Конспект урока: История развития представлений о Вселенной. Солнечная система. Строение и эволюция Вселенной

Устройство Солнечной системы

Рассмотрим устройство Солнечной системы с точки зрения современной науки.

Используем, как и ранее, гелиоцентрическую систему отсчёта: за тело отсчёта примем Солнце, за начало отсчёта — центр данной звезды, координатные оси направлены к удалённым звездам.

Солнце, как и планеты, совершает вращательные движения вокруг своей оси вращения. Планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца в направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца, одновременно вращаясь вокруг своей оси (рис. 1).

Рис. 1. Направление вращения планет

Орбиты планет приблизительно лежат в одной плоскости. У большинства планет направление вращения вокруг своей оси совпадает с направлением вращения Солнца, исключение составляют Венера, Уран и Плутон.

Меркурий, Венера, Земля и Марс относятся к планетам земной группы. Планеты этой группы состоят из тяжелых химических элементов и имеют твёрдую поверхность, называемую литосферой.

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. В центре планеты-гиганта находится небольшое твёрдое ядро, которое окружено жидким веществом и атмосферой.

Так, масса ядра Юпитера составляет всего 4 % массы всей планеты.

Рис. 2. Строение Юпитера

 

Ядро Юпитера окружено оболочкой из металлического водорода, затем идёт слой из смеси жидкого молекулярного водорода и гелия. Атмосфера планеты — внешняя оболочка — преимущественно состоит из смеси газов: водорода, гелия и других химических элементов (рис. 2).

Таким образом, планеты-гиганты представляют собой огромные газовые шары.
 

Планеты-гиганты имеют спутники и кольца, состоящие из кусков льда, пыли и кусков камней неправильной формы.

Плутон является крупнейшей карликовой планетой Солнечной системы. Состав Плутона представляет собой соединение из камня и льда, планета имеет относительно малые размеры: масса Плутона меньше массы Луны примерно в шесть раз, а объём — примерно в три раза.

Помимо планет вокруг Солнца вращается большое количество астероидов — небесных тел каменистой структуры и неправильной формы. Большая часть астероидов движется по орбитам, расположенным между орбитами Марса и Юпитера. Данная совокупность астероидов называется поясом астероидов.

Рис. 3. Комета

Ещё один вид небесных тел, присутствующих в Солнечной системе, — кометы. Кометы состоят из льда, космической пыли и замороженных газов. Они движутся по вытянутым орбитам, пересекающим орбиты планет. При приближении к Солнцу лёд и застывшие газы испаряются, в результате чего вокруг кометы образуется газовая 
оболочка — кома (рис. 3).

При разрушении астероидов и комет образуются космические тела небольших размеров — метеорные частицы. Попадая в атмосферу планеты, такие частицы быстро сгорают из-за сильного нагревания при трении, не достигая поверхности планеты.

Строение Солнца. Виды звёзд

Солнце представляет собой сильно нагретый шар, радиус которого более чем в 100 раз превышает радиус Земли. Солнце примерно на 73 % состоит из водорода, на 25 % — из гелия, остальные элементы составляют около 2 % массы звезды. Солнце — самое тяжелое небесное тело Солнечной системы: около 99 % от общей массы всех входящих в Солнечную систему небесных тел.

Рис. 4. Строение Солнца

Радиус ядра приблизительно равен 1,4 ∙ 10⁵ км, его температура составляет около 14 ∙ 10⁶ градусов. Плотность ядра порядка 0,1 кг/см³.
 

В ядре звезды протекают химические реакции с образованием огромного количества теплоты (рис. 4).

Само ядро окружено так называемой зоной переноса лучистой энергии — это зона радиации, в которой не происходят термоядерные реакции, а тепловая энергия переносится к следующему слою посредством изучения.

Рис. 5. Солнечную корону и часть хромосферы можно наблюдать во время солнечного затмения

Следующий слой — зона конвекции, здесь тепло, выделяемое ядром, передаётся поверхностному слою — фотосфере вместе с конвекционными потоками вещества. Фотосфера — это поверхность Солнца, наблюдаемая с Земли, её толщина составляет порядка 400 км. Нижний слой солнечной атмосферы называется хромосферой. Хромосфера состоит из смеси разреженных газов, частиц водорода, кальция и гелия, её толщина приблизительно равна 1 000 км. Вокруг хромосферы находится солнечная 
корона — сильно разреженная газовая оболочка, температура короны около 
1,5 млн градусов. Хромосферу и солнечную корону можно наблюдать во время солнечных затмений (рис. 5).

Считается, что Солнце образовалось из газопылевого облака, состоящего из смеси водорода, гелия и других веществ, около 4,6 млрд лет назад. Облако создавало гравитационное поле, которое притягивало к себе частицы вещества из космического пространства — так сформировалась протозвезда. В результате усиливающегося действия гравитационных сил облако начало сжиматься и образовался вращающийся диск из веществ, основная масса которого была сосредоточена в его центре. 

Рис. 6. Этапы образования Солнечной системы

В определённый момент температура и давление внутри облака стали настолько велики, что произошла термоядерная реакция, в результате которой большая часть массы вещества оказалась в центре гравитационного коллапса. Гравитационный коллапс — это процесс быстрого сжатия объектов под действием гравитационных сил.

 

Из остального вещества образовались протопланетные диски, из которых впоследствии сформировались планеты, астероиды и другие тела Солнечной системы (рис. 6).

Во Вселенной находится огромное количество звёзд, большинство из них имеет размеры, сопоставимые с размерами Солнца. Однако существуют звезды-гиганты, такие как звезда Бетельгейзе, радиус которой сопоставим с радиусом орбиты Земли (рис. 7); а также звёзды-карлики, имеющие размеры, сравнимые с размером Земли. Если размеры звёзд имеют очень широкий диапазон, то значения их масс М лежат в достаточно малых пределах: 0,01 М_с < М < 100 М_с. 

Рис. 7. Размеры некоторых звёзд в сравнении с Солнцем

Увеличение массы звезды приводит к росту гравитационных сил, увеличению её плотности и разогреву её ядра. Результатом этих процессов является термоядерная реакция, энергия продолжает выделяться до тех пор, пока её количество не станет равно потерям на излучение. В этот момент гравитационное сжатие прекращается, звезда приходит в устойчивое состояние.

Известно, что мощность светового излучения L пропорциональна кубу её массы M. Таким образом, звезда, имеющая массу М = 50 М_с будет излучать энергию L = 125 000 L_с. Если масса звезды М будет превышать массу Солнца М_с более чем в сто раз, такая звезда разрушится, так как гравитационные силы не будут уравновешивать действие сил светового давления, разрушающих звезду.

Цвет поверхности звезды определяется температурой её поверхности. Все известные звёзды в зависимости от их спектра разделены на семь спектральных классов. В таблице 1 приведены диапазоны температур, соответствующие каждому спектральному классу.

Таблица 1. Спектральные классы звезд

Таким образом, Солнце относится к жёлтым звездам и занимает промежуточное положение в температурном диапазоне звёзд.

Итоги

• Солнечная система включает в себя планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс, а также планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
• Помимо планет, в Солнечной системе находится множество других небесных тел: астероиды, кометы, метеоры, спутники планет и другие.
• В зависимости от размеров звёзды делятся на карликовых и гигантов. В зависимости от температуры поверхности различают семь спектральных классов звёзд. Солнце относится к жёлтым звёздам класса $G$ и занимает промежуточное положение в температурном диапазоне звёзд.