Космос и космонавтика

Общие сведения о Космосе

В наше время всякому образованному человеку необходимо знать, что такое космос, и иметь представление о происходящих в космосе процессах.

Прежде чем перейти к изложению современных представлений о космосе, выясним значение самого слова «космос».

«Космос» по-гречески — это порядок, устройство, стройность (вообще, нечто упорядоченное).

Философы Древней Греции понимали под словом «космос» Мироздание, рассматривая его как упорядоченную гармоничную систему. Космосу противопоставлялся беспорядок, хаос. Для древних греков понятия порядка и красоты в явлениях природы были тесно связаны. Эта точка зрения держалась в философии и науке долго; недаром даже Коперник считал, что орбиты планет должны быть окружностями лишь потому, что окружность красивее эллипса.

В понятие «космос» сначала включали не только мир небесных светил, но и все, с чем мы сталкиваемся на поверхности Земли. Знаменитый естествоиспытатель XIX в. Александр Гумбольдт создал фундаментальный труд «Космос» (5 томов, 1845-62), суммировавший все, что тогда было известно о природе .

Иногда под космосом понимали только планетную систему, окружающую Солнце. В современном словоупотреблении в связи с этим остался термин «космогония», которым обычно обозначают науку о происхождении Солнечной системы, а не всей Вселенной в целом.

Чаще под космосом понимают Вселенную, рассматриваемую как нечто единое, подчиняющееся общим законам. Отсюда происходит название космологии — науки, пытающейся найти законы строения и развития Вселенной как целого. Таким образом, в названиях «космогония» и «космология» космос понимается в разном смысле.

С начала космической эры (с 1957 г., когда в СССР был запущен первый спутник) слово «космос» приобрело еще одно значение, связанное с осуществлением давнишней мечты человечества о космических полетах. В таких терминах, как «космический полет» или «космонавтика», космос противопоставляется Земле.

В современном понимании космос есть все находящееся за пределами Земли и ее атмосферы. Иногда говорят «космическое пространство»; в странах, пользующихся английским языком — «внешнее пространство» (outer space) или даже просто «пространство» (space).

Ближайшая и наиболее доступная исследованию область космического пространства —
околоземное пространство
Какова же физическая природа околоземного пространства?

Плазменную оболочку Земли можно разбить на две части.

Нижняя часть, где давление плазмы превышает давление магнитного поля, носит название ионосферы. Здесь плазма ведет себя в основном, как обычный газ, отличаясь только своей электропроводностью.

Выше лежит магнитосфера — область, где давление магнитного поля больше, чем газовое давление плазмы. Поведение плазмы в магнитосфере определяется и регулируется прежде всего магнитным полем и коренным образом отличается от поведения обычного газа. Поэтому, в отличие от ионосферы, которую относят к верхней атмосфере Земли, магнитосферу принято относить уже к космическому пространству. По физической природе околоземное пространство, или ближний космос — это и есть магнитосфера.

Перейдем теперь к Солнечной системе. Здесь находятся ближайшие цели космических полетов — Луна и планеты. Пространство между планетами заполнено плазмой очень малой плотности, которую несет солнечный ветер. Характер взаимодействия плазмы солнечного ветра с планетами зависит от того, имеют или нет планеты магнитное поле. Магнитные поля Юпитера и Сатурна значительно сильнее земного поля, поэтому магнитосферы этих планет-гигантов значительно протяженнее земной магнитосферы. Наоборот, магнитное поле Марса настолько слабо (в сотни раз слабее земного), что с трудом сдерживает налетающий поток солнечного ветра на самых ближних подступах к поверхности планеты. Примером немагнитной планеты является Венера, полностью лишенная магнитосферы. Однако взаимодействие сверхзвукового потока плазмы солнечного ветра с верхней атмосферой Венеры и в этом случае приводит к образованию ударной волны.

Большим разнообразием отличается семейство естественных спутников планет-гигантов. Один из спутников Юпитера, Ио, является самым активным в вулканическом отношении телом Солнечной системы. Титан, самый крупный из спутников Сатурна, обладает достаточно плотной атмосферой, едва ли не сравнимой с земной. Весьма необычным является и взаимодействие таких спутников с окружающей их плазмой магнитосфер материнских планет. Кольца Сатурна, состоящие из каменных и ледяных глыб разных размеров, вплоть до мельчайших пылинок, можно рассматривать как гигантский конгломерат миниатюрных естественных спутников.

По очень вытянутым орбитам вокруг Солнца движутся кометы. Ядра комет состоят из отдельных камней и пылевых частиц, вмороженных в глыбу льда. Лед этот не совсем обычный, в нем кроме воды содержатся аммиак и метан. Химический состав кометного льда напоминает состав самой большой планеты — Юпитера. Когда комета приближается к Солнцу, лед частично испаряется, образуя гигантский газовый хвост кометы. Кометные хвосты обращены в сторону от Солнца, т. к. постоянно испытывают воздействие давления излучения и солнечного ветра.

Наше Солнце — лишь одна из множества звезд, образующих гигантскую звездную систему — Галактику. А эта система в свою очередь — лишь одна из множества других галактик. Наша Галактика содержит 150- 200 млрд. звезд. Они располагаются так, что Галактика имеет вид плоского диска, в середину которого как бы вставлен шар диаметром меньшим, чем у диска. Солнце расположено на внешней части диска. Поэтому, когда мы смотрим на небо в плоскости диска, то видим на ночном небосводе светящуюся полосу — Млечный Путь, состоящий из звезд, принадлежащих диску. Само название «Галактика» происходит от греческого слова galaktikos — млечный, молочный и означает систему Млечного Пути.

Астрономы установили, что звезды галактического диска, как правило, отличаются по физическим и химическим свойствам от звезд шара. Эти два типа «населения» нашей звездной системы называются плоской и сферической составляющими. В диске кроме звезд есть межзвездный газ и пыль. Из данных радиоастрономии следует, что диск нашей Галактики имеет спиральную структуру. Изучение спектров звезд, их движений и других свойств в сопоставлении с теоретическими расчетами позволило создать теорию строения и эволюции звезд. По этой теории основным источником энергии звезд являются ядерные реакции, протекающие глубоко в недрах звезды, где температура в тысячи раз больше, чем на поверхности. Ядерные реакции в космосе и происхождение химических элементов изучает ядерная астрофизика. На определенных стадиях эволюции звезды выбрасывают часть своего вещества, которое присоединяется к межзвездному газу. Особенно мощные выбросы происходят при звездных взрывах, наблюдаемых как вспышки сверхновых звезд.

В других случаях при звездных взрывах могут образоваться черные дыры — объекты, вещество которых падает к центру со скоростью, близкой к скорости света, и в силу эффектов общей теории относительности (теории тяготения) как бы застывшее в этом падении.

При звездных взрывах и в окрестностях пульсаров отдельные частицы плазмы ускоряются и приобретают колоссальные энергии. Эти частицы дают вклад в высокоэнергетическую составляющую межзвездного газа — космические лучи. Космические лучи удерживаются в Галактике магнитными полями. Их давление играет важную роль в поддержании формы галактического диска. В земной атмосфере космические лучи взаимодействуют с ядрами атомов воздуха, образуя множество новых ядерных частиц. Изучение космических лучей у поверхности Земли следует отнести к ядерной физике.

Проблемой строения и развития Вселенной в 

целом занимается космология. Для нее особое значение имеют новейшие достижения радиоастрономии. Обнаружены источники радиоволн и света громадной мощности — квазары. В их спектрах линии сильно смещены к красному концу спектра. Это значит, что они очень далеки от нас — свет идет от них миллиарды лет.  Наблюдая квазары, астрономы имеют возможность изучать Вселенную (метагалактику) на ранних стадиях ее развития.

Откуда берется чудовищная энергия, излучаемая квазарами — одна из самых волнующих загадок науки.

Другое важное открытие — обнаружение «фона» радиочастотного излучения, пронизывающего равномерно по всем направлениям космическое пространство. Это реликтовое радиоизлучение — остаток древнейших эпох, позволяющий судить о состоянии Вселенной многие миллиарды лет назад.

Для современного этапа развития наук о космосе характерно колоссальное нарастание потока поступающей информации. Если раньше астрономические приборы воспринимали только видимый свет, то теперь данные о космосе получают из анализа всего электромагнитного спектра. Расширение каналов поступления информации связано как с выходом средств наблюдения в космос (внеатмосферная и баллонная астрономия, непосредственные исследования Луны и планет приборами, доставленными на их поверхность), так и с усовершенствованием наземной аппаратуры.

Важность выноса в космос исследовательской аппаратуры объясняется тем, что природа поместила нас на дно воздушного океана, чем сузила возможности изучения космоса, но в то же время защитила от многих видов космического излучения. Только с помощью приборов, вынесенных за пределы атмосферы, удалось зарегистрировать рентгеновское и гамма-излучение, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, идущие из космоса. То же относится и к первичным космическим лучам.

Для повышения эффективности наземных наблюдений особое значение имеет применение мощных радиотелескопов, позволивших получить такие важные результаты, как открытие квазаров и пульсаров.