Эволюция звезд

«Концепции современного естествознания»

2014/2015 учебный год

Лекция 12

Эволюция звезд

12.1 Рождение звезд из газопылевых облаков

Звезды являются самыми распространенными объектами Вселенной, в них сосредоточено до 97% видимого вещества. Именно в звездах находится тот «плавильный котел», в котором создаются химические элементы. Первые звезды начали образовываться после того, как произошла рекомбинация ядер водорода и гелия с электронами и вещество «отделилось» от излучения. Поэтому исходным материалом, из которого рождались первые звезды, была смесь газов водорода и гелия в соотношении 70:30. В процессе эволюции звезд, о чем речь пойдет далее, в их недрах синтезировались все более тяжелые химические элементы, а при взрывах звезд эти элементы рассеивались в космическом пространстве. Так образовались гигантские газопылевые облака, заполняющие межзвездную среду и состоящие из различных газов, в первую очередь, конечно, из водорода и гелия, а также из атомов других элементов и твердых микроскопических частиц силикатов, графитов и т. п. Эти облака могут находиться в равновесии, когда гравитационные силы, стремящиеся сжать облака, в точности уравновешиваются давлением газопылевой смеси. Однако при достаточно больших плотностях может начаться самопроизвольное сжатие (гравитационная конденсация) облаков, условием которого является отрицательный знак их полной энергии W.

Можно убедиться, что «обычные» облака межзвездного газа с массой порядка массы нашего Солнца и радиусом порядка одного парсека (1 парсек = 3,3 световых года) не будут сжиматься собственной гравитацией, в то время как газопылевые комплексы с массами, превышающими массу Солнца в десятки тысяч раз, и радиусами порядка десятков парсек будут сжиматься (при характерной для межзвездного пространства температуре Т ~ 50 К).

Первоначально такое сжатие не приводит к увеличению температуры облака (изотермическое сжатие), так как на начальной, самой важной стадии сжатия имеет место достаточно эффективное охлаждение среды: высвобождающаяся энергия гравитации идет на возбуждение атомов водорода, которые затем излучают кванты инфракрасного диапазона, уходящие в космическое пространство. При увеличении же плотности облака оно становится непрозрачным для излучения, и с этого момента начинается повышение температуры внутренних областей (адиабатическое сжатие). Это уже не облако, а протозвезда. В конце концов, температура в недрах протозвезды достигает порога термоядерных реакций синтеза. За счет этого температура звезды становится достаточно большой, чтобы соответствующее давление газа уравновесило силу гравитации и сжатие на какое-то время прекратилось. С этого момента начинается жизнь звезды.

12.2. Термоядерная жизнь звезд

Звезды — это раскаленные газовые шары, которые «цементируются» силой всемирного тяготения. Если бы не было этой силы, газ бы рассеялся в космическом пространстве. Причем это рассеяние произошло бы достаточно быстро, всего за несколько суток! С другой стороны, если бы на газ, образующий звезду, действовала только сила гравитации, то звезда катастрофически быстро сжалась бы за несколько минут!

Таким образом, имеет место точнейшее равновесие между гравитацией и давлением (на самом деле — между гравитацией и электромагнитными силами, не позволяющими молекулам вещества «сливаться» друг с другом). Многие миллионы и миллиарды лет длится эта титаническая «борьба» между силами гравитации и давлением, в процессе которой в «топку» звезды поступают все новые и новые порции ядерного горючего. Понимание того, что в недрах звезд могут протекать реакции термоядерного синтеза, пришло не сразу. Более того, вплоть до 1920-х гг. физики категорически отрицали такую возможность, считая, что звезды недостаточно горячи для того, чтобы протоны могли сливаться друг с другом, образуя ядра гелия. Действительно, чтобы подойти друг к другу на «ядерное» расстояние порядка 10-15 м, где начинают действовать мощные ядерные силы притяжения между нуклонами, протоны должны преодолеть кулоновское отталкивание, а для этого им нужно иметь достаточно большую скорость. Чтобы наглядно представить себе эту ситуацию, воспользуемся аналогией с шариком, который стремится преодолеть горку и упасть в ямку (рис. 1); горка воспроизводит потенциальную энергию кулоновского отталкивания, а ямка — потенциальную энергию ядерных сил притяжения. Очевидно, что преодолеть горку шарик может только в том случае, если его скорость позволит ему подняться на вершину горки.

Рис. 1 Туннельный эффект

Приравнивая потенциальную энергию взаимодействия двух протонов и среднюю кинетическую энергию их теплового движения, легко получить значение пороговой температуры термоядерного синтеза Тпор = 1010 К.

В то же время было известно, что температура в центральных областях Солнца и других типичных звезд на начальной стадии эволюции составляет всего несколько десятков миллионов градусов, то есть в сотни раз меньше. Кроме того, совершенно фантастически выглядело одновременное столкновение четырех протонов и двух электронов, из которых образуется ядро гелия 4Не2.

Загадка об источнике энергии звезд была решена в 1929 г. Р. Аткинсом и Ф. Хоутермансом, которые воспользовались идеей Г. Гамова о туннелировании микрочастиц через потенциальный барьер. Этот специфический квантовый эффект заключается в том, что преодолеть потенциальный барьер (горку на рис. 1) микрочастица может, не обязательно имея достаточно большую скорость, то есть не обязательно забираясь на самую вершину горки. Обладая волновыми свойствами, микрочастица может как бы «просочиться» через барьер с вероятностью, которая тем больше, чем тоньше и ниже этот барьер (горка).

Таким образом, туннельный эффект является той причиной, которая обусловливает слияние протонов в ядра гелия при температурах, значительно меньших классического порога термоядерных реакций. Однако вопрос о том, каким образом происходит эта реакция, был решен только спустя почти десять лет, когда в 1938 г. Г. Бете и другие ученые открыли циклы термоядерных превращений, являющихся источниками энергии звезд. Насколько сложны эти циклы, можно представить, рассмотрев самый простой из них — так называемый, протон-протонный цикл (см. рис. 2).

(а) (б) (в)

Рис. 2 Протон-протонный цикл

Цикл начинается с таких столкновений между парами протонов, в результате которых образуется ядро тяжелого водорода - дейтерия 2D1 (рис. 2а). При этом вылетает позитрон и электронное нейтрино. Даже в условиях звездных недр, где температуры достигают нескольких десятков миллионов градусов, подобные столкновения случаются очень редко. Это связано с тем, что, во-первых, не все протоны имеют достаточно большую скорость даже для того, чтобы «просочиться» через потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием. Во-вторых, необходимо, чтобы за время столкновения, а оно составляет всего ~10-21 с, один из двух протонов превратился в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Если все это учесть, то окажется, что два протона имеют шанс превратиться в дейтерий один раз за несколько десятков миллиардов лет. Но так как самих протонов в недрах звезд тоже достаточно много, то такие реакции в нужном количестве будут иметь место.

Образовавшееся ядро дейтерия «жадно», всего лишь за несколько секунд, хватает какой-либо близко пролетающий протон (рис. 11.2а) и превращается в ядро изотопа гелия 3Не2. Эти ядра гелия тоже достаточно редко (один раз в миллион лет) соединяются с себе подобными (рис. 11.2б), образуя обычное ядро гелия 4Не2 и два протона (рис. 11.2в). И опять следует иметь в виду, что самих ядер 3Не2 достаточно много, так что в каждом объеме реакция идет весьма бурно, выделяя огромную энергию.

Реакции протон-протонного цикла с образованием гелия протекают относительно медленно и спокойно, при этом температура в центре звезды плавно возрастает. Например, у нашего Солнца этот период продолжается уже 4,6 млрд лет, а запасов водорода у него должно хватить еще на 10 млрд. лет.

После выгорания водородного топлива звезде становится нечем поддерживать высокую температуру, а значит, она на какое-то время теряет способность сопротивляться гравитационному сжатию. Это сжатие приводит к тому, что температура в центральной области звезды, состоящей теперь преимущественно из ядер гелия и свободных электронов, повышается примерно до 100 млн К. При такой температуре ядра гелия обладают столь высокой энергией, что при столкновении теперь уже они могут сближаться до расстояний, при которых происходят сильные взаимодействия. При слиянии ядер гелия возникают прежде всего ядра углерода 12С6, при этом высвобождается энергия, которая поддерживает температуру звезды. Когда запасы гелия также полностью исчерпаются, звезда вновь сжимается под действием гравитационных сил, центральные области нагреваются до еще более высокой температуры и из ядер углерода, а также оставшихся ядер гелия возникают более тяжелые элементы. Последовательное «сжигание» легких ядер и рост температуры центральной области звезды продолжается и далее, пока не возникают стабильные ядра. К их числу, в частности, принадлежат ядра железа. Когда термоядерные превращения доходят до железа, реактор останавливается: ведь при слиянии ядер, более тяжелых, чем железо, энергия уже не выделяется, а поглощается.

В действительности, эволюция звезды сопровождается всякого рода катастрофическими взрывами, выбросами вещества в космическое пространство. При этом возникают столь большие давления, что ядра химических элементов вдавливаются друг в друга. Именно так образуются ядра элементов, тяжелее железа, которыми обогащается межзвездное пространство. Предполагается, что вещество нашей Галактики уже прошло по меньшей мере одну или две переплавки в недрах каких-то звезд.

12.3. Смерть звезд и звездные «останки»

На конечной стадии необратимой эволюции звезд, когда все ядерное топливо выгорело, тепловое давление становится не в состоянии противодействовать гравитации и начинается процесс гравитационного сжатия. У звезды, масса которой не превышает 1,4 массы Солнца, гравитационное сжатие останавливается, когда вещество переходит в так называемое «вырожденное» состояние с очень большой плотностью (до нескольких тонн в кубическом сантиметре). При этом ядра атомов оказываются плотно упакованными, а все электроны обобществляются, образуя вырожденный электронный газ. Звезда еще сохраняет высокую температуру (104 К), но постепенно остывает и медленно сжимается в течение многих миллионов лет. Такие очень слабые звездочки - белые карлики - остаются видимыми, пока окончательно не остынут и не превратятся в похожие на планеты шары из вырожденного вещества - черные карлики.

Если масса звезды после выгорания ядерного топлива превышает массу Солнца в 1,4 раза, то такая звезда не может превратиться в белого карлика, ее ждет более драматичный конец. Силы гравитационного сжатия на последнем этапе жизни звезды настолько велики, что им не может противостоять даже вырожденное вещество. Плотность вещества достигает миллиона тонн в см3, при этом атомные ядра раскалываются как орехи. Выделяется огромная гравитационная энергия — наступает гигантский взрыв. За несколько секунд выделяется энергия 1045 Дж, то есть больше, чем за всю предшествующую жизнь. Температура мгновенно достигает невообразимой величины 1011 К. Такой катастрофический процесс называется взрывом сверхновой звезды. При этом большая часть массы звезды выбрасывается в космическое пространство со скоростью 1000-5000 км/с. Выброшенное вещество содержит тяжелые элементы, образовавшиеся в момент взрыва. В течение нескольких суток сверхновая звезда испускает больше света, чем целая галактика.

Под действием такого взрыва электроны вдавливаются в атомные ядра, сливаются с протонами и образуют нейтроны. Мощные потоки нейтрино охлаждают ядро звезды и превращают ее в нейтронную звезду — своеобразное гигантское атомное ядро с поперечником в десяток километров.

12.4. Солнце и гелиосфера

Из всех звезд во Вселенной самой важной для нас, конечно, является Солнце. С древнейших времен люди поклонялись Солнцу, наделяя его божественными атрибутами. Без энергии Солнца не было бы на нашей планете ни каменного угля, ни нефти, ни других полезных ископаемых. Не было бы фотосинтеза, а значит, не могла бы зародиться жизнь. Энергия Солнца испаряет влагу с земной поверхности, океанов, морей и озер. Влага, превратившись в капли воды, образует облака, туманы, дождь, снег. Благодаря Солнцу возникает циркуляция атмосферы и воды в океанах, которые перераспределяют тепло на планете. Этот гимн Солнцу можно продолжать очень долго. Что же представляет собой Солнце и какие связи его с Землей являются наиболее существенными?

Солнце — это небольшая звезда, являющаяся центром солнечной системы, в состав которой входят, помимо Земли, еще 7 основных планет. Таким образом, именно Солнце удерживает Землю на определенной траектории в пространстве и не дает ей стать «бродягой» во Вселенной, случайно блуждающей по ее необъятным просторам.

Солнце — это плазменный шар диаметром примерно 1,4 млн. км (в 100 раз больше диаметра Земли) и массой 2 х 1030 кг (в 330 000 раз превышает массу Земли). В структуре Солнца выделяют внутреннюю часть или гелиевое ядро с температурой около 15 млн. К. Нагретая в ядре плазма поднимается к поверхности Солнца и, охладившись, снова опускается к центру. Колоссальная внутренняя энергия Солнца поддерживается вот уже около 5 млрд. лет термоядерными процессами синтеза ядер водорода с образованием ядер гелия.

Внешние области Солнца образуют фотосфера и хромосфера с температурой около 6000 К, выше которых находится солнечная корона, простирающаяся на 12 млн. км. Эта корона хорошо видна во время полных солнечных затмений. Для нас особенно важны процессы, которые происходят на поверхности Солнца. Они хорошо видны и детально изучены. Это, прежде всего, солнечные пятна и связанные с ними солнечные вспышки, представляющие собой самое динамичное проявление солнечной активности. С ними связаны магнитные бури и радиационные потоки. Количество пятен на Солнце и соответственно вспышек изменяется циклически с периодичностью в 11 лет.

Мощность излучения Солнца составляет 4х 1026 Вт, а с одного квадратного метра поверхности излучается столько же энергии, сколько дает электростанция мощностью 100 МВт! До Земли доходит лишь небольшая часть солнечного излучения: на один квадратный метр земной поверхности в районе экватора приходится мощность 1,4 кВт. Однако и этой энергии достаточно, чтобы стать определяющим фактором эволюции Земли, особенно после возникновения жизни на нашей планете.

Помимо света (электромагнитных волн), Солнце испускает частицы высоких энергий - так называемый солнечный ветер. В состав этого плазменного ветра входят в основном протоны и нейтроны, которые со сверхзвуковой скоростью в 400-500 км/с движутся от Солнца во всех направлениях. В магнитосфере Земли наиболее сильные возмущения происходят во время выброса при солнечной вспышке мощного плазменного облака. Это явление на Земле носит название «магнитной бури», во время которой резко и быстро меняется напряженность геомагнитного поля, беспорядочно крутится стрелка магнитного компаса, а в небе северных широт видны полярные сияния.

12.5. Солнечная система

Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду - Солнце - и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё. Основная доля массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце – 99,8%. Именно поэтому Солнце удерживает гравитацией все объекты Солнечной системы.

Все объекты Солнечной системы официально делят на три категории: планеты, карликовые планеты и малые тела Солнечной системы.

Планета — любое тело на орбите вокруг Солнца, оказавшееся достаточно массивным, чтобы приобрести сферическую форму, но недостаточно массивным для начала термоядерного синтеза, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от малых тел. Согласно этому определению в Солнечной системе имеется восемь известных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, также называемые планетами земной группы, состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы. Плутон не соответствует этому определению, поскольку не очистил свою орбиту от окружающих объектов пояса Койпера, поэтому 24 августа 2006 года Международный астрономический союз (МАС) официально лишил Плутон статуса планеты.

Карликовая планета — небесное тело, обращающееся по орбите вокруг Солнца, которое достаточно массивно, чтобы под действием собственных сил гравитации поддерживать близкую к округлой форму, но которое не очистило пространство своей орбиты от малых тел и не является спутником планеты. По этому определению у Солнечной системы имеется пять признанных карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида.

В Солнечной системе имеются две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером, сходен по составу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов и металлов. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются Церера, Паллада и Юнона.

Пояс Койпера - область Солнечной системы от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояния около 55 а. е от Солнца. Хотя пояс Койпера похож на пояс астероидов, он примерно в 20 раз шире и в 20-200 раз массивнее последнего. Как и пояс астероидов, он состоит в основном из малых тел, то есть материала, оставшегося после формирования Солнечной системы. В отличие от объектов пояса астероидов, которые в основном состоят из горных пород и металлов, объекты пояса Койпера состоят главным образом из летучих веществ (называемых льдами), таких как метан, аммиак и вода. В этой области ближнего космоса находятся по крайней мере три карликовые планеты: Плутон, Хаумеа и Макемаке.

Большинство крупных объектов, обращающихся вокруг Солнца, движутся практически в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Все планеты и большинство других объектов обращаются вокруг Солнца в одном направлении с вращением Солнца (против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца). Есть исключения, такие как комета Галлея. Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий — он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток. А для самой удалённой планеты — Нептуна — период обращения составляет 165 земных лет.

Большая часть планет вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и обращается вокруг Солнца. Исключения составляют Венера и Уран, причём Уран вращается практически «лёжа на боку» (наклон оси около 90°). Орбиты объектов вокруг Солнца описываются законами Кеплера. Согласно им, каждый объект обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. У более близких к Солнцу объектов больше угловая скорость вращения, поэтому короче период обращения (год). На эллиптической орбите расстояние объекта от Солнца изменяется в течение его года. Ближайшая к Солнцу точка орбиты объекта называется перигелий, наиболее удалённая - афелий. Каждый объект движется наиболее быстро в своём перигелии и наиболее медленно в афелии. Орбиты планет близки к кругу, но многие кометы, астероиды и объекты пояса Койпера имеют сильно вытянутые эллиптические орбиты.

Солнечная Система движется сквозь галактику Млечный Путь по круговой орбите на расстоянии примерно 30 000 световых лет от галактического центра со скоростью 254 км/с. Период обращения вокруг центра галактики, так называемый галактический год, составляет для Солнечной Системы примерно 200 миллионов лет.

Табл. 1 Сравнительная таблица основных параметров планет

Планета	Диаметр, относительный	Масса, относительная	Орбитальный радиус, а. е.	Период обращения, земных лет	Сутки, относительные	Плотность, кг/м3	Спутники
Меркурий	0,382	0,06	0,38	0,241	58,6	5427	нет
Венера	0,949	0,82	0,72	0,615	243	5243	нет
Земля	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	5515	1
Марс	0,53	0,11	1,52	1,88	1,03	3933	2
Юпитер	11,2	318	5,20	11,86	0,414	1326	63
Сатурн	9,41	95	9,54	29,46	0,426	687	62
Уран	3,98	14,6	19,22	84,01	0,718	1270	27
Нептун	3,81	17,2	30,06	164,79	0,671	1638	13

Планета Меркурий

Меркурий (0,4 а. е. от Солнца) является ближайшей планетой к Солнцу и наименьшей планетой системы (0,055 массы Земли). У Меркурия нет спутников, а его единственными известными геологическими особенностями, помимо ударных кратеров, являются многочисленные зубчатые откосы, простирающихся на сотни километров — эскарпы, возникшие, вероятно, во время приливных деформаций на раннем этапе истории планеты. Меркурий имеет крайне разреженную атмосферу, она состоит из атомов, «выбитых» с поверхности планеты солнечным ветром. Относительно большое железное ядро Меркурия и его тонкая кора ещё не получили удовлетворительного объяснения. Имеется гипотеза, предполагающая, что внешние слои планеты, состоящие из лёгких элементов, были сорваны в результате гигантского столкновения, которое уменьшило размеры планеты, а также предотвратило полное поглощение Меркурия молодым Солнцем.

• Масса: 3,3*1023 кг. (0,055 массы Земли);
• Диаметр экватора: 4870 км. (0,38 диаметра экватора Земли);
• Плотность: 5,43 г/см3
• Температура поверхности: максимум 480°С, минимум -180°С
• Период вращения относительно звёзд: 58,65 земных суток
• Расстояние от Солнца (среднее): 0,38 а.е., то есть 58 млн. км
• Период обращения по орбите (год): 88 земных суток
• Период обращения вокруг собственной оси (сутки): 176 земных суток
• Наклон орбиты к эклиптике: 7°
• Эксцентриситет орбиты: 0,206
• Средняя скорость движения по орбите:47,9 км/с
• Ускорение свободного падения:3,72 м/с2

Планета Венера

Венера близка по размеру к Земле (0,815 земной массы) и, как и Земля, имеет толстую силикатную оболочку вокруг железного ядра и атмосферу. Имеются также свидетельства её внутренней геологической активности. Однако количество воды на Венере гораздо меньше земного, а её атмосфера в девяносто раз плотнее. У Венеры нет спутников. Это самая горячая планета, температура её поверхности превышает 400 °C. Наиболее вероятной причиной столь высокой температуры является парниковый эффект, возникающий из-за плотной атмосферы, богатой углекислым газом. Не было обнаружено никаких однозначных свидетельств геологической деятельности на Венере, но, так как у неё нет магнитного поля, которое предотвратило бы истощение её существенной атмосферы, это позволяет допустить, что её атмосфера регулярно пополняется вулканическими извержениями.

Венера подходит к Земле ближе любой другой планеты и представляет собой самый яркий небесный объект (если не считать Солнца и Луны). Свет Венеры столь ярок, что если на небе нет ни Солнца, ни Луны, он заставляет предметы отбрасывать тени. Расположенная ближе к Солнцу, чем наша планета, Венера получает от него в два с лишним раза больше света и тепла, чем Земля. Тем не менее с теневой стороны на Венере господствует мороз более 20 градусов ниже нуля, так как сюда не попадают солнечные лучи в течении очень долгого времени. Поверхность Венеры постоянно закрыта плотными слоями облаков, из-за которых в видимом свете поверхностных деталей почти не видно.

• Масса: 4,87*1024 кг. (0,815 массы Земли);
• Диаметр экватора: 12102 км. (0,949 диаметра экватора Земли);
• Плотность: 5,25 г/см3
• Температура поверхности: максимум 480°С
• Период вращения относительно звёзд: 243 земных суток
• Расстояние от Солнца (среднее): 0,72 a.e., то есть 108 млн. км
• Период обращения по орбите (год): 224,7 земных суток
• Период обращения вокруг собственной оси (не равно суткам, сутки на Венере - 116,8 земных суток): 243,02 земных суток
• Наклон орбиты к эклиптике: 3.39°
• Эксцентриситет орбиты: 0,0068
• Средняя скорость движения по орбите:35 км/с
• Ускорение свободного падения:8,87 м/с2

Планета Земля

Земля является крупнейшей и самой плотной из внутренних планет. Вопрос о наличии жизни где-либо, кроме Земли, остаётся открытым. Однако среди планет земной группы Земля является уникальной (прежде всего - гидросферой). Атмосфера Земли радикально отличается от атмосфер других планет - она содержит свободный кислород. У Земли есть один естественный спутник - Луна, единственный большой спутник планет земной группы Солнечной системы. По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,566 миллиарда лет (плюс-минус несколько миллионов лет) тому назад из газопылевого облака, в котором зародилось Солнце.

• Масса: 5,974*1024 кг.
• Диаметр экватора: 12 756 км.
• Плотность: 5,515 г/см3
• Температура поверхности: максимум +70°С минимум -85°С
• Расстояние от Солнца (среднее): 1 a.e., то есть 149,6 млн. км
• Период обращения по орбите (год): 365,256 земных суток
• Период обращения вокруг собственной оси относительно звезд: 23ч.56 м.4,1 с.
• Наклон орбиты к эклиптике: 23°27'
• Эксцентриситет орбиты: 0,017
• Средняя скорость движения по орбите:29,77 км/с
• Ускорение свободного падения:9.78 м/с2

Планета Марс

Марс меньше Земли и Венеры (0,107 массы Земли). Он обладает атмосферой, состоящей главным образом из углекислого газа, с поверхностным давлением 6,1 мбар (0,6 % от земного). На его поверхности есть вулканы, самый большой из которых, Олимп, превышает размерами все земные вулканы, достигая высоты 21.2 км. Рифтовые впадины наряду с вулканами свидетельствуют о прошлой геологической активности, которая, по современным данным, окончилась около 2 млн. лет назад. Красный цвет поверхности Марса вызван большим количеством оксида железа в его грунте. У планеты есть два спутника  - Фобос и Деймос. Предполагается, что они являются захваченными астероидами.

• Масса: 6,4*1023 кг. (0,107 массы Земли);
• Диаметр экватора: 6794 км. (0,53 диаметра экватора Земли);
• Плотность: 3,94 г/см3
• Температура поверхности: -23°С на большей части поверхности, -150°С на полюсах, 0°С на экваторе.
• Расстояние от Солнца (среднее): 1,52 а.е., то есть 228 млн. км
• Период обращения по орбите (год): 687 земных суток
• Период обращения вокруг собственной оси (сутки): 24,6229 часа
• Наклон орбиты к эклиптике: 1°51'
• Эксцентриситет орбиты: 0,093
• Средняя скорость движения по орбите:24,1 км/с
• Ускорение свободного падения:3,72 м/с2

Пояс астероидов

Астероиды — самые распространённые малые тела Солнечной системы. Пояс астероидов занимает орбиту между Марсом и Юпитером, между 2,3 и 3,3 а. е. от Солнца. Полагают, что это остатки формирования Солнечной системы, которые были не в состоянии объединиться в крупное тело из-за гравитационных возмущений Юпитера. Размеры астероидов варьируются от нескольких метров до сотен километров. Все астероиды классифицированы как малые тела Солнечной системы. Пояс содержит десятки тысяч, возможно, миллионы объектов больше одного километра в диаметре. Несмотря на это, общая масса астероидов пояса вряд ли больше одной тысячной массы Земли. Небесные тела с диаметрами от 100 мкм до 10 м называют метеороидами.

Крупных астероидов не так уж много. Наиболее крупные - это Церера (поперечник 1000 км), Паллада (610 км), Веста (540 км) и Гигия (450 км). Только у 14 астероидов поперечники более 250 км, а у остальных меньше, вплоть до 0,7 км. У тел таких малых размеров не может быть сфероидальной формы, и все астероиды (кроме наиболее крупных) представляют собой бесформенные глыбы. Все эти небесные тела лишены атмосферы.

Планета Юпитер

Юпитер обладает массой в 318 масс Земли, что в 2,5 раза массивнее всех остальных планет, вместе взятых. Он состоит главным образом из водорода и гелия. Высокая внутренняя температура Юпитера вызывает множество полупостоянных вихревых структур в его атмосфере, таких как полосы облаков и Большое красное пятно.

У Юпитера имеется 63 спутника. Четыре крупнейших — Ганимед, Каллисто, Ио и Европа — схожи с планетами земной группы такими явлениями, как вулканическая активность и внутренний нагрев. Ганимед, крупнейший спутник в Солнечной системе, больше Меркурия.

Самая большая планета находится далеко за основным поясом астероидов. Огромная атмосфера Юпитера создает огромное давление. Оно увеличивается при приближении к центру планеты. В таких экстремальных условиях газы в атмосфере находятся в необычных состояниях. Находящийся достаточно глубоко водород под давлением атмосферы сформировал слой в жидком металлическом состоянии. Это - и не океан, и не атмосфера. Такой слой водорода должен иметь свойства, которые не укладываются в наше привычное понимание. В отличие от простого газообразного водорода, жидкий металлический водород способен проводить электрический ток. Устойчивый радиошум и сильное магнитное поле Юпитера излучаются как раз этим слоем металлической жидкости

• Масса: 1,9*1027 кг. (318 масс Земли);
• Диаметр экватора: 143760 км. (11,2 диаметров экватора Земли);
• Плотность: 1,31 г/см3
• Температура верхних облаков: -160°С - максимум
• Расстояние от Солнца (среднее): 5,20 а.е., то есть 778 млн. км
• Период обращения по орбите (год): 11,867 лет
• Период обращения вокруг собственной оси (сутки): 9,93 часа
• Наклон орбиты к эклиптике: 1°18'17"
• Эксцентриситет орбиты: 0,0489
• Средняя скорость движения по орбите:13,1 км/с
• Ускорение свободного падения:24,74 м/с2

Планета Сатурн

Сатурн, известный своей обширной системой колец, имеет несколько схожие с Юпитером структуру атмосферы и магнитосферы. Хотя размер Сатурна составляет 60 % юпитерианского, масса (95 масс Земли) — меньше трети юпитерианской; таким образом, Сатурн — наименее плотная планета Солнечной системы (его средняя плотность сравнима с плотностью воды). Планета известна с самых древних времен. Эта планета – один из самых ярких объектов на нашем звездном небе.

У Сатурна имеется 62 подтверждённых спутника; два из них — Титан и Энцелад — проявляют признаки геологической активности. Активность эта, однако, не схожа с земной, поскольку в значительной степени обусловлена активностью льда. Титан, превосходящий размерами Меркурий, — единственный спутник в Солнечной системе с существенной атмосферой.

• Масса: 5,68*1026 кг. (95 масс Земли);
• Диаметр экватора: 120420 км. (9,46 диаметров экватора Земли);
• Плотность: 0,71 г/см3
• Температура поверхности: -23°С на большей части поверхности, -150°С на полюсах, 0°С на экваторе.
• Расстояние от Солнца (среднее): 9,54 а.е., то есть 1,43 млрд. км
• Период обращения по орбите (год): 29,666 земных лет
• Период обращения вокруг собственной оси (сутки): 10,54 часа
• Наклон орбиты к эклиптике: 2°29'
• Эксцентриситет орбиты: 0,057
• Ускорение свободного падения:9,44 м/с2

Кольца Сатурна

Кольца Сатурна видимы с Земли в небольшой телескоп. Они состоят из тысяч и тысяч небольших твердых частиц из камней и льда, которые вращаются вокруг планеты. Существует 3 основных кольца, названных A, B и C. Они различимы без особых проблем с Земли. Есть и более слабые кольца – D, E, F. При ближайшем рассмотрении колец оказывается великое множество. Между кольцами существуют щели, где нет частиц. Ширина колец равна 400 тыс. км, однако в толщину они составляют всего несколько десятков метров. Все кольца состоят из отдельных кусков льда разных размеров. Эти частицы двигаются с практических одинаковыми скоростями (около 10 км/с), иногда сталкиваясь друг с другом.

Планета Уран

Уран с массой в 14 масс Земли является самой лёгкой из внешних планет. Уникальным среди других планет его делает то, что он вращается «лёжа на боку»; наклон оси его вращения к плоскости эклиптики больше девяноста градусов. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Он имеет намного более холодное ядро, чем другие газовые гиганты, и излучает очень немного тепла в космос.

У Урана открыты 27 спутников; крупнейшие — Титания, Оберон, Умбриэль, Ариэль и Миранда.

• Масса: 8,7*1025 кг. (14,5 масс Земли);
• Диаметр экватора: 51000 км. (4 диаметра экватора Земли);
• Плотность: 1,27 г/см3
• Температура поверхности: -220 °С
• Расстояние от Солнца (среднее): 19,22 a.e., то есть 2,86 млрд. км
• Период обращения по орбите (год): 84 года
• Период обращения вокруг собственной оси: 17 ч 14 мин
• Наклон орбиты к эклиптике: 0°46'23"
• Эксцентриситет орбиты: 0,0463
• Средняя скорость движения по орбите:6,8 км/с
• Ускорение свободного падения:9,67 м/с2

Кольца Урана

Уран имеет кольца. Девять основных колец погружены в мелкую пыль. Они очень неярки, но содержат много довольно больших частиц, размеры их колеблются от 10 метров в диаметре до мелкой пыли. Неполные кольца с различным показателям прозрачности по длине каждого из колец сформировались позже, чем сам Уран, возможно, после разрыва нескольких спутников приливными силами.

Планета Нептун

Нептун, хотя и немного меньше Урана, более массивен (17 масс Земли) и поэтому более плотный. Он излучает больше внутреннего тепла, но не так много, как Юпитер или Сатурн.

У Нептуна имеется 13 известных спутников. Крупнейший — Тритон, является геологически активным, с гейзерами жидкого азота. Тритон — единственный крупный спутник, движущийся в обратном направлении. Тритон был захвачен Нептуном из пояса Койпера. В Тритоне сосредоточена почти вся масса спутниковой системы Нептуна. Отличается большой плотностью: 2 г/см3. На Тритоне обнаружены скалы, кратеры, темные полосы вулканического происхождения. Поверхность спутника светлая и отражает около 80 % падающих солнечных лучей. Тритон имеет разреженную азотную атмосферу. Температура на Тритоне –235°C.

• Масса: 1,02*1026 кг. (17,14 масс Земли);
• Диаметр экватора: 49520 км. (3,88 диаметра экватора Земли);
• Плотность: 1,64 г/см3
• Температура поверхности: -231°С
• Период вращения относительно звёзд: 19,2 часа
• Расстояние от Солнца (среднее): 30,06 а.е., то есть 4,497 млрд. км
• Период обращения по орбите (год): 164,491 земных лет
• Период обращения вокруг собственной оси (сутки): 15,8 часов
• Наклон орбиты к эклиптике: 1°46'22"
• Эксцентриситет орбиты: 0,011
• Средняя скорость движения по орбите:5,43 км/с
• Ускорение свободного падения:3,72 м/с2

Рис. 3 Сравнительная величина планет Солнечной системы

PAGE \* MERGEFORMAT 1

Эволюция звезд