Произход и модели на вселената.Строеж и еволюция на звезд...

[Mozo]

Произход и модели на вселената.Строеж и еволюция на звездите и Слънчевата система

НОВ БЪЛГАРСКИ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛТЕТ ЗА БАЗОВО ОБУЧЕНИЕ







Произход и модели на вселената.Строеж и еволюция на звездите и Слънчевата система.


ИЗГОТВЕНО ОТ

КАМЕЛИЯ ЖИВКОВА ЛАЛОВА

ФАКУЛТЕТЕН НОМЕР F31750


ПРОЛЕТЕН СЕМЕСТЪР 2005 / 2006















ПРЕПОДАВАТЕЛ : БОТЬО ЗАХАРИНОВ


СОФИЯ 2006 г.

От дълбока древност, до сега, учени и мислители са се занимавали с различни въпроси свързани със Вселената, звездите и Слънчевата система. Изградени за разнообразни теории и хипотези, относно произхода, състава и строежа им. Настоящият казус е кратък опит да се синтезира най-важното, пречупено през призмата на съвременните виждания и съсредоточен върху основните физико-химични параметри и въпроси. Изследването на възникването на Вселената е част от изследването на самата Вселена, разглеждана като цяло. Всичко това е предмет на Космологията - науката, която изучава строежa и развитието на Вселената. Въпросите, които разглежда Космологията са фундаментални. Намира ли се Вселената в своето детство, или е в зряла възраст? Как ще се развива тя в бъдеще? Ще има ли край нейният живот, или не? Изясняването на въпросите, как е произлязла Вселената и как се развива тя във времето, е свързано и с немаловажния за човечеството въпрос, как сме се появили ние и как ще се развиваме в бъдеще.
Тъй като данните от наблюдения на Вселената не са изчерпателни, Космологията си служи с модели. За да се разбере строежът на Вселената, са необходими някои допускания, най-главното от които се нарича космологичен принцип. Този принцип постулира, че в голям мащаб, навсякъде и по всяко време Вселената е еднаква. Той ни позволява да построим теория, която да описва цялата Вселена, включително и тези далечни нейни участъци, които не можем да наблюдаваме.
Първият, който търси едно съвременно решение на проблема за размерите на Вселената, е Нютон, като въз основа на закона за всемирното привличане, открит от самия него, се стига до заключението, че Вселената не може да бъде крайна, иначе би трябвало цялата да "пада" бързо към центъра си. През миналия век Х. В. Олберс показал, че Вселената не може да бъде и безкрайна и да съдържа навсякъде звезди и галактики, тъй като тогава нощното небе би трябвало да е много светло, дори по-светло от дневното и самото Слънце би се сляло с него. Айнщайн предположил, че пространството не е евклидово (плоско), а крайно и с положителна кривина, т.е. такова, че да се затваря като сфера. Фактът, че пространството е крайно, не означава, че то е и ограничено.Не веднъж е задаван въпроса как така всички галактики бягат от нас със скорости, нарастващи пропорционално на разстоянието, какво ги тласка и докъде ще стигнат в този шеметен бяг. Наличието на закривено пространство ни предлага сега една интерпретация, която впрочем би могла да важи и за неизкривено пространство. Не галактиките са тези, които бягат в пространството, а самото пространство, в което те се намират, се разширява. Всички галактики са неподвижни, а Вселената се разширява, като ги увлича със себе си. Ето защо оставаме с впечатлението, че се намираме в центъра на разширяването, и виждаме всички галактики да бягат от нас със скорост, пропорционална на разстоянието! Тази интерпретация носи в себе си едно следствие: ако е вярно, че Вселената се разширява непрекъснато, това очначава, че в миналото трябва да е била много по-малка отсега. Дори трябва да е имало епоха, в която веществото, което днес е разпръснато в неизброимите галактики, звезди, мъглявини и планети, е било изцяло концентрирано в един относително ограничен обем. В онази епоха цялото вещество и енергията на Вселената трябва да са били концентрирани в едно кълбо с огромна температура от 100 млрд. градуса, “огнено кълбо”. То е имало радиус едва една десетмилиардна част от радиуса на сегашната Вселена и било съставено от протони и неутрони, от радиация със свръхвисока плътност и от газ от фотони, електрони. Тази огнена смес, въпреки , че е била в термодинамично равновесие, не е могла да остане статична неопределено дълго време и в един момент вероятно е започвала да се разширява. Точно от този момент, в който се е извършила промяната, можем да започнем да говорим за време.
Това е началото на времената. Началото на нашата Вселена. Това е първият ден от сътворението - безформеният примитивен хаос е започвал да се движи, за да се превърне в нещо. Това е първата крачка на Космоса, който все още е само тигел с вещество и енергия, към по-развити форми, към образуване на елементите, на звездите, на галактиките и още по-нагоре, до живото, до мислещото, до разумното същество, което ще бъде способно да разбере дългия път на материята до него и да го проследи.
Звездите се образуват в мъглявините - огромните облаци от газ и прах. Междузвездният газ се състои основно от водород (70%), хелий (29%) и следи (1%) от въглерод, азот, кислород, силиций, желязо - веществата от които е изградена земята и нашите тела. Междузвездният прах се състои от малки частици силикати, подобни на пясъка по плажовете и вулканична пепел. Той се паявява във Вселената от умиращите звезди. Ако газовият облак е достатъчно масивен, той започва да се свива под влияние на гравитационните сили. Това свиване предизвиква повишаване на налягането и температурата в него. Обекта, който се формира в тази област се нарича протозвезда и е началния стадий от живота на звездата. Протозвездата може да се наблюдава в инфрачевената област от електромагнитния спектър, тъй като не излъчва светлина от видимия спектър. Когато налягането и температурата се повишат достатъчно, започват ядрени реакции които превръщат водорода в хелий. Налягането, което се създава при тези ядрени реакции се балансира с гравитационните сили и свиването на обекта спира. Така се формира звезда и по този начин е възникнало и нашето Слънце. Сега то е в същия етап, в който превръща водорода в хелий, и този период се нарича главна последователност. Главната последователност заема по-голямата част от живота на Слънцето. След милиарди години водорода се изчерпва и налягането от ядрените реакции намалява. Балансът между налягането и гравитационните сили се нарушава и звездата започва да се свива отново. Това предизвиква повишаване на температурата в ядрото до стойност, от която започва изгарянето на хелия. Тази фаза от живота на звездата се нарича червен гигант, заради цвета и увеличеният размер на звездата. Слънцето ще изгори своя водород след около 5 млрд.години и ще се превърне в червен гигант, достигайки до орбитата на Марс. В червеният гигант горенето продължава, докато се изчерпи ядреното му гориво и тогава настъпва ново свиване. Ако има достатъчно маса в звездата това свиване може да повиши температурата достатъчно, за да предизвика реакции на свиване на все по-тежки елементи, докато реакциите не образуват желязо. След образуването на желязо ядрените процеси не могат да отделят повече енергия и спират, настъпва краят на чевения гигант. Реакциите на сливане , които са подържали звездата през по-ранните етапи от живота и са намалили нейната маса до стойност, под която гравитацията не е достатъчно силна за да задържи външните и слоеве. Тази газова обвивка се изхвърля навън и формира планетарна мъглявина. Ядрото пропада навътре в себе си до ниво, в което силата на отблъскване между електроните се уравновесява с гравитационната сила и се формира бяло джудже. Това е изключително плътна и гореща звезда с големина на планета. Накрая, когато бялото джудже излъчи цялата си енергия навън, то спира да свети и умира като кафяво джудже- мъртва звезда. Това ще бъде и последния етап от живота на нашето Слънце. За звезди с маса , до 40 пъти по-голяма от слънчевата, гравитационното свиване е много бързо и има продължителност от порядъка на няколко секунди. От рязкото свиване се получава огромна ударна вълна, която изхвърля външните слоеве на звездата и ги загрява. Яркостта на звездата става изключително висока и е сравнима с яркостта на цяла галактика. Това е свръхнова. При последното гравитационно свиване на ядрото на свръхновата, гравитацията доближава електроните и протоните толкова близо едни до други, че те се превръщат в неутрони. Звездата се свива до тяло с диаметър няколко дестки километри, наречено неутронна звезда. За звезди с маса, над 40 пъти по-голяма от слънчевата, колапсът след избухването на свръхновата е още по-бърз и свиването не може да спре дори от налягането на неутроните, формирани в ядрото. Плътността се увеличава до толкова , че скоростта да се избяга от гравитационното поле се изравнява със скоростта на светлината. Светлина също се поглъща и обекта става невидим, поради което се нарича черна дупка. Звездите имат различна продължителност на своя живот, в зависимост от тяхната маса. Подобните на Слънцето звезди живеят около 10 млрд.години, докато звездите с над 20 пъти по-голяма маса имат хиляда пъти по кратък живот – около 10 млрд.години. Слънцето е звезда от среден тип, в средата на своя живот и е на възраст около 4.5 млрд.години. При масивните звезди водорода се изгаря много бързо и това е причина за техния кратък живот.
Слънчевата система представлява една много малка част от Вселената. Счита се, че Слънчевата система се е формирала преди 4.6 млрд.години в резултат на гравитационен колапс на слънчевата мъглявина – облак от междузвезден прах, газове и лед. С течение на времето по-голямата част от космическия прах и газ се събрали на едно място под действието на гравитацията и така се е формирало Слънцето. От останалата материя – прах, лед и газ, впоследствие се формирали планетите, луните, кометите и астероидите.
Слънчевата система се намира на около 26000 светлинни години от центъра на нашата галактика. Млечния път в един от спиралните ръкави, по-близо до ръба на галактиката. Цялата слънчева система се завърта веднъж около центъра на галактиката ни за около 250 млн.години.
Слънчевата система съдържа Слънцето, 9 планети, 68 спътници на планетите и голям брой малки тела ( комети и астероиди ). Съществуват нови спътници на планетите, но те нямат официални имена. Вътрешната част на Слънчевата система съдържа планетите Меркурий, Венера, Земята и Марс. Планетите по външната част на системата са Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Между двете части се намира астероиден пояс. Орбитите на планетите са елиптични, с изключение на Меркурий и Плутон, които имат кръгови орбити. Орбитите на всички планети лежат на една плоскост, наречена еклиптика и определящ плоскостта на орбитата на Земята. Еклиптиката е наклонена на 7 градуса към плоскостта на орбитата на Земята. Орбитата на Плутон се отклонява от плоскостта на еклиптиката - 17 градуса.
Планетите във вътрешната част на Слънчевата система са от земен тип ( скалисти ), и са изградени основно от скали, метали и имат голяма плътност, бавно въртене, нямат пръстени и имат малък на брой сателити. Останалите планети са газови: те са изградени от водород и хелий, които имат малка плътност, бързо въртене около оста си, дълбока атмосфера, пръстени и много спътници. Гигантските газови планети имат повече спътници от скалните планети заради своята голяма маса, която определя и тяхното силно гравитационно поле. А тяхното силно гравитационно поле им позволява да “ контролират “ по – голямо пространство около тях.
Големината на Слънчевата система е около 40 AU – 40 пъти разстоянието от Земята до Слънцето. Но слънчевият вятър се разпространява на около 5 пъти по – голяма дистанция. Един начин да си представим относителните размери на Слънчевата система е да използваме модел, предствящ цялата Слънчева система, умалена един милиард пъти. Тогава Земята ще има диаметър около 1.3 см ( колкото гроздово зърно ), Луната ще се върти около Земята по орбита на разстояние около 30 см, диаметъра на Слънцето ще е 1.5 м., а разстоянието от Земята до слънцето – 150 м. Юпитер ще има диаметър 15 см, а разстоянието от него до Слънцето – 750 м. Размерът на Сатурн ще е около 12 см и ще е отдалечен от Слънцето на 1.5 км. Уран и Нептун, с размерите на лимони, съответно ще са на 3 и 4.5 км от Слънцето. Човек в този мащаб ще има размер на атом, а наи – близката до нас звезда ще бъде отдалечена на 40 000 км.
Най – голямото по размери тяло в Слънчевата система е Слънцето, както и е най – близката до Земята звезда. То, както всички звезди, представлява голямо кълбо от горещи газове, което няма рязко очертани граници и плътността му плавно се увеличава с дълбочината. Във вътрешността му всяка секунда протичат 10^38 протонни реакциии се отделят около 4.10^26 J енергия. Това е 10 000 пъти повече от енергията, която е произвело човечеството през цялата си история. Процесът на сливане на ядрата се нарича ядрен синтез и е придружен от излъчването на огромни количества светлина и топлина. То практически е неизчерпаем източник на екологично чиста енергия за нашата цивилизация, който все още не се използва в големи мащаби. Слънцето привлича с мощни гравитационни сили всичко, намиращо се в обсег от над 6 000 милиона километра от него и го задържа в орбита около себе си.
Най – големите тела, кръжащи около Слънцето, са планетите. Всички те обикалят около Слънцето по почти кръгови траектории, наречени орбити.
По своите характеристики планетите се делят на две групи – планети от земна група и планети – гиганти. В първата група освен Земята влизат Меркурий, Венера и Марс, а във втората – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Астероидите и метеорните тела, както и Плутон, не са членова на тези групи.
Диаметрите на планетите от замната група са от порядъка на 10 000 км. Планетите – гиганти са десетки пъти по – големи по размери от тях. Масите на планетите от двете групи също се различават – планетите – гиганти са десетки и стотици пъти по – масивни от планетите от земната група.
Средната плътност на планетите – гиганти е близка до плътността на водата ( плътността на Уран е най – голяма и достига малко над 1,5 g / cm3 ), докато планетите от земната група имат няколко пъти по – голяма плътност. Това говори за съществена разлика и в химичния състав. Планетите – гиганти се състоят предимно от леки елементи – водород и хелий.
Всички планети – гиганти имат пръстени, като най – силно впечатление прави този на Сатурн. Сред планетите от земната група няма нито една с пръстен. Докато планетите от земната група или въобще нямат, или имат най – много два спътника, то гигантите имат по повече от 10 спътника.
Двете групи се различават и по периоди на околоосно въртене. Докато периодът на планетите от земната група е не по – малък от едно денонощие, то планетите – гиганти се въртят с период около 10 часа ( изключение е Нептун, чийто период е 16 часа ).
Всички планети обикалят около Слънцето в една и съща посока. Гледано от Земята, тяхното движение е от запад на изток. Те се въртят около осите си в същата посока, с изключение на Венера и Уран, чиято посока на въртене е обратна. В същата посока около планетите обикалят и спътниците им ( изключение правят някои от спътниците на Юпитер, Сатурн и Нептун ).
Характеристиките на планетите – маса, размери, разстояние от Слънцето, период на околоосно въртене, наклон на оста спрямо равнината на орбитата – в значителна степен определят физичните условия на повърхността им. Например размерите на масата на планетата определят силата на тежестта на повърхността й, от която зависи дали дадена планета може да удържи около себе си атмосфера. Молекулите със скорост, по – голяма от параболичната, напускат планетата. В резултат малките планети и мнозинството спътници нямат никакви атмосфери. По – масивните планети имат атмосфера, но тя е разредена. Например на повърхността на Марс силата на тежестта е по – малка в сравнение с тази на Земята, затова атмосферата му е по – разредена. При планетите – гиганти силата на тежестта е голяма, атмосферите им са плътни и съдържат молекулен водород, практически отсъстващ в атмосферата на най – близките до Слънцето 4 планети. Плътността на атмосферта и химичният й състав определят степента на поглъщане на слънчевото лъчение, достигащо до нея. Температурата на повърхността на планетата зависи от разстоянието й до Слънцето и от наличието на атмосфера. Въртенето на планета, притежаваща атмосфера, способства за изравняване на температурите на дневното и нощното й полукълбо.

В заключение може да се отрази, че далеч не всички въпроси, свързани със Слънчевата система са изследвани и систематизирани от научна гледна точка. Характерните тенденции са насочени към анализ на възможностите за използване на слънчевата енергия като източник за човечеството. Мисля, че след края на Студената война, когато надпреварата в Космоса бе резултата на сблъсъци между две системи е дошло време за мирно сътрудничество и изследване на тайните на Слънчевата система.



ЛИТЕРАТУРА:

Милков, Мл. Произход на Слънчевата система, Хронос, 1996
Шкодров, В., Малки планети в Слънчевата система,ИК Наука и изкуство, 1973
Климишин, И, А., Астрономия наших дней, ИК Наука, 1986