Происхождение небесных тел

Третья особенность солнечной системы состоит в том, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении. Почти все спутники планет, сами планеты вокруг своей оси и даже само Солнце вокруг своей оси тоже вращаются в ту же самую сторону.

Наконец, интересно отметить, что почти всё вещество солнечной системы заключено в самом Солнце. На долю всех планет вместе взятых приходится (по весу) немногим больше одной тысячной доли всего вещества, заключённого во всей солнечной системе (рис. 6). Если всё вещество Солнца представить себе в виде ведра пшеницы, то вещество, заключённое в нашей Земле, представится только одним единственным зёрнышком.

4. Солнце — одна из звёзд

В центре нашей солнечной системы находится Солнце — его можно считать ближайшей к нам звездой. И Солнце, и звёзды состоят из раскалённых газов, нагретых на поверхности до нескольких тысяч градусов. Например, поверхность Солнца накалена до 6000°, так что там даже самые тугоплавкие металлы — железо, никель и другие — находятся в виде пара. Внутри же Солнца и звёзд температура доходит до десятков миллионов градусов. Температура поверхности Солнца и звёзд измеряется различными способами и приборами. В частности, при этом применяются те же способы и приборы, что и при определении температуры расплавленной стали в мартеновских печах. Для того, чтобы определить температуру в мартеновской печи, мы не должны непременно совать в неё термометр — это невозможно сделать, да и температура такая большая, что обычный термометр её показать не может. Эту температуру определяют на расстоянии, исследуя состав света, который излучает раскалённое тело. Температура Солнца и звёзд определяется так же уверенно и точно, как температура мартеновской печи.

Солнце, как и Земля, вращается вокруг своей оси, но в отличие от вращения Земли отдельные части Солнца делают полный оборот в различное время. Части Солнца, находящиеся на его экваторе, делают один оборот за 25 суток; части, расположенные ближе к полюсам Солнца, вращаются медленнее. Такое явление происходит только по одной причине: Солнце вращается не как твёрдое тело, его части не связаны крепко между собою. Это ещё раз подтверждает, что Солнце состоит из газа.

На Солнце почти всегда можно наблюдать в телескоп (через закопчённое стекло) тёмные пятна. Это — сравнительно охлаждённые участки солнечной поверхности, температура которых всё же составляет 4 1∕₂ тысячи градусов.

Они кажутся чёрными только по сравнению с окружающими ещё более горячими и потому ещё более яркими частями солнечной поверхности. По этой же причине ярко тлеющая спичка кажется чёрной на фоне ещё более яркого света прожектора.

Солнце окружено раскалённой атмосферой, состоящей из разреженных газов, которые находятся в непрерывном бурном движении. С поверхности Солнца постоянно выбрасываются наружу гигантские фонтаны раскалённого газа, которые затем снова падают на поверхность Солнца.

5. Звёзды — далёкие солнца

Ближайшей к нам после Солнца звездой является звезда, которую астрономы называют Альфой в созвездии Центавра. Эта звезда невидима в СССР; её можно видеть только в южных странах. Альфа Центавра отстоит от нас в 270000 раз дальше, чем Солнце. Свет от неё идёт до нас целых 4 года. Если бы мы проложили от Земли к этой звезде железнодорожный путь и пустили по нему поезд со скоростью 100 километров в час, то, идя без остановок, он добрался бы до Альфы Центавра только через 40 миллионов лет!

Другие звёзды расположены от нас ещё гораздо дальше, так что размеры всей солнечной системы в сравнении с её расстоянием до звёзд ничтожно малы. Расстояния до звёзд определяются теми же способами, какими артиллеристы определяют расстояния до недоступных предметов на Земле. Артиллеристы находят расстояние от орудия до цели, до которой они дойти не могут, конечно, не при помощи рулетки, а специальными угломерными приборами.

Для определения расстояния до звёзд тоже применяются угломерные приборы, только точность их гораздо больше; по существу же никакой разницы между способами измерения расстояний здесь нет.

Различными способами и приборами учёные изучили природу звёзд и обнаружили, что наше Солнце ничем особенным от них не отличается. Большинство звёзд раскалено так же, как и наше Солнце, но они кажутся нам слабо светящимися точками, лишь потому, что они очень далеки от нас. Правда, многие звёзды излучают меньше света, чем наше Солнце; кроме того, многие из них в несколько раз меньше его по размерам. Есть звёзды более холодные, чем Солнце — они красного цвета и имеют температуру всего лишь около 3000°. Другие, более горячие, имеют температуру, доходящую до 30000°. Они белого цвета, тогда как наше Солнце имеет температуру 6000° и относится к разряду звёзд жёлтого цвета.

Среди звёзд существует небольшое число звёзд-гигантов, в сотни раз больших, чем Солнце, по поперечнику. Все эти звёзды-гиганты — сравнительно холодные, красного цвета и очень разреженные, но они ярче Солнца в тысячу раз. Замечательно общее свойство всех звёзд: несмотря на большое разнообразие в температуре, размерах и яркости звёзд, вещества в каждой из них по весу примерно одинаково — столько же, сколько его заключено в нашем Солнце.

6. Звёздные миры

Наше Солнце вместе с несколькими миллиардами других звёзд составляет единую величественную звёздную систему, называемую Галактикой. Это громадное скопище звёзд имеет сжатую форму, напоминающую карманные часы или две суповые тарелки, сложенные друг с другом

_{Рис. 7. Такую форму имеет наша звёздная система — Галактика. Рисунок наверху изображает вид Галактики, который бы нам представился, если бы мы рассматривали её «плашмя», а внизу — вид Галактики, если смотреть на неё «с ребра»}

своими краями (рис. 7). От одного края Галактики до другого свет идёт приблизительно 100000 лет.

Расстояние солнечной системы от центра Галактики вдвое больше, чем расстояние до её края. Как и другие звёзды, Солнце вместе со всей солнечной системой вращается вокруг центра Галактики, делая полный оборот за 250 миллионов лет.

Внутри Галактики звёзды не распределены равномерно, как солдаты в строю. В некоторых местах Галактики звёзды расположены реже, а в других — гуще, образуя звёздные скопления.

Галактика не является единственной звёздной системой во вселенной. На небе удалось обнаружить в телескопы сотни тысяч маленьких туманных пятнышек (их называют обычно «туманностями»), которые оказались такими же гигантскими звёздными системами. Они тоже называются галактиками (здесь это слово пишется не с большой, а с малой буквы, потому что «Галактика» — это имя собственное только того скопления звёзд, к которому принадлежит наше Солнце). Расстояния между галактиками так велики, что свет от одной галактики до соседней идёт около миллиона лет.

Многие из галактик имеют спиральное строение (рис. 8). Из центра такой галактики, напоминающего сплющенный шар, выходят в противоположных направлениях две ветви или два рукава, состоящие из звёзд и закручивающиеся вокруг центрального сгущения по спирали, наподобие часовой пружины. Вероятно, такое же спиральное строение имеет и наша Галактика, а её «рукава» образуют всем известный Млечный Путь.

Среди туманных пятен, видимых на небе, есть, однако, такие, которые не являются скоплениями отдельных звёзд, а состоят из какой-то сплошной массы. Такие туманности не имеют спирального строения. Одни из них шарообразные, другие — сплющенные, напоминающие по форме чечевичное зерно. У третьих туманностей, такой же чечевицеобразной формы, наблюдаются только зачатки спиральных ветвей. Среди спиральных туманностей можно различить такие, которые целиком состоят из звёзд, и такие, у которых из звёзд состоят только спиральные ветви, а центральные сгущения представляют собою сплошную туманную массу. Наблюдая все эти туманности, можно сделать вывод, что одна и та же туманность, постепенно изменяясь, принимает различные формы. Одни системы состоят только из туманного вещества; в других часть туманного вещества уже разделилась на звёзды; в третьих туманностях развитие продвинулось так далеко, что уже всё их туманное вещество распалось на отдельные газовые

_{Рис. 8. Одна из спиральных звёздных систем — галактик, как она выглядит на фотографии. В середине галактики звёзд так много, что они сливаются в сплошное светлое пятно}

комки, которые, сгустившись, образовали звёзды. Подробнее об этом будет сказано в третьей главе этой книжки.

Кроме таких колоссальных туманностей, называемых галактиками, существуют ещё другие туманности, гораздо меньшего размера. Однако и они по своему размеру так велики, что внутри них уместились бы сотни и тысячи звёзд. Некоторые из таких туманностей состоят из необычайно разреженного светящегося газа; такие туманности в большом числе входят в состав галактик. Другие из таких туманностей состоят из мельчайшей пыли. Когда эта пыль освещается какой-нибудь соседней очень яркой звездой, то туманность светится, если же поблизости такой яркой звезды нет, то облако пыли не светится и заслоняет от нас свет тех звёзд, которые находятся за ней. В этом месте получается как бы тёмное беззвёздное пятно на небе.

Таким образом, мы видим, что вселенная, в тех её частях, которые можно наблюдать в современные телескопы, состоит из гигантских образований. Одни из них, круглой или сплющенной формы, состоят из сплошного вещества. Другие состоят частично из сплошного вещества, частично — из звёзд. Третьи такие образования имеют спиральную форму и целиком или почти целиком состоят из множества отдельных звёзд. Одним из таких огромных образований является наша Галактика, в которой Солнце — только одна из нескольких миллиардов звёзд.

III. КАК ПРОИЗОШЛИ НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА?

1. Развитие природы и возраст небесных тел

Мы уже говорили о том, что всё в природе непрестанно изменяется. Это изменение происходит само по себе, без всякого воздействия каких-либо сверхъестественных сил.

Наука геология, изучающая историю земной коры, рассказывает нам, что в некоторых местах, где теперь суша, когда-то было море. Мы находим, иногда даже в горах, раковины живших там некогда морских животных. Мы видим, как реки, размывая берега, уносят с собой оторванные от них частицы, которые оседают потом на морское дно. Как ни мало наносится таких песчинок в море, ежедневно, из года в год, из века в век их приносится великое множество. Давя друг на друга, они спрессовываются и образуют на дне моря каменный пласт. Так образовались осадочные горные породы, называемые песчаниками. Горная порода, называемая известняком, образовалась из спрессованных обломков морских раковин. Удалось различить, какие из таких известняков образовались раньше и какие позднее. Установив, на какую величину в течение года может увеличиваться толщина пласта песчаника или известняка, геологи подсчитали, сколько времени существуют различные породы, из которых состоит земная кора.

Оказалось, что земной коре уже много миллионов лет, а возраст Земли в целом, конечно, должен быть значительно больше.

При остывании Земли, бывшей когда-то более нагретой, чем теперь, её кора местами растягивалась, местами сжималась, образуя складки, как кожица на высыхающем яблоке. Складки земной коры, выпирающие вверх, мы называем горами. Бывает, что вспучивается наверх дно моря, и тогда оно становится горным кряжем. Замечено, что и сейчас Скандинавский полуостров продолжает подниматься из моря — примерно на один метр за каждые сто лет.

Эти изменения поверхности Земли протекают крайне медленно, но неуклонно; они наглядно показывают, что развитие поверхности Земли всё ещё продолжается.

Земля — одно из небесных тел; если она сейчас продолжает развиваться, то это же, конечно, происходило и с другими небесными телами в прошлом, происходит сейчас и будет происходить в будущем.

Развитие небесных тел протекает чрезвычайно медленно. Мы уже видели, как геологи определили возраст земной коры, изучая горные породы. Ещё более точно можно установить возраст Земли, изучив так называемые радиоактивные вещества, заключённые в горных породах. К таким веществам принадлежит химический элемент радий. Радий обладает свойством постепенно, сам собой, превращаться в другие химические элементы и, в конце концов, превращается в свинец. Химики определяют, какое количество свинца и какое количество радия находится в куске исследуемой горной породы. Зная быстроту превращения радия в свинец, можно подсчитать, сколько времени продолжалось превращение радия в этом куске. На основе таких подсчётов учёные установили, что самые древние горные породы имеют возраст в три миллиарда лет. Таков возраст земной коры!

Возраст Солнца, а также и звёзд, являющихся далёкими солнцами, гораздо больше возраста Земли. Это можно заключить из следующего. С течением времени Солнце непрерывно остывает, но это остывание протекает очень медленно. В различных горных породах находят остатки окаменелых растений и животных, живших миллионы лет тому назад за счёт солнечного тепла и света. Исследуя их, учёные установили, что со времени жизни этих животных и растений Солнце остыло едва заметно. Значит, в то время, когда земная кора затвердевала, Солнце было горячее, чем сейчас, но не намного. Но мы уже говорили о том, что существуют звёзды гораздо более горячие, чем наше Солнце. Значит, было время, когда Солнце имело такую же температуру, как эти звёзды теперь. Но Солнце остывает так медленно, что это могло быть очень давно — гораздо раньше, чем образовалась Земля. Значит, возраст Солнца значительно больше возраста Земли.

Теперь мы перейдём к ответу на вопросы — как произошли небесные тела. Мы начнём с самых больших образований — звёздных туманностей, затем перейдём к отдельным звёздам и затем — к Солнцу и солнечной системе.

2. Как рождаются звёздные миры?

Ни один человек не мог, конечно, наблюдать, как рождаются, развиваются и гибнут звёздные миры: человеческой жизни для этого недостаточно, и несколько поколений людей, наблюдая за одной и той же звёздной туманностью, не могут заметить в ней никаких изменений — так медленно эти изменения протекают. И если всё же учёные узнали, какие изменения происходят в звёздных мирах, то этого они достигли на основании наблюдения не одного какого-нибудь из этих миров, а сразу многих из них.

Чтобы это было понятнее, приведём следующий пример. Может ли один человек узнать, как развивается дерево, если он будет наблюдать только за одним деревом? Нет — жизни человека недостаточно, чтобы проследить весь рост вековых дубов или других таких же многолетних растений. Но когда мы видим в лесу молодую древесную поросль, взрослые деревья и повалившиеся лесные великаны, уже отжившие свой век, то, сравнивая их друг с другом, мы можем догадаться, каковы деревья в молодом возрасте и чем кончается история их жизни.

Совершенно так же учёные устанавливают, как рождаются и живут звёздные миры. Небо, простирающееся над нами, это как бы огромный звёздный лес. Мы видим в нём разные «деревья», т. е. звёздные системы — молодые и старые. Учёные наблюдают через телескопы различные состояния звёздных систем, о которых мы рассказывали раньше, и делают из этих наблюдений научные выводы. И в настоящее время наука пришла к заключению, что огромные, величественные звёздные системы, подобные нашей Галактике, вероятно, образуются следующим образом.

В разных местах мирового пространства находятся громадные скопища газов. Под действием притяжения к своему центру такое скопище газа принимает форму шара, более плотного в середине. Случайные течения газов внутри этого шара в конце концов приводят его во вращение. Но на этот шар действует также притяжение проходящих мимо других таких же огромных скопищ газа или звёздных систем; под влиянием этого притяжения шар также может начать вращаться вокруг своей оси.

На этом вращающемся шаре, как и на нашей Земле, имеются два неподвижных полюса и экватор.

Вследствие притяжения к центру эта газовая масса будет постепенно сжиматься всё больше и больше; при этом, по законам механики, скорость её вращения увеличивается.

Тогда на частицы газа начинает действовать центробежная сила. Эта сила всегда возникает при вращении одного тела вокруг другого или при вращении тела вокруг своей оси. Например, центробежная сила появляется, когда мы будем вращать камень, привязанный на верёвке.

Камень под действием этой силы будет стремиться удалиться от центра вращения (рис. 9).

Центробежная сила тем больше, чем больше скорость вращения. Если вращать верёвку с очень большой скоростью, то верёвка может лопнуть, и камень полетит в сторону.

_{Рис. 9. Вращающийся на верёвке камень под действием центробежной силы постоянно натягивает верёвку и не падает на Землю}

Когда наша шаровая туманность вращается вокруг своей оси, то быстрее всего вращаются те места на поверхности шара, которые находятся на его экваторе, и здесь центробежная сила будет наибольшей. Под действием этой силы частички на экваторе туманности будут стремиться от неё отделиться, и наступит положение, когда достаточно уже небольшого толчка, чтобы частички, находящиеся на экваторе туманности, от неё оторвались, совершенно так же, как оторвался камень в рассмотренном примере.

Вследствие центробежной силы вращающийся шар, состоящий из газа, сплющивается, сжимается у полюсов.

В этом можно убедиться на следующем простом опыте с центробежной машиной (рис. 10). На вертикальную ось центробежной машины насаживают тонкий стальной обруч; в верхнем его конце находится отверстие, сквозь которое ось свободно проходит. Если теперь крутить ручку машины, то наш обруч будет быстро вращаться; тогда ясно видно, что он сплющивается и перестаёт быть круглым.

Чем быстрее мы будем его вращать, тем больше будет он сплющиваться.

_{Рис. 10. Опыт с центробежной машиной. Круглый стальной обруч под действием центробежной силы сплющивается}

Когда вращение туманности ускоряется, то так же, как и в примере с обручем, центробежная сила будет превращать её в тело, всё более и более сплющенное, пока, на конец, туманность не примет форму, напоминающую толстый блин (рис. 11).

Если к этому времени поблизости от нашей туманности пройдёт мимо постороннее тело (например, другая туманность или звёздная система), то сила его притяжения даст толчок частичкам туманности. Расчёты учёных показывают, что в результате этого толчка с двух противоположных сторон на окружности нашей блиноподобной туманности начнётся отрыв газовых частиц, и из неё начнут вытекать газы в виде двух струй, направленных в противоположные стороны (рис. 12). Это вытекание будет продолжаться и после того, как тело, сообщившее толчок, уже удалилось и его притяжение перестало быть заметным. В то время, как газовые струи вытекают из нашей туманности в противоположные стороны, туманность продолжает вращаться, и потому газовые струи закручиваются вокруг неё по спирали. Получается туманность спиральной формы.

_{Рис. 11. Такие формы с течением времени принимает большая туманность, прежде чем она превращается в звёздную систему. Вначале она имеет форму шара, а затем сплющивается, напоминая по форме блин}

На этом изменение туманности не заканчивается.

Вытекающие струи газа не одинаковы во всех своих частях; в них имеются сгущения и разрежения. Сгущения газа во внешних частях спиральных ветвей постепенно будут притягивать к себе окружающее вещество.

_{Рис. 12. Под влиянием проходящей мимо туманности или звёздной системы от туманности отходят две струи, которые, закручиваясь, принимают спиральную форму}

Таким образом, сначала внешние части спиральных ветвей, потом внутренние, и наконец, средняя часть туманности станет распадаться на гигантские газовые комки.

Если эти комки будут содержать по весу примерно столько же вещества, как наше Солнце, то они сгустятся и образуют отдельные газовые шары. Это и есть звёзды. Если же масса этих сгустков будет значительно больше, то они не смогут сгуститься в одно тело и распадутся на куски с меньшей массой, из которых уже потом образуются звёзды.

На рисунках 11 и 12 представлен ряд тех форм, которые в своём развитии принимает гигантская газовая туманность. В конце концов, она вся, начиная с краёв, превращается в огромную спиральную звёздную систему — такую, какой является наша Галактика.

3. Жизнь звёзд и будущее Солнца

Изучая развитие туманностей, мы сравнивали между собою различные виды туманностей, которые можно наблюдать с Земли. Точно так же, изучая жизнь отдельных звёзд, мы сравниваем между собою звёзды различного вида.

Это сравнение приводит к заключению, что молодые звёзды, только что образовавшиеся из туманности, должны быть очень большими, разрежённы ми и сравнительно холодными.

Вследствие низкой температуры они красного цвета. Напомним, что эта «низкая» температура около 3000° по Цельсию, и мы называем такие звёзды «холодными» только по сравнению с более горячими звёздами — жёлтыми и белыми.

_{Рис. 13. Развитие звёзды. Такие состояния с течением времени проходит каждая звезда, в том числе и наше Солнце}

Звёзды продолжают сжиматься (рис. 13), так как их частицы притягиваются к центру; таким образом, звёзды уменьшаются постепенно в размерах и становятся более плотными. При этом температура звёзд повышается, и они приобретают жёлтый цвет. Внутри звёзд температура повышается настолько, что оказывается возможным превращение самого лёгкого газа — водорода — в другие, более тяжёлые газы, главным образом в гелий. Современная наука установила, что такие превращения химических элементов сопровождаются выделением огромного количества энергии. Эта энергия и поддерживает высокую температуру Солнца и других звёзд в течение миллиардов лет.

Сначала звезда состоит почти из чистого водорода, но постепенно весь водород превратится в гелий. Тогда звезда, достигшая белого каления, уже не получает из своих недр притока энергии, необходимого для поддержания её температуры. Поэтому, продолжая сжиматься и уменьшаться в размерах и становясь всё плотнее, звезда охлаждается, так как её тепловая и световая энергия излучается в пространство. Из белой звезда становится жёлтой, более холодной — такой, как наше Солнце в настоящее время. Охлаждаясь ещё больше, звезда становится маленькой и красной, а затем совершенно перестаёт светиться и, вероятно, покрывается твёрдой корой.

Таков жизненный путь звезды и таково будущее нашего Солнца. Расчёты, однако, показывают, что остыть Солнце может только через много, много миллионов лет. По сравнению с человеческой жизнью это — такой огромный промежуток времени, что вопрос о том, чем заменить солнечное тепло после остывания Солнца, практически не имеет значения. Время, в течение которого человечество уже существует на Земле, ничтожно мало по сравнению с тем временем, в течение которого ему ещё предстоит существовать и развиваться под живительными лучами Солнца. Но даже и тогда, когда Солнце погаснет, человечество, конечно, сумеет найти новые источники энергии.

4. Происхождение солнечной системы

Выяснить, как произошла солнечная система, гораздо труднее, чем установить историю возникновения звёздных систем и жизненного пути Солнца и звёзд. Причина этого состоит в том, что, кроме нашей солнечной системы, мы не можем пока ещё наблюдать других планетных систем и сравнивать их с нашей. Вероятно, около других звёзд также существуют планеты, но они не могут быть видны в современные телескопы. Только в самые последние годы около некоторых звёзд удалось обнаружить спутники, значительно меньшие, чем звёзды, но эти спутники всё же гораздо больше и тяжелее Юпитера — самой большой и тяжёлой из планет солнечной системы. Вероятно, эти спутники — наиболее крупные из планет, окружающих звёзды. Такого рода спутники звёзд нам в телескопы пока ещё не видны, и их существование обнаружено лишь при помощи расчётов, так же, как было обнаружено существование Нептуна — по неправильностям в движении звёзд, вокруг которых спутники вращаются.

Вопрос о подробностях происхождения солнечной системы ещё не вполне выяснен. Некоторые учёные считают, что она образовалась в результате катастрофы, происшедшей в далёкие времена, когда Солнце, состоявшее из уже сгущённого газа, встретилось с какой-нибудь другой звездой.

Эта звезда могла задеть собою наше Солнце и оторвать от него куски разной величины. Такой отрыв мог произойти и не при столкновении, а под действием притяжения звезды, если она прошла очень близко от Солнца (рис. 14). Сгустившись и охладившись, комки сжатого газа, оторванного от Солнца, превратились в планеты. Солнце потеряло при этом лишь небольшую часть своей массы, а «прохожая звезда», породив планеты и сообщив им вращение около Солнца, снова улетела в безвестную даль мирового пространства.

Другие учёные считают, что солнечная система образовалась в результате прохождения нашего Солнца через огромное облако, состоявшее из пыли и мелких камешков. Мы уже говорили о том, что во вселенной существуют такого рода пылевые туманности; они в большом числе разбросаны среди звёзд в мировом пространстве. Проходя через такое облако, Солнце увлекло за собою множество мелких камешков, которые стали обращаться вокруг него почти в одной и той же плоскости. Более крупные камешки

_{Рис. 14. Так представляют себе учёные рождение планет}