Происхождение небесных тел

1. Вселенная по представлениям древних

Прежде чем подойти к объяснению происхождения Земли и небесных тел, надо выяснить, что они собой представляют.

В древние времена люди, не располагая научными методами исследования, представляли себе устройство Земли и вселенной очень наивно. Они считали Землю плоской и прикрытой сверху небосводом, как прозрачным хрустальным колпаком. Звёзды и другие небесные тела религиозные люди рассматривали как светильники, созданные специально для освещения Земли и для украшения неба. Никакого понятия о расстояниях, отделяющих от нас небесные светила, и о различиях в этих расстояниях люди не имели. Расстояния до неба одни богословы считали равными нескольким десяткам тысяч километров, другие же — нескольким сотням тысяч километров. Теперь мы знаем, что даже Луна — ближайшее к нам небесное тело — отстоит от нас на 380 000 километров, а Солнце — на полтораста миллионов километров. Ближайшие звёзды отстоят от нас в сотни тысяч раз дальше, чем Солнце, а большинство — в миллионы раз.

2. Из чего состоят Земля и другие небесные тела

Защитники старинных религиозных и невежественных взглядов на строение и происхождение вселенной были убеждены в том, что небесный мир совершенно отличен от нашего земного мира. Поскольку эти люди считали небо местопребыванием духов и богов, они и небесные светила считали созданными из какого-то совершенно особого вещества, не встречающегося на Земле.

Это неверно: материя вселенной везде одна и та же.

Около ста лет тому назад был изобретён замечательный способ исследования химического состава вещества, называемый спектральным анализом. Спектральный анализ позволяет устанавливать состав светящегося вещества на основании исследования испускаемого им света. Спектральным анализом можно обнаружить, имеется ли в исследуемой химической смеси какое-либо определённое вещество, например медь, хотя бы в самом ничтожном количестве. Этим анализом пользуются, например, для того, чтобы установить содержание полезных ископаемых — олова, цинка или меди — в находимой руде.

Из какого вещества состоит светящееся тело, говорят нам посылаемые им лучи света, если только уметь их надлежащим образом «допросить» при помощи спектрального анализа.

Именно таким путём учёные узнали, из чего состоят Солнце и звёзды. Оказывается, все эти небесные тела, как бы далеко они от нас ни находились, состоят из одних и тех же простейших химических веществ — так называемых химических элементов, которые встречаются на нашей Земле. Все остальные вещества, как бы сложны они ни были, представляют собой соединения этих простейших веществ. Различных химических элементов сейчас известно около 100, но многие из них встречаются на Земле очень редко; такие редкие химические элементы встречаются редко и на других небесных светилах. К химическим элементам относятся водород, кислород и азот, находящиеся на Земле обычно в состоянии газа. Металлы — железо, медь, никель — это тоже химические элементы, находящиеся на Земле в твёрдом состоянии. При высокой температуре все металлы плавятся и становятся жидкими, как ртуть. При ещё более высокой температуре они превращаются даже в пар.

Другие химические вещества, например, соль и вода, не являются элементами, — это уже сложные химические вещества — химические соединения, элементов. Соль — это химическое соединение двух элементов: газа хлора и металла натрия; вода — химическое соединение двух газов — водорода и кислорода. При очень высокой температуре химические соединения распадаются на свои составные части. Таким образом, при высокой температуре не могут существовать не только живые организмы, представляющие собой очень сложные образования, но даже и простейшие химические соединения неживой природы (такие, как соль, вода и т. п.).

Рис. 5. Один из упавших метеоритов. Для представления об его огромных размерах на нем помещены мальчики.

Спектральный анализ не обнаружил на небесных светилах ни одного химического элемента, который не был бы известен на Земле!

То, что Земля и другие небесные тела имеют один и тот же химический состав, подтверждается ещё следующим. Иногда в разных местах на Землю с неба падают камни, называемые метеоритами (рис. 5 и 6). Некоторые из таких камней, странствуя миллионы лет в мировом пространстве, сталкиваются с Землёй. На этом их странствования кончаются. Метеориты — это осколки небесных тел, которые мы можем взять в руки и изучать так же, как мы изучаем любые земные предметы. Химический анализ метеоритов опять-таки показывает нам, что они состоят из известных на Земле химических элементов и не содержат никаких новых элементов, которых не существует на Земле.

3. Солнечная система

Наша Земля — одна из девяти известных нам планет, входящих в солнечную систему. Планеты — это огромные холодные и твёрдые шары, которые вращаются вокруг Солнца. Мы видим их с Земли не потому, что они раскалены, как Солнце и звёзды, а потому, что их освещает Солнце. С Земли планеты видны невооружённому глазу в виде звёздочек; если бы нашу Землю рассматривали с другой планеты, то она представилась бы тоже в виде звёздочки.

Земля — третья по счёту планета, если считать от Солнца. Ближе, чем она, к Солнцу расположены планеты Меркурий и Венера. За Землёй следуют планеты Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон (рис. 7).

Рис. 6. Падение метеорита.

Самая большая из планет — Юпитер. По поперечнику он в И раз больше Земли и в 10 раз меньше, чем Солнце (рис. 8). Все планеты, и Земля в том числе, вращаются вокруг Солнца по той же самой причине, по которой Луна вращается вокруг Земли, т. е. вследствие всемирного тяготения.

У некоторых планет имеются так называемые спутники, как бы планеты меньшего размера, которые вращаются вокруг своих планет так же, как сами планеты вращаются вокруг Солнца. Луна — это спутник Земли.

Рис. 7. План солнечной системы. Кривые линии изображают пути, по которым движутся вокруг Солнца разные планеты. Так как пути некоторых планет не уместились на рисунке, они изображены не полностью, а путь планеты Плутон не изображен вовсе.

Больше всего спутников у Юпитера. Их у него целая свита в одиннадцать штук. Самый большой из спутников Юпитера немного меньше Меркурия — самостоятельной планеты солнечной системы.

Рис. 8. Сравнительные размеры Солнца и планет.

Некоторые планеты окружены газом; этот газ удерживается около них силой тяготения, образуя слой, который называется атмосферой. Атмосферу Земли составляет воздух, которым мы дышим. Самые большие и тяжёлые планеты — Юпитер и Сатурн — окружены обширной густой атмосферой, в которой плавают мощные гряды облаков. Планеты среднего размера — Земля, Венера и Марс — окружены сравнительно менее плотной атмосферой, Причина этого в том, что по закону всемирного тяготения меньшие планеты притягивают газы с меньшей силой; если притяжение планеты недостаточно велико, то более лёгкие газы постепенно улетучиваются с планеты и рассеиваются в пространстве. Более тяжёлые и менее летучие газы, как кислород, азот и углекислота, тоже должны рассеяться, если притяжение планеты недостаточно сильно. Это мы и наблюдаем в действительности. Например, маленькие по сравнению с Землёй Меркурий и Луна совершенно лишены атмосферы.

Солнечная система обладает рядом замечательных особенностей.

Первая из этих особенностей та, что пути всех планет около Солнца и пути всех спутников около своих планет мало отличаются от кругов.

Вторая особенность состоит в том, что все эти планеты, за отдельными немногими исключениями, обращаются около Солнца почти в одной плоскости. Солнечную систему можно, таким образом, сравнить с тонким грандиозным блином, имеющим поперечник приблизительно шесть миллиардов километров (таков поперечник пути Плутона — самой далёкой из известных нам планет).

Рис. 9. Сравнительный вес Солнца и планет изображён здесь гирями.

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. 9). 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 звезд

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 6000º, 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 собой. Это ещё раз подтверждает, что Солнце состоит из газа.

На Солнце почти всегда можно наблюдать в телескоп (через закопчённое стекло) тёмные пятна (рис. 10). Это — сравнительно охлаждённые участки солнечной поверхности, температура которых всё же составляет 4 ½ 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.

Рис. 10. Солнце с пятнами (вид в телескоп)

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 270 000 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 расстояние 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 3000º. Другие, более горячие, имеют температуру, доходящую до 30 000º. Они белого цвета, тогда как наше Солнце имеет температуру 6000º 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, процентное содержание по весу различных химических элементов в различных звёздах довольно одинаково — примерно такое же, какое мы встречаем 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 своими краями (рис. 11). От одного края Галактики до другого свет идёт около 80 000 лет.

Рис. 11. 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”.

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 приблизительно за 150 миллионов лет.

Рис. 12. Одна из спиральных звёздных систем — галактик; как она выглядит на фотографии. В середине галактики звёзд так много, что они сливаются в сплошное светлое пятно.

Более ста лет назад русский учёный В. Я. Струве доказал, что внутри звёздной системы звёзды не распределены равномерно, как солдаты в строю. В некоторых местах звёзды расположены реже, а в других — гуще, образуя звёздные скопления. Между тем до Струве Гершель и другие учёные за рубежом считали нашу звёздную систему везде одинаковой.

Галактика не является единственной звёздной системой во вселенной. На небе удалось обнаружить наблюдениями 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. 12 и 13). Из центра такой галактики, напоминающей 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.

Рис. 13. Спиральная галактика в созвездии Андромеды — ближайшая к нам. Она к нам наклонена 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.

Рис. 14. Облако разреженного газа — газовая туманность.

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 (рис. 14); такие туманности в большом числе входят в состав галактик. Другие из таких туманностей состоят из мельчайшей пыли (рис. 15). 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.

Рис. 15. Длинные облака пыли, загораживающие от нас свет далёких звёзд.

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.