Основы астрономии. Солнечная система. Законы Кеплера. Вселенная

Астрономия изучает строение, движение, происхождение и эволюцию небесных тел, их систем и Вселенной в целом.

Наблюдаемые астрономические явления:

• Видимое суточное вращение звездного неба с востока на запад является следствием реального суточного вращения Земли вокруг своей оси с запада на восток;

• Годичное движение Солнца среди созвездий по эклиптике обусловлено обращением Земли вокруг Солнца за 365.25 суток;

• Небесная сфера — воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются положения светил.

Созвездия: все звездное небо по решению Международного астрономического союза разделено на 88 официальных участков — созвездий. Полярная звезда в созвездии Малой Медведицы указывает строго на север с точностью до 1 градуса.

Солнечная система состоит из центральной звезды — Солнца (в котором сосредоточено 99.86% массы всей системы), 8 больших планет с их спутниками, пояса астероидов, пояса Койпера и облака Оорта.

Планеты делятся на две контрастные группы:

1. Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс): небольшие размеры и массы, высокая средняя плотность (4000–5500 кг/м³), твердая каменистая кора из силикатов и металлическое железо-никелевое ядро, малое число спутников (у Земли — 1, у Марса — 2, у Меркурия и Венеры — 0).

2. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун): колоссальные размеры и массы (Юпитер в 318 раз тяжелее Земли!), низкая средняя плотность (у Сатурна плотность меньше плотности воды: 687 кг/м³!), состоят преимущественно из водорода, гелия, метана и аммиака, не имеют твердой поверхности, обладают мощными кольцами и десятками спутников.

Карликовые планеты (Плутон, Церера, Эрида) не расчистили свою орбиту от других объектов.

В начале XVII века Иоганн Кеплер на основе многолетних сверхточных наблюдений датского астронома Тихо Браге открыл три закона движения планет:

1. Первый закон Кеплера: орбита каждой планеты Солнечной системы есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием, самая удаленная — афелием.

2. Второй закон Кеплера (закон площадей): радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади. Следствие: вблизи перигелия планета движется быстрее, в афелии — медленнее!

3. Третий закон Кеплера: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их эллиптических орбит:

Солнце — типичная звезда-желтый карлик спектрального класса G2V возрастом около 4.6 миллиарда лет. Масса Солнца в 333 000 раз больше массы Земли, диаметр — около 1 392 000 км (в 109 раз больше земного).

Строение Солнца:

• Ядро (температура ~15 миллионов Кельвинов, плотность ~150 г/см³): здесь непрерывно протекает протон-протонный термоядерный синтез — четыре ядра водорода (протона) сливаются в ядро гелия с выделением колоссальной энергии:

4 ¹₁H → ⁴₂He + 2 e⁺ + 2 ν + 26.7 МэВ;

• Зона лучистого переноса энергии;

• Конвективная зона;

• Атмосфера: фотосфера (видимая поверхность с грануляцией и темными солнечными пятнами с температурой ~6000 К), хромосфера и солнечная корона (простирающаяся на миллионы километров плазма с температурой свыше 1 млн К).

Солнечный ветер — поток ионизированной плазмы со скоростью 400–800 км/с, вызывающий магнитные бури и полярные сияния в атмосфере Земли.

Вселенная за пределами Солнечной системы состоит из сотен миллиардов галактик.

Наша звездная система — галактика Млечный Путь — гигантская спиральная галактика диаметром около 100 000 световых лет, содержащая свыше 200–400 миллиардов звезд. Солнце расположено в рукаве Ориона на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Галактики, где находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*.

Основы современной космологии (модель Большого Взрыва):

1. Закон Хаббла (1929 г.): все далекие галактики удаляются от нас со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию до них: v = H₀ · R (где H₀ ≈ 70 км/(с · Мпк) — постоянная Хаббла). Вселенная непрерывно расширяется!

2. Возраст Вселенной: около 13.8 миллиарда лет с момента Большого Взрыва;

3. Реликтовое микроволновое фоновое излучение с температурой 2.7 К — остывшее излучение ранней горячей Вселенной;

4. Состав Вселенной: 5% обычного барионного вещества (звезды, планеты, газ), 27% темной материи и 68% темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.