Зачем это нужно
Где мы находимся во Вселенной? Откуда взялись Солнце, Земля и атомы, из которых мы состоим? Как давно всё началось? Эта тема — обзор того, что физика и астрономия знают о мире в самых больших масштабах. Здесь сходятся почти все темы курса: закон всемирного тяготения удерживает планеты, ядерные реакции зажигают звёзды, а спектры и электромагнитные волны приносят информацию из глубин космоса.
Масштабы
Расстояния в космосе так велики, что километры неудобны:
- астрономическая единица (а. е.) — среднее расстояние от Земли до Солнца, около 150 млн км;
- световой год — путь, который свет проходит за год: около км.
Свет от Солнца идёт до нас 8 минут, от ближайшей звезды (Проксимы Центавра) — 4,2 года, а от далёких галактик — миллиарды лет. Глядя в телескоп, мы буквально видим прошлое.
Солнечная система
В центре — Солнце, в нём 99,8 % массы системы. Вокруг обращаются восемь планет:
| Группа | Планеты | Особенности |
|---|---|---|
| земной группы | Меркурий, Венера, Земля, Марс | небольшие, твёрдые, каменные, мало спутников |
| планеты-гиганты | Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун | огромные, газовые и ледяные, много спутников, кольца |
Кроме планет есть малые тела: карликовые планеты (Плутон, Церера), астероиды (большинство — в поясе между Марсом и Юпитером), кометы с ледяным ядром и хвостом, метеорные тела. Метеорное тело, сгорающее в атмосфере, видно как «падающая звезда» (метеор), а долетевшее до земли называется метеоритом.
Происхождение. Около 4,6 млрд лет назад вращающееся газопылевое облако сжалось под действием тяготения. В центре образовалось Солнце, а из диска вокруг слиплись планеты. Поэтому все планеты обращаются в одну сторону почти в одной плоскости.
Солнце и звёзды
Солнце — обычная звезда, раскалённый газовый шар. Температура поверхности около 5800 К, в центре — около 15 млн К. Там идёт термоядерный синтез: водород превращается в гелий. Каждую секунду Солнце «теряет» около 4 млн тонн массы, превращая её в излучение по формуле . Водорода ему хватит ещё примерно на 5 млрд лет.
Звёзды различаются массой, цветом и температурой: красные — «холодные» (около 3000 К), голубые — горячие (свыше 20 000 К). Эволюция звезды зависит от массы:
- звезда вроде Солнца раздувается в красного гиганта, сбрасывает оболочку и остывает белым карликом;
- массивная звезда взрывается сверхновой, оставляя нейтронную звезду или чёрную дыру.
При взрывах сверхновых рождаются тяжёлые элементы. Железо в нашей крови и золото в украшениях когда-то образовались в недрах звёзд — мы буквально сделаны из звёздного вещества.
Галактики и расширение Вселенной
Звёзды собраны в галактики. Наша — Млечный Путь — спиральная галактика поперечником около 100 000 световых лет, в ней сотни миллиардов звёзд. Солнце находится на её окраине. Ближайшая крупная соседка — Туманность Андромеды, до неё около 2,5 млн световых лет. Всего в наблюдаемой Вселенной — сотни миллиардов галактик.
В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что спектральные линии далёких галактик смещены в красную сторону: галактики удаляются, причём чем дальше галактика, тем быстрее. Это означает, что Вселенная расширяется. Ещё раньше расширение теоретически предсказал Александр Фридман (1922). Если «прокрутить фильм назад», всё вещество было собрано в горячем плотном состоянии: так появилась теория Большого взрыва. Возраст Вселенной — около 13,8 млрд лет. Её подтверждает реликтовое излучение — остывшее «эхо» горячей ранней Вселенной, пронизывающее весь космос.
Разобранный пример
Свет от звезды шёл до нас 4 года. Каково расстояние до неё в километрах?
км. Космический аппарат со скоростью 20 км/с летел бы туда около 60 тысяч лет.
Как изучают космос
Почти всё, что мы знаем о звёздах, принёс свет. Телескопы собирают излучение во всех диапазонах: радиотелескопы, инфракрасные и рентгеновские обсерватории, вынесенные за атмосферу. По спектру звезды определяют её состав, температуру и скорость, а межпланетные станции фотографируют планеты вблизи и даже берут пробы грунта.
Типичные ошибки
- Путать световой год (расстояние) с единицей времени.
- Считать Солнце самой большой звездой: это обычный жёлтый карлик.
- Думать, что галактики разлетаются от одного «центра». Расширяется само пространство, центра нет.
- Путать метеор (вспышка в атмосфере) и метеорит (тело на земле).
- Считать Плутон девятой планетой: с 2006 года это карликовая планета.
Что дальше
- Астрономия. Строение Вселенной — астрономия в 11 классе: звёзды, галактики и космология подробнее.