Изучение физических явлений, процессов н закономерностей на Земле тесно связано с изучением внеземных, астрономических объектов. Достаточно напомнить, что открытие закона всемирного тяготения, спектров излучения и поглощения и многих других закономерностей природы было осуществлено благодаря астрономическим наблюдениям. И наоборот, успехи «земной» физики и химии позволили подойти к пониманию того, что происходит в необозримом пространстве на огромных расстояниях от нашей планеты.

Весь безграничный мир, представляющий собою все разнообразие форм существования материи, называют Вселенной. Учение о той части Вселенной, которую охватывают современные астрономические наблюдения, называют космологией (от греч. «космос» — Вселенная и «логос» — слово, учение).

Происхождение и развитие небесных тел — планет, звезд и галактик — изучает космогония (от греч. «космос» и «тонна» — рождение), которая опирается на успехи физики, химии, геологии и других наук.

В предыдущих разделах курса уже были рассмотрены некоторые вопросы, связанные с природой и методами исследования отдельных небесных тел. Теперь ознакомимся с современными представлениями о строении Вселенной.

Мы живем на одной из планет, обращающихся вокруг Солнца под действием его притяжения (рис. 40.1). Кроме Земли и планет, сходных с ней (Меркурий, Венера и Марс), имеются планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), а также мало изученная планета Плутон. Перечисленные девять планет, основные сведения о которых приведены в табл. 40.1, называют б о л ь ш и м и планетами. Кроме них в настоящее время известно примерно 2000 малых планет (астероидов), поперечник которых много меньше, чем у больших планет (диаметр самых малых — порядка 1 км). Тела еще меньших размеров уже нельзя видеть в телескоп, и мы узнаем об их существовании лишь тогда, когда они, встретившись на пути нашей Земли, падают на ее поверхность в виде метеоритов. Эти тела, состоящие из железа и силикатов, так же, как и астероиды, движутся в Солнечной системе в основном между орбитами Марса и Юпитера.

Малыми телами Солнечной системы считаются также многочисленные кометы. Орбита одной из них показана на рис. 40.1, где масштаб дан в астрономических единицах (1 а. е. = 1,496* 10¹¹ м). Небольшая их часть все время находится внутри орбит планет, имея периоды обращения вокруг Солнца от нескольких лет до нескольких десятков лет. Большинство же комет движется за пределами планетных орбит; но иногда, обращаясь по очень вытянутым эллиптическим орбитам, кометы приближаются к Солнцу. Тогда их ядро, состоящее из замерзших газов (метана, аммиака) и льда с вмороженными в них тугоплавкими частицами, выделяет эти газы. Они вместе с освободившимися пылевыми частицами образуют голову и хвост кометы, который тянется на десятки миллионов километров. Несмотря на огромные его размеры, плотность вещества в хвосте ничтожно мала (следует отметить, что общая масса кометы не превышает миллиардных долей массы Земли). Светятся кометы за счет флуоресценции газа, возникающей под действием солнечного излучения, и отражения солнечного света пылью.

Сосредоточенное в планетах твердое вещество, холодные газы, образующие их атмосферы и хвосты комет, вместе с мелкими телами и космической пылью составляет по массе всего 1/750 долю в Солнечной системе. Основная часть массы Солнечной системы сосредоточена в ее центральном теле — Солнце.

В современную эпоху подавляющая часть вещества во Вселенной существует, подобно Солнцу, в виде сгустков горячей плазмы, представляющих собою звезды. Звезды расположены на очень больших расстояниях друг от друга. Так, ближайшая к Солнцу звезда находится от него на расстоянии в 270 ООО раз большем, чем Земля, т. е. расстояние между звездами в окрестностях Солнца примерно в 10 млн. раз больше их собственных размеров.

Вместе с другими звездами Солнце входит в состав огромного звездного «острова» — Галактики. Галактика — это скопление примерно 150 млрд. звезд и межзвездного вещества. Нашу Галактику мы наблюдаем на небе в виде светлой полосы, пересекающей все небо (ее назвали «Млечный Путь»), В звездах сосредоточено около 98% массы Галактики, а на межзвездное вещество (газ вместе с пылью) приходится всего около 2%, причем соотношение газа и пыли составляет примерно 100: 1. Средняя концентрация межзвездного вещества — около 1 частицы на 1 см3, но иногда межзвездное вещество встречается в виде более плотных облаков.

Диаметр Галактики составляет около 30 тыс. парсек (пк), а толщина диска, в котором сосредоточено большинство звезд, приблизительно равна 460 пк. Схема строения Галактики представлена на рис. 40.2, стрелкой отмечено положение Солнца.

Звезды различных типов и другие объекты по-разному распределены в Галактике. Так, особенно горячие и массивные звезды, а также газовые туманности концентрируются вблизи плоскости, проходящей через центр Галактики (плоская система). Вблизи этой плоскости находится и Солнце. Млечный Путь наблюдается именно как следствие такой концентрации. Другие типы звезд и шаровые звездные скопления встречаются по всей Галактике, но большая часть этих объектов расположена вблизи ее центра (сферическая система). Эти и другие случаи распределения звезд связаны, как будет показано далее, с различным возрастом звезд.

Звезды и другие объекты в плоскости Млечного Пути (рис. 40.2, 6) образуют спиральные ветви, расходящиеся от центра Галактики. Эти спиральные ветви хорошо прослеживаются не столько по звездам, сколько по межзвездному газу, распределение которого изучают с помощью радиоастрономических методов. Все объекты, составляющие Галактику, вращаются вокруг оси, проходящей через ее центр, и удерживаются полем тяготения. Наше Солнце затрачивает на один оборот около 200 млн. лет.

Другая, сходная с нашей, галактика удалена на расстояние около 0,55 млн. пк (которое примерно в 20 раз превышает размеры Галактики). Это галактика Андромеды (рис. 40.3), видимая даже невооруженным глазом. В настоящее время можно изучать галактики, расположенные на расстояниях в несколько миллиардов световых лет. На фотографиях, полученных с помощью самых мощных телескопов, запечатлено сотни миллионов галактик.

Изучая далекие галактики, мы заглядываем в прошлое Вселенной, поскольку свет, дошедший до нас теперь, излучен ими несколько миллиардов лет назад. Далекие галактики даже в самые мощные телескопы видны как маленькие светлые пятнышки, а их спектры в большинстве случаев являются спектрами поглощения, характерными для звезд, входящих в их состав.

У всех галактик (за исключением ближайших к нам) линии поглощения в спектре смещены в его длинноволновую часть. Величина этого «красного смещения» прямо пропорциональна расстоянию до галактики. Это означает, что галактики удаляются друг от друга со скоростью, которая возрастает с увеличением расстояния между ними. «Красное смещение» свидетельствует о том, что Вселенную нельзя рассматривать как застывшую и неизменную. В ней постоянно происходят процессы развития отдельных небесных тел и всей Вселенной в целом.

Галактики неравномерно распределены в пространстве. Так же, как и звезды, они образуют отдельные группы и скопления. Например, наша Галактика вместе с окрестными галактиками образует местную систему — группу, которая состоит примерно из 20 объектов. В свою очередь эта группа входит в состав большого скопления, насчитывающего несколько тысяч галактик. Разница между скоплениями звезд и скоплениями галактик состоит в том, что расстояния между галактиками всего лишь в несколько раз больше, чем их собственные размеры. Так что с переходом ко все более крупным пространственным масштабам во Вселенной можно говорить о равномерном распределении в ней вещества.