КАРТА САЙТА

Строение и жизнь Вселенной

А.В. Галанин © 2012

© Галанин А.В. Cтроение и жизнь Вселенной // Вселенная живая [Электронный ресурс] – Владивосток, 2012. Адрес доступа: http://ukhtoma.ru/universe1.htm Предисловие || 1. Структура галактик || 2. Эволюция галактик и звезд в галактиках || 3. Галактика Млечный Путь || 4. Гравитационное взаимодействие звезд и планет в Галактиках || 5. Строение и свойства Метагалактики || 6. Солнечная система (общая характеристика) || 7. Происхождение Солнечной системы || 8. Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля || 9. Планеты земной группы: Марс, Церера – карликовая планета из Пояса Астероидов || 10. Планеты гиганты: система Юпитера || 11. Планеты гиганты: система Сатурна || 12. Планеты гиганты: система Урана || 13. Планеты гиганты: система Нептуна || 14. Облако Оорта и Пояс Койпера. Плутоноиды || 15. Экзопланеты || 16. Свободные планеты Галактики || 17. Жизнь на Земле старше Солнечной системы|| 18. Как черные дыры порождают галактики || 19. Чёрные дыры и круговорот материи во Вселенной

"Открылась бездна звезд полна.

Звездам числа нет, бездне – дна."

М.В. Ломоносов

Глава 6. Солнечная система (общая характеристика)

Солнечная планетная система – это крошечный элемент нашей Галактики, называемой Млечным Путем. В Галактике есть звездные системы больше Солнечной, но есть и меньше. Есть очень сложные, включающие несколько звезд, связанных друг с другом силами гравитации и вращающихся вокруг общего центра масс. У меня нет сомнения в том, что и в тех сложно устроенных многозвездных системах есть планеты.

На сегодняшний момент считается, что Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Правда, недавно Плутон из числа планет исключили и зачислили в разряд особых тел – плутоноидов. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона), по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 диаметров Солнца.

Солнце мы видим каждый день, оно освещает наш земной мир и согревает его. Энергия Солнца, достигшая Земли, движет воздушные массы атмосферы и водные массы гидросферы, она поглощается растениями и становится главной движущей силой биосферы. Наши предки обожествляли Солнце и поклонялись ему. Солнце вполне заслуживает статуса бога в Солнечной системе. Диаметр Солнца 1.392.000 км.; абсолютная звёздная величина +4.8; спектральный класс = G2; температура поверхности = 5800 градусов Кельвина; период обращения вокруг своей оси – 25 часов на полюсах и 35 часов на экваторе. Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики по разным оценкам составляет 180–220 млн лет; расстояние от Солнца до центра Галактики = 25000 световых. лет; скорость движения вокруг центра галактики = 230 км/сек. Солнце приблизительно в 750 раз превосходит по массе все остальные тела Солнечной системы вместе взятые, поэтому можно считать, что всё в нашей Солнечной системе обращается вокруг Солнца как общего центра масс. Самое дальнее тело в нашей Галактике – это Плутон и его спутники. Но Плутон, как недавно установили астрофизики, не совсем типичное тело для планет. Орбита его сильно вытянута и дальним своим концом входит в пояс Койпера, точнее, в некую торообразную структуру, состоящую из дискретных твердых тел, из которых малые тела имеют неправильную форму астероидов, а крупные – форму шара и похожи на планеты и крупные спутники планет.

Так выглядит солнце в телескоп через темное стекло. Видна структура поверхности хромосферы – верхнего слоя атмосферы Солнца, а также протуберанцы – выбросы раскаленной плазмы, и темные пятна – разрывы в фотосфере и хромосфере, через которые видны более глубокие слои солнечной атмосферы. Хромосфера имеет регулярную структуру, состоящую как бы из ячеек, примыкающих друг к другу. Ячейки – результат вертикального турбулентного движения вещества хромосферы. Благодаря этому движению происходит охлаждение Солнца, оно спасает Солнечные недра от перегрева. Фото с сайта: http://pixant.ru/000M/alan-fridman-solntse

 

Много дальше пояса Койпера находится облако Оорта, которое словно оболочка шара заключает в себя Солнечную систему. Облако Оорта тоже состоит из дискретных тел неправильной и шарообразной формы, вращающихся вокруг Солнца. Орбиты этих тел не лежат в плоскости эклиптики и в своей совокупности образуют как бы шарообразную поверхность Солнечной системы. Некоторые объекты из облака Оорта имеют сильно вытянутые орбиты, одним своим краем очень близкие к Солнцу. Как и тела из пояса Койпера, тела из облака Оорта могут иметь неправильную вформу астероидов и шарообразную форму планет и спутников планет.

Если эти тела из пояса Койпера или облака Оорта состоят из льда, то их называют кометами. Приближаясь к Солнцу, они нагреваются до температуры, при которой лед испаряется. При этом твердая часть кометы не испаряется, она облетает Солнце и удаляется от него обратно в пояс Койпера или в облако Оорта. А вот испарившееся газообразное вещество частично попадает в атмосферы планет гигантов, но в основном становится достоянием Солнца, становясь частью его атмосферы.

Солнечная система находится на значительном расстоянии от центра Галактики в межрукавном пространстве. Примерно за 180–200 млн. лет она совершает полный оборот вокруг центра Галактики. При этом несколько раз она пересекает рукава и межрукавные пространства. Схема с сайта: http://toolsfor.in

Модель облака Оорта. Солнце находится в центре этой сферы. Иллюстрация Джона Ломберга (Jon Lomberg) с сайта: http://yastro.narod.ru/a5/a_news444.htm

 

Тела Солнечной системы, вращающиеся вокруг центрального светила, образуют следующие структурные части Солнечной системы: 1 – малые планеты земной группы, движущиеся почти по круговым орбитам; 2 – пояс астероидов, отделяющий малые планеты от планет гигантов; 3 – гигантские планеты с мощными атмосферами; 4 – плутоноиды – тела из пояса Койпера, расположенного за орбитой Нептуна; некоторые из них имеют сильно вытянутые орбиты, но их орбиты лежат в плоскости эклиптики или близки к ней. (Плоскость эклиптики – это плоскость, в которой лежат орбиты остальных планет); 5 – облако Оорта, которое словно гигантская сфера из дискретных тел окутывает всю Солнечную систему и является ее границей. За этим облаком начинается галактическое пространство.

 

Строение Солнечной системы. Внутри этой системы, вплоть до облака Оорта, все контролируется нашей звездой – Солнцем. Межзвездное пространство начинается за поясом Оорта. Между этим поясом и поясом Койпера относительно пусто. А вот орбиты планет расположены между поясом Койпера и Солнцем. При нарушении гравитационного равновесия в Солнечной системе сильнее всего возмущаются тела, находящиеся в облаке Оорта. Это из этого облака прилетают кометы, которые рано или позже падают на Солнце или на планеты и их спутники. Легендарная планета Немизида, если она существует, прилетает к Солнцу из облака Оорта. Ее орбита сильно вытянута и, надо полагать, заметно нарушает гравитационное равновесие в системе планет, когда подлетает к Солнцу. Схема с сайта: https://artefact2007.wordpress.com/

Планеты в Солнечной системе делятся на две группы: малые земного типа (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Между планетами малыми и гигантами находится пояс астероидов – небольших тел, вращающихся по околосолнечным слабо вытянутым орбитам. По всей вероятности, тела в поясе астероидов не падают на Солнце, так как находятся в круговом вращении вокруг него и к тому же притягиваются планетами гигантами и их спутниками. Схема с сайта: http://www.slavyanskaya-kultura.ru   Облаком Оорта называют сферическую область, которая служит источником долгопериодических комет и располагается на границах Солнечной системы. Внешний край облака находится на расстоянии около 50 000 а.е. от Солнца, но некоторые специалисты отодвигают его ещё дальше – на 100 или даже 200 тысяч а. е. Считается, что кометы, находящиеся сейчас в этой области, формировались на меньшем расстоянии от Солнца, а затем постепенно отдалялись от него. Эта модель, однако, не согласуется с результатами наблюдений: она предсказывает, что количество комет в облаке Оорта может превышать их число в рассеянном диске в 10 раз, тогда как по экспериментальным данным получается превышение в 700 раз.

Астрономическая единица (а. е.) – это единица расстояния, используемая в астрономии, равная среднему расстоянию Земли от Солнца, т.е. среднему радиусу земной орбиты. Согласно списку фундаментальных постоянных астрономии, рекомендованному в 1964 г. Международным астрономическим союзом для астрономических исследований, 1 а. е. = 149,6 млн. км. Применяется главным образом для измерения расстояний в Солнечной системе, а также расстояний между компонентами двойных звёзд (http://slovari.yandex.ru/астрономическая%20единица).

Парсек (пс) – расстояние до объекта, соответствующее годичному параллаксу в 1" (угол в 1 секунду). Под таким углом виден от этого объекта диаметр земной орбиты.;

Световой год – единица расстояния в Астрономии, используемая для измерения расстояний между звездами и галактиками. Это расстояние, которое преодолевает луч света за год при скорости распространения света 300 000 км/сек.

1 а.е. = 149 600 000 км; 1 пс = 206 265 а.е. = 3,26 светового года; 1 световой год = 63 240 а.е. = 0,3067 пс.

Например, Меркурий находится от Солнца на расстоянии 0,387 а.е., а Плутон – на расстоянии 39,75 а.е. Расстояния до небесных тел, находящихся за пределами Солнечной системы, обычно выражаются в парсеках, килопарсеках (1 кпс = 1 000 пс) и мегапарсеках (1 мпс = 1 000 000 пс), а также в световых годах. Ближайшая к Солнцу звезда "Проксима Центавра" имеет годичный параллакс p = 0,762". Следовательно, она находится от нас на расстоянии 1,31 пс или 4,26 светового года.

Койпер Джепард Петер (Kuiper Gerard Peter) (1905–1973) (слева), и капитан авиации США. Пояс Койпера назван именем этого астронома, доказавшего его существование. Фото с сайта: http://schools.keldysh.ru/

Эта планета (плутоноид) называется Хаумея, она является частью пояса Койпера. На ней имеется лед и разреженная атмосфера. Но она лишь наполовину покрыта льдом; имеет красный цвет, возможно, из-за тонкого слоя метана. В поясе Койпера известны и другие планеты, например, планета Квавар (открыта в 2002 г.), которая также покрыта льдом. У нее тоже есть атмосфера, которая состоит из оксида углерода, азота и метана. Но из-за слабой гравитации она постоянно теряет атмосферу. В итоге в ее атмосфере накапливается метан. Сайт "Наука и техника": http://вня.рф/text/sobytiya/1945/led_na_karlikovoy_planete.htm

Плутоноид "Снежная королева" из пояса Койпера. Эта планета удалена от Солнца на расстояние около 10 050 млн. км. Официальное название – 2007OR10.  Открыта 17 июля 2007 года. Обращаю внимание на шарообразную форму этой планеты и на ее поверхность, покрытую кратерами. Фото с сайта: http://guinnessrecord.ru/load/4-1-0-239

Известные на сегодняшний день плутоноиды из пояса Койпера. Некоторые из них (Эрис, Плутон, Хаумея) имеют свои спутники. На этом рисунке видны относительные размеры плутоноидов и Земли. Вызывает изумление вытянутая форма Хаумеи. Это следствие быстрого вращения ее вокруг своей оси – центробежные силы заметно сплющили эту планету. Фото с сайта: http://www.galactic.name

Плутоноид Куарор из пояса Койпера. На поверхности видны огромные кратеры и линейные разломы. Изображение с сайта: http://space.rin.ru

С помощью телескопа Хаббл недавно удалось обнаружить систему из 6 плутоноидов. Из них Никс и Гидра по размерам не уступают Плутону.

Гумбольдт и метеоритный дождь в 1799 г. в Южной Америке. Рисунок с сайта: http://samlib.ru

Авторы одной из гипотез считают, что пополнения облака Оорта происходит за счет тел, приходящих из внешнего по отношению к Солнечной системе галактического пространства. Если появление неожиданно большого количества объектов в облаке Оорта объясняется именно так, то некоторые наиболее известные долгопериодические кометы тоже, вероятно, имеют внесолнечное происхождение. Брайану Марсдену эта модель кажется вполне реалистичной, но результаты наблюдений, которыми он пытается ее обосновать, другим астрономам представляются ненадёжными. Новую модель представил Левисон на собрании отделения динамической астрономии Американского астрономического общества. (Информация с сайта: http://www.donbass.ua/news/technology/space/). В облаке Оорта есть не только астероиды и кометы. Недавно в нем обнаружили шарообразное космическое тело – планетоид. Фото с сайта: http://couvillencoul.wordpress.com Думаю, что в облаке Оорта есть множество тел, соответствующих по размерам и форме планетам. Не исключаю, что некоторые из них могут оказаться планетами гигантами. Просто средний радиус их орбит так велик, что увидеть их не удается даже в самые мощные телескопы, а близко к Солнцу они подлетают очень редко.

Размеры облака Оорта, пояса Копейра и области орбит планет Солнечной системы. Схема с сайта: http://kp.by/daily/24604/775586/

Мне представляется, что шестичленная (шестой член – само Солнце) структура Солнечной системы обеспечивает ее гравитационную устойчивость. Прежде чем попасть во внутреннее пространство Солнечной системы галактическое тело проходит пять "уровней защиты", и на каждом уровне это тело "приноравливается" ("приучается") к жизни в Солнечной гравитационной системе. Сначала его орбита загоняется в плоскость эклиптики, затем это тело, приближаясь к Солнцу во время движения по вытянутой орбите, теряет часть своей массы (частично испаряется) и притормаживается, отчего его орбита становится менее вытянутой. Кроме того, чтобы достичь Солнца, этому телу приходится пересечь зону планет гигантов, которые "норовят" захватить его в свои гравитационные объятия и сделать своим спутником или частью своих прекрасных колец. Когда тело попадает в Пояс Астероидов, то здесь такого галактического "гостя" тоже ждут "сюрпризы". Оно может столкнуться с астероидом и развалиться на мелкие обломки, при этом кинетическая энергия тела делится на множество этих обломков, и скорость их становятся значительно меньше скорости целого тела, обладавшего до столкновения этой суммарной кинетической энергией. Очень вероятно, что эти обломки станут частью пояса астероидов, т.е. "подвиснут" в пространстве Солнечной системы между сильно гравитирующим Солнцем и гравитирующими планетами гигантами. Думаю, что пояс астероидов – это не обломки планеты Фаэтона, а своеобразный последний "отстойник" для галактических тел, "ворвавшихся" в Солнечную систему, прошедших "обработку" сначала в облаке Оорта, а потом в поясе Койпера. Благодаря этим трем "отстойникам" внутренние планеты Солнечной системы и само Солнце более менее защищены от частого падения метеоритов, астероидов и планетоидов.

На этом рисунке показаны углы наклона осей планет к плоскости эклиптики (плоскости Солнечной системы) и направления их вращения вокруг своих осей. Обратите внимание на то, что углы наклона осей планет варьируют в широких пределах от 90 градусов у Меркурия до 188 градусов у Урана и 267 градусов у Венеры. У Урана самое теплое место – северный полюс, а на Меркурии вообще не бывает смены в ремен года, Венера и Плутон движутся по орбитам "вверх ногами" – их магнитные поля относительно других планет перевернуты. Кстати, угол наклона осей планет не остается постоянным. На Земле происходит раскачивание оси с периодом чуть меньше 40 тыс. лет, и даже происходит смена полюсов с периодичностью порядка 1–2 млн. лет. Это, по-видимому, происходит и с другими планетами. Схема с сайта: http://images.google.ru/imgres?imgurl

"Руководителем" нашей звездной системы является звезда Солнце, потому и система называется Солнечной. Другие звезды в Метагалактике – тоже солнца, и многие из них тоже имеют свои планеты. В настоящее время удалось обнаружить планеты в других звездных системах; в отличие от планет Солнечной системы, их называют экзопланетами. Обнаружить их удалось совсем недавно – только в конце 90-х годов ХХ века. Но мы рассмотрим строение звездной системы на примере нашей Солнечной системы. Она нам ближе, и она сегодня неплохо изучена. К тому же, Солнечная система весьма типична для безбрежного Космоса, и ее закономерности можно экстраполировать на другие звездные системы. Хотя в Космосе есть звезды как меньше нашего Солнца, так и больше его. Есть двойные и даже тройные звезды, которые вращаются вокруг общего центра. Поведение планет в них, разумеется, отличается от поведения планет в Солнечной системе. Но об этом чуть ниже. Орбиты ближайших к Солнцу четырех планет земной группы пересекают вытянутые орбиты небольших тел из пояса астероидов, расположенного за орбитой Марса. На рисунке слева изображены орбиты 100 наиболее крупных астероидов, столкновение с которыми может нарушить равновесие на малых планетах и их спутниках, если эти астероиды в них врежутся. На Венере и Земле такой удар смягчат атмосферы, но вот Меркурию, Марсу, Луне, Фобосу и Деймосу от таких ударов "мало не покажется". Если астероиды врежутся в Солнце, то там их падение будет как "слону дробинка". Заметьте, что вокруг Солнца вероятность появления астероидов значительно меньше, чем в области орбиты Земли и Венеры. Это объясняется тем, что приблизившись к Солнцу слишком близко, астероиды врезаются в него и сгорают в его атмосфере.   Рис. слева: Красным цветом на схеме показана орбита Земли, а белым – орбиты 100 наиболее крупных астероидов, которые залетают в зону малых планет из Пояса Астероидов. Оба рисунка с сайта: http://www.silenthill.ru/forum/lofiversion/index.php?t9043.html

Бомбардировка Земли и других планет метеоритами – обычное явление. Убедиться в этом можно легко. Для этого надо в ясную ночь постоять и посмотреть на небо в течение 10–15 минут. Вы обязательно увидите "падающую звезду" – метеорит, врезавшийся в атмосферу и сгоревший в ней. Только крупные метеориты успечают долететь до поверхности и не испариться. Периодически случаются "метеоритные" дожди, когда метеориты сыплются на Землю особенно часто. Почему метеориты движутся какими-то роями? Да потому, что метеориты роя – это осколки более крупного астероида, разрушенного при столкновении с другим таким же телом в поясе астероидов. Однако время от времени на планеты обрушиваются и крупные космические тела. Тогда случаются климатические и даже тектонические катастрофы.   Слева – рис. с сайта: http://xcw.ucoz.ru/news/

l Церера – карликовая планета из Пояса Астероидов. Ее орбита находится между орбитами Марса и Юпитера. Долгое время считалось, что она обычный астероид, но недавно выяснили, что размер Цереры составляет треть от размера Луны. Это шарообразное планетообразное космическое тело диаметром около 930 км, среднее расстояние от Солнца 2,77 а. е., период обращения вокруг солнца 4,6 года. Фото с сайта: http://galspace.spb.ru

Астероид Сильвия из Пояса Астероидов. Сильвия получила свое наименование в честь весталки Реи Сильвии (Rhea Sylvia), мифической матери основателей Рима. Удельный вес этого астероида – 1,2 грамма на кубический сантиметр, всего на 20 процентов выше плотности воды. Это двойной астероид. Сильвия имеет два спутника. Фото с сайта: http://galspace.spb.ru

Некоторые космические тела (кентавры) из главного Пояса Астероидов. Веста покрыта кратерами ударного происхождения. Фото с сайта: http://astro-nibiru.narod.ru/concert

Поверхность астероида Веста крупным планом. Интересно, где и как давно блуждал этот планетоид в просторах Галактики, прежде чем попал в Солнечную систему? Снимок выполнен 24 июля 2011 года. Фото NASA. Фото с сайта: http://kosmos-x.net.ru/news

 

Гравитационное влияние Юпитера на астероиды пояса астероидов привело к тому, что в этом поясе имеется целый ряд "запретных" орбит или даже зон, на которых астероидов и малых планет практически нет, а если они туда и попадают, то не могут находиться там продолжительное время. Эти зоны называют люками Кирквуда. Такие орбиты являются резонансными, поскольку движущиеся по ним астероиды испытывают сильное гравитационное воздействие со стороны Юпитера. Периоды обращения, соответствующие этим орбитам, находятся в простых отношениях с периодом обращения Юпитера (например, 1:2; 3:7; 2:5; 1:3 и др.). Если какой-либо астероид в результате столкновения с другим телом попадает на резонансную орбиту, то большая полуось и эксцентриситет его орбиты достаточно быстро меняются под влиянием юпитерианского гравитационного поля. Такой астероид либо уходит с резонансной орбиты и о стается в поясе астероидов (или даже может покинуть главный пояс), либо оказывается обреченным на новые столкновения с соседними телами. Так пробел Кирквуда "очищается" от любых астероидов (в общем, для астероидов – это "гравитационно запретная" зона).

Однако следует подчеркнуть, что все астероиды в любой момент времени достаточно равномерно заполняют пояс астероидов, так как двигаясь по эллиптическим орбитам, они большую часть времени проводят в "чужой" зоне. У внешней границы главного пояса астероидов есть два узких дополнительных "колечка", составленные из орбит астероидов, периоды обращения которых находятся в пропорциях 2:3 и 1:1 по отношению к периоду обращения Юпитера. Астероиды с периодом обращения относительно юпитера 1:1 находятся прямо на его орбите, но движутся на некотором удалении от него, равном радиусу юпитерианской орбиты, движутся с опережением или отставанием. Те астероиды, которые в своем движении опережают Юпитер, называют "греками", а те, что следуют за ним – "троянцами". Движение этих малых тел является достаточно устойчивым, так как они находятся в так называемых "точках Лагранжа", где уравниваются действующие на них гравитационные силы. В отличие от троянцев, которые могли постепенно накопиться в окрестностях точек Лагранжа, есть астероиды с очень близкими орбитами входящих в них тел, которые образовались в результате относительно недавнего распада соответствующих им родительских тел. Это, например, семейство астероида Флора, насчитывающее уже около 60 членов, и ряд других.

Пролетая в 1993 г. мимо астероида Ида диаметром 50 км, межпланетный аппарат "Галилео" обнаружил у Иды малый спутник диаметром 1,5 км, получивший название Дактиль, который обращается вокруг Иды на расстоянии около 100 км. Недавно из южной европейской обсерватории в Ла-Силья (Чили) пришло сообщение о нахождении спутника у астероида Дионис.

Однако наблюдать этот астероид начали раньше в телескопы с Земли. В конце мая 1997 г. он показывал нормальное изменение блеска – два максимума и два минимума, характерные для тела неправильной формы, вращающегося с периодом 2,7 ч. Но астрономов насторожило то, что при сравнении кривых блеска, полученных за две ночи подряд, одна деталь, указывающая на непродолжительное понижение яркости, изменила свое место. Возникло подозрение, что перед астероидом регулярно проходит некий затмевающий его объект. Чтобы не пропустить следующих возможных затмений, которые могли оказаться вне поля наблюдений из обсерватории в Чили, астрономы сообщили о своем предположении коллегам во всем мире. В результате с 3 по 9 июня 1997 г. были проведены тщательные наблюдения, и подозрение подтвердилось: затмения происходили регулярно, с периодом 1,155 сут.

 

Звезда Солнце

 

Это – поверхность солнечной атмосферы, точнее, самого верхнего ее слоя – хромосферы. Рыжие многоугольнички – конвекционные ячейки, или элементы вертикальной турбуленции атмосферы Солнца. В центре ячейки вещество из глубины атмосферы поднимается наверх, а по краям многоугольничков охлажденное вещество опускается вниз. Темные пятна – это нарушения в зоне конвекции, в этих местах на поверхность Солнца из его глубин вырывается очень разогретое вещество в состоянии плазмы и жесткое гамма излучение. (http://yarportal.ru/topic53182.html)

Солнце в телескоп выглядит как полыхающий огненный шар с очень бурной атмосферой. Время от времени из его атмосферы вырываются огромные протуберанцы раскаленной плазмы. Фото с сайта: http://www.kabluchka.ru

Темные, зловещего вида области солнечного диска – это так называемые корональные дыры. В этих областях силовые линии магнитного поля уходят в межпланетное пространство. Известно, что корональные дыры являются источниками интенсивного солнечного ветра, который состоит из атомов, ионов и электронов, улетающих от Солнца вдоль разомкнутых силовых линий магнитного поля. Во время периодов низкой солнечной активности корональные дыры обычно располагаются над солнечными полюсами, а при высокой активности возникают ближе к экватору Солнца. Вылетающие из них частицы, достигнув планет, направляются магнитными полями планет к полюсам, там входят в атмосферу планет и вызывают полярные сияния – авроры. Корональные дыры могут существовать на протяжении нескольких периодов вращения Солнца.

Гигантский выброс плазмы Солнцем. Этот сгусток раскаленной плазмы движется с огромной скоростью в сторону голубой планеты (Земля). Этот снимок сделан 24 января 1992 г. в мягком рентгеновском диапазоне. Фото с сайта: http://forum.bolesmir.ru

Протуберанцы на Солнце. Эти струи плазмы, выбрасываемые из атмосферы Солнца изгибаются в электромагнитном поле, так как частички плазмы имеют электрические заряды. А вот траектории незаряженных выброшенных частиц электромагнитным полем Солнца не искривляются. Фото с сайта: http://emilsarkisov.bestpersons.ru/?page=2

При изучении солнечного рентгеновского потока в конце 50-х годов группой Дж. Уинклера и Л. Петерсона были открыты рентгеновские яркие точки, соответствующие мельчайшим (так называемым эфемерным) активным областям, ими оказались корональные дыры.

Солнечные вспышки представляют собой быстрый процесс высвобождения большого количества энергии. В последние десятилетия аналогичные процессы – звездные вспышки – наблюдали и на некоторых классах звезд. Наиболее вспыхивающими являются красные карликовые звезды. В результате сопоставления двух типов вспышечной активности достигается более полная картина генерации вспышек на звездах.

Внутреннее строение Солнца. Твердое сверхплотное ядро обеспечивает мощную гравитацию, благодаря которой этот сгусток протоматерии смог окружить себя мощной атмосферой – настолько мощной, что в ее глубине началась термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Температура в этом термоядерном реакторе (в зоне радиации) около 15 миллионов градусов, разумеется, со знаком плюс. Высокая температура в этой зоне поддерживается не только благодаря термоядерным процессам, но и своеобразному "одеялу" в виде толстой зоны конвекции, защищающей зону радиации от охлаждения. Схема с сайта: http://900igr.net

Примерно так планета, имеющая атмосферу, приблизившаяся к звезде на недопустимо близкое расстояние, лишается своей атмосферы. Гравитация звезды срывает и поглощает ее атмосферу. Звезда в конце концов поглотит и саму планету, пополнив свою массу массой эой планеты. Перенос тепла из зоны радиации в хромосферу и фотосферу происходит благодаря вертикальной циркуляции газа в ковекционных ячейках. В центре такой ячейки раскаленная плазма поднимается вверх к поверхности атмосферы Солнца, а по краям она, отдавшая тепло фотосфере, охлажденная, возвращается вниз к зоне радиации. В фотосфере тепловая энергия плазмы превращается в кванты электромагнитного излучения и рассеивается в пространстве. Однако, когда температура в зоне радиации становится больше, когда термоядерный реактор звезды начинает работать интенсивнее, происходит дополнительный выброс излишней энергии в виде протуберанцев раскаленной плазмы. Этот процесс известен как вспышки на Солнце. Фото с сайта: http://radioheads.net

 

В каждой звезде, в том числе и в Солнце, есть гигантский резервуар гравитационной энергии. Чтобы Солнце светило с той интенсивностью как оно светит в настоящее время, и выделяло в окружающее пространство столько же энергии, сколько оно выделяет сегодня, но без термоядерного синтеза, необходимо, чтобы оно сжималось, причем оно должно уменьшаться в 2 раза каждые 30 миллионов лет. Полный запас тепловой энергии в звезде примерно равен ее гравитационной энергии, т. е. порядка GMM/R. Для Солнца тепловая энергия равна 4*10 в 41степени Джоулей. Каждую секунду Солнце теряет 4*10 в 26 степени Джоулей энергии. Запаса его тепловой энергии, обусловленной гравитацией, хватило бы лишь на 30 миллионов лет. Солнце светит несколько миллиардов лет не за счет гравитационной энергии, а за счет термоядерной.

Спасает термоядерный синтез – объединение легких элементов, сопровождающеесся гигантским энерговыделением. Впервые на этот механизм в 20-е годы ХХ века указал астрофизик А. Эдингтон, заметивший, что четыре ядра атома водорода имеют массу немного больше массы одного ядра гелия. В соответствии с формулой А. Эйнштейна, полная энергия тела связана с массой соотношением E = Мс². Если из 1 кг водорода синтезировать гелий, то при этом выделится энергия, равная 600 000 000 000 000 Джоулей.

Современники, однако, скептически отнеслись к гипотезе Эдингтона. По законам классической механики, для сближения протонов на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил необходимо преодолеть силы кулоновского (электрического) отталкивания. Для э того их энергия должна превышать величину кулоновского барьера. Для начала процесса термоядерного синтеза необходима температура около 5 млрд градусов, но температура в центре Солнца примерно в 300 раз меньше. Таким образом, Солнце казалось недостаточно горячим для того, чтобы в нем был возможен синтез гелия.

Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) и Альберт Эйнштейн (1879–1955) в ноябре 1944 г. в Кембридже, Великобритания. Фото с сайта: http://nasha-vselennaia.ru/?p=1390

Георгий Гамов (1904–1968). Фото с сайта: http://www.familiimira.org.ua/2010/09/12/2957/

Гипотезу Эдингтона спасла квантовая механика. В 1928 году физик Г.А. Гамов обнаружил, что согласно ее законам, частицы могут с некоторой вероятностью просачиваться через потенциальный кулоновский барьер даже в том случае, когда их энергия ниже его высоты. Это явление получило название подбарьерного или туннельного перехода. С помощью туннельных переходов Гамов объяснил законы радиоактивного альфа-распада и тем самым впервые доказал применимость квантовой механики к ядерным процессам (почти в то же время туннельные переходы были открыты Р. Генри и Э. Кондоном). Гамов обратил также внимание на то, что благодаря туннельным переходам сталкивающиеся ядра могут вплотную сблизиться друг с другом и вступить в ядерную реакцию при энергиях, меньших величины кулоновского барьера.

Это побудило австрийского физика Ф. Хоутерманса, которому Гамов рассказал о своих работах еще до их публикации, и астронома Р. Аткинсона вернуться к идее Эдингтона о ядерном происхождении солнечной энергии. И хотя одновременное столкновение четырех протонов и двух электронов с образованием ядра гелия представляет собой крайне маловероятный процесс, в 1939 году Г. Бете удалось найти цепочку ядерных реакций, приводящих к синтезу гелия. Катализатором синтеза гелия в цикле Бете выступают ядра углерода C12, количество которых в результате процесса такого синтеза остается неизменным.

Реально в качестве топлива для звезд может служить только часть водорода, находящаяся в зоне радиации под высоким давлением, и сильно разогретая, а это только 10% полной массы Солнца. Считается, что ядерной энергии Солнца, которая выделяется при преврашении каждых четырех ядер водорода в одно ядро гелия, если сгорит весь водород, хватит на 10 миллиардов лет. Но запас водорода на Солнце постоянно пополняется из окружающего галактического пространства. Следовательно, солнечный источник термоядерной энергии не иссякнет очень долго.

Вообще изначальная масса звезды (точнее, протозвезды) однозначно определяет её дальнейшую судьбу. Время выгорания называют ядерным временем: чем больше звезда, тем быстрее она сгорает! Соотношение трех характерных времен – динамического, теплового и ядерного – определяет характер эволюции звезды. То, что динамическое время много меньше теплового и ядерного, означает, что звезда всегда успевает прийти в гидростатическое равновесие. А то, что тепловое время меньше ядерного, – что звезда успевает прийти и в тепловое равновесие, т. е. в равновесие между количеством энергии, выделяемым в центре в единицу времени, и количеством энергии, излучаемым поверхностью звезды (светимостью звезды).

Энергия в Солнце из солнечных глубин переносится излучением – фотонами. Фотон, рожденный в термоядерной реакции в центре, движется к поверхности солнечной атмосферы. Фотоны движутся со скоростью света, но они, постоянно поглощаясь и переизлучаясь, сильно запутывают свои траектории и потому движутся долго. За время их движения к поверхности излучение успевает прийти в тепловое равновесие с веществом, в котором оно движется, поэтому спектр звезд близок к спектру черного тела. Если бы источники термоядерной энергии вдруг "выключились", то Солнце продолжало бы светить еще несколько миллионов лет.

За время существования Солнца (считается, что 4,6 млрд. лет) в его атмосфере выгорела значительная часть водорода. Оставшегося, если не будет пополнения извне, должно хватить на 2–3 млрд лет, после чего Солнце начнет сжиматься и при этом нагреваться (за счёт сил гравитации). Неизбежно наступит момент, когда температура станет достаточной для "горения" гелия. Три ядра гелия с выделением энергии будут объединяться в ядро углерода C₁₂. При этом будет выделяться колоссальная энергия, и температура при этом будет столь велика, что под действием светового давления раздуется внешняя оболочка Солнца, превращая его в красный гигант. Центральное же ядро Солнца при этом сожмется и станет белым карликом – звездой малых размеров, но с огромной плотностью и более высокой температурой. Чтобы экспериментально проверить всю картину термоядерных процессов внутри Солнца, надо заглянуть в его центр. Такую возможность дают нейтрино, рождающиеся внутри солнечной оболочки при термоядерном "горении" водорода.

Нейтрино беспрепятственно (у них нет электрического заряда и они не поглощаются электронами) выходят со скоростью света из ядра Солнца (со дна солнечной атмосферы) и за несколько секунд достигают его поверхности. Регистрация потока солнечных нейтрино подтвердила термоядерное происхождение солнечной энергии. Но результаты этих экспериментов поставили перед физикой новые проблемы. Число реакций, вызываемых солнечными нейтрино, оказалось в два-три раза меньше, чем следовало из расчетов, основанных на теоретических моделях Солнца и данных о вероятностях тех или иных каналов ядерных реакций. Какова же природа этих расхождений?

Можно предположить, что Солнце светит не только за счет термоядерной энергии синтеза из ядер водорода ядер гелия, но и за счет гравитационной энергии. Кроме того, надо учесть, что водород на Солнце поступает из окружающего пространства, а масса Солнца постоянно пополняется еще и за счет падения на него более тяжелых, чем водород, атомов, из которых состоят тела астероидов и космическая пыль.

Солнце излучает не только электромагнитные колебания: свет, инфракрасное, ультрафиолетовое и гамма излучения. Оно является источником постоянного потока частиц-корпускул: нейтрино, электронов, протонов, альфа-частиц, а также более тяжелых частиц размером с атомное ядро. Потоки этих частиц составляют корпускулярное излучение Солнца – солнечный ветер. Значительная часть этого излучения – плазма. Более мощные потоки плазмы исхдят из корональных дыр и долгоживущих активных областей на Солнце. Наконец, с солнечными вспышками связаны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом, электронов и протонов. Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю и другие планеты, особенно на верхние слои их атмосфер и магнитные поля планет, вызывая множество геофизических явлений.

Недавно Солнце изменило и зеркально поменяло направление своего магнитного поля. Произошел переворот магнитных полюсов (сообщение ng.ru 21.03.2001 г.). Северный магнитный полюс Солнца теперь находится в его южном полушарии. Переворот полюсов случается во время прохождения максимума солнечной активности. Магнитные полюса Солнца останутся теперь в этих местах до следующего перехода, который случается с регулярностью часового механизма. Причины этого явления и 11-тилетней цикличности солнечной активности остаются неизвестны.

Геомагнитное поле Земли также зеркально изменяет полюса, последний такой реверс случился 740 тыс. лет тому назад. Некоторые исследователи полагают, что наша планета уже просрочила время своего очередного переворота магнитных полюсов, и никто не может точно предсказать, когда он произойдет.

Напряженность магнитного поля Солнца составляет около 50 Гаусс, а геомагнитное поле Земли в 100 раз слабее. Когда солнечная активность увеличивается, тогда растет число солнечных пятен на поверхности Солнца, магнитное поле нашей звезды начинает изменяться. Солнечные пятна представляют собой места, где замыкаются потоки магнитной индукции, и величина магнитного поля в этих областях может в сотни раз превышать значения основного дипольного магнитного поля Солнца. Как отмечают специалисы по физике Солнца, "меридиональные течения на поверхности Солнца захватывают и несут магнитные потоки солнечных пятен от средних широт к полюсам, и дипольное поле Солнца от этого устойчиво ослабевает".

В модели предполагается, что наше светило работает как генератор постоянного тока, и основные процессы идут в области зоны конвекции. Магнитные поля произведены электрическими токами, которые получаются за счет движения потоков горячих ионизированных газов к поверхности и после их охлаждения вглубь. Мы наблюдаем огромное множество таких потоков в конвекционных ячейках относительно поверхности Солнца, и все эти потоки могут создавать магнитные поля высокой интенсивности. Магнитные потоки состоят из непрерывных силовых линий, которые подвергаются растяжению и сжатию под внешним воздействием, при этом напряженность в магнитных потоках может быть усилена при их растяжении или скручивании. Растяжение, скручивание и сжатие осуществляется за счет энергии термоядерного синтеза, идущей в глубинах Солнца.

Солнечная система, облако Оорта и гелиосфера. Эта сложная система движется по галактической орбите и взаимодействует с галактическими газо-пылевыми облаками (сталкивается, и на границе столкновения образуется головная ударная волна).

Меридиональное течение потоков плазмы на поверхности Солнца выносит от экватора к полюсам огромные массы вещества (75% массы атмосферы Солнца составляет водород, около 25% – гелий, а на долю других элементов приходится менее 0,1%). На полюсах эти потоки уходят вглубь светила и образуют внутренний встречный противоток вещества. За счет такой циркуляции заряженной плазмы и работает солнечный магнитный генератор постоянного тока. На поверхности Солнца скорость движения потока вдоль меридиана составляет около 20 метров в секунду. Обратный противоток к экватору происходит в глубине атмосферы Солнца. Плотность охлажденной плазмы намного выше, поэтому скорость ее течения снижается до 1–2 метров в секунду. Этот медленный противоток несет вещество от полярных областей до экватора приблизительно за 20 лет. Магнитное поле Солнца ограничивает нашу солнечную систему гигантским "пузырем", образующим так называемую "гелиосферу". Гелиосфера простирается от 50 до 100 астрономических единиц (1 а.е. = 149 597 871 км) намного дальше орбиты Плутона. Все, что находится внутри этой сферы, является солнечной системой, а за ней – межзвезднвм пространством. Переполюсовка магнитного поля Солнца передается солнечным ветром в гелиосферу. Требуется около года, чтобы потоки плазмы от Солнца дошли до внешних границ гелиосферы, т.е. до облака Оорта.

 

Магнитосфера Земли защищает поверхность планеты и все живое на ней от солнечного ветра. Магнитное поле Земли искривляет траекторию частиц солнечного ветра, и они огибают Землю, при этом значительная часть частиц солнечной плазмы отбрасывается в межпланетное пространство и на Землю не попадает. А те частицы плазмы, которые все же попадают на Землю, входят в атмосферу Земли на магнитных полюсах планеты, вызывая полярные сияния. Но существуют и другие, менее очевидные связи солнечной активности с процессами на нашей планете.

По мнению доктора Ван дер Меера, температура нижних слоев атмосферы Солнца порядка 27 млн. градусов Фаренгейта, и за несколько последних лет она значительно поднялась. По его мнению, процесс разогрева нашего светила на протяжении последних 11 лет очень похож на изменения, происходящие в звездах перед взрывом Сверхновых. По его мнению, процесс глобального потепления на Земле, который мы наблюдаем в настоящее время, связан не с действием парникового эффекта, а как раз с разогревом Солнца. О необычных процессах, происходящих на Солнце, свидетельствуют и снимки гигантских протуберанцев, полученных солнечной и гелиосферной обсерваторией НАСА, ведущей непрерывные наблюдения за светилом из космоса. Но есть и другое мнение: повышение температуры в солнечном термоядерном реакторе вовсе не катастрофическое. Об этом, в частности, говорит то, что мощность потока нейтрино из недр Солнца в последние годы не увеличилась.

Если бы температура в термоядерном реакторе Солнца поднялась в два раза, то скорость ядерных реакций увеличилась бы пропорциональн 30-й степени температуры, и увеличившееся от этого давление в солнечном термоядерном реакторе должно было бы разорвать Солнце буквально за полчаса.

Гипотеза о том, что Солнце и Солнечная планетная система образовались из газопылевого диска, по-моему, неверна. На Солнце имеется мощная атмосфера, поэтому твердая поверхность его ядра нам не видна. Мощная атмосфера из водорода и гелия закрывают всю поверхность ядра Солнца. Даже на дне корональных дыр мы видим не поверхность твердого ядра, а верхнюю часть зоны термоядерного солнечного реактора – его радиационную зону.

Загадки Солнца разгаданы еще далеко не все. Его внутреннее строение остается тайной за семью печатями. Представления о том, что Солнце – это гигантский газовый шар, несостоятельны. Если бы у него не было твердого ядра, то оно не могло бы вращаться вокруг своей оси. Попробуйте раскрутить воздушный шарик, мыльный пузырь или сырое яйцо. Не крутится... Но если яйцо сварить, то оно очень легко вращается вокруг своей оси. Сжатие газового облака неправильной формы в шар под действием собственной гравитации тоже невозможно, так как это противоречит законам физики.

Примерно так выглядит Облако Оорта с одного из его астероидов. Это облако служит источником комет с длинным периодом обращения. Рисунок с сайта: http://pulman.livejournal.com/138018.html

Комета. Эти ледяные тела при приближении к Солнцу начинают испаряться. Гравитации их ядра не хватает для того, чтобы удержать образующуюся газовую атмосферу, и она вытягивается в виде хвоста и отстает от быстро движущегося ядра. Есть мнение, согласно которому кометы прилетают в пределы Солнечной системы из межзвездных просторов и потом долго вращаются вокруг Солнца по сильно вытянутым орбитам. Фото с сайта: http://www.neane.ru

Представим, что Солнце имеет размер футбольного мяча. Тогда Меркурий будет величиной с маковое зёрнышко на расстоянии 30 м от Солнца. Венера будет величиной со спичечную головку, на расстоянии 50 м. Земля, величиной с Венеру – на расстоянии 75 метров. Марс, вполовину спичечной головки, окажется на расстоянии 100 м; Юпитер, величиной с вишню, – на расстоянии 300 м; Сатурн, чуть поменьше вишни, – на расстоянии 750 м от футбольного мяча; Уран, с вишнёвую косточку, – на расстоянии 1500 м. Нептун, такой же величины как Уран, окажется на расстоянии более двух километров. И, наконец, Плутон, величиной с маковое зёрнышко, – на расстоянии трёх километров. И это еще не всё! Если в таком же масштабе представить, куда залетают кометы, то это будет километров до пятидесяти! Удивительно, что на таком расстоянии столь небольшое тело – Солнце – может удерживать другие тела висящими в пространстве, и еще заставлять их вращаться вокруг себя! Людям стоит задуматься о невероятной силе гравитации!

Схема с сайта: http://www.chaosandcorrelation.org В 1972 г. американцами был запущен космический аппарат Pioneer-10. Год спустя вслед за ним отправился Pioneer-11. К настоящему времени оба аппарата уже должны были находиться в дальнем космосе. Однако необычным образом их траектории сильно отклонились от расчетных. Что-то начало их тянуть (или толкать), в результате чего они начали двигаться с ускорением. Оно было крошечным – меньше нанометра в секунду, что эквивалентно одной десятимиллиардной доле гравитации на поверхности Земли. Но этого оказалось достаточно, чтобы сместить Pioneer-10 с его траектории на 400 тыс. километров. Pioneer-11 в период до 1995 г. отклонялся от траектории точно так же, как и его предшественник. Чем это было вызвано? Никто не знает. Возможно, причиной явился некий гравитационный эффект, о котором пока ничего не известно.

Космические аппараты «Вояджер» и «Пионер» за 30 лет прошли расстояние 100 а.е. Они перемещаются в пространстве вместе с Солнечной системой, так как находятся в гравитационном поле Солнца. По идее, они уже за границей Плутона, средний радиус орбиты которого составляет (R= 40 а.е.). Поскольку аппараты движутся в пространстве вместе с Солнечной системой, то скорость их должна быть выше скорости солнца (220 км/с). «Вояджер-1» пересёк гелиосферную ударную волну (англ. termination shock) в декабре 2004 г. на расстоянии 94 а. е. от Солнца. «Вояджер-2», хотя ещё не достиг данной границы, но получаемые от него данные свидетельствуют, что гелиосфера асимметрична – её южная часть примерно на 10 а. е. ближе к Солнцу, чем северная (вероятное объяснение – влияние межзвёздного галактического магнитного поля). «Вояджер-2», запущенный в 1977 году, пересек гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84,7 а.е. Ожидается, что аппараты пересекут гелиопаузу примерно через 10 лет после пересечения гелиосферной ударной волны.

На определенном расстоянии скорость солнечного ветра резко падает и перестает быть сверхзвуковой. Эта область (практически поверхность) называется границей ударной волны (termination shock, или termination shockwave). Это и есть граница, которую пересекли «Вояджеры». Можно считать ее границей внутренней гелиосферы. По некоторым определениям, гелиосфера здесь и кончается.

Торможение солнечного ветра за счет противодействия межзвездного газа должно было бы приводить к резкому повышению температуры и плотности плазмы ветра. Действительно, на границе ударной волны температура была выше, чем во внутренней гелиосфере, но все равно в десять раз меньше, чем ожидалось. Чем вызвано расхождение и куда уходит энергия, неизвестно.

В Солнечной системе столько разнообразия и различных особенностей, что почти невозможно понять, как появились эти особенности, если исходить из того, что система планет возникла из газопылевой туманности. Обилие комет, метеоритов, различия в направлениях и скоростях вращения планет – все это просто кричит о том, что в начале формирования планетной системы происходили процессы катастрофического характера. Детальной характеристике эволюции Солнечной системы я посвятил следующую главу.