Астрономические открытия на рубеже 19 века

Однако в этом же случае Солнце могло бы существовать только 10 в 7 степени лет , тогда как уже было научно доказано , что возраст Земли составляет 10 в 9 степени лет. Астрономы не могли объяснить этого и зашли в тупик. 

 
Гипотезы  эволюции звезд

В 1870 году американский теоретик Г. Лэн предложил свою теорию, согласно которой звезда, изучая энергию, будет не уменьшаться, а увеличиваться в размерах, пока не достигнет определенной плотности, после чего начнется ее медленное остывание. Поначалу эта гипотеза была принята как правильная. Однако ученые забыли о том, что на пять лет раньше немецкий астроном Иоганн Карл Фридрих Цельнер (1834–1882) выдвинул предположение, что белый, желтый или красный цвет звезд указывает на один из этапов их развития.

Свою гипотезу эволюции звезд предложил и Локьер. Опираясь на теорию Лэна, он опубликовал гипотезу, согласно которой звезды имеют восходящий и нисходящий пути развития. На начальном этапе звезда обладает очень небольшой плотностью и ярким цветом. Затем плотность увеличивается, а цвет меняется на белый (как у Сириуса), после чего звезда становится желтой (как Солнце). На последнем этапе звезда остывает, ее плотность уменьшается, цвет меняется на красный, а спектр становится полосчатым.

Сравнив спектры  звезд, он пришел к выводу, что на каждом из этапов состав звезд меняется.

Поначалу астрономы  не приняли теорию Локьера, но через некоторое время появись новые данные, подтверждающие ее. Речь идет об открытии, сделанном американским астрофизиком Генри Норрисом Ресселом (1877–1957) и голландским астрономом Эйнаром Герцшпрунгом (1873–1967). Они обнаружили, что изменение спектра свидетельствует об изменении температуры, а не состава, как думал Локьер. На основе этих данных ученые провели исследование по сравнению спектров, цветов и светимостей звезд.

Результатом этого  обширного исследования был неожиданный  вывод: практически все звезды можно разделить на две большие группы. В первую группу входили ярчайшие голубые горячие и красные холодные звезды, во вторую — различные по спектру, но близкие по светимости (она получила название «ветвь гигантов»). Впоследствии ученые в течение долгого времени стремились объяснить это явление и понять, как же все-таки происходит развитие звезд.

В начале XX века появились новые данные о строении звезд. Оказалось, что они состоят  из вещества, близкого к состоянию  идеального газа. В результате все  изложенные выше теории потребовали  перепроверки.

Ученые продолжили ломать головы, пытаясь построить  логичные теории, объясняющие эволюции звезд и источники их энергии. К тому времени уже были открыты  радиоактивность и самопроизвольное выделение тепла радиоактивными элементами. На основе этих данных талантливый  английский физик-теоретик Джеймс Хопвурд Джинс (1877–1946) предложил теорию внутриатомной природы источника звездной энергии .

 Джинс издал  несколько трудов по кинетической  теории газов и теории теплового  излучения. Кроме того, он изучал  фигуры равновесия вращающихся  жидких тел, строение и эволюцию  звезд, галактик и туманностей.

В 1905–1909 годах  он вывел закон излучения, устанавливающий  распределение энергии в спектре  абсолютно черного тела в зависимости  от температуры. В 1900 году его независимо от Джинса сформулировал Рэлей, поэтому  сегодня он называется законом Рэлея-Джинса. Занимаясь изучением строения звезд, ученый высказал предположение, что  источник звездной энергии имеет  внутриатомную природу. Дальнейшие исследования показали, что его гипотеза была правильной .

 Сначала он  распространил на все звезды  идею излучения за счет радиоактивности,  при котором в излучение переходило  около 1/4000 массы вещества. При  этом возраст возможного существования  звезды типа Солнца увеличивался  до 10¹¹ лет. Однако этот срок все еще оставался сравнительно небольшим. Сам Джинс делал попытки определить возрасты звезд Вселенной и получил число, равное 10¹³ годам.

Затем ученый предположил, что при взаимодействии протонов и электронов происходит аннигиляция, в результате чего материя звезды с течением времени полностью  переходит в излучение. После  того как Эйнштейн открыл свой закон  превращения вещества в энергию, Джинс получил возможность подсчитать, что Солнце могло бы излучать энергию  в течение 10¹³ лет.

Вскоре были получены новые данные, в результате чего теория появлении аннигиляции  была признана неверной. Однако впоследствии астрономы использовали ее как основу при создании своих гипотез, объясняющих эволюцию звезд. 

Учеными-астрономами  было выдвинуто немало теорий, касающихся строения звезд. Некоторые из них  не опирались на факты, но все же, как подтверждали последующие исследования, оказывались верными. Сами астрофизики  признавались, что довольно часто  они основывались лишь на своей интуиции, и такой способ изучения все же позволил узнать о строении звезд много нового.

Наряду со строением  астрономы продолжали интересоваться моментом зарождения и этапами развития звезд. Более совершенные приборы  позволяли развивать это направление. Астрономы разных стран начали предлагать свои теории, которые принимались  или не принимались научным миром.

Этапы развития звезд

В начале XX века астрофизики начали изучать такое  явление, как звездные атмосферы. Наиболее выдающимся ученым, работающим в этом направлении, стал немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873–1916). Он предложил теорию, согласно которой перенос энергии  в атмосфере звезды происходил только за счет излучения. При этом он полагал, что конвективное движение так мало, что его можно не учитывать.

Что же касается внутреннего строения звезд, то оно  все еще оставалось загадкой. Предполагали, что звезда состоит из сильно сжатого  газа, однако такое состояние с  точки зрения существующей тогда теории газов быть не могло. Только в 1917 году Джинс выдвинул предположение, впоследствии оказавшееся правильным: из-за высоких температур материя в недрах звезд должна быть ионизирована.

На основе этих открытий в 1907 году была сформулирована математическая теория излучающей звезды. Ее предложил выдающийся английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944). Выводом этой теории стало  следующее положение: светимость звезд  увеличивается быстрее, чем масса .

 Таким образом,  получил объяснение факт, уже  давно подмеченный астрономами:  массы звезд различаются, как  правило, не более чем в сотни  раз, а светимости — в сотни  миллионов раз. Продолжая изучать  строение звезд, Эддингтон обнаружил  следующую закономерность: при увеличении  массы звезды неизбежно наступает  момент, когда слишком высокое  давление приводит к неустойчивости  тела. Этот момент он назвал  критической массой. Затем он  рассчитал критические массы  для нормальных устойчивых звезд  и пределы их максимальных  светимостей.

На основе этих данных ученый смог рассчитать диаметры красных гигантов и получил число, равное более 1 млрд. Как показали дальнейшие исследования, полученные данные оказались  весьма точными. Затем он перешел  к изучению белых карликов и постарался высчитать плотность одной из таких звезд.

Эддингтон совместно  с Джинсом первыми начали изучение ядер спиральных туманностей. Эддингтон  высказал предположение, что это  неустойчивые тела сверхкритической массы, а не сгустки диффузной материи, как все еще продолжали считать  многие астрономы того времени.

Джинс предложил  еще более необычную теорию: что  в этих точках в «нашу Вселенную» поступает материя из других слоев  космического пространства. Позднее  было доказано, что спиральные туманности являются очень далекими галактиками . Однако идеи этих ученых не были забыты, и на их основе еще долгое время создавались самые разнообразные, порой чересчур смелые и даже фантастические теории.

Как уже было сказано выше, Джинс занимался  изучением равновесия вращающихся  жидких тел, под которыми он понимал  звезды. Ученый полагал, что существуют двойные звезды, состоящие из тяжелой, плотной, несжимающейся жидкости. Были выдвинуты и многие другие теории, касающиеся строения звезд. Некоторые  из них не опирались на факты, но все же, как подтверждали последующие  исследования, оказывались верными. Сами астрофизики признавались, что  довольно часто они основывались лишь на своей интуиции, и такой  способ изучения все же позволил узнать о строении звезд много нового.

Наряду со строением  астрономы продолжали интересоваться моментом зарождения и этапами развития звезд. Более совершенные приборы  позволяли развивать это направление. Астрономы разных стран начали предлагать свои теории, которые принимались или не принимались научным миром.

В результате многочисленных обсуждений большинство ученых пришло к следующему выводу. Звезды за время  своего существования проходят несколько этапов развития . На первом этапе начинается формирование протозвезды при сжатии диффузной газопылевой материи и разогрев ее в центральной части до критической температуры в 10 К. На втором, основном этапе, который длится от 10⁶ до 10¹⁰ лет, звезда излучает ядерную энергию. Затем наступает третий этап (звезда становится белым карликом). 

При рассмотрении новых теорий о происхождении  Вселенной необходимо вспомнить, что  к тому времени космогонисты разделились на две большие группы. Первая группа утверждала, что Вселенная и все тела, находящиеся в ней, возникли случайно, стихийно, а вторая же настаивала на противоположной точке зрения, полагая, что этот процесс был закономерным и неизбежным. В наши дни было получено множество данных, которые позволяют сделать вывод о несостоятельности обеих теорий.

Новые теории о происхождении  Солнечной системы

При рассмотрении новых теорий о происхождении  Вселенной необходимо вспомнить, что  к тому времени космогонисты разделились на две большие группы. Первая группа утверждала, что Вселенная и все тела, находящиеся в ней, возникли случайно, стихийно, а вторая же настаивала на противоположной точке зрения, полагая, что этот процесс был закономерным и неизбежным. В первую группу входили, помимо прочих, Уистон и Бюффон, во вторую — Кант и Лаплас. В наши дни было получено множество данных, которые позволяют сделать вывод о несостоятельности обеих теорий. В начале XX века были предложены новые гипотезы.

Вихревая гипотеза была разработана Э. Фаем (1841–1902). Он исходил из того, что начальное  состояние вещества Вселенной представляло собой хаотически рассеянные в пространстве частицы типа метеорной пыли. Эти  частицы притягивались друг к  другу и беспорядочно двигались  в космическом пространстве .

 Из-за этого  движения возникали местные завихрения, имеющие различные направления,  при этом большая часть вещества  затягивалась в центр вихря.  Таким образом, все пространство состояло из вихрей. Из одного такого вихря и образовалась наша Солнечная система.

Формирование  планет и спутников ученый объяснил возникновением в спиральных ветвях вихрей вторичных завихрений. Впоследствии, согласно его гипотезе, эти ветви  полностью отделяются и превращаются в кольца. Благодаря этой гипотезе можно было объяснить распределение  эксцентриситетов планетных орбит, образование комет, обратное вращение Урана и многие другие явления. Фай  полагал, что из первичного вещества, в зависимости от условий, могут  образовываться одиночные звезды, звезды, окруженные малыми телами (кометами, астероидами  и др.), двойные звезды, а также  звезды со спутниками, имеющими размеры  планет.

Несмотря на то что вихревая гипотеза объясняла многие из существующих во Вселенной явлений, в результате развития астрономии и астрофизики стало ясно, что она неверна. В 1900 году американские астрономы Т. К. Чемберлин (1843–1928) и Ф. Р. Мультон (1872–1952) предложили планетезимальную гипотезу. Согласно этой гипотезе, планеты возникли из газовой струи, которая отделилась от Солнца в результате близкого прохождения мимо нее другой звезды . Эта струя газа, по предположениям ученых, должна была закручиваться вокруг Солнца спиралью, постепенно охлаждаться, расширяться и дробиться на небольшие сгустки — «планетозимали». Они стали двигаться обратно к поверхности Солнца, но затем, имея тангенциальную скорость, сообщенную им проходящей звездой, начали двигаться вокруг Солнца по эллипсу.

Дальнейшее развитие Солнечной системы, по мнению Чемберлина и Мультона, происходило так, как это было описано в теориях Канта и Лапласа, с той лишь разницей, что небесные тела образовывались не из частиц пыли и газа, а из «планетозималей».

В последней, неоконченной, работе Чемберлина под названием «Две солнечные семьи: дети Солнца» более детально рассматривались этапы формирования планет, их спутников, астероидов, комет и метеоров. Ученый не исключал возможности, что кометы и метеоры могут оказаться осколками планетоподобных тел . У этой гипотезы был существенный недостаток: сближение звезд, по всей вероятности, должно происходить очень редко, поэтому в космическом пространстве должно быть очень малое количество планетарных систем.