Прежде чем перейти к объектам за пределами Солнечной системы, давайте договоримся, как удобнее измерять расстояния в таких масштабах. Астрономы имеют дело с расстояниями и временем, которые в обычных единицах измерения выражаются чудовищно большими числами, их мы называем астрономическими.

Большие расстояния, например 450 000 000 км, удобнее записывать в виде . Но удобство записи не единственная важная вещь. Мы вообще проводим измерения, чтобы величины можно было сравнивать, а сколько это – непонятно. Другое дело, если сказать: это три расстояния от Земли до Солнца. Для расстояний в пределах Солнечной системы так и поступают, только в науке единицу измерения важно четко определить. Траектория движения Земли вокруг Солнца не круговая, она вытянута, поэтому взяли среднее расстояние от Солнца до Земли, а это 149 597 870 700 м, и единицу измерения, равную этому расстоянию, назвали астрономической единицей (а.е.). Тогда расстояние от Солнца до Меркурия 0,4 а.е., до Нептуна – около 30 а.е. Сейчас размеры Солнечной системы оценивают в 100 000 а.е., на таком расстоянии могут оказаться некоторые вращающиеся вокруг Солнца кометы.

Для измерения расстояния до звезд и галактик а.е. слишком маленькая величина. Ближайшая к нам (после Солнца) звезда находится на расстоянии около , но многие звезды находятся на расстояниях в миллионы и даже миллиарды раз дальше. Как измерять такие расстояния?

Часто мы выражаем расстояние через время: «пять минут ходьбы» или «сутки на поезде». Не нужно даже подробно объяснять: это расстояние, которое проходит поезд за сутки. Астрономы пошли еще дальше, придумали единицу световой год – расстояние, которое свет проходит за год. Только со световым годом получилось лучше: темп ходьбы у каждого свой, и поезда бывают разные, а скорость света в вакууме фиксирована, вспомните из уроков физики, приблизительно 300 000 км/с.

Можете посчитать, какое расстояние с такой скоростью проходит свет за год, это приблизительно . Таким образом,

Иногда время, за которое свет преодолевает данное расстояние, не информативно. Давайте проведем аналогию со звуком: до того дерева так далеко, что звук от него распространяется 5 секунд. Представили? Ну, как-то представили. А такое объяснение: до того дерева так далеко, что слон выглядит как булавочная головка. Так понятнее? Для кого-то – да. По похожему принципу для решения некоторых задач в астрономии ввели еще одну величину: парсек. Это такое расстояние, с которого объект размером 1 а.е. виден под углом в одну угловую секунду (см. рис. 12). И это расстояние приблизительно равно:

Рис. 12. Определение парсека

Основную информацию из космоса астрономы получают в виде электромагнитного излучения: это и видимый свет, и излучение других диапазонов, которые мы не видим, но регистрируем с помощью приборов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоволны разных диапазонов и другие). Например, здесь, на Земле, мы исследуем нагретые предметы по инфракрасному излучению, так же можно поступать и с небесными телами.

Все эти виды излучения распространяются с максимальной в природе скоростью 300 000 км/с. Удивительно, что поскольку свет имеет конечную скорость, то астрономы сегодня ощущают историю Вселенной. Когда мы смотрим на Парфенон, мы видим то, что было сделано в античности. Когда до нас письмо от родственников идет неделю и там написано: «Сегодня хороший день», мы понимаем, что это «сегодня» было неделю назад. Конечно, для родственников этот день тоже прошел неделю назад: если бы мы могли без преград на них посмотреть или хотя бы позвонить по видеосвязи.

Но современная физика не знает ничего более быстрого, чем свет. Поэтому если астроном наблюдает звезду, находящуюся на расстоянии 500 световых лет, то последние известия о состоянии этой звезды будут 500-летней давности, более поздних новостей нет. Для астронома «сейчас» – это момент прибытия света к его глазу. И это «сейчас» разное при наблюдении разных звезд – такая себе «машина времени», позволяющая видеть прошлое звезд.

У этого есть важное следствие. Наблюдая все более удаленные объекты, астрономы узнают о более ранних событиях во Вселенной. Поэтому очень большое значение приобрели огромные наземные и космические телескопы, которые позволяют увидеть объекты, удаленные на миллиарды световых лет, и тем самым увидеть Вселенную такой, какой она была миллиарды лет назад.

Звезды распределены не равномерно, и можно выделить их скопления – галактики. Ближайшие к Солнцу звезды образуют галактику, называемую Млечный путь. Название объясняется видом этой галактики на небе – светлая полоса, напоминающая пролитое молоко. Галактика Млечный путь – это скопление нескольких сотен миллиардов звезд, которое в мелком масштабе выглядит как плоское спиралевидное облако (см. рис. 13).


Рис. 13. Млечный путь с двух ракурсов и положение в нем Солнца

Рисунки построены по данным звездного каталога, в нем приведены небесные координаты всех известных звезд и их светимости. В построении структуры галактики (рис. B) также использованы данные телескопических наблюдений. Радиус орбиты Солнца (расстояние от центра галактики) – 27 000 св. лет, один оборот Солнце совершает за 210 миллионов земных лет.

Галактик во Вселенной великое множество. Все они, кроме звезд, содержат огромные облака газов и пыли. Некоторые из таких облаков значительно больше Солнечной системы и являются местом рождения и гибели звезд. Материя космических облаков может собраться и сжаться силами гравитации, образовав новую звезду. Иногда звезды взрываются, пополняя галактические облака газами и пылью. Своего рода круговорот материи.

Подобно тому, как скопления звезд образуют галактики, можно выделить и скопления (группы, кластеры) галактик. Наш Млечный путь относится к так называемой Местной группе, в ней несколько десятков галактик, а диаметр ее – несколько миллионов световых лет (см. рис. 14).

Рис. 14. Местная группа

В свою очередь Местная группа сама является членом еще большего скопления групп галактик, называемого сверхскоплением (суперкластером) Девы (см. рис. 15). Девы, потому что сверхскопление с Земли видно в направлении этого созвездия. Наше сверхскопление состоит из сотен галактических групп и кластеров и имеет размер более 100 миллионов св. лет.

Рис. 15. Сверхскопление Девы

И это не все известные небесные тела, известно множество других сверхскоплений, и скопление сверхскоплений назвали Великий Аттрактор. Оно имеет размер более 300 млн. св. лет и расположено в области созвездий Гидры и Кентавра. Скопление сверхскоплений (кластер суперкластеров) – это крупнейший известный объект во Вселенной. Больше него только сама Вселенная.

Возраст Вселенной астрономы оценивают в 13,8 млрд земных лет. Таким образом, радиус видимой Вселенной, т. е. расстояние, на котором мы в принципе можем что-то обнаружить, – это 13,8 млрд св. лет. Изображение самых дальних галактик, которые люди смогли получить с помощью самых современных телескопов, соответствует времени их возникновения. Сказанное не означает, что на расстоянии 13,8 млрд св. лет Вселенная заканчивается, что дальше ничего нет. Скорее это означает, что мы не можем ничего видеть за этим пределом.

Силы во Вселенной

Структуры Вселенной создает гравитация. Она удерживает Луну на земной орбите, Землю – на орбите вокруг Солнца, Солнце – на орбите вокруг центра Млечного пути и т. д. Из уроков физики вы знаете, что гравитация – основная сила в космических масштабах, а на меньших расстояниях доминируют другие силы: электромагнитные взаимодействия формируют атомы и молекулы, определяют их структуры и свойства; сильные взаимодействия превалируют на субатомных расстояниях, они создают элементарные частицы нейтроны протоны из кварков.

Слабые взаимодействия связаны с электромагнитными и, действуя вместе с ними в субатомных масштабах, играют основную роль в радиоактивном распаде. Поэтому от слабых взаимодействий зависит, будет ли светить звезда и насколько ярко. В отличие от других сил, которые притягивают или отталкивают материальные объекты, слабое взаимодействие играет основную роль в преобразовании материи из одной формы в другую, например массы в энергию.

Слабое взаимодействие можно буквально считать слабым только в сравнении с электромагнитным и сильным, в своем масштабе действия оно в триллионы триллионов раз сильнее гравитации. Уникальная роль гравитации в космосе определяется тем, что, во-первых, она медленнее других сил уменьшается с увеличением расстояния между объектами, и, во-вторых, всегда только притягивает объекты друг к другу (другие же силы в одних случаях притягивают объекты, а в других отталкивают их и могут компенсировать друг друга).

В науке постоянно возникают новые задачи, которые не всегда получается решить и подобрать хорошую гипотезу для их объяснения. Вот некоторые такие задачи. Наблюдения и расчеты указывают на то, что на звезды в галактиках и на галактики в скоплениях галактик действуют такие сильные гравитационные силы, какие не может обеспечить масса наблюдаемых объектов. Поэтому астрономы считают, что в указанных скоплениях имеются еще массы, которые не светят ни в какой части спектра и, следовательно, недоступны наблюдению. Их назвали темной материей.

Астрономы не знают, из чего она состоит и какие взаимодействия удерживают ее части. Но гипотеза, что она существует, объясняет движение звезд и галактик, и, по расчетам, гравитационного эффекта темной материи во Вселенной должно быть в пять раз больше, чем светящейся.

Расстояния между галактиками непрерывно увеличиваются, это расширение Вселенной началось 13,8 млрд лет назад во время так называемого Большого взрыва. Современная наука считает, что в этот момент образовались пространство и время, начался разлет материи. Однако в последние годы было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, т. е. какие-то неизвестные силы преодолевают гравитационное притяжение галактик, т. е. совершают определенную работу. Приходится предполагать, что в пустом пространстве есть энергия, обеспечивающая эту работу. Поскольку природа этой энергии неизвестна, ее тоже назвали темной энергией.

Если по формуле энергии привести в соответствие массу, то суммарная масса темной материи и темной энергии Вселенной во много раз превосходит суммарную массу всех наблюдаемых космических объектов (звезд, галактик, газовых облаков и т. д.).

Список литературы

Левитан Е. П. Астрономия. 11 класс: учеб. пособие для общеобразоват. организаций: базовый уровень. – М.: Просвещение, 2018.
Воронцов-Вельяминов Б. А., Страут Е. К. Астрономия 10-11, базовый уровень. – М.: Дрофа, 2019.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «astronet.ru» (Источник)
Интернет-портал «astronet.ru» (Источник)
Интернет-портал «spacegid.com» (Источник)
Интернет-портал «spacegid.com» (Источник)

Домашнее задание

Запишите адрес Земли, начиная с Солнечной системы.
Перечислите все карликовые планеты Солнечной системы и приведите их краткие характеристики.