1. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
В.И.ПОПКОВ
МЕГАМИР
Утверждено редакционно-издательским советом
в качестве учебного пособия
Брянск
ИЗДАТЕЛЬСТВО БГТУ
2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. 3
Этот космос, один и тот же
для всего существующего, не создал
никакой бог и никакой человек, но
всегда он был, есть и будет вечно
живым огнем, мирами загорающимися
и мирами потухающими.
Гераклит из Эфеса
ПРЕДИСЛОВИЕ
В данном пособии, которое является частью курса «Кон-
цепции современного естествознания», рассматриваются со-
временные космологические и астрофизические концепции:
происхождение и эволюция Вселенной, природа космических
тел и их образований, происхождение и эволюция звезд и
другие процессы, происходящие в космосе.
В течение длительного времени наши знания о космиче-
ском пространстве базировались на данных наблюдательной
астрономии, основными инструментальными средствами ко-
торой были оптические телескопы различных типов. В насто-
ящее время астрофизика переживает период бурного разви-
тия. Это связано с расширением технических возможностей
исследований, появлением радио-, гамма-, рентгеновских те-
лескопов, позволивших изучать Вселенную во всем диапа-
зоне электромагнитных волн. Благодаря этому за последние
полвека удалось обнаружить объекты, о которых астрономы
ранее не подозревали: квазары, пульсары, рентгеновские ис-
точники и др. Выход человека за пределы атмосферы и в
ближний космос позволил исследовать космическое про-
странство с помощью спутников, межпланетных станций,
различных космических аппаратов. Новые открытия показали
многообразие нашей Вселенной.
От простого описания космических объектов и их класси-
фикации ученые перешли к проблемам происхождения и
эволюции нашей Вселенной. Космология – физическое уче-
ние о Вселенной в целом, основанное на изучении наиболее
общих свойств Метагалактики (части Вселенной, охваченной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. 4
астрономическими наблюдениями) и законов ее эволюции.
Современная космология бурно развивается. Особенностью
современной космологии является то, что при разработке но-
вых теоретических моделей о происхождении и эволюции
Вселенной приходится использовать практически все физи-
ческие дисциплины одновременно: квантовую механику,
квантовую теорию поля, физику элементарных частиц и
сверхвысоких энергий, ядер и атомов, статистическую физи-
ку, общую теорию относительности и др. Они составляют
теоретический фундамент космологии. Особую роль в космо-
логии играет теория тяготения, так как именно тяготение
определяет взаимодействие масс на больших космологиче-
ских расстояниях, а, следовательно, и динамику космических
тел. В основе современной космологии лежит эйнштейнов-
ская теория тяготения – общая теория относительности. По
сути, современная космология – это удивительный симбиоз
новейших научных достижений, яркий пример науки, вобрав-
шей в себя за последние двадцать-тридцать лет преимуще-
ства различных подходов и методов описания нашего мира.
Для астрофизиков космос является продолжением физи-
ческих лабораторий, где проверяются новые физические
теории и представления. К сожалению, процессы, изучаемые
космологией, и затрагиваемые ею проблемы часто лежат за
пределами возможностей физического эксперимента и аст-
рономических наблюдений. Подавляющее большинство со-
временных физических теорий оперируют сверхвысокими
энергиями, пока не достижимыми в земных лабораториях и
на ускорителях. Путем наблюдений и анализа процессов и
событий, происходящих во Вселенной, в том числе и ранней,
космология позволяет физикам выявлять классы физически
значимых моделей среди большого количества абстрактных
математических и теоретических построений. Изучая процес-
сы в мегамире, физики познают тайны микромира. И наобо-
рот, изучая микромир, человек познает природу процессов в
мегамире.
Астрофизика формирует наши представления о мире, в
котором мы живем, позволяет почувствовать его многообра-
зие, гармонию и взаимосвязь. Накопленные к настоящему
времени знания о космосе позволили создать довольно не-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. 5
противоречивую картину развития Вселенной на протяжении
миллиардов лет. После вступления человечества в космиче-
скую эпоху дальнейшее расширение его знаний о мире свя-
зано в значительной мере с исследованиями космоса.
1. ЗВЕЗДНАЯ ФОРМА БЫТИЯ КОСМИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ
Мегамир, или космос, современная наука рассматривает
как взаимодействующую и развивающуюся систему небесных
тел. Мегамир имеет системную организацию в виде планет и
планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звезд-
ных систем – галактик; системы галактик – Метагалактики.
Предметом конкретного научного исследования, как экспери-
ментального, так и теоретического, является Метагалактика.
При этом постулируется, что фундаментальные законы при-
роды, установленные и проверенные в земных лабораториях,
справедливы и для Метагалактики до планковских масштабов
пространства и времени (планковская длина составляет 10-35
м, а планковское время – 10-43
с). За пределами этих масшта-
бов классические представления о пространстве и времени
неприменимы, и следует учитывать, как сейчас считают,
квантование гравитации.
В основе лежит космологический принцип: в Метагалакти-
ке не может существовать выделенных наблюдателей, т.е.
свойства Метагалактики не зависят от того, откуда мы на нее
смотрим.
Материя во Вселенной представлена сконденсировавши-
мися космическими телами и диффузной материей. Диффуз-
ная материя существует в виде разобщенных атомов и моле-
кул, а также более плотных образований – гигантских облаков
пыли и газа – газопылевых туманностей. Значительную долю
материи во Вселенной занимает материя в виде излучения.
Следовательно, космическое межзвездное пространство ни-
коим образом не пусто.
Полученные в последнее время космологические данные
требуют кардинального дополнения современных представ-
лений о структуре материи и фундаментальных взаимодей-
ствиях элементарных частиц. Лишь 5% массы Вселенной
приходится на понятное нам «обычное» вещество, которое
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. 6
называют барионной материей (рис.1). Остальные 95% – это
некие субстанции: темная материя (25%) и темная энергия
(65 – 70%).
Помимо обычного вещества во Вселенной имеется другой
тип вещества – темная материя. Обнаружение темной мате-
рии (т.е. материи, не излучающей свет и не наблюдаемой те-
лескопами) имеет фундаментальное значение для космоло-
гии, астрофизики и физики элементарных частиц. Исследова-
тели оказались (в очередной раз в истории развития науки)
перед фактом, заключающимся в том, что известный мир, о
котором, казалось бы, известно все или почти все, в действи-
тельности составляет лишь малую часть пока еще непознан-
ной Вселенной.
Впервые предположение о существовании темной мате-
рии было высказано в 1933 г. астрономом Ф.Цвикки на основе
результатов исследований галактических кластеров (скопле-
ний галактик). Ф.Цвикки обратил внимание на то, что масса
скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (кластер
Coma), определяемая по оптической светимости скопления и
по скорости вращения периферийных галактик в этом скоп-
лении, зависящей от их расстояния до центра скопления, не
соответствуют друг другу. Масса, которая получается из из-
мерений скорости вращения галактик, во много раз больше
массы, измеряемой по светимости. Цвикки высказал предпо-
ложение, что для удержания галактик в составе кластера си-
лами гравитации необходимо большое количество невиди-
мой материи. Он ввел в обиход понятие темной (не светя-
щейся) материи. С этих пор на основе широкого круга само-
согласованных астрофизических и космологических данных
было получено множество разнообразных и неоспоримых
свидетельств существования темной материи.
Темная материя сродни обычному веществу. Она способ-
на собираться в сгустки (размером с галактику) и участвует в
гравитационных взаимодействиях. Измерения, проведенные
с несколькими сотнями спиральных галактик, показывают, что
все эти галактики «погружены» в массивное гало из темной
материи. Анализ результатов гравитационного линзирования
показал, что диаметр темного гало галактик может превосхо-
дить видимый диаметр более чем на порядок. Скорее всего,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. 7
темная материя состоит из новых, не открытых еще в земных
условиях частиц. Эти частицы должны быть электрически
нейтральны и участвовать только в слабом взаимодействии,
подобно нейтрино, но иметь большую массу. По одной из ги-
потез кандидатами на роль таких частиц считаются гипотети-
ческие тяжелые и очень тяжелые нейтрино – нейтралино с
массой в десятки ГэВ. Если нейтралино составляют значи-
тельную массу Вселенной, их поток в Метагалактике должен
быть огромным. Наша Солнечная система движется в море
нейтралино со скоростью 220 км/с. Через каждый квадратный
метр поверхности ежесекундно должно проноситься пример-
но 109
нейтралино. Сейчас в различных странах мира около
20 экспериментальных групп заняты поиском частиц темной
материи, в т.ч. и нейтралино.
Одной из популярных категорий кандидатов на роль ча-
стиц темной материи являются гипотетические частицы –
вимпы (название образовано от английской аббревиатуры
WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимо-
действующие массивные частицы), которые по предположе-
нию были рождены в первые мгновения после Большого
взрыва, когда температура среды была чрезвычайно велика
и могли рождаться сверхмассивные частицы. К настоящему
времени эти частицы остыли и представляют собой отдель-
ные сгустки. Предлагается также новый класс небарионной
холодной темной материи: сверхслабовзаимодействующие
массивные частицы ─ супервимпы, или свимпы
(SuperWIMPs).
Многочисленные астрономические наблюдения послед-
них лет достаточно определенно указывают на то, что преоб-
ладающей составляющей современной Вселенной является
экзотическая темная энергия с практически однородным рас-
пределением плотности и отрицательным давлением. Тем-
ная энергия – гораздо более странная субстанция, чем тем-
ная материя. Она не собирается в сгустки в галактиках и
скоплениях галактик, а равномерно распределена во Вселен-
ной. Темная энергия носит явно выраженный не-
вещественный характер, но именно она доминирует во Все-
ленной. Ее нельзя наблюдать по гравитационным эффектам,
создаваемым отдельными объектами, но она влияет на об-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. 8
щее расширение Метагалактики. Наблюдения показывают,
что в последние миллиарды лет Метагалактика расширяется
с ускорением, тогда как обычная материя (в том числе тем-
ная) приводила бы к замедлению расширения под воздей-
ствием гравитации. Следовательно, темная энергия проявля-
ет дальнодействующие свойства антигравитации. Плотность
темной энергии остается постоянной с течением времени, то-
гда как плотность обычной энергии обратно пропорциональна
объему Метагалактики. Вероятно, темная энергия – это осо-
бый вид материи, давление которой отрицательно и числен-
но в точности равно плотности энергии. По словам академика
В.А.Рубакова, природа темной энергии – это главная загадка
фундаментальной физики ХХI века. Перед наукой стоит за-
дача определить природу темной энергии и объяснить ее до-
минирующую роль во Вселенной.
На современном этапе эволюции Вселенной обычное
(барионное) вещество в ней находится в звездном состоянии.
97% вещества в нашей галактике сосредоточено в звездах,
представляющих собой гигантские плазменные образования
различной величины, температуры, с различной характери-
стикой движения. У многих других галактик звездная материя
составляет более чем 99,9% их массы.
В недрах звезд при температуре порядка 10 млн градусов
и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизиро-
ванном состоянии: электроны у поверхности звезды частич-
но, а в недрах ее полностью отделены от своих атомов. Ве-
щество в таком состоянии называется плазмой. В большин-
стве звезд плазма отличается от обычного идеального газа
только своими электромагнитными свойствами. Оставшиеся
без электронов ядра вступают во взаимодействие друг с дру-
гом, благодаря чему водород в результате термоядерных ре-
акций превращается в гелий. Эти превращения являются ис-
точником колоссального количества энергии, уносимого излу-
чением звезд.
Звезды не существуют изолированно, а образуют систе-
мы. Простейшие звездные системы состоят из двух, трех, че-
тырех, пяти и более звезд, обращающихся вокруг общего
центра тяжести (кратные системы). Компоненты некоторых
кратных систем окружены общей оболочкой диффузионной
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. 9
материи, источником которой являются сами звезды, выбра-
сывающие ее в космическое прстранство в виде мощных по-
токов газа.
Звезды объединяются также в еще большие группы –
звездные скопления – гравитационно связанные группировки
звезд одинакового возраста и совместного происхождения.
Различают рассеянные скопления и шаровые скопления. Ша-
ровые скопления имеют характерный шарообразный вид, они
насчитывают сотни тысяч звезд. В них пространственная
концентрация звезд резко увеличивается к центру скопления,
образуя компактное ядро. В Галактике известно 142 шаровых
скопления. Шаровые скопления являются одними из старей-
ших объектов Галактики. Их возраст, вероятно, заключен в
пределах от 5 до 15 млрд. лет. Они относятся к самым мас-
сивным образованиям в Галактике, их массы составляют от
104
Мс до 106
Мс (масса Солнца Мс = 1,99∙1030
кг). Рассеянные
скопления являются сравнительно молодыми объектами с
возрастом от 106
до 109
лет. По массе и размерам они значи-
тельно уступают шаровым. Как правило, рассеянные скопле-
ния насчитывают от несколько сотен до несколько тысяч от-
дельных звезд. В настоящее время в Галактике известно
около 1200 рассеянных скоплений. Звезды рассеянных скоп-
лений – это звезды второго поколения в Галактике.
Перечисленные звездные системы являются частями бо-
лее общей системы – галактики, включающей в себя помимо
звезд и диффузную материю. Галактики – основные струк-
турные единицы Вселенной. Одной из таких галактических
систем является наша Галактика (Млечный Путь) – звездная
система, к которой принадлежит Солнце.
1.1. Характеристики звезд
Визуально звезды различаются блеском и цветом. Блеск
определяется величиной светового потока, попадающего в
глаз наблюдателя от звезды, т.е. от освещенности зрачка
наблюдателя светом звезды. Создаваемая освещенность
(блеск) зависит от светимости звезды и от расстояния до нее.
Светимость – мощность оптического излучения или энер-
гия, излучаемая светилом в единицу времени. Абсолютная
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. 10
светимость Солнца равна 3,86∙1026
Вт, ярчайших звезд – до
1033
Вт, слабейших – 1020
Вт. Светимости звезд часто изме-
ряются в единицах светимости Солнца. Например: свети-
мость Арктура в 107 раз больше светимости Солнца.
Звездные величины. Для оценки блеска звезд, видимых
невооруженным глазом, древнегреческий ученый Гиппарх (II-
й век до н.э.) ввел специальную шкалу звездных величин.
Наиболее яркие звезды он отнес к звездам 1-й величины, са-
мые слабые – к звездам 6-й величины. Промежуточное под-
разделение на звездные величины осуществлялось по прин-
ципу: звезды 2-й величины настолько же слабее звезд 1-й
величины, насколько ярче звезд 3-й величины, и т.д. Разнице
в 5 звездных величин соответствует изменение освещенно-
сти, создаваемой звездой, в 100 раз. При разности в одну
звездную величину освещенность от звезды (блеск) изменя-
ется в 2,512 раза. В безлунную ночь невооруженным глазом
над горизонтом можно увидеть около 3000 звезд до 6-й
звездной величины. С помощью телескопа можно увидеть
звезды до 23-й звездной величины. Шкала Гиппарха продол-
жена и в другую сторону. Например, имеются звезды ярче
нулевой величины: Канопус – минус 0,6; Сириус – минус 1,6;
Солнце – минус 26,7.
Абсолютная звездная величина. Блеск звезды (звезд-
ная величина) зависит не только от светимости звезды, но и
от расстояния до нее. Поэтому видимый блеск не дает
настоящей информации о звезде. Для определения истинно-
го блеска звезды вводят понятие абсолютной звездной вели-
чины. Абсолютная звездная величина – видимая звездная
величина, которую имела бы звезда, если бы она находилась
на стандартном расстоянии 10 парсек (32, 6 световых года).
Связь видимой (визуальной) звездной величины m, абсолют-
ной звездной величины M и расстояния до звезды в парсеках
R дается формулой: M = m + 5 – 5 lg R.
Спектральные классы звезд – классы звезд, установ-
ленные по особенностям их спектров. Большинство звезд об-
ладают непрерывным спектром, на который налагаются тем-
ные линии поглощения.
Различия в спектрах звезд обусловлены особенностями
физических свойств их атмосфер (в основном температуры и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. 11
давления, определяющих степень ионизации атомов), разли-
чием химического состава, вращением звезд и др. По спектру
звезды можно узнать ее светимость, расстояние до звезды,
температуру, размер, химический состав ее атмосферы, ско-
рость вращения вокруг оси и другие характеристики. Диапа-
зону эффективных температур звезд от 40 000 до 1500 К со-
ответствует последовательность спектральных классов, обо-
значаемых буквами (в порядке убывания температуры) O, B,
A, F, G, K, M, L и Т.
Согласно спектрам звезды делятся на основные спек-
тральные классы следующим образом:
Спектральный Цвет Температура,
класс К
W Голубой 80 000
О Голубой 40 000
В Голубовато-белый 20 000
А Белый 10 000
F Желтоватый 7 000
G Желтый 6 000
К Оранжевый 4 500
М Красный 3 000
L Темно-красный 2 000
T «Коричневый карлик» 1 500
Каждый класс разбит на 10 подклассов ─ от 0 до 9 ─ с ро-
стом в сторону уменьшения температуры. Спектральный
класс Солнца G2. Имеются еще четыре дополнительных
класса. У классов G, K, и M (холодные звезды) имеются раз-
новидности – классы R, N, S; для горячих звезд – дополни-
тельный класс W. В спектре голубых звезд характерны линии
ионизированных гелия, азота, углерода, кислорода и крем-
ния. Для голубовато-белых – линии нейтральных гелия и во-
дорода, ионизированных азота, углерода, кислорода и крем-
ния. Для белых – линии водорода, которые доминируют над
остальными линиями. Для желтоватых – линии многих ме-
таллов и линии водорода. Для желтых – те же, но линии во-
дорода ослаблены. Для оранжевых – линии кальция, железа,
титана. Для красных – линии молекулярных полос оксида ти-
тана.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. 12
Цвет звезды зависит от ее температуры. Спектральная
последовательность одновременно является и цветовой. Го-
рячие звезды спектральных классов О и В имеют голубой
цвет. Звезды, сходные с нашим Солнцем (спектральный
класс G2), представляются желтыми, звезды спектральных
классов К и М – красные.
Химический состав звезд определяют по их спектрам.
Оказалось, что 98% звездного вещества – это водород и ге-
лий, причем обычно водорода по массе больше в 2,7 раза.
Данные относятся к поверхностному слою звезд, поскольку
они непрозрачны. В химическом отношении звезды различа-
ются, прежде всего, содержанием элементов более тяжелых,
чем гелий. На Солнце на 1000 атомов водорода приходится
примерно 100 атомов гелия и 2-3 атома более тяжелых эле-
ментов. Углерод, азот, кислород, железо могут синтезиро-
ваться в процессе термоядерных реакций, а более тяжелые
элементы образуются при взрывах сверхновых звезд. Звезды
первого поколения возникли из первичного вещества, обра-
зовавшегося при большом взрыве, т.е. из водорода и гелия с
ничтожной примесью изотопов лития, бериллия и бора. В них
почти нет примесей тяжелых элементов. В звездах второго
поколения присутствуют более тяжелые элементы.
Размеры звезд. Звезды, как правило, наблюдаются как
точечные источники излучения, их угловые размеры очень
малы. Размеры звезды можно рассчитать теоретически, зная
ее светимость и температуру, в предположении, что ее излу-
чение близко к излучению абсолютно черного тела. По
наблюдениям затмения Луной звезды можно определить ее
угловой размер, а, зная расстояние до звезды, можно опре-
делить ее линейные размеры. Существуют и другие методы
определения размеров звезд.
Размеры звезд существенно различаются между собой:
существуют карлики, гиганты и обычные звезды, которых
большинство. Измерения показали, что размеры белых кар-
ликов – несколько тысяч километров, а размеры красных ги-
гантов сравнимы с размерами Солнечной системы. Приведем
размеры (радиусы) некоторых звезд, выразив их через ради-
ус Солнца Rc: сверхгигант Бетельгейзе – 300 Rc, гигант Аль-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. 13
дебаран – 60 Rc, Вега – 2,4 Rc, белый карлик Вольф 1346 –
0,02 Rc (Rc = 6,96∙108
м).
Масса звезды – одна из важнейших ее характеристик,
определяющая весь жизненный путь звезды. Масса Солнца
Мс = 1,99∙1030
кг. Массы почти всех звезд лежат в пределах
(0,1 – 50)Мс. Есть и более массивные звезды. Знаменитая
звезда Эта Киля имеет массу (90 – 100)Мс. Недавно астроно-
мы открыли в скоплении R136 (расположено в туманности
Тарантул, принадлежащей соседней галактике Большое Ма-
гелланово Облако) звезду R136а1, масса которой оценивает-
ся в 265 Мс. В момент своего рождения около миллиона лет
назад она имела еще большую массу. Из-за мощнейшего
звездного ветра звезда потеряла 1/5 часть своей массы: каж-
дые 20 тыс. лет она теряет 1 массу Солнца. Эта звезда сей-
час находится примерно в середине своей жизни, примерно
через 1 млн лет она взорвется как сверхновая. Ученые допус-
кают существование звезд массой до 300 Мс. Массивные
звезды живут недолго.
Наиболее верным способом определения массы звезды
являются исследования двойных звезд (используется третий
закон Кеплера). Все остальные методы определения массы
звезд – косвенные. Установлена связь между массой и све-
тимостью звезды: светимость приблизительно пропорцио-
нальна четвертой степени массы. Звезда с массой в два раза
больше солнечной излучает примерно в 16 раз мощнее.
Средняя плотность звезды определяется по ее размеру и
массе. Преобладающее число звезд имеют плотность, близ-
кую к солнечной – 1,41 г/см3
. Есть звезды, плотность которых
в сотни тысяч раз меньше плотности воздуха (красные сверх-
гиганты), и звезды, плотность которых в миллиарды раз
больше плотности воды (белые карлики).
Диаграмма зависимости светимости звезд от их спек-
трального класса – диаграмма Герцшпрунга─Рессела.
Наблюдения звезд позволяют определить две их основные
характеристики – светимость и спектральный класс, завися-
щий от эффективной температуры. Сопоставление светимо-
стей звезд с их спектральными классами впервые было вы-
полнено датским астрономом Э.Герцшпрунгом и американ-
ским астрономом Г.Ресселом. Поэтому диаграмму спек-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. 14
тральный класс – светимость называют диаграммой
Герцшпрунга – Рессела. На этой диаграмме по оси абсцисс
откладываются спектральные классы (или эффективные
температуры), а по оси ординат – светимости (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела
На диаграмме каждая звезда изображается точкой с соот-
ветствующей светимостью и температурой поверхности. На
диаграмме звезды располагаются не беспорядочно, а обра-
зуют несколько групп, или последовательностей. Большин-
ство звезд (около 90%) располагаются на диаграмме вдоль
длинной узкой полосы, называемой главной последователь-
ностью, протянувшейся из верхнего левого угла (от голубых
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15. 15
сверхгигантов) в нижний правый угол (до красных карликов).
К звездам главной последовательности относится Солнце,
светимость которого принимают за единицу.
В правом верхнем углу диаграммы расположены сверхги-
ганты. Это огромные звезды с очень высокой светимостью и
относительно низкой температурой. Между сверхгигантами и
главной последовательностью расположена группа звезд-
гигантов. Ниже главной последовательности расположена
группа белых карликов, светимость которых меньше солнеч-
ной в сотни раз. По распределению звезд в соответствии с их
светимостью и температурой на диаграмме Герцшпрунга –
Рессела выделены следующие классы светимости, соответ-
ствующие последовательностям на диаграмме:
- I класс светимости – сверхгиганты;
- II класс светимости – яркие гиганты;
- III класс светимости – нормальные гиганты;
- IV класс светимости – субгиганты;
- V класс светимости – карлики главной последовательно-
сти;
- VI класс светимости – субкарлики;
- VII класс светимости – белые карлики.
Принято указывать класс светимости после спектрального
класса звезды. Например, Солнце – звезда G2V – карлик
главной последовательности с температурой поверхности
около 5800 К.
В настоящее время выяснилось, что звезды главной по-
следовательности похожи на Солнце, в них происходит сго-
рание водорода в термоядерных реакциях. Самые большие
по массе звезды главной последовательности расположены в
верхней части и являются голубыми гигантами. Самые ма-
ленькие по массе расположены в нижней части главной по-
следовательности – это карлики. Параллельно главной по-
следовательности, но ниже ее располагаются субкарлики, в
них содержание металлов гораздо ниже, чем у звезд главной
последовательности.
По диаграмме Герцшпрунга-Рессела можно проследить
весь жизненный цикл звезды. Звезды главной последова-
тельности сконденсировались из газо-пылевого облака и за
счет гравитационного сжатия уплотнились и разогрелись до
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. 16
температуры, при которой начинается термоядерный синтез.
Пока запасы водорода не исчерпаны, и термоядерный синтез
продолжается, звезда остается на главной последовательно-
сти. После того, как запасы водорода исчерпаны, звезда раз-
дувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта и
переходит в правый верхний угол диаграммы. При остывании
звезда сжимается до размеров белого карлика и переходит
в нижний левый угол.
1.2. Галактики
Основными структурными единицами во Вселенной яв-
ляются грандиозные звездные системы – галактики. Одной из
таких систем является наша Галактика – звездная система, к
которой принадлежит Солнце. Галактики – это большие
звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом
силами гравитации. Первоначально галактики наблюдались в
телескопы как туманные бесструктурные пятнышки, их так и
называли – туманности. Лишь в 20-30-е годы ХХ века с по-
мощью крупнейших телескопов была установлена звездная
природа периферийной части спиральной туманности М 33
(шведским астрономом К.Лундмарком) и рукавов туманности
Андромеды (американским астрономом Э.Хабблом). Это по-
ложило начало новой области астрономической науки – вне-
галактической астрономии.
Оказалось, что галактики представляют собой огромные
вращающиеся системы, разнообразные по внешнему виду и
физическим характеристикам. Размеры галактик – от не-
скольких килопарсек до нескольких десятков килопарсек
(1 пк – парсек – расстояние, с которого орбита Земли видна в
пределах одной угловой секунды: 1 пк = 3,09∙1018
см; 1 кило-
парсек ≈ 3∙103
световых лет ≈ 3∙1019
м). Существуют галакти-
ки, включающие триллионы звезд. Наша Галактика – Млеч-
ный путь – содержит не менее 100 млрд звезд. Самые ма-
ленькие галактики содержат миллионы звезд. Небольшие га-
лактики часто являются спутниками больших. Невооружен-
ным глазом можно увидеть только ближайшие к нам галакти-
ки – Большое и Малое Магеллановы Облака и туманность
Андромеды.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17. 17
Галактики являются трудными объектами для изучения по
причине их огромного удаления от Земли (миллионы свето-
вых лет) и слабого свечения. От ближайшей к нам галактики
– туманности Андромеды – к нам приходит столько же света,
как от звезды четвертой звездной величины. Общее число
галактик до 20-й звездной величины составляет 5,4 млн, а
число галактик, которые могут быть сфотографированы
5-метровым телескопом на пределе его разрешающей спо-
собности, составляет более 10 миллиардов.
О числе звезд в галактике судят по общей мощности ее
излучения, или по ее светимости. Телескоп принимает свет
от всей совокупности звезд различных масс и возрастов, вхо-
дящих в состав галактики. В оптическом диапазоне спектра в
общем свете галактик преобладает свет звезд, похожих на
Солнце. Исследования в разных диапазонах спектра (оптиче-
ском, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском) по-
казали, что галактики представляют собой сложные системы,
состоящие из различных типов звезд и межзвездного веще-
ства: газа, пыли и частиц космических лучей, находящихся в
тесном взаимодействии. Важной составляющей галактик яв-
ляется галактическое магнитное поле.
Массы галактик определяют несколькими способами.
Наиболее точный заключается в наблюдении скоростей вра-
щения периферийных, промежуточных и центральных частей
спиральных галактик. Галактика вращается вокруг своей оси
не как твердое тело, а по закону, который зависит от распре-
деления массы. Периферийные области галактики вращают-
ся тем медленнее, чем она массивнее. Значения масс галак-
тик лежат в очень широком диапазоне – от 106
Мс (карлико-
вые галактики, немного превышающие крупные шаровые
скопления) до 1013
Мс (гигантские эллиптические галактики),
где Мс – масса Солнца.
Первую классификацию галактик, основанную на их ви-
димой форме, предложил Э.Хаббл в 1925 г. Позже она под-
вергалась уточнениям, но основные черты сохранила до
наших дней. Все галактики Хаббл разделил на четыре типа:
эллиптические (обозначают символом Е), линзообразные,
или линзовидные (символ L или S0), спиральные (символ S) и
неправильные (символ Ir).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18. 18
Около 25% галактик имеют круглую или эллиптическую
форму, их называют эллиптическими. Это наиболее простые
по структуре, звездному составу и характеру внутренних дви-
жений системы. В них не обнаружено звезд высокой светимо-
сти (сверхгигантов), самые яркие звезды в эллиптических га-
лактиках – красные гиганты. Они состоят в основном из ста-
рых звезд желтого (как Солнце) и оранжевого цвета. Меж-
звездного газа в них мало, поэтому в них почти нет молодых
звезд.
Самым распространенным типом галактик являются спи-
ральные (их около 50%). В центре спиральной галактики рас-
положено сфероидальное ядро, от которого отходит несколь-
ко спиральных рукавов, образующих плоскую область диска.
Центральная часть галактики называется балджем. Спираль-
ные рукава, как правило, богаты яркими газовыми туманно-
стями, окружающими горячие звезды-сверхгиганты, а также
облаками темной газопылевой материи. У большинства спи-
ральных галактик рукава начинаются сразу от ядра (нор-
мальные спиральные галактики). У остальных в центральной
части имеется яркая звездная перемычка – бар (это пересе-
ченные спиральные галактики, или галактики с перемычкой).
От концов перемычки отходят спиральные рукава. Некоторые
спиральные галактики видимы в профиль как веретено, пере-
сеченное темной полосой из пыли.
Дискообразная форма спиральных галактик объясняется
вращением. Существует гипотеза, что во время образования
галактики центробежные силы препятствуют сжатию протога-
лактического облака в направлении, перпендикулярном оси
вращения. Газ концентрируется в некоторой плоскости – так
образовались диски галактик.
Характер движения звезд и газа в галактиках неодинаков:
газ вращается быстрее, чем звезды. Характерные скорости
вращения газа в галактиках составляют 150 – 500 км/с, ста-
рые звезды гало вращаются медленнее. Балджи спиральных
галактик вращаются в 2 – 3 раза медленнее, чем диски.
Промежуточное положение между эллиптическими и спи-
ральными галактиками занимают линзообразные галактики.
Их насчитывается около 20% от общего числа галактик,
встречающихся вблизи нашей Галактики. В такой системе
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19. 19
различают ядро, «линзу» и слабый «ореол». В наружных ча-
стях линзы иногда видны зачатки спиральных рукавов.
Остальные 5% галактик не удается отнести ни к одному
типу из перечисленных, и они образуют тип неправильных
галактик. У таких галактик отсутствует симметрия формы.
Наиболее распространены неправильные галактики типа Ма-
геллановых Облаков. Эти звездные системы – предельный
случай спиральных галактик, когда они совершенно плоски и
в них отсутствует центральное ядро, хотя и есть следы спи-
ральной структуры, свидетельствующей об осевом вращении
систем. В некоторых неправильных галактиках наблюдаются
вихревые движения газов, тенденции к вращению, ведущие к
образованию спиральных ветвей. К неправильным галакти-
кам относятся также пекулярные (нетипичные) галактики.
Принятая классификация галактик отражает не только
особенности их видимой формы, но и свойства входящих в
них звезд. Эллиптические галактики состоят из очень старых
звезд, в них звездообразование практически полностью пре-
кратилось миллиарды лет назад. В спиральных галактиках
присутствуют звезды всех возрастов, в этих системах обра-
зование звезд продолжается, хотя далеко не так интенсивно,
как на начальном этапе их жизни. В неправильных галактиках
основной вклад в излучение дают молодые звезды, суще-
ственно моложе Солнца. В галактиках данного типа звездо-
образование сейчас идет столь же активно, как и миллиарды
лет назад.
К неправильным галактикам относятся и так называемые
«взаимодействующие галактики». Это двойные галактики, ко-
торые испытывают сильное гравитационное взаимодействие
на расстоянии. Между ними наблюдаются перемычки, хвосты
светлой и темной материи, длина которых иногда достигает
сотен тысяч световых лет. При взаимном проникновении га-
лактики могут даже слиться друг с другом за несколько сотен
миллионов лет. Наша Галактика также захватывает карлико-
вую галактику, находящуюся на расстоянии в 60 тысяч свето-
вых лет. Через сотню миллионов лет звезды этой карликовой
галактики станут звездами нашей Галактики. Магеллановы
Облака также разрушаются, находясь неподалеку от нашей
Галактики. По подсчетам астрономов в ближайшие 10 млрд
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20. 20
лет Млечный Путь полностью поглотит все вещество Магел-
лановых Облаков.
Согласно наиболее популярной схеме образования галак-
тик, они возникают в результате медленного сжатия протога-
лактического газового облака, распадающегося затем из-за
гравитационной неустойчивости на отдельные системы про-
тозвезд. На ранних фазах эволюции галактик предполагается
бурное звездообразование. В процессе эволюции звезд га-
лактики обогащаются тяжелыми элементами, образующими-
ся в звездах.
Галактики обладают заметной светимостью в радиодиа-
пазоне. Это прежде всего радиоизлучение нейтрального во-
дорода на длине волны 21 см, затем тепловое излучение
ионизированного газа, а также нетепловое (синхротронное)
излучение остатков сверхновых звезд и активных ядер неко-
торых галактик. Радиоизлучение нормальных галактик сла-
бее оптического. К мощным источникам радиоизлучения от-
носятся радиогалактики. Их излучение чаще всего синхро-
тронное. Многие радиогалактики отождествлены с гигантски-
ми эллиптическими галактиками. Еще более мощными ра-
диоисточниками являются квазары (по-видимому, активные
ядра удаленных галактик), обладающие огромной светимо-
стью и в остальных спектральных диапазонах.
Галактика, внутри которой расположена Солнечная си-
стема – Млечный Путь, является спиральной системой, со-
стоящей из 400 млрд звезд. Она имеет форму утолщенного
диска, от которого отходят спиральные рукава (рис. 2).
Наибольший диаметр равен 30 кпк (90 тыс. световых лет). В
центральной части диска имеется утолщение (балдж) диа-
метром 8 кпк и толщиной в центральной части около 4 кпк..
Масса нашей Галактики равна 200 млрд масс Солнца. Воз-
раст Галактики около 14 млрд лет. Солнце расположено
практически в галактической плоскости на расстоянии Rc око-
ло 10 кпк от галактического центра на внутреннем краю рука-
ва, носящего название рукава Ориона (в 1985 г. Междуна-
родный астрономический союз рекомендовал принять Rc = 8,5
кпк). Солнце обращается вокруг центра Галактики со скоро-
стью 220 км/с и делает один оборот вокруг центра за 240 -
250 млн лет (галактический год).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21. 21
Рис. 2. Млечный Путь
Наша Галактика включает звезды различных типов и меж-
звездную среду, в том числе магнитные поля, частицы высо-
ких энергий (космические лучи) и диффузионную материю. В
ней насчитывается около 20 тыс. рассеянных и около 130
шаровых скоплений звезд. По радиоастрономическим
наблюдениям сделано заключение, что наша Галактика име-
ет четыре спиральные ветви.
Вблизи центра Галактики наблюдаются два радиоисточ-
ника: Стрелец А (западный) и Стрелец А (восточный). Пред-
полагается, что Стрелец А (восточный) является остатком
вспышки сверхновой звезды. В центре Млечного Пути нахо-
дится очень яркое ядро, окружающее гигантскую черную ды-
ру, масса которой в 4 миллиона раз превышает массу Солн-
ца. Звезды около черной дыры под действием приливных сил
должны разрываться и образовывать сильно излучающую га-
зовую оболочку, постепенно поглощаемую дырой. В спираль-
ных рукавах рассеяны скопления молодых голубых звезд.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22. 22
Спиральные рукава находятся в диске, основную часть массы
которого составляют относительно слабые звезды и разре-
женный газ – большей частью водород. Пространственная
концентрация звезд в Галактике уменьшается с удалением от
центра: в центре она составляет несколько миллионов звезд
в 1 пк3
, на расстоянии R = 1 кпк от центра – несколько звезд в
1 пк3
, в галактических окрестностях Солнца – примерно 1
звезда на 8 пк3
.
Ближайшей к нам галактической системой является Ту-
манность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,7
млн световых лет. Туманность Андромеды более чем в два
раза превышает размеры нашей Галактики. Нашу Галактику и
Туманность Андромеды можно причислить к самым большим
из известных в настоящее время галактик.
Галактики не существуют как отдельные системы. Галак-
тики – основной структурный элемент более крупных объеди-
нений – скоплений и сверхскоплений галактик, определяющих
крупномасштабную структуру Вселенной. Под действием гра-
витации галактики образуют скопления галактик – кластеры,
которые иногда называют облаками. Обычно скопление га-
лактик простирается на миллионы световых лет. Эти «обла-
ка» содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Млеч-
ный Путь и Туманность Андромеды входят в группу (скопле-
ние) галактик, известную как Местная Группа. Другие члены
этой группы – Большое Магелланово Облако, Малое Магел-
ланово Облако, галактика в созвездии Треугольник, несколь-
ко маленьких неправильных галактик и многочисленные кар-
ликовые эллиптические и сфероидальные галактики – всего
около 40 галактик, связанных взаимной гравитацией. Разме-
ры Местной группы около 1,5 Мпк (шестьдесят размеров
нашей Галактики). Туманность Андромеды – самая большая
галактика в этой группе. Местная группа движется со скоро-
стью 635 км/с относительно соседних скоплений.
Ближайшее скопление галактик находится в созвездии
Девы на расстоянии 12 Мпк от Земли. Всего в скопление вхо-
дит около 200 галактик высокой и средней светимости. При-
мерно треть из них эллиптические и линзообразные, осталь-
ные – спиральные. Самая яркая из них – спиральная галакти-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23. 23
ка Сомбреро. Размеры скопления составляют около трех Ме-
гапарсек (около 1020
км).
Скопления галактик, помимо самих галактик, содержат
большое количество очень горячего и разреженного газа –
плазмы. Этот ионизированный газ, оставшийся после форми-
рования галактик, перемешан с газом, выброшенным позже
из отдельных галактик. Его плотность невероятно низка: кон-
центрация не превышает одной частицы на 1000 см3
.
Наивысшая плотность галактик наблюдается в централь-
ных областях крупных скоплений. Галактики здесь часто
сталкиваются, при этом звезды одной проходят между звез-
дами другой. Когда галактики налетают друг на друга со ско-
ростью около 1000 км/с, их звезды почти не замечают этого и
лишь слегка изменяют свои орбиты. Зато газовые среды
сталкиваются и в результате нагреваются до многих миллио-
нов градусов. При этом образуются ударные волны. В неко-
торых случаях галактики сливаются.
Скопления галактик представляют собой самые крупные
устойчивые системы во Вселенной. Области повышенной
концентрации скоплений галактик чередуются с пустотами в
сотни миллионов световых лет. Самые крупные из известных
структур во Вселенной это сверхскопления галактик (суперк-
ластеры) – большие области пространства, имеющие разме-
ры порядка пол-миллиарда световых лет, где наблюдается
высокая концентрация галактик, и супервойды (или сверхпу-
стоты) – такие же огромные области пространства, в которых
практически отсутствуют галактики и звезды. Местная группа
галактик входит в Сверхскопление Дева, или Вирго (от лат.
Virgo – дева), центр масс которого находится в созвездии Де-
вы. Общее число галактик, входящих в Сверхскопление, око-
ло 10000, диаметр Сверхскопления около 40 Мпк. Соседями
нашего Сверхскопления являются сверхскопление в созвез-
дии Льва на расстоянии 87 Мпк и сверхскопление в созвездии
Геркулеса на расстоянии 100 Мпк. Сейчас найдено около 50
сверхскоплений, которые образуют слои и ленты, разделен-
ные обширными пустотами.
Хотя в мощные телескопы удается увидеть только звезды
и галактики, в темных пространствах между ними, несомнен-
но, присутствует вещество. Межзвездной средой называют
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24. 24
очень разреженное вещество (газ и пыль), заполняющее про-
странство между звездами и не связанное своим происхож-
дением с какой-либо определенной звездой. Основной ком-
понент межзвездного газа – водород. На втором месте – ге-
лий, значительно меньше углерода, азота, кислорода и дру-
гих химических элементов. Тяжелые элементы попадают в
космос как остатки взрывов сверхновых звезд. Пылевая ком-
понента состоит из частиц размером в десятые – сотые доли
микрона. Химический состав этих частиц неизвестен. Вероят-
но, что они обладают диэлектрическими свойствами и состо-
ят из смеси льда, метана и некоторой примеси металлов.
Предполагают, что сердцевину этих пылинок составляет
графит (углерод). Температура пылинок около 15 – 20 К. Ме-
ханизмы образования пылинок пока неясны. По-видимому,
графитовые и силикатные зародыши образуются в атмосфе-
рах холодных звезд, выбрасываются оттуда давлением света
и в межзвездном пространстве обрастают атомами и молеку-
лами.
Межзвездная среда неоднородна, она имеет облачную или
клочковатую структуру. Средняя плотность газа и пыли в
межзвездном и межгалактическом пространстве неодинакова
– от 10─29
г/см3
до 10─20
г/см3
. Температура межзвездного газа
колеблется от 10 до 108
К. В нашей Галактике масса меж-
звездного газа составляет несколько процентов массы Галак-
тики – около 4 миллиардов масс Солнца. Если вблизи доста-
точно плотной области межзвездного газа и пыли окажется
случайная или генетически с ней связанная (образовавшаяся
в ней) горячая и яркая звезда, то эта область будет наблю-
даться как светлая туманность.
По виду и происхождению туманности разделяются на
диффузные (неправильной формы) и планетарные. Свет-
лые диффузные туманности бывают эмиссионными (их
спектр состоит из линий излучения газа) и отражательными
(в них газ не ионизован и не светится, а светится находящая-
ся в туманности пыль, освещаемая светом звезды, недоста-
точно горячей для ионизации газа). Темные туманности пред-
ставляют собой плотную концентрацию пыли, активно погло-
щающую свет. Они становятся видимыми лишь при наличии
за ними источника света или на фоне светлых туманностей.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25. 25
Небольшие газо-пылевые туманности часто называют глобу-
лами.
Планетарные туманности представляют собой сравни-
тельно небольшие по размеру, часто округлой формы газо-
вые туманности. Они образуются из эмиссий газовой оболоч-
ки звезд на поздних стадиях их эволюции. От центральной
звезды остается только очень плотное и горячее ядро плане-
тарной туманности. Межзвездная среда играет большую роль
в эволюции звезд и звездных систем. В плотных газо-
пылевых туманностях, вероятно, происходит образование
звезд.
Внегалактические объекты малого углового размера, от-
личающиеся большим радиоизлучением, получили название
квазаров – квазизвездных источников радиоизлучения. Это
наиболее удаленные объекты, которые удалось рассмотреть
до настоящего времени. Расстояния до квазаров составляют
сотни миллионов и даже миллиарды световых лет. Размеры
квазаров не более 1011
км. Массы квазаров превышают сотни
миллионов солнечных масс. Квазары испускают огромное ко-
личество энергии, источник которой неизвестен. Большин-
ство астрофизиков считают, что главным источником энергии
квазаров служит падение вещества на сверхмассивную чер-
ную дыру. Полагают, что квазары являются активными ядра-
ми некоторых галактик в максимальной фазе своей активно-
сти.
Таким образом, отдельные галактики, скопления галактик
(кластеры), сверхскопления галактик (суперкластеры) обра-
зуют упорядоченную иерархическую структуру, называемую
Метагалактикой. Метагалактика включает в себя все извест-
ные космические объекты: совокупность галактик всех типов,
квазаров, межгалактической среды.
Межзвездное пространство заполнено газом и пылью.
Кроме межзвездного вещества, Вселенная насыщена излу-
чением и быстрыми частицами различных типов. Сюда вхо-
дят электромагнитное и, по-видимому, гравитационное излу-
чения, потоки нейтрино и космические лучи, состоящие из
различных субатомных частиц.
При прохождении радиоизлучения через космическую
среду наблюдается явление, получившее название космиче-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
26. 26
ского мазерного эффекта (открыто в 1965 г.). Оно состоит в
усилении излучения за счет непрерывного индуцированного
испускания фотонов возбужденными атомами и молекулами
межзвездной среды. Мазерный эффект наблюдается в от-
дельных радиолиниях с длиной волны 18 см. Излучение воз-
никает на неоднородностях вещества в межзвездной среде
или в газовых оболочках звезд. Такие объекты получили
название космических мазеров. Наиболее мощными мазера-
ми являются области ядер некоторых галактик.
Метагалактика заполнена равновесным микроволновым
фоновым излучением (так называемым реликтовым излуче-
нием), обладающим высокой степенью изотропии. Спектр из-
лучения имеет характеристики излучения абсолютно черного
тела при температуре Т≈ 2,7 К.
Наконец, внутригалактическое пространство заполнено
магнитными полями, которые присущи галактикам как цело-
му, поскольку масштабы полей значительно превосходят
размеры звезд. Магнитные поля галактик в значительной
степени определяют динамику прохождения космических ча-
стиц через межзвездную среду. Магнитное поле ответственно
за вытянутую форму и волокнистую структуру многих типов
туманностей, оно играет решающую роль в процессах пере-
носа момента количества движения из межзвездных облаков
при формировании звезд.
По некоторым оценкам галактики включают лишь около
30% всех барионов, входящих в состав Метагалактики.
Остальная часть барионов представлена межгалактическим
газом. Межгалактическая составляющая газовой компоненты
сосредоточена в коронах галактик, а также в пространстве, не
содержащем галактик. Вблизи галактик газ имеет температу-
ру около 107
К. В состав межгалактического газа входят раз-
нообразные элементы вплоть до железа. В межгалактиче-
ском пространстве в окрестностях галактик наблюдаются об-
лака атомарного водорода. Но в целом межгалактический газ
сильно ионизован.
Метагалактика имеет свои специфические свойства, осо-
бенности структуры и собственные закономерности развития.
Одно из важнейших свойств Метагалактики – ее постоянное
расширение, разлет скоплений галактик. Об этом свойстве
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
27. 27
свидетельствуют «красное» смещение в спектрах галактик и
реликтовое излучение (фоновое, внегалактическое тепловое
излучение, соответствующее температуре 2,7 К). Нестацио-
нарность (расширение) Метагалактики была установлена
американским астрономом Э.Хабблом в конце 20-х годов ХХ
века. Красное смещение не зависит от направления, в кото-
ром видна галактика на небесной сфере. Его величина тем
больше, чем дальше от нас галактика расположена. Красное
смещение обусловлено эффектом Доплера, оно возникает в
том случае, когда движение источника света (галактики) от-
носительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния
между ними. Галактики удаляются от нас со скоростями, воз-
растающими с расстоянием до них по закону
V=H∙R,
где V – скорость удаления галактики; R – расстояние до га-
лактики; H – постоянная Хаббла (космологическая постоян-
ная). H = 55 км/(сек∙Мпс). Красное смещение в различных
направлениях одинаково, следовательно, значение постоян-
ной Хаббла не зависит от направления. Метагалактика рав-
номерно расширяется во всех направлениях.
Другое важное свойство Метагалактики – закономерность
распределения в ней вещества. По мере перехода от галак-
тик к системам галактик все более высоких степеней органи-
зации (группы, скопления, сверхскопления галактик и т.д.)
пространственное распределение вещества в ней становится
все более равномерным, массы вещества в объемах, намно-
го превышающих размеры сверхскоплений, получаются
сравнимыми, а средние плотности вещества в этих объемах
оказываются одного порядка. С гораздо большей точностью
однородность Метагалактики доказывается по наблюдениям
реликтового излучения, интенсивность которого одинакова по
всем направлениям. В современном состоянии Метагалакти-
ка – однородна и изотропна, т. е. свойства материи и про-
странства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем
направлениям. Маловероятно, что она была такой и в про-
шлом. В самом начале расширения могли существовать не-
однородность и анизотропия.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28. 28
Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную ма-
терию и пространство? Многие ученые считают нашу расши-
ряющуюся Метагалактику единственной. Другие высказывают
мысли о множественности Метагалактик, множественности
Вселенных, каждая из которых имеет свой собственный
набор фундаментальных физических свойств материи, про-
странства и времени, свой тип нестационарности, организа-
ции и др.
Совокупность всех наблюдаемых на небе объектов назы-
вают Метагалактикой, однако, чаще к этой совокупности
применяют термин «Вселенная». В течение многих лет суще-
ствовало убеждение, что размеры Метагалактики (приблизи-
тельно 1028
см) – границы мира, поэтому ее следует отож-
дествлять с Вселенной, а под Вселенной понимали все су-
щее.
Однако в последнее время в космологии утвердилась точ-
ка зрения, что Метагалактика – лишь небольшая часть наше-
го мира, и поэтому отождествление Метагалактики с Вселен-
ной неправомерно. Метагалактикой называют совокупность
объектов, расположенных в пространственном объеме ради-
усом примерно 1028
см. Метагалактикой иногда называют
ограниченный горизонтом видимости наблюдаемый мир ра-
диусом около 15 млрд световых лет. Вселенная – это весь не
ограниченный горизонтом видимости материальный мир, как
доступный нашему наблюдению, так и лежащий за предела-
ми наших возможностей. Вне Вселенной никакие другие
формы материи не могут существовать. Вселенная охваты-
вает все. Масса Метагалактики оценивается величиной
6х109
Мс, где Мс – масса Солнца, Мс = 1,99∙1033
г.
2. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Эволюция звезд – это изменение со временем физиче-
ских характеристик, внутреннего строения и химического со-
става звезд. Современная теория эволюции звезд способна
объяснить общий ход развития звезд в удовлетворительном
согласии с данными астрономических наблюдений. Ход эво-
люции звезды зависит от ее массы и исходного химического
состава. Звезды первого поколения сформировались из ве-
щества, состав которого определялся космологическими
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
29. 29
условиями (около 70% водорода, 30% гелия, ничтожная при-
месь дейтерия и лития). В ходе эволюции звезд первого по-
коления образовались тяжелые элементы, которые были вы-
брошены в межзвездное пространство в результате истече-
ния вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды после-
дующих поколений сформировались из вещества, содержа-
щего 3 – 4% тяжелых элементов.
Рождение звезды – это образование объекта, излучение
которого поддерживается за счет собственных источников
энергии. Процесс звездообразования продолжается непре-
рывно, он происходит и в настоящее время.
Для объяснения структуры мегамира наиболее важным
является гравитационное взаимодействие. В газопылевых
туманностях под действием сил гравитации происходит фор-
мирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему
диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если та-
кие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением
времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что
происходит процесс рождения не отдельной звезды, а звезд-
ных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягива-
ются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно
громадное тело. Они, как правило, начинают вращаться от-
носительно друг друга, и центробежные силы этого движения
противодействуют силам притяжения, ведущим к дальней-
шей концентрации.
К молодым относятся звезды, которые находятся еще в
стадии первоначального гравитационного сжатия. Темпера-
тура в центре таких звезд еще недостаточна для протекания
ядерных реакций, свечение звезд происходит только за счет
превращения гравитационной энергии в теплоту. Гравитаци-
онное сжатие – первый этап эволюции звезд. Оно приводит к
разогреву центральной зоны звезды до температуры начала
термоядерной реакции (10 – 15 млн К) – превращения водо-
рода в гелий.
Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в
результате ядерных процессов, происходящих внутри звезд.
Энергия, образующаяся внутри звезды, позволяет ей излу-
чать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет.
Впервые предположение о том, что источником энергии звезд
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
