Галактики представляют собой стационарные гравитационно-связанные звездные системы. Звездная система, в которую входит наше Солнце, – Галактика, или Млечный Путь (от греч. galaktikos – молочный, млечный), – содержит примерно 2 1011 звезд, среди которых 7-20 млрд белых карликов, около 1 млрд нейтронных звезд, около 30 млрд красных карликов, а ее масса равна 2,5 • 1011 масс Солнца, диаметр – около 105 световых лет, примерный возраст – 13 млрд лет.
В центре нашей Галактики, как показали недавно проведенные исследования американских астрономов с помощью космического телескопа им. Хаббла, находится сверхмассивная черная дыра. Сверхмассивные черные дыры обнаружены и в центрах многих других галактик. Эти факты позволяют уточнить модель образования галактик. Вначале при гравитационном сжатии газового облака, состоящего в основном из водорода и гелия, могла образоваться черная дыра, которая, продолжая стягивать на себя близлежащие области газового облака, превратилась в сверхмассивную черную дыру. Из удаленной от черной дыры части газового облака вследствие гравитационного сжатия его отдельных областей образовались звезды.
Сверхмассивные черные дыры в некоторых галактиках, таких как Млечный Путь или Туманность Андромеды, находятся в спокойном, «неактивном» состоянии. Такие черные дыры стянули на себя все или почти все доступное им космическое вещество. Ближайшие к ним звезды движутся по стационарным орбитам с большой скоростью, благодаря чему сила
гравитационного притяжения со стороны сверхмассивной черной дыры уравновешивается центробежной силой инерции. В галактиках, в которых сверхмассивные черные дыры находятся в активном состоянии, поглощая окружающее их космическое вещество, наблюдается мощное электромагнитное излучение, исходящее из центральных областей таких галактик.
Наша Галактика входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического образования – Сверхскопления галактик, образованного примерно из 10 тыс. галактических объектов, имеющего диаметр около 40 Мпк и медленно вращающегося вокруг мощного центрального сгущения галактик в созвездии Девы. Ближайшие к нашему Сверхскоплению соседние сверхскопления галактик располагаются в созвездиях Льва и Геркулеса на расстояниях соответственно 87 и 100 Мпк. Всего во Вселенной обнаружено около 50 таких галактических сверхскоплений, образующих еще один иерархический уровень ее структуры, по всей видимости, далеко не самый верхний.
Галактики весьма разнообразны. Половина из них имеет спиральную структуру, почти четверть – эллиптическую, остальные – это неправильные, в том числе взаимодействующие галактики, обычно двойные, между которыми наблюдаются мосты и перемычки светлой или темной материи.
41. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Солнце является рядовой желтой звездой, возраст которой около 5 млрд лет. Оно прожило уже примерно половину отпущенного ему срока активного существования. Солнце расположено в периферийной части нашей Галактики, на расстоянии примерно 25 тыс. световых лет от галактического центра. Радиус Солнца равен 696 тыс. км, его масса равна 1,99 1030 кг. Средняя плотность вещества Солнца составляет 1,41 г/см3, а плотность в центре Солнца – около 100 г/см3. Химический состав Солнца по массе: приблизительно 70 % водорода, 27 % гелия и 3 % других элементов. Дозвездное вещество, из которого формировалась Галактика, состояло из 75 % водорода и 25 % гелия. Сейчас в межзвездном газе по массе водород имеет 70 %, гелий – 28 %, остальные элементы – 2 %. Температура на поверхности Солнца около 6 тыс. градусов, в его центральной части – приблизительно 16 млн градусов.
Солнце является космическим телом, объединяющим большое количество различных космических объектов в так называемую Солнечную систему, в которую входят 8 планет со своими спутниками, около 40 тыс. астероидов, кометы, метеориты, космические пыль и газ. Радиус Солнечной системы равен 4,5 млрд км, он совпадает со средним расстоянием от Солнца до самой далекой планеты – Нептуна.
Орбиты планет Солнечной системы, вращающихся вокруг Солнца, лежат приблизительно в одной плоскости. Исходя из физических характеристик, планеты Солнечной системы принято делить на две группы:
1) планеты земного типа – Меркурий, Венера, Земля и Марс; имеют сравнительно небольшие размеры
и относительно высокую среднюю плотность образующего их вещества (около 5 г/см3);
2) планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун; имеют большие массы и низкую среднюю плотность вещества (примерно 1,4 г/см3). Эти планеты состоят в основном из водорода и гелия.
В космическом пространстве, разделяющем рассматриваемые две группы планет, а именно между орбитами Марса и Юпитера, находится так называемый пояс, или кольцо, астероидов – малых планет с диаметром от 1 до 1000 км. Общая масса астероидов составляет около 10-3 массы Земли.
Центр массы Солнечной системы практически совпадает с центром массы Солнца, так как масса Солнца составляет 99,87 % от массы всей Солнечной системы. Солнце по сравнению с Землей имеет в 333 тыс. раз большую массу и в 109 раз больший диаметр. Среднее расстояние Земли от центра Солнца равно примерно 149,6 млн км. Это расстояние принято называть астрономической единицей длины (а.е.д.).
42. ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛИ: ЗЕМНАЯ КОРА, МАНТИЯ
Внутренняя структура Земли неоднородна. В ней выделяют следующие концентрические зоны:
1) земная кора средней толщины около 50 км;
2) мантия, простирающаяся до глубины приблизительно 2900 км;
3) ядро радиусом около 3500 км.
Земную кору покрывают гидросфера – жидкая оболочка, которая не является сплошной, и атмосфера – газовая оболочка планеты. Земная кора, масса которой составляет около 1 % от массы Земли, подразделяется на материковую (толщина 35–45 км на равнинной части планеты и 70–80 км в области гор) и океаническую (толщина 8-10 км). Плотность земной коры увеличивается с глубиной в среднем от 2,7 до 3,0 г/см3, увеличивается и температура примерно по 3 градуса на каждые 100 м. Более сложной считается материковая кора, которая состоит из трех слоев: верхнего – осадочного, среднего – гранитного и нижнего – базальтового. Осадочный слой, содержащий основные запасы угля, нефти и газа, по толщине неодинаков в различных районах суши. Гранитный слой, толщина которого составляет примерно 15–20 км, содержит большую часть рудных запасов земной коры. Наконец, базальтовый слой, в котором находятся основные запасы тяжелых металлов, имеет толщину около 20 км.
Океаническая кора имеет толщину 8-10 км и состоит из рыхлого осадочного слоя, лежащего на тонком базальтовом основании. Переход от материковой коры к океанической происходит постепенно с увеличением глубины океанического дна. На глубине океана свыше 3,5 км земная кора уже имеет океанический тип.
Ниже базальтового слоя начинается мантия Земли, состоящая из верхней мантии толщиной 800850 км и нижней мантии, толщина которой около 2000 км. Плотность вещества к границе мантии с ядром достигает значения 5,5 г/см3, давление – 1,3 млн атмосфер, температура 2000–250 °C. Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых кремнием и железом. Под действием высокого давления мантия Земли, несмотря на высокую температуру, находится, вероятно, в кристаллическом состоянии, за исключением нижней части верхней мантии, где влияние температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Эту область, находящуюся либо в расплавленном, либо в аморфном состоянии, называют астеносферой. Внешний слой твердой Земли, включающий земную кору и часть верхней мантии, носит название литосферы. Литосфера лежит на астеносфере и расколота примерно на 10 больших плит, по границам которых расположено подавляющее число очагов землетрясений. При появлении трещин в литосфере магма астеносферы изливается под действием высокого давления на поверхность Земли, сопровождая мощные извержения вулканов.
43. ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ЗЕМЛИ: ЯДРО. ГИДРОСФЕРА И АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ
Нижние слои мантии граничат с ядром Земли, которое состоит из двух условно выделяемых частей: внешнее ядро (расположено в слое на глубине от 2900 до 5100 км) и внутреннее ядро, или так называемое субъядро (находится ниже 5100 км). Ядро по массе составляет 34 % от массы Земли. Внешнее ядро состоит из соединения железа с серой (48 %) и окиси железа (52 %) и находится в жидком состоянии с плотностью, изменяющейся с глубиной от 9,5 до 12,3 г/см3. Субъядро состоит из железо-никелевого сплава и находится в твердом состоянии с плотностью 13–14 г/см3 и температурой около 5000 °C в его центре. Несмотря на постоянный отвод тепла к внешним слоям Земли, температура ядра остается высокой. Это обусловлено действием огромных гравитационных сил, приводящих к постепенному сжатию вещества и, как следствие, постоянному выделению энергии (примерно в 4 1020 Ккал/год). Благодаря большому давлению и высокой температуре внутри ядра Земли многие электроны атомов и молекул становятся свободными и, образуя гигантские вихри, формируют магнитное поле планеты.
На ранних этапах эволюции Земли гидросфера на ее поверхности отсутствовала. Вода выделилась из недр Земли в результате ее тектонической активности. Выделение воды и формирование гидросферы продолжается и в настоящее время. Объем воды на Земле 4 млрд лет назад составлял около 20 млн км3. Сейчас общий объем вод гидросферы составляет 1,4 млрд км3, объем воды в земной коре – около 1,3 млрд км3 и объем воды в мантии – около 20 млрд км3. Водные ресурсы в гидросфере распределяются следующим образом: около 94 % – океаны и моря; около 4 % – подземные воды; около 2 % – ледники и постоянные снега; около 0,4 % – поверхностные воды (реки, озера и др.).