Схилення, пряме сходження

Позагалактичні туманності мають спектри з лініями поглинання, які нагадують спектри зір спектральних класів A, F, або G, на які інколи накладаються емульсійні лінії характерні для свічення газових туманностей. Це говорить про те , що позагалактичні туманності являють собою системи, що складаються з зірок і дифузної матерії.

Неправильні галактики за спектром нагадують зорі спектральних класів A,F, спіральні –F,G, еліптичні – G,K. Це означає, що в спіральних і неправильних галактиках є відносно багато молодих гарячих зірок ранніх спектральних класів, а еліптичні галактики складаються із старих зірок пізніх спектральних класів подібно до сферичної підсистеми нашої Галактики.

Взаємодіючі галактики складаються із двох і більше (до 8) зоряних систем компонентів. Компоненти з’єднані між собою смугами світлової матерії, або занурені в хмару зірок, які створюють навколо них щось подібне на туман. В більшості випадків особливості взаємодіючих галактик вдається пояснити гравітаційними припливними впливами збоку членів системи.

2.Визначення віддалей до галактик

Існує декілька способів. Якщо в галактиці спостерігається добре вивчені об’єкти світимість яких відома за співвідношенням період – світимість. У нових зір абсолютна величина в максимумі біля – ,5, а у кульових скупченнях в середньому – . В цих випадках для визначення віддалей досить знайти видиму зоряну величину такого об’єкту і обчислити модуль віддалі, але тут необхідно врахувати міжзоряне поглинання світла.

Якщо перерахованих об’єктів не видно (дуже віддалені галактики), то про їх розміри судять за видимими кутовими розмірами, або за видимою зоряною величиною, але для цього необхідно знати розміри або світимості галактик даного типу.

Ще один спосіб: за червоним зміщенням лінії в спектрах далеких галактик.

Із спостережень виходить, що швидкість віддалення галактик від нас , що відповідає червоному зміщенню збільшується з віддалю так, що між і видимою зоряною величиною галактик однакової світимості існує лінійна залежність

(1)

В формулі (1) – виражено в мегапікселах (Мпс), – стала Хабла

мільярдів років

.

В даний час відомі найвіддаленіші галактики знаходяться на віддалі декілька мільярдів парсек.

3.Фізичні властивості галактик

Лінійні розміри (Л.Р)

Л.Р позагалактичних туманностей при відомій віддалі визначають на основі видимих кутових розмірів. Оскільки у більшості галактик немає різких меж і зоряна густина поступово спадає від центру, то результат визначення розмірів залежить від того до якої граничної яскравості вони спостерігаються. В найбільших галактиках спіральних і еліптичних галактиках спостерігаються на віддалях 15-20 Кпс від центра. У карликових системах розміри на порядок менші – 1-2 Кпс. Найбільші галактики мають фотографічну абсолютну зоряну величину , галактики типу S і E , що відповідає світимості мільярдів Сонць. Неправильні галактики – в 100 раз слабші.

Обертання галактик. За зміщенням або розширенням спектральних ліній встановили, що галактики обертаються. Період обертання зовнішніх частин галактики ~ років. Центральна частина галактики обертається як тверде тіло.

Маса галактик визначається на основі обертання зовнішніх її частин. Припускають, що обертання відбувається за законами Кеплера. Позначивши лінійну швидкість і прирівнявши доцентрове і гравітаційне прискорення одержимо

Якщо відома залежність швидкості обертання від віддалі до центра, то можна обчислити розподіл мас в галактиці.

Маси подвійних галактик оцінюють тими ж методами, що і маси подвійних зір (за швидкостями їх відносних рухів, які можна визначити за допплерівським зміщенням спектральних ліній). Основна маса галактик припадає на зорі пізніх спектральних класів для яких відношення маси до світимості більше 1. у спіральних і неправильних галактик це відношення лежить в межах від 1 до 10. Маси більшості спостережуваних галактик: мас Сонця. Середнє значення маси галактики (без карликових галактик): мас Сонця.

Ядра галактик – мало вивчені. Вони складають не значну частину галактик. В спектрах ядер поряд з лініями поглинання спостерігаються емісійні лінії газових туманностей. Часто ці лінії досить широкі, що говорить про наявність в самому центрі галактики об’єктів можливо не зоряної природи, які мають величезні запаси енергії. Розширення спектральних ліній визначається швидкостями з якими відбувається викидання речовини, що супроводжує виділення енергії. На основі характеру і швидкості цих рухів, а також світимості ядер судять про активність ядер галактик подібних до нашої.

Активність незначна. Це означає, що з їх центра відбувається відносно повільне витікання газу з швидкістю десятків .

В центральних областях сейфертівських галактик швидкість витікання газу досягає до .

(Сейфертівські галактики – галактики з активними ядрами; вперше докладно вивчені Сейфертом). Такі швидкості достатні для того, щоби газ покинув галактику. В ряді випадків спостерігаються згустки речовини викинутої з галактики.

С.Г – мають велику світимість ядер. ядра випромінюють декілька десятків відсотків енергії, що випромінює вся галактика. Половина випромінюваної енергії відбувається в спектральних лініях.

При викиданні речовини волокна газової матерії прослідкуються на віддаль до 3 Кпс від центрального згустку. Швидкість волокон, які розлітаються досягає до , а їх сумарна маса досягає до мас Сонця. В такій ситуації явно відбувається вибух, який надає газу кінетичної енергії до .

Активні ядра галактик часто виділяються посиленням потужності інфрачервоного і рентгенівського випромінювання. У Сейфгертівських галактик потужність рентгенівського випромінювання ~ .

4.Радіогалактики і Квазари

За останні 45 років відкрито близько 10000 дискретних джерел радіовипромінювання. Складено каталоги. Найвідоміший Кембріджський каталог (скорочене позначення ЗС).

Певна частина дискретних радіо джерел належить нашій Галактиці, деякі з них це залишки спалаху наднових зір (Телець А (крабоподібна туманність)). Джерелами радіовипромінювання є і галактики. Потужність їх радіовипромінювання в радіодіапазоні становить від світності галактики в оптичній частині спектра.

Найслабшими джерелами радіовипромінювання виявилися спіральні і не правильні галактики. Їх потужність в дециметровому діапазоні . еліптичних – в цьому ж діапазоні в 100 раз більша.

Об’єкти, потужність випромінювання яких у радіодіапазоні дорівнює або більша, ніж в оптичному називається радіогалактиками. Їх відомо декілька сотень. Найближче радіо джерело – Лебідь А, ототожнене з галактикою, що складається з двох ядер і протяжної оболонки. Відстань до цієї галактики » 330 Мпс. Однією з найдавніших галактик є ЗС 295 відстань до якої 2500 Мпс. Потужність випромінювання ~ .

До рададіогалактик середньої потужності відносять: джерело Діва А, ототожнене з гігантською еліптичною зіркою М87; джерело Кентавр А, яке на фотографіях виглядає сферичної форми перетятою потужною смугою поглинаючої речовини.

Випромінювання Р.Г має не тепловий характер. Атмосфера не проникна для хвиль довжиною більше 16-30 м.

Слабке місце радіотелескопів – низька точність з якою вони фіксують напрям на радіо джерела. Ця точність » 1¢

Багато радіогалактик є кратними (зони випромінювання радіохвиль розташовані з обох боків від оптичного об’єкта іноді на відстанях » десятки і сотні тисяч світлових років).

Наприклад: Кентавр А – має 4 зони випромінювання радіохвиль – по дві з кожного боку темної смуги і розташовані вряд майже перпендикулярно до згаданої смуги. Джерелами радіовипромінювання є хмари релятивіської плазми, викинуті з ядра галактики. Механізм прискорення частинок до швидкостей » швидкість світла нез’ясований.

Ще потужнішими джерелами радіовипромінювання є квазари– квазізоряні джерела. Вивчати квазари почали у 1960 р, коли точкове джерело ЗС 48 (сузір’я трикутника) вдалося ототожнити з зореподібним об’єктом . Спочатку були незрозумілими спектри цих об’єктів, бо вони не подібні один на одного і наявні в них емісійні лінії не відповідали жодному з хімічних елементів.

Виявили, що лінії в спектрі об’єкта ЗС 273 зміщені в червоний бік на , а в спектрі об’єкта ЗС48 на 0б37. це дало змогу обчислити віддалі та світимість цих об’єктів. Зараз відомо 4000 квазарів їх світність , що в 100-1000 раз перевищує світність найбільших галактик.

В спектрах квазарів спостерігаються емісійні лінії, типові для дифузних туманностей, а інколи і резонансні лінії поглинання.

Спочатку ототожнення цих ліній було утруднене незвичайним червоним зміщенням: в ряді випадків лінії звичайно розташовані в ультрафіолетовій області – виявились у видимій. Віддалі знайдені за червоним зміщенням ~ , що відповідає мільярдам років. Квазари – найвіддаленіші від нас об’єкти. Хоча існує думка, що причина червоного зміщення у квазарів інша ніж у далеких галактиках і можливо пов’язана з швидким віддаленням квазарів. Кутові розміри квазарів до цього часу не вдається обчислити жодними оптичними спостереженнями. Ці розміри можна оцінити за коливаннями світимості, які відбуваються неправильним чином час порядку року і менше (до тижня). Звідси можна зробити висновок, що розмір квазарів не може перевищувати шляху, який проходить світило за час зміни світимості і менші за 1 світловий рік, тобто не більше десятків тисяч а.о

Квазари багато в чому нагадують ядра галактик: малі, кутові розміри, розподіл енергії в спектрі, змінність оптичного і радіовипромінювання. Ряд особливостей зближує квазари з ядрами Сейфертівських галактик: сильне розширення емісійних ліній в спектрах, що вказує на рух з швидкостями . У деяких квазарів спостерігаються хмари викинутої речовини, що говорить про вибуховий характер явищ, що в них відбуваються.

Хімічний склад атмосфери квазарів мало чим відрізняється від складу атмосфер звичайних зір, але розподіл інтенсивності випромінювання у неперервному спектрі квазара і поляризація випромінювання вказують на синхронну природу випромінювання.

Особливістю квазарів є: значний надлишок випромінювання в інфрачервоній і ультрафіолетовій частинах спектра, змінність блиску з характерним часом близько року. поблизу деяких квазарів видно викиди – велетенські потоки речовини, що уподібнює квазари з радіогалактиками і галактиками Сейферта.

У 1965 р відкрили квазари – квазізоряні галактики. Ці об’єкти подібні до об’єктів але з меншим радіовипромінюванням. У наш час їх відносять до квазарів і вважають, що все це – недовговічні стадії розвитку галактики.

Інтерпретація властивостей квазарів зустрічає ряд труднощів: якщо ці об’єкти дуже далеко, то необхідно знайти дотепер невідомі процеси, які призводять до виділення величезної кількості енергії. Щоби позбавитись цих труднощів можна вважати квазари відносно близькими тілами, а великі червоні зміщення спектральних ліній віднести на рахунок явищ пов’язаних з швидким віддаленням. Можливо квазари – великі плазмові утворення з масами порядку мільярда сонячних, які випромінюють енергію і викидають гарячий газ внаслідок свого гравітаційного тиску.

Розподіл галактик в просторі

Якби галактики були розподілені в просторі рівномірно, то виконувалась би теорема Зелінгера

де – інтегральна функція блиску.

До 1934 р Хабл на фотографіях, отриманих на 2,5 – метровому телескопі, підрахував кількість галактик до на 1283 ділянках неба. Він виявив, що на один квадратний градус неба в середньому припадає 131 галактика з зоряною величиною до . Підрахунки показали, що на всій небесній сфері налічується до галактик до

В 6 – метровому телескопу доступні галактики до , а кількість таких галактик ~ . Хабл визначив, що теорема Зелінгера правильна для всіх вибраних напрямів. Це означає, що в середньому розподіл галактик у просторі не лише однорідний, а і ізотропний, тобто однаковий в усіх напрямах.

Але детальний аналіз показав, що у масштабах менших за 40 Мпс галактики утворюють групи і скупчення. Приклад скупчень: наша Галактика, туманність Андромеди (М 31), туманність Трикутника (М 33), Велика і мала Магелланові Хмари та ще декілька зоряних систем менших розмірів утворюють Місцеву групу в яку входить близько 35 галактик.

Кожна велика галактика має декілька супутників. Для Нашої Галактики це: Велика і Мала Магелланові Хмари та ще вісім карликових галактик.

Зараз відомо близько 4000 скупчень галактик, в яких налічується сотні і тисячі систем. В середньому діаметр такого скупчення до 8 Мпс. Одне із найбільших скупчень є скупчення в сузір’ї Волосся Вероніки і знаходиться на відстані ≈ 70 Мпс і займає ділянку діаметром ≈ 12º. В цьому скупченні налічується близько 40000 галактик. Дотепер вивчено всього близько 1 об’єму доступного для спостережень Всесвіту, але вивченого зроблено висновок: розподіл речовини у всесвіті має комірчасту структуру. Галактики розташовані у стінках комірок, розділених великими порожнинами (кавернами).

Як виявила група естонських вчених для всіх вивчених скупчень кінетична енергія галактик більша як у три рази перевищує енергію їх гравітаційної взаємодії. Якби це відповідало дійсності, то галактичні скупчення розвалювались би за 1 млрд. Років. Те, що скупчення існують і сьогодні свідчить про наявність у навколишньому світі прихованих речовин та маси, які концентруються у скупченнях галактик і утримують їх як єдине ціле у продовж при наймі 10 млрд. років. Ця ситуація називається віріальним парадоксом. (теорема про віріал: сума подвоєної кінетичної енергії і потенціальної енергії дорівнює нулю). Можливо, річ у тому, що галактики оточені швидкими протяжними оболонками – коронами із слабких карликових зір. Але не виключено, що скупчення галактик як єдині структури стабілізуються „нейтринними хмарами”, в які ці галактики неначе „вкраплені”. Ця гіпотеза виникла після того, як отримали певні свідчення, за якими нейтрино мають масу спокою, що не дорівнює нулю. Швидкості нейтрино приблизно через 300 років після початку розширення Всесвіту стають значно меншими від швидкості світла. Їх гравітаційна взаємодія призводила б до утворення до згаданих „хмар”. Існують гіпотези про існування принципово нових частинок, що залишаються невидимими для спостерігача та існування яких проявляється лише при їх гравітаційній взаємодії зі звичайною для нас речовиною.

ЛЕКЦІЯ 13

МОЖЛИВІСТЬ ІСНУВАННЯ ПОЗАЗЕМНОГО ЖИТТЯ У ВСЕСВІТІ. ІНШІ ВСЕСВІТИ.

1. Походження і розвиток Всесвіту

2. Про пошуки життя за межами Землі

3. Людина у Всесвіті

1. Походження і розвиток Всесвіту

1. Загальна теорія відносності - наріжний камінь моделі Всесвіту. Всі уявлення про будову та виникнення Всесвіту, що з'явили­ся у людства до 20-х років XX ст., можна вважати теоретичними мірку­ваннями, бо спостережні дані були вкрай обмежені. І все ж на основі цих даних повільно вимальовувалася картина «будівлі» Всесвіту. На основі роздумів про світ фізичних явищ, критичного аналізу механіки Галілея та Ньютона народилася теорія відносності Ейнштейна, якій було вготовано провести справжній переворот у фізиці.

Теорія відносності виходить з того факту, що всі вимірювання і зміни у просторі і часі відносні і залежать від конкретного спостерігача. Вони втра­чають абсолютне значення, а сама структура простору-часу визначається тим чи іншим розподілом мас у Всесвіті. В різних частинах Всесвіту простір по-різному викривлений, і час протікає з різною швидкістю.

У загальній теорії відносності (ЗТВ) Ейнштейна гравітація - не сила (що дивовижно на перший погляд), а тільки викривлення простору-часу. Тіла рухаються по викривлених траєкторіях не тому, що на них діє сила гравітації, - вони рухаються найкоротшим, «найшвидшим» шляхом у викривленому просторі-часі. А викривляють простір-час матеріальні тіла, подібно до того, як масивна кулька прогинає натягнуту плівку.

На самому початку...У 1922 році німецький журнал «Цайт-шрифт фюр фізік» надрукував статтю радянського вченого О. Фрідмана, в якій він аналізував космологічну теорію Ейнштейна. На відміну від Ейнштейна, який всупереч власним висновкам із ЗТВ відстоював стаціонарність Всесвіту, на основі уважного аналізу рішення рівнянь Ейнштейна Фрідману вдалося показати, що речовина у Всесвіті не може знаходитися в стаціонарному стані, і Всесвіт з часом змінюється.

За теорією Фрідмана можливі три варіанти розвитку Всесвіту: Всесвіт закритий, відкритий і пульсуючий. Всі ці варіанти мають те спільне, що в якийсь момент часу в минулому (10 чи 20 млрд років тому) відстань між сусідніми об'єктами ьсесвіту мусила бути рівною нулю. В цей момент, який називається Великим Вибухом, густина Всесвіту і кривизна простору мали бути нескінченно великими, тобто Всесвіт мав бути точ­кою, яку математики називають сингулярною.У сингулярній точці всі сучасні закони фізики втрачають свою дію, а тому цю точку можна роз­глядати як математичний образ нової фізичної реальності.

В теоретичному плані сингулярність відображає «особливий» фізичний стан, у якому густина речовини, кривизна простору-часу і температура нескінченні: вся надгаряча космічна матерія буквально зібрана в точку.

Процес переходу космічної матерії з цього «точкового» стану на стадію розширення і є Великим Вибухом. Від цієї часової межі почи­нається історія нашого Всесвіту. Що передувало Великому Вибуху -невідомо, бо людський розум поки що безсилий підняти завісу над таємницею початкової сингулярності.

3. * Історія дуже раннього Всесвіту.Отже, в момент Велико­го Вибуху розміри Всесвіту були близькими до нуля, менші за 10 ³³ см, а всі чотири фундаментальні сили природи - гравітація (характерна для кожного тіла і залежна від його маси чи енергії), електромагнітна (об'єднує електрично заряджені частинки), слабка (властива для все-проникних нейтрино) і сильна (об'єднує протони і нейтрони в ядрі ато­ма) - були об'єднані.

Відлік часу починається від 10 ⁴³ с. У цей час, згідно з припущення­ми, гравітація відділяється від трьох інших фундаментальних сил, а во­ни за надзичайно високої енергії утворюють єдину силу.

Період від 10~⁴³ с до 10~³⁵ с називається епохою Великого об'єднання. До кінця цієї епохи, за теоретичними міркуваннями, деякі області Всесвіту переохолодилися і знаходились в особливому стані, який називається псевдовакуумом або «хибним вакуумом».

У звичайному розумінні вакуум - це порожній простір, у якому практично відсутні будь-які частинки. Фізичний, реальний вакуум не порожній. Він заповнений полями та віртуальними частинками, які час від часу матеріалізуються.

От же, в першу мить народження Всесвіту гравітаційне відштовху­вання переважало над гравітаційним тяжінням, під дією анти-гравітаційних сил вакууму і почалось його розширення. Воно відбува­лось так стрімко, що отримало спеціальну назву - роздування або інфляція. Саме одна з областей вакууму, яка пройшла фазу інфляції і яка спершу була набагато менша протона, а за мить досягла розмірів апельсина, і стала маленьким Всесвітом.

Період від 10~⁴³ с до 10~³⁵ с називається епохою Великого об'єднання. До кінця цієї епохи, за теоретичними міркуваннями, деякі області Всесвіту переохолодилися і знаходились в особливому стані, який називається псевдовакуумом або «хибним вакуумом».

Деякий час Всесвіт перебував у так званому рівноважному стані. Відбувалось народження та анігіляція частинок з античастинками з виділенням енергії у вигляді квантів світла. Але розширення тривало, температура продовжувала знижуватись, і масивних частинок утворю­валось дедалі менше.

Згодом кількість анігіляцій перевищила кількість народжених части­нок, всі античастинки знайшли собі пару і анігілювали, перетворившись на кванти світла, а частинки без пари залишились - одна частинка на мільярд квантів! У Всесвіті залишилась тільки речовина, а антиречо­вина зникла.

Ранній Всесвіт. Нарешті температура знизилася настільки, що пари масивних частинок перестали народжуватися зовсім. Енергії вистачало лише на утворення легких частинок - лептонів.

Почалась ера лептонів. Через 10"⁴ с Вресвіт став схожим на густий суп, у якому випромінювання (фотони) було змішане з лептона­ми (в основному електронами, позитронами, нейтрино і антинейтрино) і протонами та нейтронами. У цей період досі зв'язані нейтрино ви­вільнилися і розлетілися у просторі.

Через 1 секунду після Великого Вибуху, коли температура впала до 10 млрд К, почалась анігіляція електронів і позитронів з виділенням ко­лосальної кількості фотонів. Цей процес тривав 9 с і через 10 с після по­чатку Великого Вибуху випромінювання вже переважало над речови­ною - почалась ера випромінювання.

Через 1 млн років, при подальшому розширенні та охолодженні ре­човини до температури 3 000 К, в результаті об'єднання електронів і протонів утворились атоми водню - найпростішого і найпоширенішого хімічного елемента у Всесвіті. Випромінювання відділилось від речови­ни і у вигляді фотонів розлетілося у просторі. Всесвіт став прозорим.

Настала наступна ера в історії Всесвіту - ера речовини, яка триває і дотепер.

Реліктове випромінювання. Випромінювання, що виник­ло на ранніх етапах розвитку Всесвіту, мусить і зараз знаходитися в ньому у вигляді фонового космічного або реліктового випромінювання. От тільки відтоді через триваюче розширення воно значно охолодилось і, за розрахунками, мусить мати температуру біля З К.

Народження галактик. Після того як випромінювання відо­кремилось від речовини, Всесвіт складався із суміші атомів і випроміню­вання, тобто був наповнений гарячим газом. Можливо, цей газ не був абсо­лютно однорідним. Можливо, у ньому були ущільнення і розрідження. Хоча остаточно це питання залишається нез'ясованим.

Врахуємо тепер, що зі збільшенням щільності згустка речовини зро­стає сила гравітації, що діє на нього. А тому будь-яка неоднорідність ре­човини має тенденцію до нарощування. З часом такі ущільнені хмари відокремились одна від одної і перестали брати участь у розширенні. Гравітація міцно тримала кожну з них групою, а розширення проявля­лось у зростанні відстані між ними.

Велетенські й дуже масивні згустки дробились на менші, кожний з яких продовжував ущільнюватись. З таких згустків через 1 млрд років після Великого Вибуху і утворилися надскупчення, скупчення галак­тик, окремі галактики, а в галактиках - окремі зорі.

2. Про пошуки життя за межами Землі

Попри недостатність надійної інформації, людство завжди за­мислювалось над таємницею походження життя і Всесвіту. Кожна цивілізація минулого створила свої міфи про виникнення світу і людини. Сучасна цивілізація також проявляє безмежну зацікав­леність у цих питаннях. Як і колись, людство сподівається на мож­ливість існування життя ще де-небудь окрім Землі - на планетах Соняч­ної системи чи взагалі поза її межами, серед зоряних світів. І сьогодні, коли автоматичні станції досліджують міжпланетний простір, а деякі з них вже летять у напрямку далеких зір, проблема існування та пошуку життя у Всесвіті стала ще більш актуальною і хви­люючою. Та перш ніж обміркувати ці проблеми, потрібно задатись іншими питаннями.

Що таке життя? Даючи відповідь на це питання, зауважимо спочатку, що визначення терміну «життя», як і всі подальші міркуван­ня стосовно умов його виникнення, тривалого існування і еволюції, спираються на один-єдиний приклад - знання про життя на Землі. Іншого прикладу у нас поки що немає.

Основні властивості живого такі. Все живе здатне до самовідтворен­ня, тобто до розмноження: клітини діляться, рослини дають насіння, тварини народжують дитинчат тощо; все живе підтримує своє існуван­ня за рахунок навколишнього середовища - поглинає енергію (чи то со­нячну, чи з інших джерел), дихає, харчується; все живе збирає, зберігає і переробляє інформацію про зовнішнє та внутрішнє середовище з тим, щоб зберегти і підтримати свої власні характеристики; зібрана інфор­мація кодується надзвичайно складними і великими молекулами.

Іншими словами: життя - це високоорганізований стан речови­ни, здатний до самовідтворення за допомогою певним чиним кодованих молекул і до обміну з навколишнім середовищем речовиною, енергією та інформацією.

Життя на Землі грунтується на сполуках вуглецю, розчинником для яких слугує вода. Керуючись процесами самовідтворення нуклеїнової кислоти - ДНК, які за величезного розмаїття усього живого використовують для програмування індивідуального розвитку організмів однакову "мову" - один і той же генетичний код.

Така біохімічна єдність свідчить про те, що всі прояви життя на Землі виникли значною мірою однаковими шляхами і мають спільних пращурів.

В численних лабораторних експериментах вже давно було пока­зано, що для утворення складних органічних молекул, які переду­ють виникненню життя, необхідні наступні умови: наявність у складі небесного тіла всіх хімічних елементів, які входять до складу живого; відповідний температурний режим, що забезпечує перебу­вання води у газоподібному і рідкому стані; відсутність кисню в ат­мосфері планети, бо за його наявності утворюється озоновий екран, що поглинає сонячний ультрафіолет, який, руйнуючи електронні оболонки атомів, дає їм змогу об'єднуватись у складні пе-редбіологічні молекулярні сполуки. Як тільки ці умови виконано, в силу добре відомих законів фізики та хімії негайно починається ут­ворення складних органічних сполук. Тож напевне, початок життя на планеті Земля був цілком закономірним явищем, бо на ній ре­алізувалися всі необхідні початкові умови. Є три особливості, які роблять Землю унікальною серед інших пла­нет: віддаль від Сонця, розміри і (що, можливо, менш істотно) відносно велика маса природного супутника Місяця. Всі три характеристики ви­явились важливими для існування і розвитку життя.

Земля знаходиться від Сонця на дуже зручній віддалі -149 600 000 км. Саме на цій відстані середня температура на поверхні така, що дозволяє воді, яка входить до складу тіл живих істот, знаходи­тись у рідкому стані, а не у вигляді льоду чи водяної пари.

Якби Земля знаходилась на місці Венери, то велика кількість радіації від Сонця врешті-решт зробила б її схожою на Венеру з потуж­ною атмосферою з вуглекислого газу і занадто високою для існування життя температурою.

Якби Земля перемістилась на орбіту Марса, то зменшення кількості сонячного тепла викликало б охолодження океанів і збільшення площі полярних шапок, що зрештою перетворило б її на неконтрольований хо­лодильник з занадто низькою для існування життя температурою.

Відносно розмірів також зрозуміло. За більших розмірів Земля ма­ла б більшу масу, і більшу силу тяжіння. Тоді її атмосфера нагадувала б атмосферу планет-гігантів - Юпітера чи Сатурна - і для життя була б непридатною. За менших розмірів і маси, як у Меркурія, Земля взагалі не могла б утримати атмосферу.

5. Оптимістичні прогнози.Побачити планети біля інших зір дуже важко, бо їхня яскравість набагато менша, ніж яскравість основ­ного світила. Та все ж є кілька методів, які дозволяють виявити на­явність планет, навіть не бачачи їх. Основним серед них є метод проме­невих швидкостей, який за сучасних методик дозволяє реєструвати ко­ливання променевої швидкості зорі навіть у 3 м/с за рахунок наявності невидимого компонента.

Використовуючи цей метод, 1995 р. два швейцарських дослідники М. Майор і Д. Квелоц оголосили про відкриття першої позасонячної планети. Планета масою 0,47 маси Юпітера знаходиться біля непримітної зорі 51 Пегаса і обертається навколо неї з періодом лише 4,2 земних доби. Відтоді до кінця XX ст. було відкрито близько п'яти десятків планет біля зір у радіусі до двохсот світлових років від Сонця. Для пошуків використовуються найпотужніші сучасні наземні оптичні телескопи, такі як 10-метрові «Кек-І» і «Кек-ІІ» та інші.

Разом з тим продовжують плануватися роботи за програмою SETI (від англ. «Search for ExstraTerrestrial Intelligence* - «пошук позазем­ного розуму»), започатковані ще 1960 р. Ф. Дрейком під більш пре­тензійною назвою СЕТІ - «зв'язок з позаземним розумом». І якщо спо­чатку пошуки велися в основному в радіо- і оптичному діапазоні, то те­пер щораз більша увага приділяється рентгенівському і гамма-діапазо-нам, як таким, що мають високу здатність передавати велику кількість інформації за одиницю часу. Винесення за межі атмосфери рент­генівських та гамма-приймачів вирішує проблему прийому та передачі сигналів на цих частотах. Окрім цього, можливо, у XXI ст. будуть вико­ристовуватися й інші канали зв'язку, такі як нейтрино і гравітаційні хвилі. Обидва канали відзначаються великою проникною здатністю: інформація майже не розсіюється в просторі, а отже, без значних втрат може доносити послання до адресата через колосальні відстані міжзо­ряного, і навіть міжгалактичного простору.

Песимістична точка зору. Але серед дослідників є й такі, хто досить скептично оцінює імовірність знайти життя і розум у Всесвіті. Адже мало того, що всі відомі позасонячні планети мають за­надто великі маси, вони ще і рухаються по занадто витягнутих орбітах, що призводить до коливань температур, які виходять за межі припусти­мого для збереження життя. І скоріше за все Сонце з його планетною си­стемою, де колові орбіти акуратно вкладені одна в одну, і сама Земля -це екстраординарна рідкість у Всесвіті.

У своїх доказах, окрім багатьох інших аргументів, вони спираються також на дані спектральних досліджень околиць нашої Галактики. Ці дослідження вказують на бідність вмісту в зорях їхнього зоряного насе­лення таких необхідних для виникнення життя елементів, як залізо, магній і кремній. Ці елементи, утворюючись в ході термоядерних ре­акцій, розсіюються із надр зір під час їхніх вибухів. Але такі вибухи є величезною рідкістю на межі нашої зоряної системи.

Таким чином, Земля, на якій є не просто життя, а життя розумне, уявляється унікальним витвором природи і чи не єдиним носієм того дивовижного збігу космічних обставин, що забезпечили появу життя і розуму. І якщо Молочний Шлях справді позбавлений присутності інших представників розумного життя, то важливо робити все, щоб збе­регти його бодай на Землі.

3. Людина у Всесвіті

Можливо, в іншому Всесвіті, що має інші властивості, ми просто не змогли б з'явитись, і такий «інший» Всесвіт нікому було б спостерігати і вивчати.

1. Антропний принцип. Антропний принцип (АП, від грец. «антропос» - «людина») уперше проголосив фізик Б. Картер 1974 р. Його формулюють так: «Ми існуємо, тому що Всесвіт такий, який він є».

Основна ідея антропного принципу - ідея зв'язку між існуванням людства і фундаментальними властивостями Всесвіту. Сам по собі цей принцип ще нічого не пояснює. Але він дає новий напрямок досліджень, сприяє постановці та вивченню ряду питань, на які раніше не звертали особливої уваги. Одне з цих запитань - які саме властивості Всесвіту забезпечують наше існування?

2. Життя і фундаментальні константи. Багаторічна практика астрономічних та астрофізичних спостережень і здоро­вий глузд привчили нас до думки, що картина навколишнього світу, яку ми бачимо, сама собою зрозуміла і єдино можлива, що інакше і бути не може.

Проте насправді це далеко не так. Як показують теоретичні дослідження, структура нашого Всесвіту дуже нестійка по відно­шенню до його основних фундаментальних констант. Навіть за неве­ликих відхилень від їхніх наявних значень Всесвіт мусив би повністю змінити свій вигляд. Його будова, починаючи від елемен­тарних частинок і закінчуючи надскупченнями галактик, спрости­лася б, а значні структурні складові зникли б. Ці константи забезпе­чили такий процес еволюції Всесвіту, за якого виникла можливість утворення складних систем і складних форм руху матерії, а отже, життя і людини.

Проблема існування інших всесвітів. Питання про нескінченну кількість можливих всесвітів у фізиці та космології, як і всяка інша нова проблема, стикається з неясностями. Якщо інші всесвіти існують, то їхнє існування підкоряється принципово іншим законам, ніж існування нашого Всесвіту. А це означає, що ми аж ніяк не можемо отримати від них інформацію, адже фізичний зв'язок між різними об'єктами можливий тоді, коли вони живуть за подібними за­конами.

Як же здійснити зв'язок з тим, що принципово не схоже на наш світ? Окремі вчені припускають, що такими каналами зв'язку можуть слугувати сингулярності, які в нашому Всесвіті мають місце у випадку чорних дір. Можливо, що бар'єри простору-часу, які відокремлюють наш Всесвіт від інших всесвітів, не такі вже й неприступні. Не виключено, що з часом вони будуть подолані наукою і виведуть наші уявлення про Космос на якісно новий рівень.

Ще 1934 р. австрійський вчений К. Гедель сформулював теорему про неповноту наших знань, яка проголошує: «Жодна система не може бути пізнаною до кінця зсередини - поза зв'язком її з іншими система­ми вищого порядку». Це означає, що неможливо вичерпно описати світ, у якому живе людина, зокрема - описати причину появи та існування Всесвіту, не вийшовши за його межі. А тому з'являється дедалі більше підстав вважати, що без концепції інших всесвітів, що існують водно­час у матеріальному Космосі, вже важко обійтись, оскільки вона дозво­лить зрозуміти властивості нашого Всесвіту.

Схилення, пряме сходження

В астрономії відомі кілька систем небесних координат — горизонтальна, перша і друга екваторіальні. Для визначення координат зір найчастіше застосовують другу екваторіальну систему координат. Вона має дві координати (мал. 3):

Схилення δ – кутова відстань світила від небесного екватора. Воно змінюється в межах ± 90° і вважається додатним на північ від екватора і від'ємним на південь.

Пряме сходження а відлічують по дузі небесного екватора від точки весняного рівнодення X проти годинникової стрілки, якщо дивитися з Північного полюса.

Воно змінюється в межах від 0° до 360° і називаються так тому, що зорі на небесному екваторі сходять(і заходять) у порядку зростання їх прямого сходження. Оскільки це явище пов’язано з обертанням Землі, то пряме сходження прийнято виражати не в градусах, а в одиницях часу. 360° – це 24год, 15° – 1год, 1° – 4хв, 15'– 1хв, 15"– 1с.

Y – позначення точки весняного рівнодення, знак сузір'я Овен. Внаслідок прецесійного руху осі обертання Землі (період 26 000 років) точка весняного рівнодення в наш час змістилась із сузір'я Овен у сузір'я Риби, а, приблизно, через 600 років зайде в сузір'я Водолія.

Визначення географічної широти за астрономічними спостереженнями.

Кутова відстань полюса світу від горизонту дорівнює географічній широті місцевості h_p=φ.

Для північної півкулі полюс світу майже збігається з Полярною зіркою. Щоб визначити географічну широту місцевості, досить виміряти висоту Полярної зірки над горизонтом.

Добовий рух світил на різних широтах

Із зміною географічної широти місця спостереження змінюється орієнтація осі обертання небесної сфери відносно горизонту.

На полюсі Землі полюс світу знаходиться в зеніті, і зорі рухаються по колах, паралельних горизонту (мал. 4а). Тут зорі не заходять і не сходять, їх висота над горизонтом незмінна.

На середніх географічних широтах зорі сходять і заходять, але є йтакі, що ніколи не опускаються під горизонт (мал. 4б). Якщо схилення світила δ > 90° φ , то воно перебуває над горизонтом цілодобово (не заходить). Якщо δ < –(90° –φ), то світило над горизонтом взагалі не з'являється (не сходить).

Так, навколо полярні сузір'я на географічних широтах України ніколи не заходять. Сузір'я, розташовані далі від Північного полюса світу, ненадовго показуються над горизонтом, а сузір'я, які лежать біля Південного полюса світу, не сходять.

На земному екваторі, якби вдень не заважало Сонце, за добу можна було б побачити сузір'я всього зоряного неба (мал. 4в).

Висота світил у кульмінації

Полюс світу при обертанні Землі навколо осі займає незмінне положення над горизонтом на даній широті. Зорі за добу описують над горизонтом навколо осі світу кола, паралельні небесному екватору. При цьому кожне світило за добу двічі перетинає небесний меридіан.

Явища проходження світил через небесний меридіан називається кульмінаціями. У верхній кульмінації висота світила максимальна, у нижній – мінімальна. Проміжок часу між кульмінаціями дорівнює половині доби.

У світила М, яке на даній широті не заходить, видно обидві кульмінації (рис.4б). У зір, які сходять і заходять (Ml, M2), нижня кульмінація відбудеться під горизонтом. У світил, що не сходять, обидві кульмінації невидимі.

Момент верхньої кульмінації центра Сонця називається справжнім полуднем, а момент нижньої кульмінації – справжньою північчю. Висота світила у верхній кульмінації

h=90⁰ –φ+δ

де φ – широта місцевості, δ – схилення зорі.

Географічну широту можна визначити, вимірюючи висоту будь-якого світила з відомим схиленням у верхній кульмінації. При цьому слід враховувати, що коли світило в момент кульмінації знаходиться на південь від екватора, то його схилення від'ємне.

4. Екліптика. Видимий рух Сонця і Місяця Екліптика, характерні точки

У даній місцевості кожна зоря кульмінує завжди на одній висоті. Внаслідок обертання Землі навколо Сонця і Місяця навколо Землі висоти кульмінації Сонця і Місяця змінюються щодоби. Отже, їх положення відносно зір (схилення) змінюється.

Екліптика — велике коло, по якому рухається на небі Сонце протягом року відносно зір. Цей видимий рух Сонця обумовлений рухом Землі по орбіті (мал. 5).

Рухаючись по екліптиці, Сонце двічі на рік буває на небесному екваторі у так званих точках рівнодення. Точка весняного рівнодення Y – точка перетину екліптики Сонця і небесного екватору східній півкулі (21 березня – день весняного рівнодення). Точка осіннього рівноденняΩ – точка перетину екліптики і небесного екватора в західній півкулі (23 вересня – день осіннього рівнодення).

У днірівнодення шлях Сонця над горизонтом дорівнює його шляху під горизонтом, отже, тривалість дня і ночі однакові (рис. 6 ). Схилення Сонця δ = 0.

Площина, яка проходить через екліптику, називається площиною екліптики. Площина екліптики перетинає площину екватора під кутом ε = 23,5°.

В день літнього сонцестояння (22 червня)Сонце знаходиться найдалі від небесного екватора в бік північного полюса світу. Його схилення δ_л = 23,5°. Його висота у верхній кульмінації найбільша. Опівдні для північної півкулі Землі Сонце знаходиться найвище над горизонтом, день найдовший.

Полуденна висота Сонця в Києві в цей день

h_л = 90° – φ + δ = 90° – 50,5° + 23,5° = 63°.

У день зимового сонцестояння (22 грудня)Сонце знаходиться найдалі від небесного екватора в бік південного полюса світу. Його схилення δ₃ = –23,5°. Висота Сонця у верхній кульмінації найменша, і день найкоротший.

Полуденна висота Сонця у Києві в день зимового сонцестояння

h₃ = 90° – φ + δ = 90° – 50,5° – 23,5° = 16°.

Зодіакальні сузір'я

Рухаючись разом із Землею по орбіті протягом року, ми спостерігаємо Сонце на небі у різних напрямках на тлі різних сузір'їв. Якщо кожного дня позначати положення центра Сонця відносно далеких зір, то можна отримати велике коло небесної сфери, яке називають екліптикою. Річний шлях Сонця на небі вздовж екліптики пролягає через сузір'я, які здавна мають назву зодіакальних (від грецького слова «зоон» – тварина), а їх сукупність називається поясом Зодіаку. Астрономи Давнього Вавилону поділили екліптику на дванадцять рівних відрізків по 30°, кожний з яких отримав назву того сузір'я, в межах якого він знаходиться. Знак Зодіаку – це знак того зодіакального сузір'я, під яким народжується людина.

Кожне з 12 сузір'їв Сонце проходить орієнтовно за місяць. Точка весняного рівнодення Y лежить у сузір'ї Риб. Знаки Зодіаку відлічуються уздовж екліптики на схід від точки Y. Першим є знак Овна (21 березня – 21 квітня), другим – знак Тельця (22 квітня – 21 травня) і так далі.

Насправді Сонце за рік проходить через 13 сузір'їв, перебуваючи в них різний час. Термін перебування Сонця в цих сузір'ях не збігається з датами, наведеними в гороскопах.

З 1 по 18 грудня Сонце перебуває в сузір'ї Змієносця, яке до зодіакальних не входить. Якщо ви бажаєте дізнатись, під яким сузір'ям народились, подивіться в таблицю.

Рух Сонця через Зодіакальні сузір'я

Видимий рух Місяця

Місяць рухається навколо Землі в той самий бік, в який Земля обертається навколо своєї осі. Результат цього руху – видиме переміщення Місяця на тлі зір назустріч обертанню небесної сфери. Щодоби Місяць зміщується на схід відносно зір орієнтовно на 13°, а через 27,3 доби описує повне коло на небесній сфері.

Період обертання Місяця навколо Землі відносно зір називаєтьсязоряним або сидеричним місяцем (від лат. sidus – зоря). Він становить 27,3 доби.

Фази Місяця – зміна зовнішнього вигляду Місяця для спостерігача на Землі. Відбувається це тому, що Місяць займає різні положення відносно Землі і Сонця, яке його освітлює. Вирізняють чотири найголовніші фази: новий Місяць, перша чверть, повний Місяць (повня), третя чверть.

Синодичний місяць – проміжок часу між двома послідовними однаковими фазами Місяця. Він дорівнює 29, 5 доби.

Період обертання Місяця навколо осі дорівнює періоду обертання його навколо Землі. Тому ми бачимо завжди тільки одну півкулю Місяця.

Сонячна доба на Місяці дорівнює синодичному періоду – близько 2 земних тижні день і2 земних тижні ніч.

5. Сонячні та місячні затемнення

Сонячне затемнення відбувається тоді, коли тінь від Місяця потрапляє на поверхню Землі (мал. 7). Розрізняють 3 типи сонячного затемнення: повне, часткове, кільцеподібне.

Повне сонячне затемнення видно лише для спостерігача, який знаходиться всередині плями місячної тіні. Діаметр цієї плями на поверхні Землі не перевищує 250км. Там, де на Землю падає півтінь Місяця, спостерігається часткове затемнення Сонця.

Повне затемнення Сонця триває не більше 7,5 хвилин, разом з частковими фазами може тривати більше двох годин.

Сонячних затемнень на рік для Землі може бути від двох до п'яти, в останньому випадку часткових. В одному конкретному місці Землі повне сонячне затемнення трапляється один раз у 200 – 300 років.

Затемнення Сонця можуть відбуватися тільки у фазі нового Місяця.

Місячне затемнення відбувається тоді, коли Місяць потрапляє в тінь Землі (мал. 8). Місячне затемнення видно на всій нічній півкулі Землі і для всіх точок цієї півкулі воно починається і закінчується водночас.

Мал. 8. Схема місячного затемнення

Фаза повного затемнення триває до 1год 40хв, а все місячне затемнення – більше 3годин.

Місячні затемнення можуть відбуватися тільки у фазі повного місяця, бувають 2–3 рази на рік, а можуть і зовсім не бути.

Якби площина місячної орбіти збігалася з площиною екліптики, кожного молодика відбувалося б сонячне, а кожного повного місяця – місячне затемнення. Але ці площини перетинаються під кутом 5°9', точки перетину називаються вузлами місячної орбіти. Тому Місяць проходить або вище, або нижче від площини екліптики, і затемнень не буває.

Затемнення можливі, коли повний місяць і молодик перебувають поблизу одного з вузлів своєї орбіти, недалеко від екліптики.

Сарос – проміжок часу, через який повторюється послідовність сонячних і місячних затемнень. Сарос становить 18 років 10,3 (або 11,3) доби (залежно від кількості високосних років в періоді).

Впродовж кожного саросу буває 43 сонячних і 25–29 місячних затемнень. На певній географічній широті те ж затемнення повторюється через 3 сароси.

Запитання для самоконтролю:

1. Що таке сузір'я і скільки їх налічується на небі Землі?

2. Що таке видима зоряна величина?

3. Що таке небесна сфера? Назвіть основні точки і лінії небесної сфери.

4. Які системи небесних координат вам відомі?

5. Дайте визначення координат другої екваторіальної системи.

6. Як за виглядом зоряного неба і його обертанням встановити, що ви прибули на Північний полюс Землі?

7. Чим відрізняється добовий рух зір для спостерігача, що знаходиться на екваторі і в середніх широтах?

ЛЕКЦІЯ №5

План лекції.

1.Визначення відстаней і розмірів тіл у сонячній системі

2.Час і календар

3.Зоряний та сонячний час

4.Геліоцентрична система. Конфігурація планет.

5.Закони Кеплера. Геліоцентрична система світу

Література. Л4 (ст.19–25); Л5 (ст.21–23; ст.27–29; ст.42–49)

1. Визначення відстаней до небесних світил

Відстані до небесних світил можна визначити за допомогою радіолокації і подати їх в кілометрах, або в радіусах Землі (відстань від Землі до Місяця дорівнює 60 радіусам Землі ), або в астрономічних одиницях (від Землі до Сонця 1а.о.).

Геометричний спосіб визначення відстаней ґрунтується на явищі паралактичного зміщення. Паралактичним зміщенням називається уявне зміщення світила внаслідок дійсного переміщення спостерігача.

Горизонтальний паралакс – це кут, під яким із світила видно радіус Землі, перпендикулярний до променя зору (або кут між напрямом на світило з якої-небудь точки земної поверхні і напрямом із центра Землі).

Річний паралакс – кут, під яким із зорі видно радіус земної орбіти.

Одиниці вимірювання відстаней:

Астрономічна одиниця (а.о.) дорівнює середній відстані від Землі до Сонця. 1а.о.= 149 600 000км.

Ø Парсек (пк) – відстань, з якої середній радіус земної орбіти видно під кутом 1" (одна секунда). Назва походить від слів «паралакс» і «секунда».

Ø Світловий рік(св.р.) – відстань, яку проходить світло за один рік, поширюючись зі швидкістю 300 000 км/с.

Визначення лінійних розмірів світил за їх кутовими розмірами

Відстань між центрами Землі і небесного світила (мал. 12)

Тоді

Оскільки кути р і δ малі, то

Цей спосіб визначення розмірів світил можна застосувати тільки тоді, коли видно диск світила. Лінійний радіус світила можна обчислити за формулою . Кут виражений у радіанах.

Рух небесних тіл під дією сил тяжіння

За законом всесвітнього тяжіння, усі тіла у Всесвіті притягуються одне до одного з силою, прямо пропорційною добутку їх мас і обернено пропорційною квадрату відстаней між ними.

G – гравітаційна стала. Закон всесвітнього тяжіння пояснює рух планет і комет навколо Сонця, рух супутників навколо планет, рух подвійних і кратних зірок навколо центра мас. Ньютон встановив, що вигляд орбіти, яку описує тіло, залежить від його швидкості в даному місці орбіти (мал. 13).

· Перша космічна швидкість. Тіло, що набуло такої швидкості, рухається по коловій орбіті навколо центра тяжіння. Перша космічна швидкість поблизу поверхні Землі км/с.

· Друга космічна швидкість.

Рух тіла відбувається по параболі відносно центра тяжіння. км/с біля поверхні Землі.

При v_І < v < v_ІІ штучний супутник рухається навколо Землі по еліпсу. Чим більше початкова швидкість, тим більший витягнутий еліпс. При початковій швидкості v = v_ІІ еліпс перетворюється на параболу і космічний корабель відходить від Землі назавжди і може стати супутником Сонця.

· Третя космічна швидкість.Траєкторія руху тіла при v > v_ІІ є гіпербола. Якщо космічному апарату, який рухається по орбіті Землі, надати третьої космічної швидкості v_ІІІ 16,6 км/с, то він покине межі Сонячної системи.

Збурення в русі планет

Закони Кеплера і закон всесвітнього тяжіння точно виконуються лише тоді, якщо розглядати рух двох ізольованих тіл під впливом їх взаємного притягання. В Сонячній системі більше двох взаємодіючих тіл, і ці закони лише наближено описують рух планет.

Відхилення від руху, що відбувається точно за законами Кеплера, називаються збуреннями.