяць утворилися незалежно одне від одного в різних частинах Сонячної системи. Коли Місяць пролітав близько до земної орбіти, він був захоплений гравітаційним полем Землі та став її супутником.

– Гіпотеза випаровування: з розплавленої протоземлі, випаровувалися величезні маси речовини, які потім сконденсувалися на орбіті та утворили протомісяць.

– Гіпотеза багатьох місяців: декілька маленьких місяців було захоплено гравітацією Землі, потім вони зіткнулися один з одним, зруйнувалися, а з їх уламків утворився  сучасний Місяць.

Але особливої популярності набула гіпотеза гігантського зіткнення. В 1772 році, французький математик Жозе-Луї Лагранж, математично довів. В системі двох масивних тіл, які ідеально круговими орбітами обертаються навколо спільного центру мас, є п’ять точок, в яких результуюча гравітаційної дії цих тіл на тіло гранично малої маси, дорівнює нулю. Ці точки прийнято називати точками Лагранжа і позначати L₁, L₂, L₃, L₄, L₅ (мал.105а).

. 

Мал.105. В ідеалізованій системі двох гравітаційно взаємодіючих тіл, є 5 точок (точок Лагранжа), в яких результуюча гравітаційна дія цих тіл на тіло гранично малої маси є практично нульовою.

І от, маніпулюючи ідеалізованою математичною моделлю Лагранжа, та ігноруючи мільйонами фактів які суперечать цій моделі, і зокрема факту того, що Сонячна система, це система не двох, а величезної кількості тіл, які певним чином впливають одне на одне, і які не рухаються ідеальними круговими орбітами, конспірологи, називаючи себе вченими, починають стверджувати. В одній з точок Лагранжа, а саме в точці L4 (мал.105б), якимось фантастичним чином сформувалася планета розміром з Марс. Говорю «якимось фантастичним чином», бо в точку Лагранжа, тіло гранично малої маси помістити можна, а от щоб в цій точці із об’ємної газо-пилової хмари природнім шляхом сформувалась планета розміром з Марс, то це тільки якимось фантастичним чином. І назвали цю планету Тейя.

І от, одного прекрасного дня планета Тейя, невідомо з яких причин почала наздоганяти Землю. Говорю «невідомо з яких причин», бо та точка Лагранжа в якій буцімто виникла Тейя, знаходиться на орбіті Землі і тому Тейя, з точно такою ж швидкістю як і Земля, мала би обертатись навколо Сонця. А щоб почати наближатись до Землі, Тейю мав би хтось масивний підштовхнути. Причому із мільйонів можливих напрямків штовхань, цей хтось, невідомо з яких причин обрав саме той, який сприяв зближенню Тейї з Землею.

І о диво, наздогнавши Землю, Тейя так вдало стукнула її, що частина мантії Землі була викинута на висоту 60 000 км, де якимось дивним чином сформувався сучасний Місяць. Говорю «якимось дивним чином», бо це тільки якимось фантастично дивним чином, від надпотужного удару Тейї, Земля не змінила траєкторії свого руху, а та величезна частина її мантії яка у вигляді осколків величезного вибуху опинилася на висоті 60 000км, за наявності потужного гравітаційного впливу Сонця, Венери та інших об’єктів Сонячної системи, примудрилася зібратися в таке величезне тіло як Місяць

 

Мал.106. Загальна суть гіпотези гігантського зіткнення.

Чесно кажучи сумно, коли подібні конспірології, видають за серйозні наукові теорії. А тим більше в ситуації, коли нема жодних вагомих підстав вважати, що утворення системи Земля – Місяць відбувалось якось інакше аніж системи Сонце – його супутники, Марс – його супутники, Юпітер – його супутники, Сатурн – його супутники, Уран – його супутники, Нептун – його супутники, чи скажімо, інакше від надзвичайно поширених у Всесвіті систем, які називаються подвійними зорями.

Контрольні запитання.

1. Дайте загальну характеристику Місяця.
2. Якщо період видимого обертання Місяця навколо Землі 24год 52хв, то чому періодичність припливі і відпливів на Землі 12год 26хв?
3. Якщо період обертання Землі навколо своєї осі 24год 00хв, то чому період видимого обертання Місяця навколо Землі 24год 52хв?
4. Якщо Місяць обертається навколо своєї осі, то чому він завжди повернутий до Землі однією і тією ж стороною?
5. Чому швидкість обертання Землі навколо своєї осі (тривалість доби) повільно але неухильно збільшується?
6. Чому Місяць повільно але неухильно віддаляється від Землі?
7. Чому небо Місяця завжди чорне?
8. Яка тривалість дня і ночі на Місяці?
9. В чому суть гіпотези гігантського зіткнення?
10. В чому конспірологічність (надуманість) гіпотези гігантського зіткнення?
11. Чи є вагомі підстави вважати, що утворення системи Земля – Місяць, відбувалось якось інакше аніж системи Сонце – його супутники, Марс – його супутники, …?

.

§18. Планети земної групи.

Чотири найближчі до Сонця планети (Меркурій, Венера, Земля, Марс), прийнято називати планетами земної групи (мал.107). Порівняно з планетами-гігантами (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун), вони мають відносно невеликі розміри, велику густину (близько 5 г/см³) та тверду поверхню. Ці планети складаються переважно з кисню, кремнію, заліза та інших відносно важких елементів. В центрі планет земної групи знаходиться розпечене залізно – нікелеве ядро, оточене мантією з силікатних порід. При цьому зовнішньою оболонкою цієї мантію є тверда кора, яку утворюють більш легкі силікатні породи. На поверхнях планет земної групи, є велике різноманіття вулканічних та метеоритних кратерів, пагорбів, гір, долин, ущелин, тощо.

Мал.107. Чотири найближчі до Сонця планети (Меркурій, Венера, Земля, Марс), прийнято називати планетами земної групи.

Температурно-кліматичні умови на кожній з планет земної групи є суттєво різними. І ця різність обумовлена не лише різновіддаленістю планет від Сонця, а й параметрами їх атмосфер, періодичністю обертання навколо Сонця та власної осі, нахилом осі обертання, тощо.

Про найбільшу і для нас найважливішу планету земної групи, планету Земля, ми вже говорили, тому наразі стисло охарактеризуємо параметри та особливості інших планет цієї групи.

Меркурій. Меркурій (названо на честь давньоримського бога торгівлі) – найближча до Сонця і найменша за розмірами та масою планета Сонячної системи. Її маса 3,3∙10²³кг, що у 18 разів менше за масу Землі. Середній радіус Меркурія 2440км, що в 2,6 рази менше середнього радіусу Землі. Середня густина Меркурія близька до земної і становить 5,43 г/см³. Прискорення вільного падіння біля поверхні 3,7м/с². Гравітаційне поле Меркурія відносно слабке і тому, за наявного температурного режиму, ця планета практично не має атмосфери.

Меркурій – найшвидша планета Сонячної системи. Найшвидша в тому сенсі, що період обертання Меркурія навколо Сонця є найменшим і приблизно становить 30 земних діб. При цьому Меркурій дуже повільно обертається навколо своєї осі: один оберт за 60 земних діб. А це означає, що тривалість доби на Меркурії (60 земних діб), вдвічі більша за тривалість його року (30 земних діб). Оскільки вісь обертання Меркурія практично перпендикулярна до площини його обертання навколо Сонця, то на цій планеті практично відсутнє те, що можна назвати порами року.

Як найближча до Сонця планета, Меркурій одержує від нього найбільшу кількість енергії (в середньому у 7 разів більше ніж Земля). При цьому добовий перепад температур на Меркурії рекордно великий і сягає 630ºС: від +460ºС на екваторі вдень, до –170ºС в тому ж місці перед світанком. Такий перепад температур, прямий наслідок великої тривалості дня і ночі та практичної відсутності атмосфери.

Більша частина поверхні Меркурія вкрита застиглою лавою, склад якої близький до базальтового. При цьому верхній шар цієї лави подрібнений метеоритними бомбардуваннями до стану реголіту. В цілому ж, поверхня Меркурія схожа на місячну, але з меншим контрастом між темними та світлими регіонами.

Мал.108. Картина ймовірного внутрішнього устрою Меокурія.

Дані щодо густини та моменту інерції Меркурія, вказують на наявність в його надрах величезного залізо-нікелевого ядра, діаметр якого складає 2/3 від діаметра планети, а маса близька до 60% від її загальної маси. Це ядро вкриває силікатна мантія та тверда кора, загальною товщиною приблизно 410км. Судячи з наявності у Меркурія магнітного поля, в його надрах є рідкий електропровідний шар, конвекційні потоки якого і створюють відповідне магнітне поле. Ймовірніше за все, ядро Меркурія, подібно до ядра Землі, складається з твердого внутрішнього та рідкого зовнішнього ядер.

На завершення додамо, що серед видимих неозброєним оком планет, Меркурій найменш пристосований для візуальних спостережень. Адже більшу частину часу, він знаходиться або за Сонцем, або в його яскравому світлі. Над лінією горизонту, Меркурій можна побачити на вечірньому або вранішньому небі і лише в тих випадках, коли його видиме з Землі віддалення від Сонця є максимально великим. А такі випадки трапляються лише декілька разів на рік і тривають не більше десяти днів. При цьому тривалість перебування Меркурію над лінією горизонту, рідко перевищує одну годину. Проте навіть в ці періоди, побачити Меркурій на фоні достатньо світлого вечірнього або вранішнього неба, не просто. А тим більше зважаючи на факт того, що в ті моменти коли з Землі можна бачити Меркурій, він знаходиться в фазі пів місяця і тому спостерігач бачить освітленою лише половину диску планети.

Мал.109. Меркурій можна іноді побачити на фоні вечірнього або вранішнього горизонту.

Венера. Венера (названа на честь давньоримської богині кохання) – друга планета Сонячної системи, яка з періодичністю 224,7 земних діб обертається навколо Сонця по майже коловій орбіті, середній радіус якої 108,2 млн.км. При цьому період добового обертання Венери навколо своєї осі становить 243 земних діб. Це означає, що на Венері тривалість доби більша за тривалість року.

Як і Меркурій, Венеру можна побачити на вечірньому або перед вранішньому небі. Але на відміну від Меркурія, на фоні зоряного неба, Венера перебуває набагато довше і світить набагато яскравіше. Достатньо сказати, що Венера це третій за яскравістю (після Сонця та Місяця) об’єкт небесної сфери, зоряна величина якого (в найбільш сприятливі дні) становить –4,6^m. А це означає, що яскравість Венери в 20 разів більше за блиск найбільш яскравої зірки північної зоряної півкулі – Сіріуса.

Маса Венери 4,87∙10²⁴кг, що на 15% менше за масу Землі. Середній радіус Венери 6052м, тобто на 5% менший за середній радіус Землі. Середня густина Венери 5,2 г/см³, що на 5,5% менше за середню густину Землі. Прискорення вільного падіння на поверхні Венери 9,77м/с², що лише на 0,3% менше за відповідну величину для Землі.

Характерною особливістю Венери є факт того, що на відміну від Землі та всіх інших планет Сонячної системи, вона обертається навколо своєї осі в напрямку, протилежному до напрямку обертання навколо Сонця.

Мал.110. На відміну від всіх інших планет Сонячної системи, Венера обертається навколо своєї осі в напрямку, протилежному до напрямку її обертання навколо Сонця.

Звісно, факт того, що напрям осьового обертання Венери відрізняється від напрямку обертання інших планет, не є підставою для того, щоб говорити про якийсь особливий еволюційний шлях Венери, який кардинально відрізняється від еволюції всіх інших об’єктів Сонячної системи. Адже якби наприклад, кут між віссю обертання Землі та перпендикуляром до площини екліптики становив не 23,5º а 177º як у Венери, то і добове обертання Землі було б протилежним до напрямку її річного обертання. А зважаючи на те, що Венера знаходиться під потужним впливом як Сонця так і близької до неї масивної Землі, факт аномально великого нахилу осі її обертання, є цілком природним.

Мал.111. Вісь добового обертання Венери нахилена до площини есліптики таким чином, що напрям її добового обертання є протилежним до напрямку добового обертання Землі.

На перший погляд, Венера дуже схожа на Землю. Вона має приблизно таку ж масу, майже такі ж розміри, густину, параметри гравітаційного поля, тощо. Однак реальні умови на Землі і Венері кардинально різні. І джерелом цієї різниці є не стільки різна відстань до Сонця, скільки відмінності в атмосферах планет.

Венера має надзвичайно щільну та масивну атмосферу, основними складовими якої є вуглекислий газ (96,5%) та азот (3,5%). Тиск цієї атмосфери на поверхню Венери у 92 рази більший  за тиск земної атмосфери, а її маса лише в 3 рази менша за загальну масу наявної на Землі води. Верхні шари атмосфери Венери знаходяться в стані сильної циркуляції та обертання. На рівні верхніх шарів хмар, швидкість атмосферних потоків близька до 100м/с. Однак по мірі наближення до поверхні планети, швидкість вітрів зменшується і на рівні поверхні, не перевищує 1м/с.

Атмосфера Венери має великі відбивні властивості. (Наочним доказом того, є якравість Венери на нічному небі). Атмосфера Венери відбиває в навколишній космос близько 75% сонячного світла; (для порівнняння, земна атмосфера відбиває 36% світла). По суті це означає, що кількість тієї сонячної енергії яка потрапляє на поверхню Венери та на поверхню Землі, є приблизно однаковою. При цьому на відміну від Землі, де середньорічна температура близька до +16°С, а перепад температур між екваторіальними та полявними областями сягає 80°С, середня температура приповерхневої частини Венери +480ºС, а її перепад між екваторіальними та полярними областями 2°С

Голорним винуватцем такого стану речей, є факт того, що атмосфера Венери на 96,5% складається з вуглекислого газу.  Цей газ має ту особливість, що легко пропускає те видиме світло яке йде від Сонця і погано пропускає те  інфрачервоне випромінювання на яке перетворюється видиме світло при взаємодії з поверхнею планети. Іншими словами, вуглекислий газ створює так званий парниковий ефект. Власне за рахунок цього парникового ефекту, в приповерхневому шарі Венери панує нестерпно висока температура.

Ще однією кардинальною відмінністю Венери від Землі є факт мізерності її магнітного поля. Це поле приблизно у 20 разів слабше за земне. Даний факт пояснюється тим, що потужність магнітного поля планети, визначально залежить від швидкості її обертання навколо власної осі та швидкості прецесійного обертання самої осі. А саме ці параметри на Венері є мізерно малими (період обертання навколо своєї осі 243 земних діб, кут прецесійного обертання осі 3°).

Внутрішній устрій Венери схожий на устрій Землі: розжарене залізо-магнієве ядро; масивна в’язка мантія та тверда оболонка – кора планети. Щоправда середня товшина твердої поверхні Венери значно менша за земну і близька до 10км. Крім цього структура твердої поверхні Венери вказує на те, що ця поверхня утворилась відносно недавно. Цілком ймовірно, що ця поверхня утворилась після подій, які зруйнували попередні верхні шари старої кори, або цілком заховали їх під новими нашаруваннями.

Мал.112. Картина ймовірного внутрішнього устрою Венери.

Дослідження показують, що поверхня Венери представляє собою певні нашарування вулканічних базальтових лав з наявними ознаками активного вулканізму, атмосферної ерозії, сейсмічної та тектонічної активності. Найвищою гірською системою Венери є гори Максвелла, які утворились внаслідок тектонічної активності. Ці гори здіймаються на висоту до 10км над середнім рівнем поверхності планети. Вулкани Венери схожі на земні. Найбільшим з цих вулканів є гора Маат висота якої над середнім рівнем планети близько 8км. У порівнянні з Місяцем, Меркурієм та Марсом, на поверхні Венери практично немає невеликих ударних кратерів, що пояснюється захисною дією щільної атмосфери.

Марс. Марс (названо на честь давньоримського бога війни) – четверта планета Сонячної системи, яка з періодом 687 земних діб обертається навколо Сонця по дещо еліптичній орбіті, середній радіус якої 228 млн.км. При цьому Марс з періодом 24год 37хв обертається навколо своєї осі. А це означає, що тривалість марсіанського року майже вдвічі більша за земний рік, а тривалості марсіанської та земної доби, практично рівні. Нахил осі обертання Марсу до площини його обертання навколо Сонця, 65º. А це означає, що на Марсі як і на Землі відбуваються певні зміни пір року.

Маса Марса (6,4∙10²³кг/м³) майже в десять разів менша за масу Землі. Його радіус (3385км), менший за радіус Землі вдвічі, а густина (3,93 г/см³) є найменшою серед планет земної групи. Прискорення вільного падіння на Марсі (3,7м/с²), а відповідно і вага тіл на ньому, втричі менші за відповідні величини на Землі.

Через більшу віддаленість від Сонця, Марс отримує на 57% менше енергії ніж Земля. Середня температура на повнрхні Марса –60ºС. При цьому протягом доби та в залежності від пори року, ця температура істотно змінюється. Максимальне значення марсіанської температури не перевищує декількох градусів плюс, а мінімальне – близьке до 130º мінус.

Атмосфера Марса є надзвичайно розрідженою. Її тиск на поверхню планети в 160 разів менший аніж на Землі. Складовими марсіанської атмосфери є вуглекислий газ (95%), азот (3%), аргон (1,6%) та невеликі кількості кисню, метану і води. Завдяки постійним та значним перепадам температкр, в атмосфері Марса часто виникають потужні вітри, які піднімають в атмосферу планети велику кількість дрібного червонуватого пилу і створюють відповідно потужні пилові бурі. Цим червонуватим пилом є частинки оксиду заліза, а простіше кажучи іржі. А оскільки гравітаційне поле Марса є відносно слабким, то піднятий в його атмосферу пил не осідає протягом місяців.

Поверхня Марса характеризується великими перепадами висот та нерівномірністю в розподілі низинних рівнин і горбистих підвищень. Достатньо сказати, що на Марсі перепад висот між найвижчою та найнижчою точнами поверхні, становить 30км. Для порівняння на Землі, перепад між найвищою (вершина Евересту) та найнижчою (Маріанська впадина) точками поверхні дорівнює всього 19,7км. І це при тому, що лінійні розміри Землі вдвічі більші за лінійні розміри Марса.

На Марсі, заповнені застиглими лавовими потоками рівнини, сильно контрастують з височинами які рябіють великими і малими вулканами, пагорбами, западинами, розломами та метеоритними кратерами. Марсіанські рівнини і пагорби покриті пилом та піском багатих на червонуваті оксиди заліза. Власне завдяки цьому, на фоні зоряного неба, Марс виглядає яскравою, червонуватою зіркою.

Головною геологічною принадою Марса є згаслий щитовий вулкан Олімп, який піднімається над навколишніми  рівнинами на понад 21 кілометр і є найвищою горою Сонячної системи. Найбільший подібний вулкан Землі (Мауна-Кеа), знаходиться в Гавайському архіпелазі і має висоту над рівнем дна океану 10,2км (а над рівнем поверхні океану – 4,2км).

Мал.113. Порівняльна картина найбільших гір Марса та Землі.

Ще однією загально відомою особливістю Марса є наявність на його полюсах так званих полярних шапок. Полярні шапки Марса двошарові. Нижній основний шар має товщину до двох кілометрів і представляє собою суміш звичайного льоду та марсіанського пилу. Цей шар є постійним крижаним щитом, який зберігається як в зимові так літні періоди. Сезонні зміни полярних шапок, які можна спостерігати навіть з Землі, відбуваються за рахунок верхнього шару. Цей шар складається з так званого «сухого льоду» (твердого вуглекислого газу) і має товщину до десяти метрів. В зимові періоди, вкрита цим шаром площа поверхні поступово збільшується, а у відносно теплі пори року – відповідно зменшується.

Внутрішній устрій Марса подібний до устрою всіх планет земної групи: ядро, мантія, кора. Однак хімічний склад та температурні паратри надр Марса, є суттєво відмінними. Ядро Марса складається головним чином із заліза і сірки, має відносно низьку температуру (близько 1000ºС) і є відносно не великим за розміром (радіус ядра близький до 900км) та масою (10% від загальної маси планети). Мантія Марса складається зі збагачених сірчистим залізом відносно легких силікарів. Кора планети має товщину близьку до 100км і складається зі збагачених залізом та сіркою гранітів.

Дослідження показують, що в’язке ядро Марса плавно переходить в мантію планети і тому є майже не рухомим. Це пояснює факт того, що магнітне поле Марса є дуже слабким (майже в 50 разів слабшим за магнітне поле Землі).

Марс має два маленьких природних супутники, які обертаються навколо нього в практично одній і тій же площині, кут нахилу якої до площини екватора планети 1º. Ближній до Марса супутник називається Фобосом і представляє собою камянисте тіло неправильної форми маса якого 1∙10¹⁶кг, що в 64 млн. разів менше за масу Марса. Дальній супутник називається Деймосом і представляє собою кам’янисте тіло неправильної форми, маса якого 1,5∙10¹⁵кг, що в 427 млн. разів менше за масу Марса.

Мал.114. Загальний вигляд супутників Марса.

Контрольні запитання.

1. Які загальні ознаки планет земної групи?
2. Чому температурно кліматичні умови на планетах замної групи є дуже різними?
3. Як по мірі віддалення від Сонця змінюється період обертання планет?
4. Дайте загальну характеристику планети Меркурій.
5. Чому добовий перепад температур на Меркурії з рекордно великим?
6. Дайте загальну характеристику планети Венера.
7. Відомо, що на відміну від інших планет Сонячної системи, напрям обертання Венери навколо своєї осі є потилежним до напрямку її обертання навколо Сонця. Чи означає даний факт, що Венера має якесь особливе походження?
8. Кількість тієї сонячної енергії яка потрапляє на поверхні Землі і Венери є майже однаковою. То чому на Землі середня температура +16°С, а на Венері +480°С?
9. Чому Венера не має потужного магнітного поля?
10. Дайте загальну характеристику планети Марс.
11. Чому Марс не має потужного магнітного поля?
12. Наскільки обгрунтовані розмови про те, що на Марсі може існувати життя?

.

§19. Планети – гіганти.

Планети Сонячної системи прийнято розділяти на планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) та планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун). До числа характерних ознак планет-гігантів відносяться:

1. Ці планети мають великі маси та розміри. Достатньо сказати, що 99% від загальної маси планет Сонячної системи, припадає на планети-гіганти. При цьому, навіть найменша з них (Уран), майже в 15 разів більша (масивніша) за Землю.
2. Планети-гіганти майже на 99% складаються з водню та гелію.
3. На відміну від планет земної групи, планети-гіганти не мають твердої поверхні. Їх газові оболонки поступово стають газово-паровими, потім паро-рідкими, рідкими, рідинно-металічними і нарешті – твердими.
4. Планети-гіганти мають відносно малу густину, середня величина якої близька до 1 г/см³.
5. Планети-гігпнти мають велику кількість супутників, зокрема: Юпітер – 79, Сатурн – 82, Уран – 27, Нептун – 14. (Переважна більшість з цих супутників є відносно дрібними космічними об’єктами, діаменр яких не перевищує 10 км).
6. Не дивлячись на свої величезні розміри, планети-гіганти відносно швидко обертаються навколо своєї осі (в середньому один оберт за 13 годин).
7. Велика маса планет-гігантів спричиняє гравітаційне нагрівання ядра планети до високих температур (понад 10000ºС).

Мал.115. Загальний вигляд та співвідношення розмірів планет Сонячної системи.

Відразу ж зауважимо, що для порівняльної зручності, характеризуючи параметри планет-гігантів, ми будемо визначати їх:

1) маси – не в кілограмах (кг), а в масах Землі М_¤ = 5,98∙10²⁴кг;

2) радіуси – не метрах (м), а в радіусах Землі R_¤ = 6,37∙10⁶м;

3) відстані до Сонця не в метрах (м), а в астрономімних одиницях (а.о.), тобто в відстанях від Землі до Сонця а.о. = 1,5∙10¹¹м;

Юпітер. Юпітер (названо на честь давньоримського верховного бога-громовержця) – п’ята та найбільша планети Сонячної системи, маса якої більш як в два рази перевищує загальну масу всіх інших планет, і в 318 разів масу Землі. Юпітер з періодичністю 11,84 земних років обертається навколо Сонця слабо вираженою еліптичною орбітою, середній радіус якої 5,2 а.о. При цьому, з періодичністю 10 годин, Юпітер обертається навколо своєї осі. Така велика швидкість осьового обертання, спричиняє помітну інерційну деформацію планети. Цю інерційну деформованість характеризують величиною, яка називається сплюснутістю планети. Сплюснутість Юпітера 6,5%. Скажімо для Землі, цей показник 0,2%.

За сучасними науковими уявленнями, Юпітер має наступний внутрішній устрій (мал.116). Зовнішній шар планети товщиною близько 1500км представляє собою газову оболонку, яка складається з водню (89%), гелію (11%) та незначної кількості інших елементів і яка називається атмосферою. За атмосферою знаходиться шар густої пароподібної речовини, основними складовими якого є все ті ж водень та гелій. Товщина цього шару близька до 7000км. Наступний шар товщиною близько 8000км представляє собою високотемпературну рідину, основною складовою якої є рідкий водень. Цей водень при температурі близькій до 7000ºС і тиску близькому до 5∙10⁶ атмосфер, перетворюється на так званий металічний водень, який відрізняється тим, що в ньому атоми водню, подібно до атомів металів, об’єднуються металічним зв’язком. А це означає, що відповідна речовина має високі електропровідні властивості. Шар металічного водню має товщину близько 30000км. Нарешті в центрі Юпітера знаходиться розжарене залізо-силікатне ядро, радіус якого 25000км. Температура в центрі ядра, близька до 25000ºС, а тиск – до 50 млн. атмосфер. Потрібно зауважити, що по мірі занурення в надра Юпітера, температура і тиск цих надр поступово збільшуються від t = –150ºC; p = 0 атм. для верхніх шарів атмосфери, до t = 25000ºC; p = 50∙10⁶ атм. для надр ядра.

Мал.116. Картина ймовірного внутрішнього устрою Юпітера.

Вище описаний устрій Юпітера є досить приблизним. Адже мова йде про певні теоретичні передбачення, які по мірі накопичення наукової інформації, можуть суттєво уточнюватись. Якщо ж говорити про візуально доступну інформацію про Юпітер, то вона стосується його атмосфери. Адже видимою поверхнею Юпітера є ті щільні хмари які знаходяться на висоті 1000км над його «поверхнею». А візуальні дослідження показують, що атмосфера Юпітера, це надзвичайно складна, динамічна система, в якій постійно відбуваються надзвичайно бурхливі події. Ці події обумовлені двома базовими причинами. Перша полягає в тому, що Юпітер надзвичайно швидко обертається навколо своєї осі (один оберт за 9год 55хв 30с). А це означає, що лінійна швидкість тих точок поверхні які знаходяться на екваторі планети близька до 13 км/с, а на полюсі, ця швидкість є нульовою. Ясно, що в такій ситуації «поверхня» Юпітера, по-перше змушує атмосферу обертатись в напрямку обертання «поверхні». А по-друге, розриває цю атмосферу на окремі шари, які обертаються в одному напрямку, але з різними швидкостіми.

Другим визначальним джерелом тих бурхливих подій, що відбуваються в атмосфері Юпітера, є та енергія яка генерується в надрах планети. А дослідження показують, що в надрах Юпітера відбуваються певні енергогенеруючі процеси потужність яких вдвічі перевищує потужність тієї енергії яку отримує планети від Сонця. По суті, джерелом цієї енергії є поступове гравітаційне стиснення планети. Саме ця, генерована в надрах Юпітера енергія, створює в його атмосфері надзвичайно потужні вихрові потоки. А найвідомішим з цих атмосферних вихорів, є та Велика Червона Пляма яка ось уже триста років привертає до себе увагу астрономів.

Одним з наслідків швидкого обертання Юпітера є його потужне магнітне поле, яке в 20 разів потужніше за магнітне поле Землі. Основним джерелом цього поля є ті потужні вихрові потоки, а по суті електричні струми, які постійно циркулюють в товстому шарі металевого водню, і причиною яких є швидке обертання планети. Наочним проявом потужності магнітного поля Юпітера, є ті полярні сяйва які потійно обрамлюють його магнітні полюси.

Мал.117. Полярні сяйва Юпітера, наочні прояви потужності йього магнітного поля.

Юпітер має надзвичайно велику кількість природних супутників. На сьогоднішній день їх налічується 95. Що правда, переважна більшість цих супутників (близько 70), представляють собою дрібні космічні тіла, діаметром від 2 до 10 км. Якщо ж говорити про найбільші супутники Юпітера, то їх всього чотири: Іо, Європа, Ганімад, Колліпсо. Ці супутники були відкриті ще Галілеєм і тому називаються галілеєвими. Галілеєви супутники знаходяться на відстані від 6 до 26 радіусів Юпітера і обертаються в екваторіальній площині планети слабо вираженими еліптичними орбітами. Загальні характеристики цих супутників наступні.

Іо – найближчий до Юпітера галілеєвий супутник.

Маса – 8,9∙10²² кг (1,19 мас Місяця).

Раліус – 1821 км (1,05 радіусів Місяця).

Густина – 3,5 г/см³ (1,05 густини Місяця).

Європа – найменший галілеєвий супутник.

Маса – 4,8∙10²² кг (0,65 маси Місяця).

Радіус – 1569 км (0,90 радіуса Місяця).

Густина – 3,0 г/см³ (0,90 густини Місяця).

Ганімед – найбільший супутник Юпітера та Сонячної системи.

Маса – 14,8∙10²² кг (2,02 мас Місяця).

Радіус – 2638 км (1,52 радіусів Місяця).

Густина – 1,94 г/см³ (0,58 густини Місяця).

Калліпсо – найвіддаленіший від Юпітера галілеєвий супутник.

Маса – 10,8∙10²² кг (1,47 мас Місяця).

Радіус – 2410 км (1,38 радіусів Місяця).

Густина – 1,83 г/см³ (0,55 густини Місяця).

Мал.118. Загальний вигляд та співвідношення розмірів Юпітера та його галілеєвих супутників (Іо, Європа, Ганімед, Калліпсо).

         Сатурн. Сатурн (названо на честь давньоримського бога землеробства) – шоста за віддаленістю від Сонця та друга за розмірами планета Сонячної системи, маса якої 95,2 земних мас. Сатурн з періодичністю 29,46 земних років, обертається навколо Сонця, слабо вираженою еліптичною орбітою, середній радіус якої 9,6 а.о. При цьому з періодом 10 год. 36 хв. Сатурн обертається навколо своєї осі. Таке швидке обертання, спричиняє велику інерційну сплюснутість планети, яка становить 9,8% і є найбільшою серед планет Сонячної системи. Ще одним рекордом Сатурна, є його найменша серед планет середня густина, яка становить 0,687 г/см³. Тому, хоча маса Сатурна в тричі менша за масу Юпітера, їх екваторіальні радіуси відрізняються лише на 19%.

Внутрішній устрій Сатурна, його хімічний склад та ті процеси що відбуваються в надрах і атмосфері, дуже схожі на відповідні параметри Юпітера. Звичайно з урахуванням мас та розмірів цих планет. Певним же відображенням відмінностей в масштабах тих процесів які відбуваються в надрах Сатурну і Юпітера є їх магнітні поля. А магнітне поле Сатурна в 20 разів слабше за магнітне поле Юпітера і є співрозмірним з магнітним полем Землі.

Загально відомою візитівкою Сатурна є його знамениті кільця. Ці кільця складаються з безлічі крижаних частинок, розміром від міліметра до декількох метрів, які синхронно обертаються навколо Сатурна в його екваторіальній площині. Оскільки вісь обертання Сатурна, нахилена до площини його обертання навколо Сонця під кутом 26º44′, то в процесі обертального руху Сатурна, його кільця змінюють свою орієнтацію відносно Землі. При цьому, коли Земля знаходиться в площані кілець, то з Землі навіть в потужний телескоп їх майже не видно. Адже загальна товщина кілець не більше кілометра. Хоча їх загальна ширина сягає 137000км. До речі, подібні але менш щільні, менш ефектні та менш помітні кільця, мають всі планети-гіганти.

Мал.118а. Загально відомою візитівкою Сатурна є його знамениті кільця.

Як і Юпітер, Сатурн має велику кількість природних супутників. На сьогоднішній день їх налічують понад 100. Втім, як і у Юпітера, переважна більшість цих супутників, це дрібні космічні тіла, діаметр яких не перевищує 10 км. Якщо ж говорити про великі супутники, то у Сатурна він лише один – Титан. Титан – найбільший супутник Сатурна та другий за величиною в Сонячній системі: маса – 13,5∙10²² кг (1,84 мас Місяця); радіус – 2575 км (1,48 радіусів Місяця); густина – 1,88 г/см³ (0,56 густини Місяця). У Титані зосереджено 95% маси всіх супутників Сатурна. Титан єдиний супутник в Сонячній системі який має щільну атмосферу. Ця атмосфера складається з азоту (98,4%) та метану (1,6%) і створює тиск на поверхню супутника в 1,5 земних атмосфер. Температура на поверхні Титану близька до – 175ºС. Поверхня Титану складається з водяного льоду та кам’янистих матеріалів. Рельєф поверхні відносно рівний, з перепадом висот до 2 км. На титані є метанові озера та ріки.

Уран. Уран (названо на честь давньогрецького бога неба) – сьома від Сонця планета Сонячної системи, яка з періодичністю 84,3 земних років обертається навколо Сонця майже круговою орбітою, середній радіус якої 19,2 а.о. Обертання Урану має ту особливость, що вісь його обертання майже горизонтальна (нахилена під кутом 98º до площини орбіти)

Маса Урану – 14,5 земних мас;

середній радіус – 4,0 земних радіусів;

середня густина – 1,27 г/см³;

період обертання навколо своєї осі – 17 год 14 хв;

інерційна сплющеність – 2,3%.

В загальних рисах, теоретична модель внутрішнього устрою Урану є наступною. Зовнішньою оболонкою планети є масивна гелієво-воднева атмосфера з домішками інших речовин, зокрема метану, води та аміаку. Під масивною атмосферою знаходиться так звана крижана мантія планети, яка складається з суміші водяного, аміачного та метанового льоду. І потрібно зауважити, що ця так звана «крижана оболонка», фактично не є крижаною в загально прийнятому сенсі. Адже вона складається з початково відносно холодної та рідкої, а потім з все більш гарячої та умовно твердої суміші води, аміаку та метану, що знаходиться в умовах надвисокого тиску. Нарешті в центрі Урану знаходиться відносно невелике гаряче кам’яне ядро. Температура в центрі ядра близька до 10000ºС, а тиск – до 8 млн. атмосфер.

Мал.118б.  Загальна схема ймовірного внутрішнього устрою Урана.

У порівнянні з іншими планетами-гігантами, атмосфера Урану є дуже спокійною. Однією з основних причин цього спокою є те, що на відміну від інших планет-гігантів, Уран генерує дуже мало тієї енергії, яка обумовлена гравітаційним стисненням планети. Дослідження показують, що Уран випромінює практично стільки ж енергії, скільки отримує від Сонця.

Подібно до Сатурна, Уран має систему кілець. Та на відміну від  сатурнових, ці кільця є менш одноріними, слабо вираженими, тьмяними та менш помітними. Вони складаються з відносно невеликої кількості дрібних частинок діаметром від міліметра до декількох дециметрів. Скоріш за все, ці кільця сформувались відносно недавно із того матеріалу який утворився в процесі руйнації одного чи декількох невеликих супутників Урану, яка відбувалась під дією приливних сил.

Уран, як і всі планети-гіганти, має систему супутників, яка налічує 27 переважно невеликих супутників. Найбільший серед них має назву Титанія. У Сонячній системі, Титанія є восьмим за розміром супутником, який має наступні характеристики.

Маса – 0,35∙10²² кг (0,05 маси Місяця).

Радіус – 788 км (0,45 радіуса Місяця).

Густина – 1,71 г/см³ (0,51 густини Місяця).

Нептун. Нептун (названо на честь давньоримського бога морів) – найвіддаленіша планета Сонячної системи, яка з періодичністю 164,8 земних років обертається навколо Сонця, майже круговою орбітою, середній радіус якої 30 а.о.

Маса Нептуна – 17,2 земних мас;

середній радіус – 3,9 земних радіусів;

середня густина – 1,64 г/см³;

період обертання навколо своєї осі – 16 год 7 хв;

інерційна сплющеність – 1,7%.

Показовою є історія відкриття Нептуна. Після того як у 1781 році англійський астроном Вільям Гершель, в процесі астрономічних спостережень відкрив Уран, та розрахував параметри його орбіти, виявилися певні загадкові аномалії руху цієї планети. Намагаючись пояснити ці аномалії, англійський астроном Джон Адамс та французький астроном Урбен Левер’є, незалежно один від одного і приблизно в один і той же час, дійшли висновку, що аномалії траєкторії руху Урану, створює певна невідома планети. Спираючись на закони ньютонівської механіки, Адамс і Левер’є, визначили параметри цієї планети та вказали те місце де її потрібно шукати. Дане передбачення теорії було підтверджено німецьким астрономом Йоганом Галле, який 23 вересня 1846 року і зафіксував невідому планету саме в тому місці на яке вказувала теорія. Цією планетою і був Нептун.

Не дивлячись на те, що Уран і Нептун мають дуже схожі загальні параметри та внутрішній устрій, фактом залишається те, що в надрах Нептуна генерується набагато більше енергії, аніж в надрах Урана. Дослідження показують, що Нептун випромінює в навколишній простір у 2,6 рази більше енергії аніж одержує від Сонця. (Для Урана цей показник становить лише 1,06). Прямим наслідком даного факту є те, що в атмосфері Нептуна, подібно до атмосфер Юпітера і Сатурна, постійно відбуваються надзвичайно бурхливі процеси: шторми, вітри, буревії, тощо. І це при тому, що атмосфера Нептуна є надзвичайно холодною.

Подібно до Урану, Нептун має систему слабо виражених, тьмяних та ледь помітних кілець. Ну і звісно ж, як і всі планети-гіганти, Нептун має власну систему супутників, в якій налічується 14 переважно невеликих об’єктів. Найбільшим супутником Нептуна є Трион: маса – 2,14·10²² кг (0,29 мас Місяця), радіус – 1350 км (0,78 радіусів Місяця), густина – 2,06 г/см³ (0,62 густини Місяця). Тритон є єдиним супутником Сонячної системи, який обертається навколо своєї планети в напрямку, протилежному від напрямку обертання планети навколо своєї осі. Можливо колись, Тритон був невеликою самостійною планетою, яка оберталась навколо Сонця між Ураном і Нептуном, та будучи захотленою гравітаційним полем Нептуна стала його супутником, зберігаючи при цьому правильний для планети і «не правильний» для супутника напрямок руху.

Контрольні запитання.

1. Які загальні ознаки планет-гігантів?
2. Дайте загальну характеристику планети Юпітер.
3. Чому Юпітер і Сатурн мають велику сплюснупість?
4. За рахунок чого Юпітер і Сатурн випромінюють в навколишній простір набагато більше енергії аніж отримують від Сонця?
5. Чому атмосфери Юпітера і Сатурна складаються з окремих шарів, які обертаються в одному напрямку але з суттєво різними швидкостями?
6. Що представляє собою Велика Червона Пляма Юпітера? Які причини її появи та тривалого існування?
7. Що є основним джерелом потужного магнітного поля Юпітера?
8. Яка причина потужних полярних сяйв Юпітера?
9. Що представляють собою кільця Сатурна? Чи мають подібні кільця інші планети-гіганти?
10. Як було відкрито планету Нептун?
11. Які планетарні супутники є більшими за Місяць?

.

§20. Карликові планети та малі тіла Сонячної системи

Різноманіття об’єктів Сонячної системи, прийнято розділяти на три категорії: планети, карликові планети та малі тіла Сонячної системи.

Карликові планети.

Пояснюючи, чим планети відрізняються від карликових планет, можна сказати наступне. Як відомо в 1846 році, на основі теоретичних передбачень науки, було відкрито восьму планету Сонячної системи – Нептун. Даний факт надихнув астрономів на теоретично-експериментальні пошуки нових планет. А певні факти вказували на те, що за орбітою Нептуна має існувати ще одна планета. Пошуки цієї планети успішно завершились 13 березня 1930 року. Саме в цей день і була відкрита дев’ята планета Сонячної системи, яка отримала назву Плутон.

Що правда з’ясувалося, що Плутон, це дуже маленька планета, маса якої в 460 разів менша за масу Землі. Тим не менше, практично ні у кого не було сумнівів в тому, що Плутон – це планета. Ситуація змінилась лише після того, як в 2005 році, в недалеких околицях Плутона було відкрито ще три об’єкти, які як і Плутон обертались навколо Сонця та мали співрозмірну з ним (Плутоном) масу. А це означало, що ці об’єкти також претиндували на високе звання «планета». З іншого боку, параметри цих об’єктів, ну вже дуже сильно відрізнялись від того, що прийнято називати планетою. Зважаючи на ці обставини, провідна міжнародна організація астрономів (Міжнародний астрономічний союз), 16 серпня 2006 року прийняла рішення, згідно з яким, той об’єкт який претиндує на звання планета Сонячної системи, має задовільняти трьом умовам:

1. Цей об’єкт має безпосередньо обертатись навколо Сонця, тобто не бути супутником іншої планети
2. Він має бути масивним настільки, щоб під дією власних гравітаційних сил набути форму кулі.
3. На своїй орбіті, об’єкт має бути «гавітаційною домінантою», тобто таким, в околицях орбіти якого нема інших масивних тіл, окрім його власних супутників.

Плутон безпосередньо обертається навколо Сонця, має форму кулі, але не є гравітаційною домінантою на своїй орбіті. Адже разом з Плутоном, приблизно такими ж орбітами навколо Сонця обертається величезна кількість інших об’єктів так званого пояса Койпера. І загальна маса цих об’єктів більш як в 10 разів перевищувала масу самого Плутона. А це означає, що Плутон не задовільняє третій умові прийнятих вимог. Зважаючи на це, Плутон втратив статус планети. Його, та ще чотири подібних космічних тіла, було віднесено до окремої категорії об’єктів Сонячної системи, які отримали назву карликові планети.

Карликова планета – це такий космічний об’єкт, який безпосередньо обертається навколо Сонця, є масивним настільки, щоб під дією власних гравітаціїних сил мати форму кулі, але не є гравітаційною домінантою на траєкторії свого руху. На сьогоднішній день, статус карликової планети мають чотири об’єкти з поясу Койпера (Плутон, Ерида, Макемаке Гуамеа) та один об’єкт з поясу астероїдів (Церера). Крім цього, ще п’ять об’єктів з поясу Койпера та три об’єкти з поясу астероїдів, притендують на цей статус.

Мал.119. Загальний вигляд та співвідношення розмірів карликових планет.

Плутон. Плутон (названо на честь давньогрецького бога підземного світу) – найбільш відома карликова планети. Дев’яте за розміром та десяте за масою небесне тіло, яке обертається навколо Сонця (без урахування супутників планет). Перший відкритий об’єкт з поясу Койпера.

Маса – 1,3∙10²² кг (0,18 маси Місяця).

Радіус – 1187 км (0,68 радіуса Місяця).

Густина – 1,86 г/см³ (0,56 густини Місяця).

Середня відстань до Сонця – 39,5 а.о.

Період обертання навколо Сонця – 248 років.

Орбіта Плутона має великий ексцентриситет (0,25) і великий нахил до площини екліптики (17,1°). Через витягнутість орбіти, Плутон то наближається до Сонця на відстань 29,6 а.о. то віддаляється на 49,3 а.о. Як і більшість тіл поясу Койпера, Плутон складається головним чином з камяних порід та льоду (переважно водяного). Температура поверхні Плутона близька до 42К (–231ºС). Плутон має п’ять супутників, найбільший з яких Харон. Маса Харона лише у 8 разів менша за масу Плутона, тому фактично Плутон і Харон утворюють подвійну планетну систему.

Мал.120. Орбіта Плутона має великий ексцентриситет (0,25) і великий нахил до площини екліптики (17,1°).

Ерида. Ерида (названа на честь давньогрецької богині розбрату) – найбільш віддалена від Сонця карликова планета, яка серед карликових планет є другою за розміром і першою за масою.

Маса – 1,7∙10²² кг (0,23 маси Місяця).

Радіус – 1163 км (0,67 радіуса Місяця).

Густина – 2,64 г/см³ (0,79 густини Місяця).

Середня відстань до Сонця – 68 а.о.

Період обертання навколо Сонця – 561 рок.

Орбіта Ериди дуже витягнута, її ексцентриситет дорівнює 0,43. За такої витягнутості еліптичної орбіти, максимальна відстань від Ериди до Сонця становить 97,6 а.о. а мінімальна – 38,5 а.о.  Крім великого ексцентриситету, орбіта Ериди дуже сильно нахилена (під кутом 43,83º) до площини екліптики. В Сонячній системі, за ексцентриситетом та нахилом орбіти, Ерида поступається лише кометам.

Макемаке. Макемаке (названо на честь бога достатку в міфології корінних жителів острова Пасхи) – карликова планета з поясу Койпера.

Маса – 0,3∙10²² кг (0,04 маси Місяця).

Радіус – 740 км (0,43 радіуса Місяця).

Густина – 1,7 г/см³ (0,50 густини Місяця).

Середня відстань до Сонця – 45,3 а.о.

Ексцентриситет орбіти – 0,16.

Нахил орбіти до площі екліптики – 28º.

Період обертання навколо Сонця – 306 років.

Гаумеа. Гаумеа (названо на честь гавайської богині плодючості та дітородження) – карликова планета з поясу Койпера.

Маса – 0,4∙10²² кг (0,05 маси Місяця).

Радіус – 718 км (0,41 радіуса Місяця).

Густина – 2,9 г/см³ (0,86 густини Місяця).

Середня відстань до Сонця – 43,1 а.о.

Ексцентриситет орбіти – 0,20

Нахил орбіти до площі екліптики – 28º.

Період обертання навколо Сонця – 282 роки.

Церера. Церера (названо на честь давньоримської богині родючості та хліборобства) – єдина карликова планета з поясу астероїдів.

Маса – 0,094∙10²² кг (0,0128 маси Місяця).

Радіус – 470 км (0,27 радіуса Місяця).

Густина – 2,2 г/см³ (0,66 густини Місяця).

Середня відстань до Сонця – 2,77 а.о.

Нахил орбіти до площини екліптики – 10°

Період обертання навколо Сонця – 4,6 роки.

Церера є найбільшим та наймасивнішим тілом поясу астероїдів, в якому зосереджено 32% загальної маси цього пояса. Орбіта Церери лежить між Марсом та Юпітером. Подібно до планетарних орбіт, вона є слабкоеліптичною, тобто близькою до кола (ексцентриситет 0,08).

Малі тіла Сонячної системи.

У Сонячній системі, окрім Сонця, восьми великих планет з їх великими та малими супутниками, п’яти карликових планет з їх супутниками, є так звані малі тіла Сонячної системи. До цієї групи космічних об’єктів відносяться астероїди та інші дрібні об’єкти поясу астероїдів, дрібні тіла поясу Койпера, комети та метеороїди.

Пояс астероїдів – область Сонячної системи, розташована між орбітами Марса і Юпітера, яка є місцем скупчення великої кількості кам’янистих тіл різних розмірів та форм, які називаються астероїдами, що в буквальному перекладі означає – зіркоподібними (від грец. aster – зоря, eidos – вигляд). Загальна маса поясу астероїдів не перевищує 5% від маси Місяця. Майже тритина цієї маси, зосереджена в найбільшому об’єкті поясу астероїдів, який називається Терера і який має статус карликової планети. Ще тритина маси поясу астероїдів міститься в трьох наступних за розмірами астероїдах, які притендують на статус карликової планети, і які називаються Паллада, Веста та Гігея. Але більшість астероїдів є значно меншими. При цьому астероїдів діаметром понад 50м налічується близько 300000. Якщо ж говорити про значно дрібніші астероїди (які за міжнародною класифікацією фактично є метеороїдами), то їх налічується декілька мільйонів.

В супереч поширеній думці про велику щільність об’єктів в поясі астероїдів, реальна їх щільність дуже мала. Достатньо сказати, що випадкова зустріч того космічного апарату що пролітає через пояс астероїдів, з яким небуть астероїдом, оцінюється як один до мільярда.

Мал.121. В супереч поширеній думці про велику щільність об’єктів в поясі астероїдів, реальна їх щільність дуже мала.

По суті, в тій частині Сонячної системи де знаходиться пояс астероїдів, мала б сформуватись ще одна повноцінна планета. Однак, зважаючи на факт того, що саме в цій області, гравітаційні впливи Сонця і Юпітера є приблизно однаковими, створювані цими впливами гравітаційні збурення, постійно протидіяли конденсації речовини в єдине ціле. Результатом же тривалого еволюційного процесу став факт того, що в проміжку між Марсом і Юпітером планета не сформувалась. Натомість сформувалась система значно дрібніших кам’янистих тіл, які утворилися з більш важких атомів тієї речорини, що була в наявності у відповідній частині Сонячної системи.

Астероїди рухаються навколо Сонця в томуж напрямку, що і планети. В залежності від відстані до Сонця, їх період обертання коливається від 3,5 до 6 років. Для основної маси астероїдів, нахил орбіти до площини екліптики не перевищує 4°, а ексцентриситет цієї орбіти близький до 0,07

Відносно висока концентрація тіл в поясі астероїдів, за астрономічними мірками часто, призводить до зіткнень між ними. Скажімо зіткнення між відносно великими астероїдами (діаметром понад 10км), відбуваються раз на 10 млн. років. Уламки подібних зіткнень, можуть як залишатись в системі поясу астероїдів (великі уламки), так і розлітатись по всій Сонячній системі (зазвичай дрібні уламки). Деякі з цих уламків зустрічаються з нашою планетою і падають на її поверхню у вигляді метеоритів. Дослідження показують, що практично всі знайдені на Землі метеорити (а точніше 99,8%), прилетіли з поясу астероїдів.

Пояс Койпера (названо на честь нідерланського астронома Джерарда Койпера) – область Сонячної системи, яка знаходиться за орбітою Нептуна і об’єкти якої перебувають у проміжку відстаней від Сонця, від 30 а.о. до 55 а.о. Пояс Койпера приблизно у 20 разів ширший і в 100 разів масивніший за пояс астероїдів. Вважається що в поясі Койпера близько 50000 об’єктів, діаметр яких понад 100км (В поясі астероїдів, таких об’єктів не більше 200). Найбільшими представниками поясу Койпера, є чотири карликові планети та пять об’єктів, які притендують на цей статус.

Траєкторії руху об’єктів поясу Койпера зазвичай мають досить великий ексцентриситет та значні кутові відхилення від площини екліптики. Як і в поясі астероїдів, реальна щільність об’єктів поясу Койпера є досить малою.

На відміну від об’єктів поясу астероїдів, які складаються головним чином з відносно важких гірських порід та металів, об’єкти поясу Койпера складаються переважно з легких летючих речовин, твердий стан яких прийнято називати льодом (вода, метан, аміак, тощо).

         Комети. Загально відомими об’єктами Сонячної системи є комети. Комета (від грец. kometes – довговолосий) – мале тіло Сонячної системи, яке обертається навколо Сонця, має ядро та так звану кому, яка зазвичай переходить у хвіст. Ядро комети складається з льоду та дрібних пористих камянистих частинок. Комою комети називають ту хмару газу і пилу, що оточує ядро комети. По суті кома виникає в процесі наближення комети до Сонця, та під дією тієї сонячної енергії яка спричиняє випаровування летючих речовин з ядра комети.

По мірі наближення комети до Сонця, кількість тієї речовини що випаровується з її ядра збільшується. Одночасно збільшується і тиск на цю речовину збоку сонячного світла та сонячного вітру. В такій ситуації частина коми витягується та перетворюється на хвіст комети, який під дією сонячного тиску відхиляється в напрямку від Сонця. Хвости комет розрізняються довжиною і формою, не мають чітких обрисів та є майже прозорими, адже складаються з надзвичайно розрідженої речовини. Зазвичай, хвіст комети дещо роздвоюється: газова складова відхиляється більше, а пилова – менше. І це закономірно, адже на відносно важкі частинки пилу, сонячне світло та сонячний вітер впливають значно менше, аніж на легкі молекули газу.

Комети прийнято розділяти на короткоперіодичні та довгоперіодичні. Короткоперіодичними називають такі комети, які рухаються витягнутими еліптичними орбітами (ексцентриситет близький до одиниці) і період обертання яких менший 200 років. Траєкторія руху короткоперіодичних комет, якщо й виходить за межі пояса Койпера, то не на зачну величину. На сьогоднішній день налічується близько 400 короткоперіодичних комет.

Типовим прикладом короткоперіодичної комети є загально відома комета Галлея, яка з періодичністю 75,3 роки обертається навколо Сонця. Орбіта комети – витягнутий еліпс, в одному з фокусів якого знаходиться Сонце (мал.122). Перигелій комети (найменша відстань до Сонця) – 0,587 а.о.; афелій  (найбільша відстань до Сонця) – 35,1 а.о. Ексцентриситет орбіти 0,967. Діаметр ядра комети, приблизно 11 км. Маса ядра комети 2,2∙10¹⁴ кг, що в три мільярди разів менше за масу Місяця. Густина ядра комети 0,6 г/см³, що майже вдвічі менше за густину води.

Мал.122. Вигляд комети Галлея на фоні зоряного неба та загальна схема її руху.

Довгоперіодичними називають такі комети, які не мають підтвердження факту того, що огинали Сонце більше одного разу. Прийнято вважати, що період обертання таких комет понад 200 років. Довгоперіодичні комети з’являються з далеких глибиин космосу і мають практично параболічні орбіти. А це означає, що такі комети якщо і повертатимуться до Сонця, то не раніше ніж через тисячі років. А скоріш за все – не повертатимуться взагалі.

Прийнято вважати, що джерелом комет є пояс Койпера та так звана хмара Оорта. Вважається, що в процесі тих чи інших гравітаційних збурень та механічних зіткнень, деякі крижані тіла цих поясів кардинально змінюють траєкторію свого руху та рухаючись в напрямку Сонця, стають відповідною кометою. При цьому пояс Койпера постачає короткоперіодичні комети, а хмара Оорта – довгоперіодичні комети.

Хмара Оорта (названо на честь нідерланського астрофізика Яна Оорта) – гіпотетична область Сонячної системи, яка є джерелом комет з великим періодом обертання і яка знаходиться на відстані від 5000 до 50000 а.о. від Сонця. Вважається, що хмара Оорта є залишком того протопланетного диска, який сформувався навколо Сонця приблизно 4,6 млрд. років тому. Безпосередніми спостереженнями існування хмари Оорта не підтверджено, однак деякі непрямі факти вказують на її існування.

Мал.123. Деякі непрямі факти вказують на те, що на переферії Сонячної системи є певне скупчення крижаних тіл, які утворюють так звану хмару Оорта.

Метеороїди. Метеороїдами називають дрібні тверді небесні тіла діаметром від 0,1 мм до 10 м. Переважна більшість метеороїдів обертається навколо Сонця витягнутими еліптичними орбітами, площини яких близькі до площини екліптики. При цьому метеороїди часто створюють певні скупчення, які називаються метеорними роями. Коли Земля перетинає орбіту метеорного рою, на нічному небі можна спостерігати так званий метеорний дощ – велику кількість короткотривалих спалахів, які утворюються при згоранні дрібних метеороїдів (метеорів), в щільних шарах атмосфери Землі. Ті ж відносно великі метеороїди які долітають до землі, називаються метеоритами.

Основними джерелами метеороїдів в Сонячній системі є: руйнація комет, подрібнення астероїдів в процесі їх зіткнень, руйнація дрібних супутників планет під дією приливних сил, руйнація дрібних космічних тіл під дією сонячного вітру, тощо.

         Контрольні запитання.

1. Чому Плутон спочатку назвали планетою, а потім вирішили віднести до групи так званих карликових планет?
2. Яким класифікаційним вимогам мають відповідати ті об’єкти які притендують на звання «планета»?
3. Чим подібні та чим відрізняються планети і карликові планети?
4. 4. Чи є серед карликових планет бодай одна масивніша за Місяць?
5. 5. Дати загальну характеристику поясу астероїдів.
6. 6. Чому в поясі астероїдів не сформувалась повноцінна планета?
7. 7. Дати загальну характеристику поясу Койпера.
8. Чим об’єкти поясу Койпера відрізняються від об’єктів поясу астероїдів?
9. Які об’єкти Сонячної системи називаються кометами? Звідки вони беруться?
10. Які об’єкти Сонячної системи називаються метеороїдами? Звідки вони беруться?
11. Чим відрізняються метеори від метеоритів?

.

Тема 4. Загальні відомості про зірка та галактики.

.

§20. Спектральна класифікація зірок.

В ясну безмісячну ніч, неозброєним оком можна побачити та розрізнити не більше 5000 зірок. Однак, якщо мова йде про сучасні, наукові методи астрономічних досліджень, то вони дозволяють побачити, дослідити та кількісно описати в тисячі разів більшу їх кількість. На сьогоднішній день, визначено координати кількох мільйонів зірок, а кількісно досліджено та описано близько 200 000 зірок нашої Галактики. При цьому кожна з них, має свої параметри та індивідуальні особливості. Ясно, що в такій ситуації неминуче постає питання про певну класифікацію зірок.

В §5 ми говорили про те, що в ті далекі часи, коли люди ще нічого не зали ані про реальні розміри зірок, ані про їх реальну світлову потужність, ані про відстані до них, параметри цих зірок оцінювали за величиною їх видимої яскравості, тобто за кількістю того світла, що потрапляє в око спостерігача від даної зірки. В фізиці подібну яскравість характеризують величиною, яка називається силою світла і яка вимірюється в канделах. В астрономії ж, величину яка оцінює порівняльну яскравість зірки за зоровими відчуттями людини, називають видимою зоряною величиною.

Видима зоряна величина, це безрозмірна величина, яка характеризує яскравість небесного тіла, тобто кількість того світла, що потрапляє в око спостерігача від відповідного тіла (зірки) і яка оцінюється за зоровими відчуттями людини (позначається m – від англ. magnitude, що в змістовному перекладі означає «зоряна величина»).

Поняття зоряної величини, запровадив ще у другому сторіччі до нашої ери, давньогрецький астроном Гіпарх. Гіпарх розділив усі доступні неозброєному оку зірки на шість зоряних величин. При цьому, найбільш яскраві зірки, стали називати зірками першої величини (позначаються 1^m), менш яскраві – зірками другої величини (позн. 2^m) і т.д. Найменш же яскраві, ледь помітні неозброєним оком зірки, були віднесені до розряду зірок шостої величини (позн. 6^m). Згодом для більш точної оцінки яскравості тієї чи іншої зірки, почали використовувати не лише цілі, а й дробові значення зоряної величини (1,3^m; 2,7^m; 3,2^m; тощо).

В подальшому, вище описану класифікаційну схему суттєво розширили. Ті світила, яскравість яких у відповідне число разів перевищувала яскравість зірок першої зоряної величини (1^m), отримували відповідно менші за 1^m величини: 0^m; -1^m; -2^m і т.д. Наприклад, найяскравіша зоря нічного неба Сіріус, має зоряну величину -1,5^m. Середня видима зоряна величина Венери -4,5^m; Місяця у повні -13^m; Сонця -26,8^m. Ті ж візуально не видимі зірки яскравість яких була меншою за 6^m, отримували відповідно більші значення зоряної величини. Тому є зорі 7^m; 8^m; 9^m і т.д. Скажімо орбітальний телескоп «Хабл» дозволяє спостерігати за зірками, зоряна величина яких 31,5^m.

Прийнято вважати, що яскравість (сила світла) зірки шостої зоряної величини (6^m) у 100 разів менша за яскравість зірки першої величини (1^m). А це означає, що яскравості двох сусідніх зоряних величин відрізняються  у ⁵√100=2,512≅2,5 рази.

Звичайно, «видима зоряна величина» не відображає ані реальні розміри зірки, ані її реальну світлову потужність, ані її реальної яскравості. Зоряна величина, це лише міра тієї яскравості (а фактично сили світла), яку створює відповідна зірка по відношенню до земного спостерігача. При цьому цю яскравість (силу світла) вимірюють не в канделах (як у фізиці), а в зоряних величинах. Втім, якщо мова йде про сучасні наукові вимірювання видимих зоряних величин, то вони здійснюються точними астрономічними приладами і в цьому сенсі, видима зоряна величина (m), є цілком об’єктивною, точною та важливою характеристикою будь якої зірки.

Та як би там не було, а саме система видимих зоряних величин, була тією першою класифікаційною системою, яка дозволяла бодай якось систематизувати наявне різноманіття зірок. Якщо ж говорити про сучасні класифікаційні системи, то вони грунтуються не на суб’єктивних зорових відчуттях людини, а на більш об’єктивних кількісних оцінках параметрів зірок і перш за все їх температури та тієї величини, яка називається світністю зірки.

Світністю астрономічного об’єкту (позначається L), називають ту загальну кількість енергії, яку випромінює даний астрономічний об’єкт (зірка, галактика, тощо) за одиницю часу. Іншими словами, світність характеризує загальну енергетичну потужність відповідного об’єкту. Світність астрономічного об’єкту вимірюють як в загально прийнятих одиницях потужності (ватах, Вт), так і в одиницях світності Сонця (L_c). Визначити ж світність Сонця не важко. Для цього потрібно виміряти кількість тієї світлової енергії, що припадає на 1м² площі, та помножити отриману величину на об’єм сфери радіусом 1а.о. = 1,5·10¹¹м. При цьому вимірювання показують, що L_c=3,86·10²⁶ Вт.

Можна довести, що світність зірки (L) пов’язана з її радіусом (R) та ефективною температурою (Т), а по суті з температурою поверхні, співвідношенням L = 4πR²σT⁴

σ– постійна величина, яка визначається експериментально і називається сталою випромінювання, або сталою Стефана-Больцмана: σ = 5,67·10^-8Вт/м²К⁴.

Оскільки безпосередньо виміряти радіус (діаметр) далекої зірки практично не можливо, то на практиці світність зірки (L) визначають за науково обгрунтованою формулою    L = L_c·10^{0,4(Mc – M)} ,

де  М_c = 4,77 – абсолютна зоряна величина Сонця,

М – абсолютна зоряна величина даної зірки.

Абсолютна зоряна величина (М), відрізняється від видимої зоряної величини (m) тим, що характеризує параметри яскравості (сили світла) космічних об’єктів за тієї умови, що всі ці об’єкти гіпотетично знаходяться на одній і тій же стандартній відстані від спостерігача – на відстані 10 парсеків. (Нагадаємо: 1 пк = 3,26 св.р. = 206 265 а.о. = 3·10¹⁶ м). Порівняно з видимою зоряною величиною (m), абсолютна зоряна величина (М) є більш об’єктивною характеристикою світлових (енергетичних) параметрів зірки. Адже вона характеризує зірку за певних, однакових для всіх умов.

Можна довести, що абсолютна зоряна величина зірки (М) зв’язана з її видимою зоряною величиною (m) та з реальною відстанню до зірки (d) співвідношенням    М = m + 5(1 – lgd).

Таким чином, визначення світності (L), а по суті енергетичної потужності зірки, фактично зводиться до визначення її видимої зоряної величини (m) та відстані до неї (d). А про те, як визначаються відстані до космічних об’єктів,   ми детально говорили в §9.

Другою надзвичайно важливою характеристикою будь якої зірки, є її ефективна температура, а по суті – температура її поверхні. В §11 ми говорили про те, що базовим методом сучасних астрономічних досліджень є так званий спектральний аналіз, тобто метод визначення тих чи інших параметрів певного об’єкту на основі аналізу того світла, яке випромінює або поглинає цей об’єкт. Власне завдяки спектральному аналізу, ми до тисячних частин відсотка знаємо про хімічний склад тих чи інших космічних об’єктів, про їх температуру, швидкість та напрям руху, швидкість обертання, тощо. Скажімо, коли ми говоримо про температуру поверхні зірки, то вона нерозривно пов’язана з кольором цієї зірки. Наприклад зірка з температурою поверхні 6000К буде жовто-білою, з температурою поверхні 2500К – червоною, а з температурою 18000К – біло-блакитною. При цьому, в залежності від відтінків кольору, та спектрального складу світла, температуру поверхні зірки можна визначити надзвичайно точно.

Велика кількість астрономічних досліджень та вимірювань, базується на застосуванні принципу подібності. Скажімо, визначивши відстань (d) до відносно близької зірки А, та знаючи її абсолютну зоряну величину (M) і температуру поверхні (T), можна визначити світність цієї зірки (L). З іншого боку, якщо наддалека зірка Б, є подібною до зірки А, то виходячи з того, що світності цих зірок є однаковими, можна визначити відстань до зірки Б.

Із вище сказаного ясно, що в астрономії, питання чіткої та об’єктивної класифікації зірок, є надзвичайно важливим. Говорячи про таку класифікацію, перш за все зазначимо, що будемо аналізувати та класифікувати лише ті зірки, які знаходяться в нашій Галактиці і які є активними, тобто такими, що випромінюють велику кількість світлової енергії, джерелом якої є ті термоядерні реакції що відбуваються в надрах зірки.

По суті базовими класифікаційними ознаками будь якої зірки, є її світність (L) та ефективна температура (Т). Ефективною температурою зірки (Т), називають ту температуру, яка визначається на основі спектрального аналізу того світла, яке надходить від зірки і яка по суті дорівнює температурі умовної поверхні відповідної зірки. Сучасні методи спектрального аналізу, дозволяють визначати ефективну температуру найвіддаленіших зірок Всесвіту, з надзвичайно великою точністю. Це тим більш важливо, якщо мати на увазі факт того, що ефективна температура, нерозривно пов’язана не лише з кольором та температурними а отже енергетичними параметрами поверхні та надр зірки, а й з її масою, тривалістю життя, розмірами, яскравістю, а зрештою –  з минулим та майбутнім зірки.

На початку минулого століття, група вчених Гарвардського університету (США), на основі тривалих досліджень та аналізу багатьох експериментальних фактів, розробила так звану Гарвардську спектральну класифікацію зірок. У відповідності з цією класифікацією, всі досліджені на той час зірки, в залежності від їх ефективної температури, а отже і кольору, були розділені на сім класів, які позначалися наступною послідовністю латинських букв: O, B, A, F, G, K, M (мал.80). При цьому класу О відповідали найгарячіші зірки, а класу М – найхолодніші.

Мал.124. Гарвардська класифікація зірок, базується на факті залежності параметрів зірки від її ефективної температури.

У відповідності з гарвардською класифікацією, кожен клас зірок характеризувався не лише певними параметрами кольору та температури, а й певними параметрами маси, розмірів, яскравості, особливостей спектру та частки зірок даного класу від усіх досліджених зірок. Більшість з цих параметрів наведено в наступній таблиці.

Таблиця. Основні параметри зірок у відповідності з їх Гарвардською спектральною класифікацією.

Клас зірки	Температура зірки  (К)	Маса зірки (Мc)	Радіус зірки (Rc)	Яскравість зірка (Lc)	Частка зірок
O	>  33 000 К	>  16	>  6,6	> 30000	0,0001%
B	33000 – 10000	(16 – 2,1)	(6,6 – 1,8)	30000 – 25	0,13%
A	10000 – 7500	(2,1 – 1,4)	(1,8 – 1,4)	25 – 5	0,6%
F	7500 – 6000	(1,4 – 1,04)	(1,4 – 1,15)	5 – 1,5	3,05%
G	6000 – 5200	(1,04 – 0,8)	(1,15-0,96)	1,5 – 0,6	7,62%
K	5200 – 3700	(0,8 – 0,45)	(0,96 – 0,7)	0,6 – 0,08	12,1%
M	<  3700 К	< 0,45	<  0,7	< 0,08	76,5%

В 30-х роках минулого сторіччя, зусиллями групи вчених з Йєрської обсерваторії (США), Гарвардська касифікаційна схема була суттєво розширена. Це розширення забезпечувалось двома нововведеннями. Перше полягало в тому, що для більш точної класифікації зірок, кожен спектральний клас Гарвардської системи, розділявся на десять підкласів, які наряду з відповідною буквою позначались додатковою цифрою від 0 до 9. Наприклад зірки класу В, поділялись на десять підкласів: В0; В1; В2; …. В9. При цьому, підкласу з меншим значенням цифри відповідала більш висока температура зірки.

Друге нововведення Йєрської класифікаційної системи полягало в тому, що в ній на ряду з класифікацією зірок на основі вимірювання їх ефективної температури, доповнювалась класифікацією тих же зірок на основі параметрів їх світності (енергетичної потужності). При цьому, за величиною цієї світності, зірки поділялись на вісім класів світності, які позначались римськими цифрами і яким відповідали наступні групи зірок:

(0) – гіпергіганти;

(1) – надгіганти;

(2) – яскраві гіганти;

(3) – гіганти;

(4) – субгіганти;

(5) – зорі головної послідовності;

(6) – субкарлики;

(7) – білі карлики.

Наприклад, найяскравіша зірка північної півкулі, Сіріус, має спектральний клас А1(5). Це означає, що Сіріус є зіркою основної послідовності (5), спектрального класу А1, якому відповідають наступні параметри:

спектральний колір – білий:

видимий колір – біло-блакитний;

температура – 9500 К;

маса – 2,0 М_c;

радіус – 1,7 R_c;

яскравість – 21 L_c.

Потрібно зауважити, що важливою  класифікаційною ознакою поділу активних зірок, є їх приналежність чи не приналежність до так званої головної послідовності. Дослідження показують, що близько 90% активних зірок нашої Галактики, є зірками головної послідовності. Це означає, що в надрах цих зірок відбувається водневий цикл термоядерних реакції, в процесі якого ядра атомів водню об’єднуються (синтезуються) в ядра атомів гелію: 4¹H₊₁ → ⁴He₊₂ + 2⁰e₊₁ + ΔE. Водневий цикл термоядерних реакцій є найбільш тривалим та найбільш стабільним періодом життя зірки. Тривалість цього періоду становить близько 90% від загальної тривалості активного життя зірки, і визначальним чином залежить від її маси: чим більша маса, тим менша тривалість життя і навпаки.

На початку 20-го століття, данський астроном Ейнар Герцшпрунг та американський астроном Генрі Расселл, незалежно один від одного нанесли на діаграму «Спектральний клас» – «Світність» відомі на той час зорі та отримали ту діаграму, яку сьогодні прийнято називати діаграмою Герцшпрунга-Рассела (мал.125). Пізніше, ця діаграма виявилась ключем для розуміння тих процесів, які відбуваються при еволюцій зірок.

Мал.125. Загальний вигляд діаграми Герцшпрунга-Рассела.

На діаграмі Герцшпрунга-Рассела можна виділити три характерних групи зірок. Найчисельніша з них, це зірки головної послідовності. Саме до таких зірок належить і наше Сонце. З еволюційної точки зору, головна послідовність, це те місце діаграми Герцшпрунга-Рассела, де зоря перебуває левову частину (близько 90%) свого активного життя. При цьому час перебування зірки на головній послідовності, а по суті час її спокійного активного життя, визначальним чином залежить від маси зірки. Скажімо зірки спектрального класу О5 та світності L = 10⁵L_с, перебувають на лінії головної послідовності лічені мільйони років. Тоді як Сонце (спектральний клас G2; L = 1L_с) буде перебувати на лінії головної послідовності близько 10 мільярдів років. Тривалість же такого перебування для якогось малопомітного червоного карлика спектрального класу М2, може становити трильйони років.

Другу, не надто чисельну групу зірок утворюють ті, що знаходяться над лінією головної послідовності і які називаються тими чи іншими гігантами. Ці зірки перебувають у стадії активного старіння і належать до класів світності (0) – (4). Нарешті під лінією головної послідовності, знаходяться білі карлики та субкарлики – зірки, які представляють собою розжарені ядра не надто масивних червоних гігантів, що залишаються після того, як зовнішня оболонка цих гігантів розсіюється.

Контрольні запитання.

1. Що характеризує видима зоряна величина зірки?

2. Зоряні величини зірок А і Б відповідно дорівнюють 5^m і -1^m. Яка з цих зірок є більш яскравою і у скільки разів?

3. Що характеризує світність зірки і в чому вона вимірюється?

4. Чим абсолютна зоряна величина відрізняється від видимої зоряної величини, і яка з цих величин є більш об’єктивною?

5. Як визначається ефективна температура зірки і що вона характеризує?

6. В чому суть Гарвардської спектральної класифікації зірок?

7. Чим Йєртська класифікація зірок відрізняється від Гарвардської класифікації?

§21. Еволюційна класифікація зірок.

Про еволюцію зірок, загальні риси якої представлені на мал.126, ми поговоримо в розділі «Космологія». Наразі ж просто зауважимо, що в процесі свого еволюційного розвитку, одна і та ж зірка, може перебувати в якісно відмінних станах. Характеризуючи ці стани, говорять про зірки основної послідовності, червоні гіганти, білі карлики, планетарні туманності, наднові, нейтронні зірки та чорні діри. Власне про загальні характеристики цих різних еволюційних станів зірок, ми і поговоримо в даному параграфі.

Мал.126. В процесі свого еволюційного розвитку, одна і та ж зірка може перебувати в якісно відмінних станах.

Зорі головної послідовності. Дослідження показують, що близько 90% активних зірок нашої Галактики, є зірками головної послідовності. Це означає, що в надрах цих зірок відбувається водневий цикл термоядерних реакції, в процесі якого ядра атомів водню об’єднуються (синтезуються) в ядра атомів гелію: 4¹H₊₁ → ⁴He₊₂ + 2⁰e₊₁ + ΔE. Водневий цикл термоядерних реакцій є найбільш тривалим та найбільш стабільним періодом життя зірки. Тривалість цього періоду становить близько 90% від загальної тривалості активного життя зірки, і визначальним чином залежить від її маси: чим більша маса, тим менша тривалість життя і навпаки.

В загальних рисах, внутрішній устрій зірок головної послідовності, схожий на внутрішній устрій Сонця: зона термоядерних реакцій, зона променистої рівноваги, зона конвекції, фотосфера. Схожими є і ті процеси, що відбуваються в надрах цих зірок. Однак масштаби процесів, масштаби розмірів та співвідношень зон, для різних груп зірок головної послідовності можуть бути суттєво різними.

Зорі головної послідовності вирізняються надзвичайним різноманіттям. Описуючи це різноманіття, часто говорять про блакитні гіпергіганти, блакитні та біло-блакитні гіганти, про білі, жовті, помаранчеві та червоні карлики. Наприклад наше Сонце, відносять до групи жовтих карликів. Загальні параметри зірок головної послідовності стисло опишемо на прикладі найбільших та найменших з них.

Мал.127. Порівняльні розміри зірок головної послідовності.

Блакитними гігантами називають ті надмасивні та надгарячі зірки головної послідовності, спектральний клас яких О або В (точніше, спектрального класу понад В5). Це означає, що ефективна температура цих зірок понад 20 000 К, маса – понад 10М_с, світність – понад 10³ L_с. Внаслідок великої світності, блакитні гіганти швидко витрачають термоядерне паливо і тому живуть не довго. Час перебування блакитних гігантів на головній послідовності, рідко перевищує 100 млн. років. З плином часу, блакитні гіганти еволюційно перетворюються на червоні надгіганти, а зрештою і на нейтронні зірки або чорні діри.

На теперішній час в нашій Галактиці масивні блакитні гіганти зустрічаються надзвичайно рідко. Прикладом такої рідкісної зорі є Епсілон Центавра (Сузір’я Центавр в південній півкулі зоряного неба).  Спектральний клас В1. Відстань від Землі 380 св.р. Маса 11,6 М_с. Радіус 6,25 R_с. Світність 15217 L_с. Ефективна температура 24 000 К.

Наймасивнішою, найгарячішою та найяскравішою з відомих науці зірок головної послідовності, що належать до класу блакитних гіпергігантів, є зірка RMC136a1. Вона знаходиться в найближчій до нас карликовій галактиці, що називається Великою Магелановою Хмарою, і має наступні характеристики. Відстань від Землі 165 000 св.р. Маса 315 М_с. Радіус 36 R_с. Світність 8,7·10⁶ L_с. Ефективна температура 53 000 К.

Червоними карликами називають ті зірки головної послідовності, які мають гранично малу масу і надмалу світність, та є зірками спектрального класу М. Це означає, що ефективна температура цих зірок менша 3500К, маса – менша 0,45М_с (нижня межа маси 0,0767 М_с), світність – менша 0,08 L_с. Червоні карлики, надзвичайно економно витрачають запаси водневого палива і тому живуть надзвичайно довго. Тривалість перебування червоного карлика на головній послідовності може вимірюватись трильйонами років (для порівнняння – вік нашого Всесвіту становить 13,8 мільярдів років). Червоні карлики еволюційно не перетворюються на червоні гіганти, а в процесі старіння, поступово стають дрібними білими карликами.

Вище згадані блакитні гіганти та гіпергіганти, білі, жовті, помаранчеві та червоні карлики, є зірками головної послідовності, тобто того найтривалішого періоду життя зірки, який забезпечуєтьтся водневим циклом термоядерних реакцій в її надрах. Однак рано чи пізно водневе паливо закінчується і зірка вступає в епоху старіння та перетворюється на так званий червоний гігант.

Червоні гіганти.  Червоними гігантами називають ті відносно масивні, величезні за розміром та відносно холодні за ефективною температурою зірки, які не є зірками головної послідовності і в надрах яких синтезуються ядра важчі гелію. Класичним прикладом червоного гіганта, а точніше надгіганта, є одна з зірок сузір’я Оріона, яка називається Бетельгейзе (мал.128). Бетельгейзе – червоний надгігант, який знаходиться на відстані 430 св.р. від Сонця та має наступні загальні характеристики: М ≈ 17М_с, R ≈ 650R_с, L ≈ 7·10⁴L_с. Бетельгейзе перебуває на завершальній стадії своєї еволюції, яка має завершитися надпотужним спалахом на місці якого залишиться те, що прийнято називати чорною дірою. Втім, маса Бетельгейзи така, що на її місці може залишитись як чорна діра так і нейтронна зірка.

Мал.128. Бетельгейзе: повівняльні з Сонцем розміри.

Потрібно зауважити, що процес переходу зірки, від зорі головної послідовності, до відповідного червоного гіганта, є досить тривалим і полягає в наступному. По мірі того, як в надрах зірки головної послідовності, інтенсивність водневого циклу термоядерних реакцій зменшується, гравітаційні сили починають додатково стискати, а відповідно – додатково розігрівати центральну частину (ядро) зірки. В процесі цього стиснення та розігрівання в надрах зірки, при все більш і більш високих температурах синтезуються все більш і більш важкі атомні ядра. Та ж  енергія, яка виділяється в процесі цього синтезу певним чином протидіє гравітаційному стисканню ядра.

Одночасно з цим, та периферійна частина зірки, що знаходиться за межами ядра, під дією зростаючого фотонного тиску, поступово віддаляється від ядра. В процесі цього віддалення густина і температура периферійної частини зірки неухильно зменшується. При цьому зірка поступово перетворюється на червоний гігант. Червоний гігант це стара зірка, що перебуває на останньому етапі свого активного життя і яка складається з двох яскраво виражених частин: надзвичайно густого розжареного ядра, та віддаленої від нього розрідженої і відносно холодної периферійної частини.

Оскільки процес переходу зірки головної послідовності до відповідного, максимально роздутого червоного гіганта є неперервно-поступовим, то ясно, що на різних стадіях цього переходу, одна і та ж зірка може виглядати суттєво по різному. Скажімо, та зірка яка перебуваючи на стадії головної послідовності, представляла собою надмасивний, надгарячий блакитний гігант, в процесі переходу до відповідного червоного надгіганта, еволюційно проходить і стадію біло-голубого гіганта, і стадію білого гіганта, і стадію жовто-білого гіганта, і стадію жовтого гіганта, і стадію помаранчевого надгіганта, і нарешті стадію червоного надгіганта. І всі ці кольорові гіганти та надгіганти фактично є червоними гігантами. Так що червоні гіганти, не завжди червоні.

З моменту перетворення зірки на червоний гігант її очікує неминучий перехід до якісно нового етапу існування. При  цьому, в залежності від наявної маси ядра червоного гіганта, можливі три варіанти такого переходу:

1). Якщо М ≤ 1,4 М_с, то зовнішня оболонка червоного гіганта поступово розсіюється і на його місці залишається розпечене ядро зірки, яке прийнято називати білим карликом;

2) Якщо 1,4М_с < М ≤ 3,2М_с, то червоний гігант з неймовірною силою вибухає і на його місці залишається гранично щільне ядро зірки, яке прийнято називати нейтронною зіркою;

3) Якщо М > 3,2 М_с, то червоний гігант, з ще більш неймовірною силою вибухає і на його місці залишається неймовірно маленьке та неймовірно густе ядро, яке прийнято називати чорною діркою.

Потрібно зауважити, що вище наведені значення мас, стосуються маси ядра червоного гіганта. А в цьому ядрі зазвичай зосереджена лише п’ята частина від загальної маси зірки. Зважаючи на ці обставини та оцінюючи долю червоного гіганта за величиною його загальної маси, можна записати:

якщо                  М ≤  7М_с          – білий карлик,

якщо            7М_с < М  ≤ 16М_с  – нейтронна зірка

якщо                   М > 16М_с            – чорна діра.

         Білі карлики. Білими карликами називають ті малі за розміром та великі за густиною зірки, які не є зірками головної послідовності і в надрах яких не відбуваються термоядерні реакції. Білі карлики представляють собою розжарені ядра не надто масивних червоних гігантів, що залишаються після того, як зовнішня оболонка цих гігантів розсіюється. За сучасними уявленнями, білі карлики – кінцевий продукт еволюції тих активних зірок, маси яких знаходяться в межах 0,8М_с < М ≤ 7М_с. Поступово охолоджуючись, білі карлики гаснуть та стають чорними карликами, які в практично незмінному вигляді існуватимуть до нового циклу еволюційного розвитку Всесвіту.

Однією з визначальних ознак білих карликів є їх надзвичайно висока густина. Ця густина становить (10⁶ -10⁷) г/см³, що в мільйони разів перевищує густину води. За такої густини, електронні оболонки атомів руйнуються, а речовина представляє собою гранично щільну суміш електронів та атомних ядер.

Прикладом типового білого карлика є зірка, яка носить назву Сіріус В (мал.129). Ця зірка є складовою системи подвійних зірок Сіріус – Сіріус В. Спочатку ця система складалась з двох біло-блакитних зірок спектрального класу В. При цьому маса Сіріуса становила 2М_с, а маса Сіріуса В – 5М_с. Приблизно 120 млн. років тому, більш масивний Сіріус В перетворився на червоний гігант, а згодом і на сучасний білий карлик. Сучасна маса Сіріуса В 0,98М_с, а його радіус – на 10% менший за радіус Землі. І це при тому, що Сіріус В, це один з найбільших білих карликів. Ефективна температура поверхні Сіріуса В 25000К. Світність 0,026L_с.

Мал.129. Порівняльні розміри Землі та білих карликів.

Потрібно зауважити, що білі карлики головної послідовності та ті білі карлики що не є зірками головної послідовності, це абсолютно різні зірки. Наприклад, на теперішній час Сонце є білим, а точніше біло-жовтим карликам головної послідовності. Тобто тією відносно невеликою зіркою, в надрах якої відбувається водневий цикл термоядерних реакцій і ефективна температура поверхні якої близька до 6000К. Коли ж через 5,5 мільярдів років на місці Сонця залишиться його маленьке за розміром та величезне за густиною розжарене ядро, то це ядро і буде білим карликом не головної послідовності.

         Нейтронні зірки. Нейтронними зірками називають ті гіперщільні космічні об’єкти, які складаються з нейтронів, що перебувають в стані виродженого фермі-газу (в стані гранично можливого ущільнення нейтронів). Маса нейтронної зірки співрозмірна з масою Сонця, а її радіус близький до 10 км. В кожному кубічному сантиметрі такої зірки міститься близько мільярда тон речовини ( =10⁹ т/см³ = 10¹²кг/см³ = 10¹⁵г/см³). Для порівняння: в кубічному сантиметрі сталі не більше 8 грам речовини.

Нейтронна зірка відноситься до числа тих космічних об’єктів, існування яких було спочатку теоретично передбаченим (1934р), а потім – експерементально підтвердженим. Ясно, що візуально побачити тіло радіусом 10 км з відстані декількох тисяч чи мільйонів світлових років, практично не можливо. Однак, те, що не можливо побачити візуально, іноді можна відкрити застосовуючи інші методи досліджень. Скажімо, однією з визначальних ознак нейтронної зірки (у всякому разі молодої нейтронної зірки), є її швидке обертання. Це обертання, прямий наслідок того надшвидкого стиснення ядра червоного надгіганта, яке передує його вибуху та появі нейтронної зірки. Власне саме це швидке обертання нейтронної зірки, яке в свою чергу створює відповідні пульсуючі коливання електромагнітного поля і дозволяє вченим «бачити» нейтронні зірки (пульсари).

Чорні діри. Напевно в науці нема іншого фізичного об’єкту, про який можна почути стільки вигадок, перекручень, домислів, нісенітниць та відвертої маячні, аніж той який прийнято називати «чорною дірою». Скажімо, хто не чув про те, що чорні діри, це такі собі просторово-часові тунелі (ходи, портали, червоточини, тощо) через які миттєво та без будь-яких енергетичних затрат, можна потрапити в будь-яку точку нашого Всесвіту, в інші світи, паралельні мири, минуле, майбутнє і куди завгодно? І немає діла тим байкарям які розказують подібну маячню, до факту того, що чорна діра, це ніяка не дірка, не отвір і не просторово-часовий перехід в паралельні світи. Чорною дірою називають ту надзвичайно маленьку, та надзвичайно масивну зірку, гравітаційне поле якої таке потужне, що навіть світло не може вирватись з її надр. А це означає, що про ті події які відбуваються в  надрах та безпосередніх околицях чорної діри ми не маємо достовірної інформації. По суті, в надрах чорної діри, те що ми називаємо часом, простором, матерією та рухом перетворюється на єдину субстанцію, параметри та властивості якої не можливо описати звичайними поняттями і величинами.

Однак, це зовсім не означає, що чорна діра є чимось надприродним, чимось таким, що не підпорядковується певним фізичним законам та веде себе всупереч цим законам. Це зовсім не означає, що зірка величиною з горошину, а можливо з атом, і масою більшою за масу Сонця, є якоюсь діркою через яку можна потрапити кудись, окрім цієї самої чи то горошини чи то атома. Вся надприродність чорної діри полягає в тому , що ми не знаємо про її внутрішній устрій і не можемо описати цей устрій звичними для нас словами та величинами. Втім, вже за межами так званого гравітаційного радіусу, величина якого зазвичай не перевищує 5 км, чорна діра веде себе як звичайна зірка. Вона звичайним чином діє на навколишні об’єкти, може мати видимі супутники, бути супутником інших зірок, тощо.

Зрозуміло, що візуально побачити чорну діру практично не можливо. Однак, її можна виявити та дослідити за побічними доказами. Наприклад такими. Як відомо, у Всесвіті надзвичайно поширені так звані подвійні зірки. (Щонайменше кожна друга зірка в нашій Галактиці є подвійною, тобто такою яка складається з двох близько розташованих зірок, що обертаються навколо спільного центру). Якщо одна з цих зірок перетворюється на чорну діру, то часто відбувається перетікання речовини від звичайної зірки до чорної діри (мал.130). При цьому в процесі наближення до чорної діри, речовина закручується та надзвичайно сильно прискорюється. А це означає, що навколо чорної діри утворюється так званий акреційний диск, який по-перше можна візуально побачити, а по-друге зафіксувати те потужне випромінювання, яке створюють ті частинки що прискорено падають в чорну діру. До речі, аналогічним чином виявляють та досліджують не лише чорні діри, а й нейтронні зірки.

Мал.130. Один з способів візуалізації та дослідження чорних дір.

В процесі свого еволюційного розвитку, зірка проживає певний перехдний етап від червоного гіганта до білого карлика, а для надмасивних зірок – від червоного надгіганта до нейтронної зірки або чорної діри. В першому випадку цей перехід називають планетарною туманністю, в другому – надновою.

Планетарна туманність. Коли в надрах не надмасивного (М ≤  7М_с) червоного гіганта запаси термоядерного палива починають вичерпуватись, він вступає в період нестабільності цих реакцій. Реакції то згасають, то відновлюються, то знову згасають і знову відновлюються. Результатом цих пульсацій стає факт того, що зовнішня оболонка червоного гіганта перестає бути однорідною і в процесі розширення поступово візуально оголює розжарене ядро зірки, яке з моменту оголення стає білим карликом. При цьому систему білого карлика та тієї несуцільної оболонки що його оточує називають планетарною туманністю (мал.131).

Типова планетарна туманність має діаметр близький до 1св.р. і складається з сильно розрідженого іонізованого газу. Концентрація частинок в планетарній туманності надзвичайно мала і близька до 10⁵ 1/см³, а це непорівнянно менше за концентрацію молекул в атмосферному повітрі (1·10¹⁹ 1/см³). Втім, порівняно з концентрацією частинок в міжзоряному просторі, щільність газу планетарної туманності є досить великою. За астрономічними мірками, планетарна туманність – швидкоплинне явище, яке триває кілька десятків тисячоліть. На теперішній час в нашій Галактиці виявлено близько 1500 планетарних туманностей.

Мал.131. Загальний вигляд типових планетарних туманностей.

Наднова. Особливо вражаюче потужним є перехід червоного надгіганта до стану нейтронної зірки або чорної діри. Цей перехід відбувається у вигляді надпотужного вибуху, в процесі якого за лічені дні виділяється стільки енергії, скільки Сонце виділяє за все своє активне життя. Візуальним проявом цього надпотужного вибуху, є факт того, що світність тієї зірки яка раніше називалась червоним надгігантом, за лічені години збільшується в мільярди разів. При цьому на небі спалахує яскрава зірка, світіння якої триває близько десяти днів. Саме цю зірку і називають надновою.

Про фізичну суть тих процесів які відбуваються при переході червоного надгіганта до стану нейтронної зірки чи чорної дірки, ми поговоримо в §26. Наразі ж просто зауважимо, що в еволюції зіркових систем, вибухи червоних надгігантів (спалахи наднових) мають надзвичайно велике значення. По-перше, в процесі такого вибуху, та надпотужна ударна хвиля, що проноситься тілом червоного надгіганта, створює такі умови, за яких синтезується все різноманіття відомих хімічних елементів. По-друге, створена надпотужним вибухом хвиля, проносячись міжзоряним простором галактики, «згрібає» величезні маси міжзоряного газу та створює нові протозоряні хмари. До речі, колись з подібної хмари і виникла наша Сонячна система.

Зауважимо також, що на теперішній час, в нашій Галактиці вибухи червоних надгігантів відбуваються дуже рідко, приблизно один вибух на 500 років. Однак на ранніх етапах еволюції Всесвіту та нашої Галактики, кількість надмасивних зірок, а відповідно і їх вибухів, була в сотні разів більшою.

Контрольні запитання.

1. Які зірки називають «зірками головної послідовності»?

2. Чи є «червоні гіганти» зірками головної послідовності?

3 Чи є «червоні карлики» зірками головної послідовності?

4. Від чого залежить тривалість життя зірки головної послідовності?

5. Які зірки називають «червоними гігантами»?

6 Які зірки називають «червоними карликами»?

7 Які зірки називають «нейтронними зірками»?

8. Які етапи проживає зірка в процесі свого еволюційного розвитку?

§22. Загальні відомості про галактики та квазари.

Одними з найбільших та безумовно важливих об’єктів нашого Всесвіту є галактики. Про загальний устрій та загальні параметри нашої Галактики та галактик загалом, ми говорили в §1 і §10. Тому наразі узагальнимо та доповнимо ці знання.

         Галактика – велетенська космічна система, яка складається з найрізноманітніших зірок та їх скупчень, міжзоряної речовини, хмар газу та пилу, різноманітних випромінювань, і можливо з того, що прийнято називати чорною матерією. При цьому всі речовинні складові галактики, так чи інакше обертаються навколо спільного центру мас, та утворюють цілісну систему гравітаційно пов’язаних об’єктів. Маси галактик варіюються від 10⁷ до 10¹² мас Сонця. А їх діаметри – від десятків до сотень тисяч світлових років. Дослідження показують, що в центрі переважної більшості галактик знаходиться надмасивна галактична чорна діра, маса якої вимірюється мільйонами сонячних мас і навколо якої обертається вся сукупність інших галактичних об’єктів.

Сонце та його планетарна система, є частиною галактики, яка називається Чумацьким Шляхом (Молочним Шляхом). Чумацький Шлях – це велика спіральна галактика, до складу якої входить близько 300·10⁹ найрізноманітніших зірок. Загальна маса Галактики, близька до 600·10⁹ М_с. Діаметр галактичного диску, близький до 100 000 світлових років, а його товщина за межами ядра Галактики – близька до 1 000 св.р. В центрі Галактики знаходиться надмасивна чорна діра, маса якої близька до 4,3·10⁶ М_с. Сонце перебуває на відстані 30 000 св.р. від центру галактичного диску і обертається навколо цього центру з швидкістю 250 км/с. При цьому період обертання Сонця, становить 220 мільйонів років.

Досліджуючи параметри руху складових частин галактик, вчені стикнулись з однією проблемою. Ця проблема полягала в наступному. У відповідності з законами ньютонівської механіки, лінійні швидкості тих об’єктів що обертаються навколо центрального тіла, по мірі їх віддалення від цього тіла, мають зменшуватись. Скажімо, в Сонячній системі, Меркурій обертається навколо Сонця з швидкістю 47,8км/с; Венера – з швидкістю 34,9км/с; Земля – 29,8км/с; Марс – 24,1км/с; Юпітер – 12,8км/с; Сатурн – 9,7км/с; Уран – 6,8км/с; Нептун – 5,5км/с. Однак з’ясувалося, що для галактик і зокрема галактик дископодібних, ця закономірність не виконувалась. В галактиках, по мірі віддалення зірок від центру, швидкість їх обертання навколо цього центру не зменшується, а залишається практично незмінною.

Мал.132. В дископодібних галактиках, швидкість обертання зірок навколо центру галактики не зменшується, як стверджує теорія (крива А), а залишається практично незмінною (крива В).

Звичайно, мова не йде про те, що стосовно галактик, закони ньютонівської механіки та теорії відносності, не виконуються. Мова йде лише про те, що реальний устрій Всесвіту загалом і галактик зокрема, суттєво відрізняється від того устрою, який ми бачимо наочно.

Намагаючись вирішити дану проблему, та зважаючи на деякі інші факти, вчені висунули обгрунтовану гіпотезу про те, що у Всесвіті загалом і в галактиках зокрема, є велика кількість так званої темної (прихованої) матерії. Згідно з цією науковою гіпотезою, в галактиці, окрім тієї матерії яка зосереджена в зірках, планетах та інших речовинних об’єктах, є ще більша кількість темної (прихованої) матерії. Ця прихована матерія зосереджена в невидимому гало галактики, яке у вигляді велетенської кулі охоплює речовинну частину галактики і певним чином впливає на поведінку її зірок та інших об’єктів.

Мал.133. Згідно з сучасними уявленнями, галактика оточена величезним, невидимим галактичним гало, в якому зосереджена величезна кількість прихованої (темної) матерії.

Не варто думати, що темна матерія, як і темна енергія, це щось таке, що не підпорядковане загальним законам Природи. Скоріш за все, те що ми називаємо темною матерією та темною енергією, є ще одним проявом того багатогранного та надскладного фізичного об’єкту який називається простором. Адже якщо сила інерції, є результатом взаємодії даного тіла з простором, а теорія відносності стверджує саме це, то простір має певні інерційно-гравітаційні властивості. Тобто ті властивості, мірою яких є маса

По суті це означає, що джерелом того, що ми називаємо темною матерією та темною енергією, є той фізичний об’єкт, який називається простором. А потрібно зауважити, що простір, це не просто та пустота яка є певною безструктурною ємністю для тих тіл (речовинних об’єктів), що знаходяться в цій пустоті. Простір – це надзвичайно складний, можливо найскладніший, фізичний об’єкт, властивості якого визначальним чином залежать від наявності чи відсутності в ньому інших об’єктів. Адже те що ми називаємо гравітаційними, електричними, магнітними та іншими полями, фактично є не що інше як певним чином збурений простір. То чому б цьому гравітаційно збуреному (викривленому) простору, не бути носієм певної прихованої (не сконденсованої у вигляді атомів, молекул та макротіл) матерії та їй відповідної енергії, і навпаки. Адже виміряна в кілограмах матерія (m), це і є сконденсована енергія (Е). Сконденсована у співвідношенні Е = mc².

Все різноманіття галактик умовно розділяють на три групи: 1) еліптичні галактики: мають виражене ядро та кулясту або еліпсоїдну форму; 2) спіральні галактики: мають виражене ядро та дископодібну форму з характерними спіральними рукавами: 3) неправильні галактики: не мають вираженого ядра та певної симетричної форми.

Мал.134. Все різноманіття галактик умовно розділять на: а) спіральні галактики; б) еліптичні галактики; в) галактики неправильної форми.

Галактики рідко бувають поодинокими. Зазвичай вони об’єднані в невеликі групи, або входять до складу величезних скупчень які налічують сотні, а іноді і тисячі галактик. Скажімо Чумацький шлях входить до складу галактичного скупчення, яке називають Місцевою групою. Ця група складається з трьох великих галактик (Чумацький Шлях, Туманність Андромеди, Галактика Трикутника), та більш як 50, дрібних карликових галактик, найвідомішими з яких є Велика та Мала Магелланові Хмари.

Потрібно зауважити, що сучасне різноманіття розмірів та форм галактик, це результат тривалого еволюційного процесу, який відбувався і продовжує відбуватись у Всесвіті. В ході цього процесу, а особливо на його ранніх етапах, галактики постійно стикались одна з одною, великі галактики поглинали малі, малі об’єднувались у великі, великі та малі галактики утворювали певні галактичні системи, тощо. Скажімо Чумацький Шлях, в процесі свого еволюційного розвитку, поглинув декілька дрібних галактик та перетворив їх на потоки зірок, що обертаються навколо галактичного ядра. В майбутньому (приблизно через 3,5·10⁹ років) наша Галактика почне об’єднуватись з своєю великою сусідкою Андромедою, утворюючи при цьому гігантську еліптичну галактику.

Ясно, що процес об’єднання галактик неминуче супроводжується певними катаклізмами, як то зіткненням зірок, зміною траєкторії їх руху, руйнацією планетарних систем, тощо. Втім, зважаючи на величезні міжзоряні відстані, подібні катаклізми будуть не надто частими. А от що дійсно відбудеться практично неминуче, так це об’єднання надмасивних галактичних чорних дір у відповідно більш потужну чорну діру. А це об’єднання неминуче призводить до виділення неймовірно великої кількості енергії, та до появи надпотужних ударних хвиль, які сприятимуть утворенню нових зірок.

Одним з проявів еволюційного розвитку галактик є так звані квазари. В 50-х роках минулого століття, за допомогою радіотелескопів було зафіксовано більше сотні потужних джерел радіохвиль. Подальші дослідження показали, що цими джерелами є наддалекі космічні об’єкти, відстань до яких перевищує 2·10⁹ св.р. При цьому з’ясувалося, що ці об’єкти були не лише потужними джерелами радіохвиль, а й подібно до надпотужних зірок випромінювали світло. І розрахунки показували, що світлова потужність цих джерел в трильйони разів перевищує світлову потужність Сонця. Ці гіперпотужні космічні об’єкти назвали квазарами, що в змістовному перекладі означає – радіоджерела схожі на зірки.

Ілюструючи параметри квазарів наведемо лише два показові приклади. 1) Перший космічний об’єкт, який ще в 1963 році було ідентифіковано як квазар і який отримав номер 3С273, мав наступні параметри: віддаленість від Землі 2,5·10⁹ св.р.; енергетична потужність (світність) 30·10¹² L_с; маса 800·10⁶ М_с. 2). Найвіддаленіший серед натепер зареєстрованих квазарів (ULASJ1342) має наступні характеристики: віддаленість від Землі 13,1·10⁹ св.р. (це означає, що сьогодні ми бачимо цей квазар таким, яким він був 13,1 мільярдів років тому, тобто менш ніж через 690 млн. років від моменту народження Всесвіту); енергетична потужність (світність) 400·10¹² L_с; маса 800·10⁶ М_с.

Після тривалих досліджень було безумовно доведено: квазари –  це ті надмасивні галактичні чорні діри, які знаходяться в центрі галактики що формується, та активно поглинаючи навколишню речовину (газ, пил, зірки, тощо) створюють надпотужне випромінювання.

В загальних рисах, «принцип дії» квазару полягає в наступному. Під дією надпотужного гравітаційного поля чорної діри, речовина навколишнього середовища по спіралі направляється до центру діри, утворюючи так званий акреційний диск. При цьому, по мірі наближення до центру чорної діри, частинки речовини неймовірно прискорюються та стають джерелами електромагнітних хвиль. А оскільки в різних місцях акреційного диску прискорення частинок речовини є різним, то відповідно різними є і довжини тих електромагнітних хвиль які ці частинки випромінюють: від радіохвиль, до рентгенівського та гама випромінювання. Потік цих електромагнітних хвиль у поєднанні з тією високотемпературною плазмою що в нього потрапляє, утворюють надпотужний направлений енергетичний потік, який виходить з периферійних околиць полюсів чорної діри.

Мал.135. Квазар – це надмасивна галактична чорна діра, яка активно поглинає навколишню речовину та створює надпотужне випромінювання.

Фантастична енергетична потужність квазарів пояснюється тим, що в процесі того гравітаційного прискорення речовини, яке вона отримує при наближенні до центру надмасивної чорної діри, в енергію випромінювання перетворюється 10% маси речовини. Для порівняння, при найбільш енергоефективному циклі термоядерних реакцій (водневому циклі), в енергію перетворюється лише 0,7% маси речовини. А потрібно зауважити, що чорна діра квазара поглинає та перетворює в енергію випромінювання до 500 мас Землі за годину.

Однією з ознак квазара є факт того, що його світність (енергетична потужність) час від часу змінюється. Що правда, на відміну від пульсарів, змінюється без певної періодичності. Пояснення даного факту полягає в тому, що та речовина яка всмоктується в галактичну чорну діру, є не однорідною. Адже цією речовиною є не лише гази, космічний пил та дрібне галактичне сміття, а й все різноманіття великих та малих зірок. При цьому очевидно, що в ті моменти, коли в жерло галактичної чорної діри потрапляє масивний космічний об’єкт, то кількість генерованої квазаром енергії, суттєво збільшується, а відповідно збільшується і його світність.

Квазари можуть споживати навколишню речовину мільйони років. Але рано чи пізно, запаси цієї речовини закінчуються і квазари поступово згасають. При цьому квазар стає звичайною надмасивною галактичною чорною дірою, навколо якої на безпечних відстанях обертаються всі об’єкти відповідної галактики.

Квазари є характерною ознакою галактик що формуються. Власне тому, ми і спостерігаємо ці надпотужні космічні об’єкти на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Втім, квазари можуть виникати і в наші часи. Скажімо, коли в процесі об’єднання Чумацького Шляху з Андромедою, їх галактичні чорні діри зіллються в надмасивну супер діру, то скоріш за все, навколо цієї чорної діри сформується надпотужний квазар. І чесно кажучи, від цієї події, навколишнім та віддаленим об’єктам об’єднаної галактики буде непереливки.

Значення квазарів в процесі пізнання та дослідження Всесвіту важко переоцінити. Адже спостерігаючи за віддаленими квазарами, ми фактично бачимо Всесвіт таким, яким він був 13; 12; 11; 10; 9; … мільярдів років тому. Тобто на самих ранніх етапах його еволюційного розвитку. Іншими словами, спостерігаючи за квазарами, ми наочно бачимо динаміку еволюційного розвитку Всесвіту. Аналізуючи параметри того світла яке випромінюють квазари, визначають структуру Всесвіту, розподіл та склад речовини в ньому, швидкість розширення Всесвіту на різних етапах його життя, тощо. Оскільки квазари є найбільш віддаленими та практично нерухомими об’єктами Всесвіту, то саме квазари є тими маяками за якими визначають параметри траєкторій руху автоматичних міжпланетних станцій, здійснюють надточну GPS навігацію, тощо.

Контрольні запитання.

1. Які космічні об’єкти називають галактиками?

2. Дайте загальну характеристику нашої Галактики (Чумацький Шлях).

3. Який факт дає підставу вченим вважати, що у Всесвіті загалом та галактиках зокрема, є велика кількість так званої темної (прихованої) матерії?

4. На які групи прийнято розділяти все різноманіття галактик?

5. До якої групи галактик належить наша Галактика?

6. Які космічні об’єкти називають квазарами?

7. Поясніть принцип дії квазара.

8. Квазар – це зірка чи певний етап еволюції галактики?