2014-04-30

Що таке космос?

4.7142857142857 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.71 (7 голосів)

Що таке космос?

Що таке Космос?

Людство вступило в космічні століття. У наш час будь-якій освіченій людині необхідно знати, що таке космос, і мати уявлення про процеси, що відбуваються в космосі.

Перш ніж перейти до викладу сучасного уявлення що таке космос, з'ясуємо значення самого слова "космос". "Космос" грецькою - це порядок, устрій, стрункість (взагалі, щось впорядковане). Філософи Стародавньої Греції розуміли під словом "космос" Світобудову, розглядаючи її як упорядковану гармонійну систему. Космосу протиставлявся безлад, хаос. Для стародавніх греків поняття порядку і краси в явищах природи були тісно пов'язані. Ця точка зору трималася у філософії та науці довго. Недарма навіть Копернік вважав, що орбіти планет повинні бути колами лише тому, що коло гарніше від еліпса.

У поняття "космос" спочатку включали не тільки світ небесних світил, але і все, з чим ми стикаємося на поверхні Землі. Знаменитий натураліст 19 століття Олександр Гумбольдт створив фундаментальну працю "Космос" (5 томів, 1845-62), підсумувавши все, що тоді було відомо про природу взагалі.

Іноді під космосом розуміли лише планетну систему, навколишнє Сонце. У сучасному слововживанні у зв'язку з цим залишився термін "космогонія", яким зазвичай позначають науку про походження Сонячної системи, а не всього Всесвіту в цілому.

Частіше на питання що таке космос відповідають, що це Всесвіт, який розглядається як щось єдине, що підкоряється загальним законам. Звідси походить назва космології - науки, що намагається знайти закони будови і розвитку Всесвіту як цілого. Тобто у назвах "космогонія" і "космологія" космос розуміється у різному сенсі.

З початку космічної ери (з 1957 року, коли в СРСР був запущений перший супутник) слово "космос" придбало ще одне значення, пов'язане зі здійсненням давньої мрії людства про космічні польоти. У таких термінах, як "космічний політ" або "космонавтика", космос протиставляється Землі. Сучасне розуміння що таке космос – це все, що знаходиться за межами Землі і її атмосфери. Іноді говорять "космічний простір". В країнах, що користуються англійською мовою - "зовнішній простір" (outer space) або навіть просто "простір" (space).

Найближча і найбільш доступна дослідженню область космічного простору - навколоземний простір. Саме з цієї області почалося освоєння космосу людьми, в ній побували перші ракети. Польоти космічних кораблів з екіпажами на борту і вихід космонавтів безпосередньо в космічний простір значно розширили можливості дослідження "близького космосу". Космічні дослідження включають також вивчення "дальнього космосу" і ряду нових явищ, пов'язаних з впливом невагомості і інших космічних факторів на фізико-хімічні та біологічні процеси.

Яка ж фізична природа навколоземного простору? Гази, що утворюють верхні шари земної атмосфери, іонізовані УФ-випромінюванням Сонця, тобто перебувають у стані плазми. Плазма взаємодіє з магнітнем полем Землі так, що магнітне поле здійснює на плазму тиск. З віддаленням від Землі тиск самої плазми падає швидше, ніж тиск, який чиниться на неї земним магнітним полем. Внаслідок цього плазмову оболонку Землі можна розбити на дві частини. Нижню частину, де тиск плазми перевищує тиск магнітного поля, носить назву іоносфери. Тут плазма веде себе в основному, як звичайний газ, відрізняючись тільки своєю електропровідністю. Вище лежить магнітосфера - область, де тиск магнітного поля більший, ніж газовий тиск плазми. Поведінка плазми в магнітосфері визначається і регулюється перш за все магнітним полем і корінним чином відрізняється від поведінки звичайного газу. Тому, на відміну від іоносфери, яку відносять до верхньої атмосфери Землі, магнітосферу прийнято відносити вже до космічного простору.

У магнітосфері стають можливими явища захоплення заряджених частинок магнітним полем Землі, яке діє як природна магнітна пастка. Так утворюються радіаційні пояси Землі.

Віднесення магнітосфери до космічного простору обумовлюється тим, що вона тісно взаємодіє з більш далекими космічним об'єктами, і перш за все із Сонцем. Зовнішня оболонка Сонця - корона - випускає безперервний потік плазми - сонячний вітер. Біля Землі він взаємодіє із земним магнітним полем (для плазми досить сильне магнітне поле - те ж, що тверде тіло), обтікаючи його, як надзвуковий газовий потік обтікає перешкоду. При цьому виникає стаціонарна зворотна ударна хвиля, фронт якої розташований на відстані близько 14 радіусів Землі (~ 100 000 км) від її центру з денною боку. Ближче до Землі плазма, що пройшла через фронт хвилі, знаходиться в хаотичному турбулентному русі. Перехідна турбулентна область кінчається там, де тиск регулярного магнітного поля Землі перевищує тиск турбулентної плазми сонячного вітру. Це - зовнішня межа магнітосфери, або магнітопауза, розташована на відстані близько 10 земних радіусів (~ 60000 км) від центру Землі з денною боку. З нічного боку сонячний вітер утворює плазмовий хвіст Землі (іноді його неточно називають газовим). Прояви сонячної активності - спалахи на Сонці - призводять до викиду сонячної речовини у вигляді окремих плазмових згустків. Згустки, що летять у напрямку Землі, б'ючись об магнітосферу, викликають її короткочасне стиснення з подальшим розширенням. Так виникають магнітні бурі, а деякі частинки згустку, що проникають через магнітосферу, викликають полярні сяйва, порушення радіо- і навіть телеграфного зв'язку. Найбільш енергійні частинки згустків реєструються як сонячні космічні промені (вони складають лише малу частину загального потоку космічних променів).

Розглядаючи питання що таке космос, давайте перейдемо до Сонячної системи. Тут знаходяться найближчі цілі космічних польотів - Місяць і планети. Простір між планетами заповнений плазмою дуже малої густини, яку несе сонячний вітер. Характер взаємодії плазми сонячного вітру з планетами залежить від того, мають чи не мають планети магнітного поля. Магнітні поля Юпітера і Сатурна значно сильніші від земного поля, тому магнітосфери цих планет-гігантів простягаються значно далі ніж земна магнітосфера. І навпаки, магнітне поле Марса настільки слабке (в сотні разів слабше від земного), що насилу стримує потік сонячного вітру на найближчих підступах до поверхні планети. Прикладом немагнітних планет є Венера, повністю позбавлена магнітосфери. Однак взаємодія надзвукового потоку плазми сонячного вітру з верхньою атмосферою Венери і в цьому випадку призводить до утворення ударної хвилі.

Великою різноманітністю відрізняється сімейство природних супутників планет-гігантів. Один із супутників Юпітера, Іо, являється найактивнішим у вулканічному відношенні тілом Сонячної системи. Титан, найбільший з супутників Сатурна, має досить щільну атмосферу, яку практично можна порівняти із земною. Вельми незвичайною є взаємодія таких супутників з оточуючою їх плазмою магнітосфер материнських планет. Кільця Сатурну, що складаються з кам'яних і крижаних брил різних розмірів, аж до найдрібніших пилинок, можна розглядати як гігантський конгломерат мініатюрних природних супутників.

За дуже витягнутими орбітами навколо Сонця рухаються комети. Ядра комет складаються з окремих каменів і пилових частинок, вморожених в брилу льоду. Лід цей не зовсім звичайний, в ньому крім води містяться аміак та метан. Хімічний склад кометного льоду нагадує склад найбільшої планети - Юпітера. Коли комета наближається до Сонця, лід частково випаровується, утворюючи гігантський газовий хвіст комети. Кометні хвости повернені у бік від Сонця, оскільки постійно відчувають вплив тиску випромінювання і сонячного вітру.

Наше Сонце - лише одна з безлічі зірок, що утворюють гігантську зоряну систему - Галактику. А ця система в свою чергу - лише одна з безлічі інших галактик. Астрономи звикли відносити слово "Галактика" як ім'я власне до нашої зоряної системи, а те саме слово як загальне - до всіх таких систем взагалі. Наша Галактика містить 150 - 200 млрд. зірок. Вони розташовуються так, що Галактика має вигляд плоского диска, в середину якого ніби вставлена куля діаметром меншим, ніж у диска. Сонце розташоване на периферії диска, практично в його площині симетрії. Тому, коли ми дивимося на небо в площині диска, то бачимо на нічному небозводі смугу, що світиться, Чумацький Шлях, який складається із зірок, що належать диску. Сама назва "Галактика" походить від грецького слова galaktikos - молочний і означає систему Чумацького Шляху.

Астрономи встановили, що зірки галактичного диска, як правило, відрізняються за фізичними і хімічними властивостями від зірок кулі. Ці два типи "населення" нашої зоряної системи звуться плоскою і сферичною складовими. У диску крім зірок є ще значні кількості міжзоряного газу і пилу. З даних радіоастрономії можна зробити висновок, що диск нашої Галактики має спіральну структуру, подібну до тієї, яку можна бачити на фотографіях інших галактик (наприклад знаменитої туманності Андромеди).

Вивчення спектрів зірок, їхніх рухів та інших властивостей у зіставленні з теоретичними розрахунками дозволило створити теорію будови і еволюції зірок. Відповідно до цієї теорії основним джерелом енергії зірок є ядерні реакції, що протікають глибоко в надрах зірки, де температура в тисячі разів більша, ніж на поверхні. Ядерні реакції в космосі і походження хімічних елементів вивчає ядерна астрофізика. На певних стадіях еволюції зірки викидають частину своєї речовини, яка приєднується до міжзоряного газу. Особливо потужні викиди відбуваються при зоряних вибухах, які спостерігаються як спалахи наднових зірок. Залишки таких вибухів часто стають пульсарами - нейтронними зірками радіусом близько 10 км з надсильними магнітними полями, що створюють умови для виникнення компактних, але надзвичайно потужних магнітосфер. Передбачається, що магнітне поле пульсара в центрі Крабоподібної туманності, яка є класичним прикладом продукту спалаху наднової, в 1012 разів більше від земного за напруженістю. В подвійних зоряних системах нейтронні зірки можуть проявляти себе як рентгенівські пульсари. З нейтронними зірками пов'язують і так звані барстери - галактичні об'єкти, що характеризуються спорадичними короткочасними сплесками рентгенівського та м'якого гамма-випромінювання.

В інших випадках при зоряних вибухах можуть утворитися чорні дірки - об'єкти, речовина яких падає до центру зі швидкістю, близькою до швидкості світла, і в силу ефектів загальної теорії відносності (теорії тяжіння) ніби застигає в цьому падінні. З надр чорних дір випромінювання вирватися не може. У той же час речовина, що оточує чорну діру, утворює так званий аккреційний диск і за певних умов випускає рентгенівське випромінювання за рахунок гравітаційної енергії тяжіння до чорної діри.

При зоряних вибухах і в околицях пульсарів окремі частки плазми прискорюються і набувають колосальні енергії. Ці частинки дають внесок у високоенергетичну складову міжзоряного газу - космічні промені. За кількістю речовини вони становлять досить малу, але за енергією - вельми істотну частину міжзоряного газу. Космічні промені утримуються в Галактиці магнітними полями. Їх тиск відіграє важливу роль у підтримці форми галактичного диску. У земній атмосфері космічні промені взаємодіють з ядрами атомів повітря, утворюючи безліч нових ядерних частинок. Вивчення космічних променів біля поверхні Землі слід віднести до ядерної фізики. Прилади, винесені за межі атмосфери, дають відомості про первинні космічні промені, важливі вже для дослідження космосу. Такі структура і фізичні процеси, характерні для нашої Галактики.

Інші галактики показують велику різноманітність форм і чисел зірок, які до них входять, інтенсивності електромагнітного випромінювання в різних діапазонах довжин хвиль. Походження галактик і причини, через які різні галактики мають ті чи інші форми, розміри та ін фізичні властивості - одна з найважчих проблем сучасної астрономії та космології.

Розглядаючи питання що таке космос, переходимо до ще більш грандіозних масштабів і вступаємо в область, про яку поки мало відомо. Проблемою будови і розвитку Всесвіту в цілому займається космологія. Для неї особливо важливе значення мають новітні досягнення радіоастрономії. Виявлено джерела радіохвиль і світла величезної потужності - квазари. У їхніх спектрах лінії сильно зміщені до червоного кінця спектра. Це означає, що вони дуже далекі від нас - світло йде від них мільярди років. Спостерігаючи квазари, астрономи мають можливість вивчати Всесвіт (метагалактики) на ранніх стадіях його розвитку. Звідки береться жахлива енергія, випромінювана квазарами - одна з найбільш хвилюючих загадок науки. Інше важливе відкриття - виявлення "фону" радіочастотного випромінювання, що пронизує рівномірно по всіх напрямках космічний простір. Це реліктове радіовипромінювання - залишок прадавніх епох, що дозволяє судити про стан Всесвіту багато мільярдів років тому.

Для сучасного етапу розвитку наук про космос характерне колосальне наростання потоку інформації, що надходить до нас. Якщо раніше астрономічні прилади сприймали тільки видиме світло, то тепер дані про космос отримують з аналізу всього електромагнітного спектру. Отже, інформацію про фізичні процеси в міжзоряному середовищі дає вивчення первинних космічних променів. Вдалося знайти проникливі частинки нейтрино, які приходять від Сонця. У перспективі можливе виявлення і вивчення нейтрино із глибин космосу. Розширення каналів надходження інформації пов'язано як з виходом засобів спостереження в космос (позаатмосферна і балонна астрономія, дослідження Місяця та планет приладами, доставленими на їх поверхню), так і з удосконаленням наземної апаратури.

Важливість винесення в космос дослідницької апаратури пояснюється тим, що природа помістила нас на дно повітряного океану, чим звузила можливості вивчення космосу, але в той же час захистила від багатьох видів космічного випромінювання. Атмосфера пропускає електромагнітне випромінювання до поверхні Землі лише у двох вузьких інтервалах частот, або, як кажуть, "вікнах": одне - в області видимого світла, інше - в радіодіапазоні. Тільки за допомогою приладів, винесених за межі атмосфери, вдалося зареєструвати рентгенівське і гамма-випромінювання, УФ- та ІЧ-промені, що йдуть з космосу. Те ж відноситься і до первинних космічних променів.

Для підвищення ефективності наземних спостережень особливе значення має застосування потужних радіотелескопів, які дозволили отримати такі важливі результати, як відкриття квазарів і пульсарів. Однак і в класичній оптичній області (в області довжин хвиль видимого світла) потужність і чутливість приладів безперервно зростають не тільки за рахунок збільшення діаметра головного дзеркала телескопів, а й завдяки введення принципово нових методів реєстрації та посилення світла, наприклад таких, як електронно-оптичні перетворювачі, матричні приймачі.

Величезний стрибок у пізнанні космосу, що стався в другій половині 20 ст., пояснюється в першу чергу глибоким впровадженням у всю сферу наук про природу досягнень однією з провідних наук сучасності - фізики. Нові фізичні методи дослідження і відкриття в галузі фундаментальних властивостей матерії дали астрономії настільки багато, що сучасна астрономія в дуже великий своїй частині перетворилася на астрофізику. Всі космічні явища - від навколоземного простору і до Всесвіту як цілого - тлумачаться на основі досягнень сучасної фізики. Кожна нова область фізики та її досягнення (атомна і ядерна фізика, фізика елементарних частинок та теорія поля, фізика плазми, магнітна гідродинаміка і т. д.) негайно знаходять широке застосування у вивченні космосу, оскільки фізичні закони, відкриті на Землі, повністю зберігають свою силу і в глибинах космосу.

З іншого боку, вивчення фізичних процесів, що протікають в грандіозних космічних масштабах, суттєво збагачує фізику. Між фізикою лабораторною і фізикою космічною відбувається безперервний обмін науковими ідеями. Так, синхротронне випромінювання, відкрите в прискорювачах частинок, дозволило пояснити механізм випромінювання Крабоподібної туманності та інших космічних об'єктів. У свою чергу магнітна гідродинаміка, що виникла у зв'язку з астрофізичними проблемами, отримала широкий розвиток в фізичних лабораторіях і в техніці. Про термоядерні реакції фізики вперше заговорили як про джерела енергії зірок, а зараз проблема освоєння цих реакцій в лабораторії і техніці стала однією з центральних для сучасної фізики.

Новітні відкриття в космосі (квазари, реліктове радіовипромінювання, нейтронні зірки і т. д.) пов'язані з глибинними проблемами фізики. Багато дослідників вважають, що подальше вивчення космічних об'єктів і явищ дозволить істотно поглибити наші знання про найфундаментальніші закони природи.

Ось так коротко можна відповісти на питання що таке космос.

За матеріалами: astronet.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus