Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной - [16]
2.1. Образование Солнечной системы
Возраст Солнечной системы составляет 4,567 млрд лет. Это очень точное значение получено в первую очередь на основе анализа содержания различных изотопов в образцах метеоритов. Неопределенность возраста не превышает пару миллионов лет.
Возраст Солнечной системы немного больше 4,5 млрд лет.
После стадии сжатия протозвездного облака и появления Солнца с протопланетным диском вокруг него в истории Солнечной системы можно выделить несколько важных этапов. Первый – это собственно образование планет. За несколько миллионов лет формируются планеты-гиганты. За несколько десятков миллионов лет – планеты земной группы. Кроме того, за орбитой самой далекой планеты-гиганта остается множество небольших тел – планетезималей. Затем, согласно современным теориям, следует примерно 600 млн лет «застоя», когда система меняется крайне мало. Однако потом происходит относительно быстрая ее перестройка. По ее окончании Солнечная система принимает практически современный вид, в котором и существует с тех пор на протяжении почти 4 млрд лет в почти неизменном состоянии.
Можно выделить три основных источника информации об истории формирования Солнечной системы и о процессах, происходивших при этом. Во-первых, данные по составу метеоритов и комет. Во-вторых, наблюдения многочисленных систем других звезд, находящихся на разных стадиях формирования. Наконец, современная структура нашей системы – в первую очередь орбиты малых тел (кометы, объекты пояса Койпера и т. п.) хранит на себе отпечатки ее бурной молодости.
Информацию о далеком прошлом Солнечной системы получают, изучая состав метеоритов, а также анализируя орбиты небольших тел.
Метеориты делятся на три основных типа. Ахондриты (вместе с хондритами их еще называют каменными метеоритами) и железные метеориты представляют собой осколки крупных астероидов. Таким образом, их вещество уже прошло процесс дифференциации в массивном теле (более тяжелые вещества, такие как железо, под действием гравитации опускались ближе к центру). Третий тип метеоритов – хондриты – представляет собой вещество, не попадавшее в массивные тела, где под действием гравитации могла происходить дифференциация компонентов и их нагрев, или же это осколки внешних частей планетезималей, которые не подвергались дифференциации.
Возраст Солнечной системы устанавливают, анализируя содержание различных изотопов в метеоритах.
Ключевая датировка «момента ноль» в Солнечной системе производится по включениям кальция и алюминия в углистых хондритах. Эти небольшие (от долей миллиметра до сантиметров) образования сформировались в горячей среде в молодом протопланетном диске. Изотопный анализ говорит о том, что это самые древние структуры из всех обнаруженных в Солнечной системе. Короткоживущий изотоп >26Al позволяет провести датировку с точностью в несколько миллионов лет. Использование нескольких изотопов разных элементов с разным временем жизни позволяет еще уточнить эту оценку. Согласно метеоритным данным, первое поколение планетезималей сформировалось менее чем за миллион лет.
В элементном составе метеоритов наблюдаются некоторые аномалии, требующие объяснения. Речь идет о присутствии короткоживущих изотопов на момент формирования первых планетезималей. К этому времени протосолнечная туманность уже миллионы лет как «отцепилась» от молекулярного облака, в котором возникла. Поэтому короткоживущие изотопы (например, >26Al и >60Fe) должны были стать очень редкими. Производить их в нужном количестве внутри протосолнечной туманности или протопланетного диска невозможно. Значит, необходим некоторый внешний источник изотопов с небольшим временем жизни. Обсуждаются две основные гипотезы.
Солнце образовалось в звездном скоплении, которое влияло на протопланетный диск и параметры орбит формирующихся объектов.
Солнце, как и подавляющее большинство других звезд, должно было рождаться в звездном скоплении. Значит, источником изотопов могла быть другая, относительно близкая, звезда. Это мог быть либо взрыв сверхновой, либо же звезда с сильным ветром на поздней стадии эволюции: например, на стадии асимптотической ветви гигантов – позднем этапе эволюции звезд типа Солнца, на протяжении которого в звезде существует два слоевых источника, в которых идут термоядерные реакции: водородный и гелиевый (см. раздел 4.6 «Смена термоядерных реакций»). На настоящий момент у нас нет достаточного количества данных, чтобы отдать решающее предпочтение той или иной гипотезе.
Формирование планет-гигантов занимает до нескольких миллионов лет, а планет земной группы – до нескольких десятков миллионов.
Кроме обогащения протосолнечной туманности элементами звездное скопление могло оказывать еще два основных воздействия. Ультрафиолетовое излучение звезд скопления могло приводить к активному испарению вещества туманности. А близкие пролеты звезд – влиять на орбиты тел Солнечной системы. Эффективность и вероятность воздействия зависят от количества звезд в окрестности формирующегося Солнца. С одной стороны, взрыв сверхновой должен быть достаточно близким (0,2 парсека), а пролет проэволюционировавшей звезды – достаточно вероятным. С другой стороны, слишком частые и близкие пролеты звезд могут катастрофически влиять на внешние части формирующейся Солнечной системы, а ультрафиолетовое излучение от очень близкой сверхновой может разрушить протопланетный диск. Итоговые оценки показывают, что Солнце должно было родиться в скоплении из нескольких тысяч звезд, чтобы влияние было не слишком сильным, но достаточным для объяснения присутствия короткоживущих изотопов в нужном количестве.
Книга посвящена нейтронным звездам – единственным астрономическим объектам, исследования которых отмечены уже двумя Нобелевскими премиями по физике, и еще две – на подходе. Это говорит о том, что именно они среди всего многообразия небесных тел представляют наибольший интерес для современной физики. Вы узнаете о том, как астрономы наблюдают нейтронные звезды, и какими удивительными объектами они могут быть, а кроме того, у вас будет возможность познакомится с необычными физическими явлениями, связанными с этими суперобъектами.
Галилео Галилею принадлежат слова: «Книга природы написана на языке математики». Спустя почти четыре столетия мы не устаем удивляться тому, что математические методы прекрасно подходят для описания нашего мира. Еще большее изумление вызывают естественнонаучные открытия, сделанные на основе математического анализа уравнений. Создание любой сложной конструкции – от хитроумной дорожной развязки до квантового компьютера – сопряжено с математическими расчетами. Для полноценного понимания действия гравитации или квантовых явлений нам также не обойтись без математики.
Тим Пик увлекается марафонским бегом, альпинизмом и лыжным спортом, воспитывает сына и ходит в спелеологичес кие походы в Западном Суссексе. А еще Тим прошел отбор в программу Европейского космического агентства (EKA). На шесть мест для полетов в открытый космос претендовало более 8000 участников… А сегодня Тим Пик – единственный космонавт во всей Великобритании. 15 декабря 2015 года в 14:03 Тим Пик в должности второго борт инженера отправился с космодрома Байконур к МКС, чтобы провести на орбите 186 суток и узнать все о том, как жить и выживать в космосе. Что чувствовал Тим, вращаясь вокруг Земли быстрее, чем ускоряющаяся пуля? Каково это есть, спать и вообще жить в космосе? Что делать, когда нечего делать? Как вообще обстоят дела в современном космосе? Вернувшись домой, Тим решил поделиться всем пережитым с землянами.
Нину Михайловну Субботину (1877–1961) можно по праву назвать Стивеном Хокингом российской науки. Одна из первых российских женщин-астрономов, она получила профессиональное образование, но не могла работать в научном учреждении из-за тяжелой болезни, перенесенной в детстве. Создав собственную обсерваторию, Субботина успешно занималась наблюдательной астрономией и изучением солнечно-земных связей. Данные ее наблюдений регулярно публиковались в самых престижных международных астрономических журналах. Но круг ее интересов был значительно шире.
Летчик-космонавт СССР, командир космического корабля «Союз-6» рассказывает о том, как создавался первый отряд космонавтов, о сложном и требовательном отборе, через который пришлось пройти каждому, но далеко не каждому удалось успешно выдержать все испытания и слетать в космос. О судьбах этих людей откровенно и глубоко повествует книга. Читатели узнают интересные подробности о полетах первых советских космонавтов. Книга посвящается пятнадцатилетию первого старта человека в космос.
«Как попасть в отряд космонавтов?», «Что вы едите на борту космического корабля?», «Есть ли интернет на МКС?», «Плоская ли Земля?» – эти и другие вопросы постоянно задают космонавтам. Космонавт Сергей Рязанский в этой книге отвечает на вопросы, которые интересуют многочисленных любителей космонавтики.
Американский астронавт Скотт Келли совершил четыре полета в космос, дважды был членом многодневной американской миссии на Международной космической станции и провел на орбите в общей сложности более 500 суток. О его необычайном опыте много писали в прессе, а теперь есть возможность узнать подробности от него самого. Искренний рассказ о себе, своем детстве, взрослении рисует точный психологический портрет человека, выбирающего путь астронавта, помогает увидеть бесстрашных героев с необычного ракурса и лучше понять их мотивацию и личностные особенности.
В книге впервые (1992) в открытой отечественной литературе проводится систематический обзор советских космических систем военного назначения. Приводится классификация военных космических систем по выполняемым функциям, рассматривается организационная эволюция космической программы СССР и описываются советские космические системы военного и двойного назначения. Книга содержит большой справочный и статистический материал и предназначена для специалистов по космической технике, а также для лиц, интересующихся космонавтикой.Автор – выпускник факультета аэрофизики и космических исследований Московского физико-технического института, кандидат физико-математических наук.