Міністерство сільського господарства і продовольства Російської Федерації

Тюменська Державна Сільськогосподарська Академія

Кафедра філософії

Контрольна робота з дисципліни "Концепції сучасного природознавства"

Тема: Будова та еволюція зірок і планет.

Виконала:

Тюмень 2003р.

Виникнення та еволюція зірок

Міжзоряний газ

Знадобилося тисячолітнє розвиток науки, щоб людство усвідомило простий і разом з тим величний факт, що зірки - це об'єкти, більш-менш схожі на Сонце, але тільки віддалені від нас на незрівнянно великі відстані.

Майже половину сторіччя міжзоряний газ досліджувався головним чином шляхом аналізу що утворюються в ньому ліній поглинання.

З'ясувалося, наприклад, що досить часто ці лінії мають складну структуру, тобто складаються з декількох близько розташованих один до одного компонент. Кожна така компонента виникає при поглинанні світла зірки в якомусь певному хмарі міжзоряного середовища, причому хмари рухаються один щодо одного зі швидкістю, близькою до 10 км/сек. Це і призводить завдяки ефекту Доплера до незначного зміщення довжин хвиль ліній поглинання.

Хімічний склад міжзоряного газу в першому наближенні виявився досить близьким до хімічного складу Сонця і зірок.

Переважаючими елементами є водень і гелій, тим часом як інші елементи ми можемо розглядати як "домішки".

Міжзоряне пил

До цих пір, кажучи про міжзоряного середовища, ми мали на увазі тільки міжзоряний газ, але є і інший компонент. Мова йде про міжзоряного пилу. Ми вже згадували вище, що ще в минулому сторіччі дебатувалося питання про прозорість міжзоряного простору.

Тільки близько 1930 року з безсумнівністю було доведено, що міжзоряний простір дійсно не зовсім прозоро.

Поглинаюча світло субстанція зосереджена в досить тонкому шарі близько галактичної площині. Сильніше всього поглинаються сині, фіолетові промені, тим часом як поглинання в червоних променях порівняно невелике.

Що ж це за субстанція? Зараз вже є доведеним, що поглинання світла обумовлене міжзоряного пилом, то є твердими мікроскопічними частинками речовини, розмірами менше мікрона. Ці пилинки мають складний хімічний склад.

Встановлено, що пилинки мають досить витягнуту форму і в якійсь мірі "орієнтуються", тобто напрямки їх витягнутості мають тенденцію "вибудовуватися" в даному хмарі більш-менш паралельно. З цієї причини проходить через тонку середу зоряний світ стає частково поляризованим.

Стадії зоряної еволюції

Цей процес є закономірним, то є неминучим. Справді, теплова нестійкість міжзоряного середовища неминуче веде до її фрагментації, тобто до поділу на окремі, порівняно щільні хмари і межоблачную середу. Однак власна сила тяжіння не може стиснути хмари - для цього вони недостатньо щільні і великі. Але тут "вступає в гру" міжзоряний магнітне поле. У системі силових ліній цього поля неминуче утворюються досить глибокі "ями", куди "стікаються" хмари міжзоряного середовища.

Це призводить до утворення величезних газово-пилових комплексів. У таких комплексах утворюється шар холодного газу, тому що іонізуюче міжзоряний вуглець ультрафіолетове випромінювання зірок сильно поглинається що знаходиться в щільному комплексі космічної пилом, а нейтральні атоми вуглецю сильно охолоджують міжзоряний газ і "термостатіруют" його при дуже низькій температурі - близько 5 -

10 градусів Кельвіна. Так як в холодному шарі тиск газу дорівнює зовнішньому тиску навколишнього більш нагрітого газу, то щільність в цьому шарі значно вище і досягає декількох тисяч атомів на кубічний сантиметр. Під впливом власної гравітації холодний шар, після того як він досягне товщини близько одного парсека, почне "фрагментувати" на окремі, ще більш щільні згустки, які під дією власної гравітації будуть продовжувати стискуватися. Таким цілком природним чином в міжзоряної середовищі виникають асоціації протозірок. Кожна така протозірок еволюціонує зі швидкістю, що залежить від її маси.

Коли істотна частина маси газу перетворитися на зірки, міжзоряний магнітне поле, яке своїм тиском підтримувало газово-пилової комплекс, природно, не буде надавати впливу на зірки і молоді протозірок. Під впливом гравітаційного тяжіння Галактики вони почнуть падати до галактичної площині. Таким чином, молоді зоряні асоціації завжди повинні наближатися до галактичної площині.

Не так давно астрономи вважали, що на освіту зірки з міжзоряних газу і пилу потрібні мільйони років. Але в останні роки були отримані вражаючі фотографії області неба, що входить до складу Великої Туманність Оріона, де протягом кількох років з'явилося невелике скупчення зірок. На знімках 1947р. в цьому місці була видна група з трьох звездоподобних об'єктів. До 1954р. деякі з них стали довгастими, а до 1959р. ці довгасті освіти розпалися на окремі зірки - вперше в історії людства люди спостерігали, народження зірок буквально на очах.

Цей безпрецедентний випадок показав астрономам, що зірки можуть народжуватися за короткий інтервал часу, і що здавалися раніше дивними міркування про те , що зірки зазвичай виникають в групах, або зоряних скупченнях, виявилися справедливими.

Який же механізм їх виникнення? Чому за багато років астрономічних візуальних і фотографічних спостережень неба тільки зараз вперше вдалося побачити "матеріалізацію" зірок? Народження зірки не може бути винятковою подією: у багатьох ділянках неба існують умови, необхідні для появи цих тіл.

У результаті ретельного вивчення фотографій туманних ділянок Чумацького Шляху вдалося виявити маленькі чорні цятки неправильної форми, або глобули, що представляють собою масивні скупчення пилу та газу. Вони виглядають чорними, тому що не випромінюють власного світла і знаходяться між нами і яскравими зірками, світло від яких вони заступають. Ці газово-пилові хмари містять частинки пилу, дуже сильно поглинають світло, що йде від розташованих за ними зірок. Розміри глобул величезні - до декількох світлових років у поперечнику. Незважаючи на те, що речовина в цих скупченнях дуже розріджене, загальний обсяг їх настільки великий, що його цілком вистачає для формування невеликих скупчень зірок, за масою близьких до Сонця. Для того, щоб уявити собі, як з глобул виникають зірки, згадаємо, що всі зірки випромінюють і їх випромінювання тисне. Розроблено чутливі інструменти, які реагують на тиск сонячного світла, яке проникає крізь товщу земної атмосфери. У чорній глобул під дією тиску випромінювання, що випускається оточуючими зірками, відбувається стиснення і ущільнення речовини. Всередині глобули гуляє "вітер", розкидають по всіх напрямах газ і пилові частинки, так що речовина глобули перебуває в безперервному турбулентному русі.

глобул можна розглядати як турбулентні газово-пилову масу, на яку з усіх боків тисне випромінювання . Під дією цього тиску обсяг, що заповнюється газом і пилом, стискатиметься Він стає все менше і менше. Таке стиснення протікає протягом деякого часу, що залежить від навколишніх глобул джерел випромінювання та інтенсивності останнього. Гравітаційні сили, що виникають із-за концентрації маси в центрі глобули, теж прагнуть стиснути глобул, змушуючи речовину падати до її центру.

Падаючи, частинки речовини набувають кінетичну енергію і розігрівають газово-пилові хмари.

Падіння речовини може тривати сотні років. Спочатку воно відбувається повільно, неквапливо, оскільки гравітаційні сили, що притягає частки до центру, ще дуже слабкі. Через деякий час, коли глобул стає менше, а поле тяжіння посилюється, падіння починає відбуватися швидше. Але, як ми вже знаємо, глобул величезна, не менше світлового року в діаметрі. Це означає, що відстань від її зовнішнього кордону до центру може перевищувати 10 трильйонів кілометрів. Якщо частка від краю глобули почне падати до центру зі швидкістю трохи менше 2 км/с, то центру вона досягне тільки через 200 000 років. Спостереження показують, що швидкості руху газу і пилових часток насправді набагато більше, а тому гравітаційне стиснення відбувається значно швидше.

Падіння речовини до центру супроводжується дуже частими зіткненнями частинок і переходом їх кінетичної енергії в теплову. В результаті температура глобули зростає. Глобул стає протозірок і починає світитися, так як енергія руху частинок перейшла в тепло, нагріла пил і газ.

У цій стадії протозірок ледь видно, так, як основна частка її випромінювання припадає на далеку інфрачервону область. Зірка ще не народилася, але зародок її вже з'явився. Астрономам поки невідомо, скільки часу потрібно протозірок, щоб досягти тієї стадії, коли вона починає світитися як тьмяний червону кулю і стає видимою. За різними оцінками, цей час коливається від тисяч до декількох мільйонів років. Однак, пам'ятаючи про появу зірок у Великій Туманність Оріона, варто, мабуть, вважати, що найбільш близька до реальності оцінка, яка дає мінімальне значення часу.

Серед численних небесних світил, що вивчаються сучасною астрономією, особливе місце займають планети . Адже всі ми добре знаємо, що Земля, на якій ми живемо, є планетою, так що планети-тіла, в основному подібні до нашої Землі.

Але у світі планет ми не зустрінемо навіть двох, абсолютно схожих один на одного. Різноманітність фізичних умов на планетах дуже велике. Відстань планети від Сонця (а отже, і кількість сонячного тепла, і температура поверхні), її розміри, напруга сили тяжіння на поверхні, орієнтування осі обертання, яка визначає зміну пір року, наявність і склад атмосфери, внутрішню будову і багато інших властивостей різні в усіх дев'яти планет Сонячної системи.

Як показує вивчення умов, за яких можливе зародження і подальший розвиток живої матерії, тільки на планетах ми можемо шукати ознаки існування органічного життя. Ось чому вивчення планет, крім загального інтересу, має велике значення з точки зору космічної біології.

Результати дослідження показали має велике значення, крім астрономії, і для інших галузей науки, в першу чергу наук про Землю-геології і геофізики , а також для космогонії-науки про походження і розвиток небесних тіл, в тому числі і нашої Землі.

Сучасні уявлення про планети склалися не відразу. Для цього знадобилося багато століть накопичення і розвитку знань і наполегливої боротьби нових, прогресивних знань з поглядами старими, відживаючим.

У давніх уявленнях про Всесвіт Земля вважалася пласкою, а планети розглядалися лише як крапки, що світяться на небосхилі, що відрізнялися від зірок тільки тим, що вони переміщувалися між ними, переходячи із сузір'я в сузір'я. За цей планети і отримали назву, що означає «блудні». Спостерігачам старовини, було, відомо п'ять планет: Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн.

Навіть після того, як була встановлена куляста форма

Землі, і були вперше визначені її розміри ( Ератосфеном у III ст. до н. е..), після того, як стала очевидною обмеженість Землі в просторі, про природу планет ні чого не було відомо. І все-таки в поглядах видатних мислителів давнини: Анаксагора, Демокріта,

Епікура, Лукреція ми зустрінемо ідеї про матеріальність і нескінченності

Всесвіту, заповненої безліччю світів, подібних нашому, причому багато хто з них можуть бути населені живими істотами.

Ці мислителі висловлювали досить цікаві ідеї і про природу небесних тіл.

Освіта планет.

. Повернемося до супутників нашого Сонця, до тих уривків туманності, які відірвалися від центрального згустку під дією відцентрової сили і почали кружляти навколо нього. Саме тут створюються умови, що сприяють розділенню легких і важких часток туманності. Відбувається щось схоже на наш древній спосіб видобутку золота промиванням з золотоносного піску або на просіювання зерна в молотарка. Струмінь води або повітря відносить легкі частинки, залишаючи важкі. Хмари-супутники знаходяться на дуже різних відстанях від Сонця. Далекі воно майже не гріє. Зате в близьких

- його жар випаровує все здатне випаруватися. А його сліпучий найяскравіший світло, працюючи як своєрідний "вітер", видуває з них все випарується, взагалі все легке, залишаючи лише те, що важче, що "не зрушити з місця". Тому тут майже не залишається легких газів - водню й гелію, основною складовою газо-пилової туманності. Мало залишається і інших "летючих" речовин.

Все це несеться гарячим "вітром" у далечінь. У результаті через деякий час хімічний склад хмар-супутників стає зовсім різним. У далеких - він майже не змінився. А в тих, що кружляють поблизу що виливають жар і світло Сонця, залишився лише

"пропечений" і "обдутий" матеріал - виділена "дорогоцінна життєво важлива домішка" важких елементів. Матеріал для створення жилої планети готовий. Починається процес перетворення

"матеріалу" в "виріб", часток туманності - в планети.

Етап перший - злипання частинок. У далеких хмарах - супутниках численні молекули легких газів і рідкі легкі пилинки потроху збираються у величезні пухкі кулі малої щільності. Надалі це планети групи Юпітера. У хмарах-супутниках, близьких до Сонця, важкі пилинки злипаються в щільні кам'янисті грудки. Вони поєднуються у величезні масивні скелясті брили, жахливими сірими кутастими громадами що пливуть по орбітах навколо своєї зірки. Рухаючись по різних, іноді пересічним орбітах, ці "астероїди", розміром в десятки кілометрів кожний, зіштовхуються. Якщо на невеликій відносної швидкості, то як би

"вдавлюються" один в інший, "нагромаджуються", "налипає" один на інший. Об'єднуються в більші. Якщо на великій швидкості, то мнуть, кришать один одного, породжуючи нову "дрібниця", незліченні уламки, осколки, які знову проходять довгий шлях об'єднання.

Сотні мільйонів років йде цей процес злиття дрібних часток у великі небесні тіла . У міру збільшення своїх розмірів вони стають все більш куляста. Зростає маса - зростає сила тяжіння на їхній поверхні. Верхні шари тиснуть на внутрішні.

Виступаючі частини виявляються вантажем більш важким і поступово занурюються в товщу нижележащих мас, розсовуючи їх під собою. Ті, відходячи в сторони, заповнюють собою западини. Грубий "ком" поступово згладжується. В результаті поблизу Сонця утворюються декілька порівняно невеликих за розміром, але дуже щільних, що складаються з дуже важкого матеріалу, планет земної групи. Серед них - Земля.

Всі вони різко відрізняються від планет групи Юпітера багатством хімічного складу, великою кількістю важких елементів, великою питомою вагою. Тепер подивимося на Землю. На зоряному фоні, освітлений з одного боку яскравими сонячними променями, пливе перед нами величезний кам'яну кулю. Він ще не гладкий не рівний. Ще стирчать де-не-де виступи зліпили його брил. Ще "читаються" не повністю заплилі "шви" між ними. Поки це ще "груба робота". Але ось що цікаво. Вже є атмосфера. Трохи мутнувата, очевидно, від пилу, але без хмар. Це видавлені з надр планети водень і гелій, які свого часу прилипли до кам'янистих часток і якимось дивом вціліли, не були "здути" сонячними променями. Первинна атмосфера Землі. Вона довго не протримається. "Не києм, то палицею" Сонце знищить її. Легкі рухливі молекули водню й гелію під дією нагрівання сонячними променями будуть поступово випаровуватися в космос. Цей процес називається

"диссипацией"

Етап другий-розігрівання. 0Внутрі планети, у суміші з іншими виявляються затиснутими, "замкнутими" радіоактивні речовини.

Вони відрізняються тим, що безперервно виділяють тепло, ледь помітно нагріваються. Але в товщі планети цього тепла немає куди вийти, немає вентиляції, немає омиваючої вологи. Над ними - потужна "шуба" з верхніх шарів. Тепло накопичується. Від цього радіоактивного розігрівання починається розм'якшення всієї товщі планети. У розм'якшеному вигляді речовини, свого часу хаотично, безсистемно зліпили її, починають тепер розподіляться за вагою Важкі поступово опускаються, тонуть до центру. Легкі видавлюються ними, піднімаються вище,?? спливают все ближче до поверхні. Поступово планета набуває будову, подібне теперішньої нашої Землі, - в центрі, стислій жахливим вагою навалилися зверху шарів, важке ядро. Воно оточене "мантією" товстим шаром речовини легше вагою.

І нарешті, зовні зовсім тонка, товщиною всього в декілька десятків кілометрів, "кора", що складається з найлегших гірських порід. Радіоактивні речовини в основному містяться в легких породах. Тому тепер вони зібралися в "корі", гріють її. Основне тепло з поверхні планети йде в космос, - від планети "трохи повіяло теплом". А на глибині десятків кілометрів тепло зберігається, розігріваючи гірські породи.

Етап третій - вулканічна діяльність. 0 У деяких місцях надра планети розпалюються до червоного. Потім навіть більше. Камені плавляться, перетворюються на розпечену, що світиться оранжево-білим світом вогненну кашу "магму". У товщі кори їй тісно. У ній повно стислих газів, які готові були б підірвати, розкидати всю цю магму на всі боки вогняними бризками. Але сил для цього не вистачає. Занадто міцна й важка навколишнє і додаючи зверху кора планети. І вогненна магма, намагаючись хоч як-небудь вирватися наверх, на свободу, намацує між стискають її брилами слабкі місця, протискується в щілини, подплавляя їх стінки своїм жаром. І потроху з роками, століттями набираючи силу, піднімається з глибин до поверхні планети. І ось перемога! "Канал" пробитий!

стрясаючи скелі, з гуркотом виривається з надр стовп вогню. Клуби диму і пари здіймаються до неба. Летять вгору каміння і попіл.

Вогняна магма, яка називається тепер "лава", виливається на поверхні планети, розтікається в сторони. Відбувається виверження вулкану. Таких "пробитих зсередини дірок" на планеті багато. Вони допомагають молодій планеті "боротися з перегрівом". Через них вона звільняється від накопичилася вогняної магми, "видихає" розпираючий її гарячі гази в основному вуглекислий газ і водяна пара, а з ними

- різні домішки, такі, як метан, аміак. Поступово в атмосфері майже зникли водень і гелій, і вона стала складатися в основному з вулканічних газів. Кисню в ній поки немає й близько. Для життя ця атмосфера зовсім не придатна. Дуже важливо, що вулкани викидають на поверхню велику кількість водяної пари. Він збирається в хмари. З них на поверхню планети ллються дощі.

Вода стікає в низини, накопичується. І потроху на планеті утворюються озера, моря, океани, у яких може розвинутися життя.

Освіта сонячної системи

Ось уже два століття проблема походження Сонячної системи хвилює видатних мислителів нашої планети. Цією проблемою займались, починаючи від філософа Канта і математика Лапласа, плеяда астрономів і фізиків XIX і XX століть.

І все-таки ми до сих пір досить далекі від вирішення цієї проблеми. Але за останні три десятиліття роз'яснився питання про шляхи еволюції зірок. І хоча деталі народження зірки з газово-пилової туманності ще далеко не ясні, ми тепер чітко уявляємо, що з нею відбувається протягом мільярдів років подальшої еволюції.

Переходячи до викладу різних космогонічних гіпотез, що змінювали одна одну протягом двох останніх століть, почнемо з гіпотези великого німецького філософа Канта і теорії, яку через кілька десятиліть незалежно запропонував французький математик Лаплас. Передумови до створення цих теорій витримали випробування часом.

Точки зору Канта і Лапласа в ряді важливих питань різко відрізнялися. Кант виходив з еволюційного розвитку холодної пилової туманності, в ході якого спочатку виникло центральне масивне тіло - майбутнє Сонце, а потім планети, у той час як Лаплас вважав первісну туманність газової та дуже гарячою з високою швидкістю обертання. Стискаючись під дією сили всесвітнього тяжіння, туманність, внаслідок закону збереження моменту кількості руху, бувала все швидше і швидше. Із-за великих відцентрових сил від нього послідовно відділялися кільця. Потім вони конденсувався, утворюючи планети.

Таким чином, відповідно до гіпотези Лапласа, планети утворилися раніше Сонця. Однак, незважаючи на відмінності, загальною важливою особливістю є уявлення, що Сонячна система виникла в результаті закономірного розвитку туманності. Тому й прийнято називати цю концепцію "гіпотезою Канта-Лапласа".

Однак ця теорія стикається з труднощами. Наша Сонячна система, що складається з дев'яти планет різних розмірів і мас, володіє особливістю: незвичайне розподіл моменту кількості руху між центральним тілом - Сонцем і планетами.

Момент кількості руху є одна з найважливіших характеристик будь-якої ізольованою від зовнішнього світу механічної системи. Саме як таку систему можна розглянути Сонце й планети. Момент кількості руху можна визначити як "запас обертання" системи. Це обертання складається з орбітального руху планет і обертання навколо осей Сонця й планет.

Левова частка моменту кількості руху Сонячної системи зосереджена в орбітальному русі планет-гігантів Юпітера і

Сатурна.

З погляду гіпотези Лапласа, це абсолютно незрозуміло. В епоху, коли від первісної, швидко обертається туманності відокремилося кільце, шари туманності, з яких потім сконденсувалася Сонце, мали (на одиницю маси) приблизно такий самий момент, як речовина що відокремилася кільця (так як кутові швидкості кільця і залишилися частин були приблизно однакові) . Оскільки маса останнього була значно меншою основної туманності

( "протосолнца"), то повний момент кількості руху кільця повинен бути набагато менше, ніж у "протосолнца". У гіпотезі Лапласа відсутній який-небудь механізм передачі моменту від "протосолнца" до кільця. Тому протягом всієї подальшої еволюції момент кількості руху "протосолнца", а потім і Сонця повинен бути набагато більше, ніж у кілець і утворилися з них планет. Але цей висновок суперечить з фактичним розподілом кількості руху між Сонцем і планетами.

Для гіпотези Лапласа ця трудність виявилася нездоланною.

Зупинимося на гіпотезі Джинса, що одержала поширення в першій третині поточного сторіччя. Вона повністю протилежна до гіпотези Канта-Лапласа. Якщо остання малює утворення планетарних систем як єдиний закономірний процес еволюції від простого до складного, то в гіпотезі Джинса утворення таких систем є справа випадку.

Вихідна матерія, з якої потім утворилися планети, була викинута із Сонця (яке до той час було вже досить

"старим" і схожим на нинішнє) при випадковому проходженні поблизу нього деякою зірки. Це проходження був настільки близьким, що його можна розглядати практично як зіткнення. Завдяки приливні силам з боку налетіла на Сонце зірки, з поверхневих шарів Сонця викинута струмінь газу. Ця струмінь залишиться у сфері притягання Сонця і після того, як зірка піде від Сонця. Потім струмінь сконденсіруется і дасть початок планет.

Якби гіпотеза Джинса була правильною, число планетарних систем, що утворилися за десять мільярдів років її еволюції, можна було перерахувати на пальцях. Але планетарних систем фактично багато, отже, ця гіпотеза неспроможна. І нізвідки не випливає, що викинута із Сонця струмінь гарячого газу може сконденсувати в планети. Таким чином, космологічна гіпотеза Джинса виявилася неспроможною.

Список літератури:

1. І. С. Шкловський. Зірки: їх народження, життя і смерть

2. П. І. Бакулін. Курс загальної астрономії

3. Ю. М. Єфремов. У глибини Всесвіту

4.Енцеклопедіческій 0 словник юного астронома, М.: Педагогіка, 1980 р. Астрономія: Учеб. для 11 кл. середовищ шк., М: Провсещеніе, 1990 р.

5.Клушанцев П.В. 2 "0Одінокі ми у всесвіті? 2" 0: Дет.літ., 1981р. Еврика-89, М: Мол.гвардия, 1991 р.

Пошуки життя в Сонячній системі: Пер.с англ. М.: Світ, 1988 р.

-----------------------< br>Інфрачервона зйомка народження зірки