Солнце — самая близкая к Земле звезда, дающая нам свет и тепло. Этот газовый шар не имеет чёткой границы, его плотность убывает постепенно. Почему же мы видим Солнце резко очерченным? Дело в том, что практически всё его видимое излучение исходит из очень тонкого слоя, который называют фотосферой

(греч.

«сфера света»). Её толщина не превышает 200–300 км, что очень мало по сравнению с радиусом Солнца. Именно тонкость этого слоя и создаёт у наблюдателя иллюзию того, что Солнце имеет «поверхность». Слои выше фотосферы прозрачны для видимого света, а ниже наш взгляд просто не проникает.

Грануляция создаёт общий фон, на котором можно наблюдать гораздо более контрастные и крупные объекты — солнечные пятна и факелы. Солнечные пятна — это тёмные образования на диске Солнца. В телескоп видно, что крупные пятна имеют довольно сложное строение: тёмную область (называемую тенью) окружает полутень, диаметр которой в 2–3 раза превышает размер тени. Если пятно наблюдается на краю солнечного диска, то создается впечатление, что оно похоже на глубокую тарелку. Происходит это потому, что газ в пятнах прозрачнее, чем в окружающей атмосфере, и взгляд проникает глубже. По величине пятна бывают очень разными — от малых, диаметром примерно 1 000–2000 км, до гигантских, значительно превосходящих размеры нашей планеты. Отдельные пятна могут достигать в поперечнике 40 тыс. км.

Солнце — огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. В центральной части Солнца находится источник его энергии — та «печка», которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром. Под тяжестью внешних слоев вещество внутри Солнца сжато, причём чем глубже, тем сильнее. Плотность его увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. В ядре, где температура достигает 15 млн. Кельвинов, происходит выделение энергии в результате слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлых.

Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Вокруг ядра — зона лучистого переноса энергии, она распространяется путём поглощения и излучения веществом порций света — квантов. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идёт поток энергии. В целом процесс этот крайне медленный. Чтобы квантам добраться от центра Солнца до фотосферы, необходимы многие тысячи лет: ведь, переизлучаясь, кванты всё время меняют направление, почти столь же часто двигаясь назад, как и вперёд. Так что если бы «печка» внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

В конвективной зоне энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией — перемешиванием. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают своё тепло окружающей среде, а охлаждённый солнечный газ опускается вниз. 

В конце 1950-х гг. американский астрофизик Юджин Паркер предположил, что газ солнечной короны непрерывно расширяется, заполняя Солнечную систему. Он основывался на том, что газ в солнечной короне имеет высокую температуру, которая сохраняется с удалением от Солнца. Результаты, полученные с помощью советских и американских космических аппаратов, подтвердили правильность теории Паркера.

В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, названный солнечным ветром. Он представляет собой продолжение расширяющейся солнечной короны. Солнечный ветер состоит в основном из ядер атомов водорода (протонов) и гелия (альфа-частиц), а также электронов.

Солнечный ветер создаёт пузырь в межзвёзной среде, называемый гелиосферой. Внешняя граница солнечного ветра называется гелиопаузой, за ней солнечный ветер и межзвёздное вещество смешиваются, взаимно растворяясь. Гелиопауза находится примерно в четыре раза дальше Плутона и считается началом межзвёздной среды, она вытянута в противоположную движению Солнца сторону.

Благодаря исследованиям космических аппаратов «Вояджер» стало известно, что магнитное поле на границе Солнечной системы имеет структуру, похожую на пену. Каждый «пузырёк» этой «космической пены» составляет в поперечнике порядка 150 млн. км, что соответствует расстоянию от Солнца до Земли! Возникают эти магнитные «пузыри» на границе Солнечной системы из-за того, что наша звезда вращается, и её вращение приводит к тому, что линии магнитного поля «запутываются» и образуют самодостаточные структуры («пузыри»), отделившиеся от основного магнитного поля звезды.

Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всевозможной длины — от многокилометровых радиоволн до чрезвычайно коротковолновых гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разной энергии — как высокой (солнечные космические лучи), так и низкой и средней (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек), называемые солнечным ветром. Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле).

Быстрые частицы вызывают сильные токи в земной атмосфере, приводят к возмущению магнитного поля нашей планеты и даже влияют на циркуляцию воздуха в атмосфере. Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмосферы солнечными частицами являются полярные сияния. Это свечение в верхних слоях атмосферы, имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияния обычно бывают красного или зелёного цвета

Ионизацию земной атмосферы и нарушение связи на коротких волнах вызывают рентгеновские кванты, проникающие до высот 80–100 км от поверхности Земли. Они образуются при сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек.

Часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения, которая доходит до земной поверхности, вызывает у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце. Основной же поток приходящих от Солнца губительных для всего живого ультрафиолетовых лучей задерживает «озонный экран», формирующийся на высоте 30–35 км над поверхностью Земли.

Солнечная система — это система космических небесных тел, связанных друг с другом силами тяготения. В неё входят центральное светило Солнце, в котором заключено около 99,87% всей массы Солнечной системы, обращающиеся вокруг него планеты, карликовые планеты и малые тела, а также все естественные спутники. Новейшие астрономические открытия привели к тому, что последняя классификация тел, входящих в Солнечную систему, была проведена совсем недавно — в 2006 г.

На сегодняшний день к планетам относят восемь крупных небесных тел, которые под действием собственной гравитации приняли форму шара: Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их масса достаточна для поддержания гидростатического равновесия, при котором давление недр уравновешивается силами гравитации, и настолько велика, что в окрестностях орбиты имеется пространство, практически свободное от других тел.

Все планеты расположены почти в одной плоскости и обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам в одном направлении.

Карликовые планеты тоже обращаются вокруг Солнца. Они находятся в гидростатическом равновесии и имеют форму шара, однако их масса недостаточна для того, чтобы освободить окрестности орбиты от других тел. Например, отношение массы Плутона, второй по размеру карликовой планеты, к массе других тел в окрестностях его орбиты равно всего лишь 0,07. Ещё для одной карликовой планеты, Цереры, оно составляет 0,33, в то время как для Юпитера это отношение равно 318, а для Земли — 1,7 млн. В настоящее время официально признано пять карликовых планет, хотя предполагается, что их в Солнечной системе может быть гораздо больше: это Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида — самая большая из карликовых планет, расположенная в наиболее удалённых областях Солнечной системы. До 2006 г. Плутон считался планетой, но открытие на рубеже XX и XXI вв. объектов, сравнимых по размерам с Плутоном, в частности Эриды, потребовало более чёткой формулировки понятия «планета».

Объекты небольших масс, обращающиеся вокруг Солнца и слишком маленькие для того, чтобы под действием сил собственной гравитации поддерживать сферическую форму, называют малыми телами Солнечной системы. К ним относят большинство астероидов, кометы, кентавры (ледяные кометоподобные объекты, движущиеся между орбитами Юпитера и Нептуна), метеороиды (тела размером от 0,1 мм до 10 м), а также межпланетная пыль, частицы солнечного ветра (потока плазмы от Солнца) и свободные атомы водорода.

Солнце — центральный объект Солнечной системы, которую условно делят на две области — внутреннюю и внешнюю. Во внутренней области расположены ближайшие к Солнцу планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс, которые называют планетами земной группы. Они обладают высокой плотностью и образованы преимущественно тяжёлыми элементами, такими как кислород, кремний, железо, никель и др. Все планеты земной группы имеют железное ядро, мантию, состоящую из силикатов, и кору, образовавшуюся в результате выплавления из мантии лёгких элементов. У планет земной группы мало спутников (от 0 до 2), нет колец и есть атмосфера — газовая оболочка, которая удерживается гравитацией планеты и вращается вместе с ней как единое целое.

Говоря о Солнечной системе, мы будем использовать понятия астрономической единицы (1 а. е. = 149 597 870,610 км) — среднего расстояния от Земли до Солнца и эклиптики — плоскости, в которой расположена орбита Земли.

Во внутренней области Солнечной системы, между 2,3 и 3,3 а. е. от Солнца, расположен Главный пояс астероидов — большая концентрация астероидов в сравнительно узком пространстве межпланетной среды между орбитами Марса и Юпитера. Скорее всего, пояс астероидов — это несформировавшаяся планета, образованию которой помешало гравитационное влияние Юпитера и (в меньшей степени) других планет-гигантов.

За Главным поясом астероидов начинается внешняя область Солнечной системы. Там царствуют планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, на которые приходится 99% всей массы вещества, обращающегося вокруг Солнца. Они заметно отличаются от планет земной группы по составу и физическим условиям. Эти планеты гораздо больше и массивнее, они менее плотные и состоят из лёгких элементов (преимущественно водорода и гелия), имеют мощные атмосферы, множество спутников (от 13 до 63) и системы колец из пыли и льда. Самое крупное из колец у Сатурна — его легко можно увидеть с Земли.

За орбитой Нептуна, на расстоянии порядка 35–50 а. е. от Солнца, расположен пояс Койпера (или Эджворта-Койпера) — большое скопление малых тел. Он превышает пояс астероидов в 20 раз по протяжённости и в 20–200 раз по массе, его объекты движутся приблизительно в плоскости орбит планет. Возможно, это остаток протопланетной туманности, из которой образовалась Солнечная система.

Ближайшая к Солнцу планета земной группы, Меркурий, — самая маленькая из восьми больших планет Солнечной системы и самая быстрая планета в Солнечной системе. Он движется по орбите вокруг Солнца со средней скоростью около 48 км/с. Из-за того, что орбита Меркурия сильно вытянута, разность расстояний в самой близкой и далёкой от Солнца точках равна 23,8 млн. км. Из-за близости к Солнцу Меркурий получает на квадратный метр поверхности в среднем в 6,7 раз больше солнечного света, чем Земля. Естественных спутников у планеты нет.

За один оборот вокруг Солнца Меркурий успевает совершить 1,5 оборота вокруг своей оси, и поэтому на поверхности планеты существует два меридиана, которые попеременно обращены к Солнцу во время прохождения перигелия — ближайшей к светилу точки орбиты планеты. На этих «горячих долготах» даже по меркам Меркурия весьма жарко: температура в экваториальных областях достигает 427 °С.

Только две из восьми больших планет Солнечной системы носят женские имена — это Земля и Венера. Отличительным признаком Венеры на звёздном небе является её ровный белый цвет, причём из всех небесных светил ярче Венеры сияют только Луна и Солнце. Своей высокой яркостью планета обязана окружающим её плотным облакам, которые прекрасно отражают солнечный свет.

Венера, как и Меркурий, относится к внутренним планетам, так как её орбита расположена к Солнцу ближе, чем орбита Земли, естественных спутников у неё нет. Она движется практически по круговой орбите в ту же сторону, что и другие планеты, причём орбита у неё самая «круглая» из всех планет Солнечной системы.

Вращается Венера с востока на запад, т. е. в направлении, противоположном направлению вращения Земли и большинства других планет, поэтому Солнце на Венере восходит на западе.

Располагаясь на 41,4 млн. км ближе к светилу, чем Земля, Венера получает тепла и света в два раза больше нашей планеты. Средняя температура венерианской поверхности 460 °С. Это существенно превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося вдвое ближе к Солнцу! Причиной столь высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной атмосферой.

Постоянство и непознаваемость звёзд наши предки считали непреложными условиями существования мира. Наверное, им очень важно было сознавать, что в неверном и изменчивом мире остаётся что-то неподвластное времени. Неудивительно, что любые изменения в мире звёзд издавна считались предвестниками значительных событий. Согласно Библии, внезапно вспыхнувшая звезда возвестила миру о рождении Иисуса Христа, а другая звезда — Полынь — будет, согласно легенде, знаком конца света. Со временем звёзды стали рассматриваться как физические объекты, для описания которых вполне достаточно известных законов природы.

Все редко встречающиеся типы звёзд находятся очень далеко. Видимо, поэтому разнообразие мира звёзд так долго оставалось скрытым от человеческого глаза. И только изобретение новых астрономических приборов позволило осознать, насколько звёзды разные. Основными характеристиками звезды, которые могут быть тем или иным способом определены из наблюдений, являются мощность её излучения (в астрономии она называется светимостью), масса, радиус, температура и химический состав атмосферы. Зная эти параметры, можно рассчитать возраст звезды.

Интересно, что Солнце по своим характеристикам занимает среднее положение, среди других звёзд ничем особенно не выделяясь. В целом же перечисленные выше параметры изменяются в очень широких пределах и, кроме того, взаимосвязаны.

Звёзды самой высокой светимости обладают наибольшей массой, и наоборот, маломассивные звёзды светят очень слабо.

Путь к познанию звёзд лежит через измерения и сопоставление их свойств. Первое, что замечает человек при наблюдении ночного неба, — это различная яркость (блеск) звёзд. Видимый блеск звезды — легко измеряемая, важная, но далеко не исчерпывающая характеристика. Для того чтобы установить важную характеристику звезды — мощность её излучения (светимость), надо знать расстояние до неё.

В этом на помощь астрономам приходит тот факт, что мы вместе с Землёй путешествуем по орбите вокруг Солнца. Годичным параллаксом звезды называется угол, под которым со звезды был бы виден средний радиус земной орбиты, перпендикулярный направлению на звезду, и астрономы научились его определять. Оказалось, что параллаксы даже самых близких звёзд чрезвычайно малы, меньше 1”.

Так как радиус земной орбиты известен, а годичный параллакс звёзд можно измерить, то для определения расстояния до звезды остаётся решить школьную задачу по планиметрии: найти высоту равнобедренного треугольника, если известно его основание (большая полуось земной орбиты) и угол при вершине (параллакс).

Звёзды не останутся вечно такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной постоянно рождаются новые звёзды, а старые умирают. Чтобы понять, как эволюционирует звезда, как меняются с течением времени её внешние параметры — размер, светимость, масса, необходимо проанализировать процессы, протекающие в недрах звезды. А для этого надо знать, как устроены эти недра, каковы их химический состав, температура, плотность, давление. Проникнуть в глубь даже ближайшей звезды — Солнца — мы не можем. Приходится прибегать к косвенным методам: расчётам и компьютерному моделированию.

Условия в недрах звёзд значительно отличаются от условий в земных лабораториях, но элементарные частицы — электроны, протоны, нейтроны — там такие же, что и на Земле. Звёзды состоят из тех же химических элементов, что и наша планета. Поэтому к ним можно применять знания, полученные по экспериментам в физических лабораториях.

Звезда — раскалённый газовый шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объём. Это стремление вызвано давлением газа и определяется его температурой и плотностью. В каждой точке внутри звезды действует сила давления газа, которая старается расширить звезду. Но в каждой же точке ей противодействует другая сила — сила тяжести вышележащих слоев, пытающаяся сжать звезду.

Однако ни расширения, ни сжатия не происходит, звезда находится в состоянии устойчивого равновесия. Это означает, что обе силы уравновешивают друг друга. А так как с глубиной вес вышележащих слоев увеличивается, то давление, а следовательно, температура и плотность возрастают к центру звезды. Например, плотность вещества в центре Солнца в 100 раз больше плотности воды. Это во много раз превышает плотность любого твёрдого тела на Земле. 

Жизнь звезды довольно сложна. В течение своей истории она разогревается до очень высоких температур, а старея, остывает до такой степени, что в её атмосфере начинают образовываться пылинки. Одна и та же звезда может раздуться до грандиозных размеров, сравнимых с размерами орбиты Марса, и сжаться до нескольких десятков километров. Светимость её возрастает до миллионов светимостей Солнца и падает почти до нуля.

Картина эволюции звезды усложняется вращением, иногда очень быстрым, на пределе устойчивости (при быстром вращении центробежные силы стремятся разорвать звезду). Некоторые звёзды обладают скоростью вращения на поверхности 500–600 км/с. Для Солнца эта величина составляет около 2 км/с.

Даже такая относительно спокойная звезда, как Солнце, испытывает колебания с различными периодами, на его поверхности происходят вспышки и выбросы вещества. Активность некоторых других звёзд несравнимо выше. На определённых этапах эволюции звезда может стать переменной, начав регулярно менять свой блеск, сжиматься и опять расширяться. А иногда на звёздах происходят сильные взрывы. Когда взрываются самые массивные звёзды, их блеск на короткий срок может превысить блеск всех остальных звёзд галактики вместе взятых.

Наш «дом» — Солнечная система — погружён в огромную светящуюся звёздную систему — Галактику. Мы видим её на небе как Млечный Путь — светящуюся полосу, пересекающую небосклон в ясные безлунные ночи. Наша Галактика насчитывает сотни миллиардов звёзд самых разных светимостей, масс и возрастов, а также многочисленные газопылевые облака, которые ослабляют свет удалённых светил. Первые исследователи Галактики не знали о поглощающем веществе и считали, что видят все её звёзды.

Поскольку Солнечная система находится практически в плоскости Галактики, заполненной поглощающей материей, многие детали строения Млечного Пути скрыты от взгляда земного наблюдателя. Однако их можно изучать на примере других галактик, сходных с нашей. Так, в 1940-х гг., наблюдая галактику М 31, больше известную как туманность Андромеды, немецкий астроном Вальтер Бааде заметил, что плоский линзообразный диск этой огромной галактики погружён в более разреженное звёздное облако сферической формы — гало. А поскольку туманность Андромеды очень похожа на Галактику, Бааде предположил, что подобная структура имеется и у Млечного Пути.

Состоит гало в основном из очень старых, неярких маломассивных звёзд. Они встречаются как поодиночке, так и в виде шаровых скоплений, которые могут включать в себя более миллиона звёзд. Возраст населения сферической составляющей Галактики превышает 12 млрд. лет. Его обычно принимают за возраст самой Галактики.

Галактики — это большие звёздные системы, в которых звёзды связаны друг с другом силами гравитации. Самые крупные галактики включают в себя триллионы звёзд. Млечный Путь можно считать довольно большой системой: в ней более 200 млрд. звёзд. Самые маленькие галактики содержат в миллион раз меньше звёзд и скорее напоминают шаровые скопления, только значительно больше по размерам. Диапазон диаметров наблюдаемых галактик также впечатляет: от нескольких сотен до сотен тысяч световых лет.

Помимо звёзд и планетных систем вокруг некоторых из них галактики включают в себя межзвёздный газ, межзвёздную пыль, а также продукты звёздной эволюции: белые карлики, нейтронные звезды, чёрные дыры. Часть газа в галактиках просто рассеяна между звёздами, а часть образует облака различной массы и плотности, в том числе массивные молекулярные облака с массой до миллиона масс Солнца. Небольшая доля газа приходится на яркие туманности вокруг горячих звёзд.

В середине XX столетия крупные телескопы позволили астрономам исследовать положения и формы десятков тысяч далёких галактик. Обращало на себя внимание, что часть галактик (5–10%) имеет весьма странный, искажённый вид, так что их иногда трудно отнести к какому-то морфологическому типу. Причём почти во всех случаях эти галактики имеют одного или нескольких близких соседей.

Иногда две галактики бывают окружены общим светящимся звёздным туманом, а иногда связаны звёздной или газовой перемычкой. Нередко у галактик наблюдаются длинные хвосты из звёзд и разреженного газа, уходящие на сотни тысяч световых лет в межгалактическое пространство. Во всех этих случаях мы наблюдаем результат воздействия галактик друг на друга.

Статистические исследования привели к выводу, что большинство взаимодействующих галактик — это не случайно встретившиеся странники во Вселенной, а родственники, связанные общим происхождением. В своём движении они то сближаются, то удаляются друг от друга, а в некоторых случаях наблюдается их слияние в единую систему.

Характер взаимодействия галактик и его результат зависят, помимо расстояния максимального сближения, от многих факторов. Например, от того, обладает ли данная галактика звёздным диском или нет, много ли в ней межзвёздного газа, каковы относительные размеры галактик и массы, а также в каком направлении и с какой скоростью они движутся относительно друг друга. Поэтому наблюдаемые формы взаимодействующих систем так разнообразны.

Звёздное небо над головой долгое время было для человека символом вечности и неизменности. Лишь в Новое время люди осознали, что «неподвижные» звёзды на самом деле движутся, причём с огромными скоростями. В XX в. человечество свыклось с ещё более странным фактом: расстояния между звёздными системами — галактиками, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. И дело здесь не в природе галактик: сама Вселенная непрерывно расширяется! Естествознанию пришлось расстаться с одним из своих основополагающих принципов, согласно которому все вещи меняются в этом мире, но мир в целом всегда одинаков. Это можно считать важнейшим научным событием XX в.

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил расширение наблюдаемого мира галактик. Оказалось, что галактики удаляются от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в секунду. Более того, из наблюдений следовало, что чем дальше находится объект, тем с большей скоростью он от нас удаляется. Закон, по которому скорость удаления пропорциональна расстоянию, получил название закона Хаббла.

Однако это не означает, что наша Галактика является центром, от которого и идёт расширение. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен увидеть ту же самую картину. Этот факт может быть проиллюстрирован следующим образом. Если на поверхности воздушного шарика нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между изображениями будут возрастать, причём тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звёздные системы повсюду во Вселенной могут сохранять свои размеры, так как составляющие их звёзды и газ связаны между собой силами гравитации.