Вещество состоит из частиц, а антивещество состоит из античастиц. Частицы и античастицы происходят от фотона высокой энергии, который в результате этого события перестает существовать. Античастица имеет массу покоя, равную и противоположную по знаку (то есть отрицательную) массе покоя аналогичной частицы, а также обладает равным и противоположным по знаку зарядом аналогичной частицы, если эта частица имеет электрический заряд.

Первой обнаруженной античастицей был позитрон, который является противоположным аналогом электрона. Можно создать антипротон (вместе с другим протоном), заставив два протона столкнуться на скорости, приближающейся к скорости света. Античастицы могут соединяться друг с другом и образовывать составные античастицы, такие, как атомы антиводорода, каждый из которых состоит из антипротона и позитрона.

Астероиды состоят из малых планет и других небесных тел небольшого размера, вращающихся по разным орбитам вокруг Солнца, главным образом между Марсом и Юпитером. Этот регион известен как пояс астероидов. Первый астероид, Церера, был открыт в 1801 году Джузеппе Пияцци. С тех пор были обнаружены тысячи астероидов, орбиты которых теперь хорошо известны. Некоторые астероиды движутся по сильно вытянутым орбитам с перигелиями внутри орбиты Меркурия. Были обнаружены астероиды, орбиты которых пересекают орбиту Земли; последнее зарегистрированное приближение одного из таких астероидов к Земле произошло в марте 1989 года и составило 700 000 км (0,005 астрономической единицы). Считается, что столкновение астероида с Землей около 65 млн… лет назад привело к завершению эпохи динозавров.

Многие астероиды движутся по орбитам, наклоненным по отношению к орбите Земли под гораздо более крутыми углами, чем орбита любой из планет. Диаметр самого крупного астероида, Цереры, составляет около 770 км. Два других астероида, размеры которых превышают 500 км, — Веста и Паллада. Максимальная длина многих астероидов не превышает 10 км.

Земная атмосфера на 78% состоит из азота, на 21% из кислорода и менее чем на 1% из аргона, двуокиси углерода и водяных паров. Плотность атмосферы уменьшается с высотой от среднего значения 1 кг/м³ на уровне моря до менее чем 10^–9 кг/м³ на высоте 160 км. Выше 500 км атмосферы не существует. Более 50% массы земной атмосферы сосредоточено на высоте до 6 км.

Атмосфера Земли защищает живые существа от воздействия метеорной бомбардировки, так как метеоры и мелкие метеориты сгорают при прохождении через атмосферу, а также от воздействия солнечного излучения, состоящего из различных частиц, ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей. Ультрафиолетовое излучение фильтруется озоновым слоем, расположенным на высоте примерно 25 км. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, обычно отклоняются магнитным полем Земли.

Звезды типа белых карликов значительно менее яркие, чем Солнце, но гораздо более горячие; они в буквальном смысле раскалены добела. Согласно закону Стефана, чем горячее звезда, тем больше количество энергии, излучаемое в секунду с единицы площади ее поверхности. Таким образом, белый карлик излучает гораздо больше энергии в секунду на единицу площади, чем Солнце, но поскольку общее количество энергии, излучаемое в секунду, значительно уступает солнечной, площадь поверхности и диаметр белого карлика должны быть гораздо меньше, чем у Солнца. Белый карлик Сириус В, спутник звезды Сириус, был обнаружен одним из первых.

Белый карлик образуется после прекращения реакции ядерного синтеза в звезде- гиганте с низкой массой. При выбросе значительной части ее внешних слоев и образовании так называемой планетарной туманности остается горячее плотное ядро, постепенно остывающее и тускнеющее в течение миллиардов лет. Радиус белого карлика уменьшается при увеличении его массы вплоть до предела Чандрасекара, который составляет 1,4 массы Солнца.

Теория Большого Взрыва гласит, что Вселенная появилась в результате взрывного расширения точки сингулярности, когда было создано время, пространство и вещество. Считается, что это событие произошло около 12 млрд. лет назад. По мере расширения Вселенной формировались галактики, постепенно удалявшиеся друг от друга, Вселенная продолжала расширяться и по-прежнему расширяется. Известно, что отдаленные галактики разбегаются друг от друга со скоростью, приближающейся к скорости света.

Теория Большого Взрыва возникла в результате открытия американского астронома Эдвина Хаббла. Он обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Эта взаимосвязь, выявленная в результате наблюдений, известна как закон Хаббла, который гласит, что для удаляющейся галактики на расстоянии d, ее скорость убегания v = Hd, где Н представляет собой константу пропорциональности, известную как постоянная Хаббла.

За исключением Солнца и Луны, Венера — самый яркий объект на небосводе. Ее яркость частично обусловлена тем, что планета постоянно покрыта белыми облаками, хорошо отражающими солнечный свет. Венера обращается вокруг Солнца на среднем расстоянии 0,72 астрономической единицы по почти круглой орбите с периодом 225 суток. Направление ее вращения вокруг собственной оси противоположно направлению вращения Земли; один полный оборот происходит за 243,2 суток. Диаметр Венеры составляет 0,95 диаметра Земли, а ее средняя плотность в 5,2 раза превышает плотность воды.

При наблюдении с Земли Венера никогда не отходит от Солнца дальше чем на 47°; таким образом, ее можно видеть в течение трех часов до восхода солнца или в течение трех часов после заката. При наблюдении до рассвета Венера находится в западной элонгации, поскольку она расположена к западу от Солнца. При наблюдении после заката Венера находится в восточной элонгации, поскольку она расположена к востоку от Солнца.

Венера постоянно покрыта плотным слоем облаков. Период вращения Венеры сначала был определен с помощью радарных импульсов, направленных на планету с Земли. Эти импульсы частично отражались поверхностью Венеры и могли регистрироваться на Земле. Из-за вращения Венеры длина волны отраженных импульсов то увеличивается, то уменьшается. В результате измерения смещения длины волны отраженных импульсов было установлено, что планета вращается в обратном направлении с периодом 243,2 суток.

Сила тяготения на поверхности Венеры составляет 0,9 земной, а температура на поверхности — около 750К (~ 500 °C). Атмосфера Венеры на 96% состоит из углекислого газа и на 4 % из азота с небольшими примесями двуокиси серы, сероводорода и других химических соединений.

Если бы наши глаза могли видеть гамма-лучи, мы были бы удивлены, время от времени наблюдая в небе яркие вспышки, каждая из которых продолжается около минуты. В середине 1960-х годов силами Министерства обороны США была разработана и выведена на орбиту серия спутников, предназначенных для слежения за секретными советскими испытаниями ядерного оружия в космосе. Вместо этого спутники неожиданно зарегистрировали вспышки гамма-излучения, в случайном порядке поступающие из разных областей космоса.

Причина этих вспышек оставалась источником догадок и гипотез среди астрономов до 1991 года, когда с космического челнока «Атлантис» был запущен спутник с обсерваторией для наблюдения за гамма-излучением. Обсерватория зафиксировала вспышки с частотой примерно раз в сутки. Случайное расположение вспышек гамма-излучения означало, что феномен должен быть связан с Вселенной в целом, а не с какой-либо отдельной частью Вселенной.

Галактика представляет собой собрание многих миллионов звезд, удерживаемых вместе силой взаимного притяжения. Общая классификация галактик проводится в соответствии с их формой: спиральной, эллиптической или неправильной.

Спиральная галактика

Спиральная галактика имеет спиральные рукава, закрученные вокруг ее центра. Галактика Млечный Путь является спиральной галактикой, и ее диаметр составляет порядка 100 000 световых лет. Размер спиральной галактики варьируется от 0,1 размера Млечного Пути до приблизительно равного или немного большего размера. В спиральных рукавах галактик преобладают голубые звезды, а в центральных регионах — красные звезды.

Галактики варьируют по размерам от карликовых, гораздо меньших, чем Млечный Путь, до гигантских — значительно более крупных, чем Млечный Путь.

Солнце — одна из многих миллионов звезд в Галактике Млечный Путь, диаметр которой превышает 100 000 световых лет. Галактика Млечный Путь является одной из группы соседних галактик, называемой Местной группой галактик. Наиболее крупным членом Местной группы считается галактика в созвездии Андромеды (М31, Туманность Андромеды), спиральная галактика, расположенная на расстоянии около 2 млн. световых лет. Галактика Млечный Путь также принадлежит к спиральным галактикам. Солнце расположено в одном из спиральных рукавов Млечного Пути. Ближайшая звезда находится на расстоянии всего лишь нескольких световых лет от Солнца.

Большинство галактик принадлежит к какому-либо скоплению. Ближайшее скопление галактик по отношению к нашей Местной группе находится в созвездии Девы и содержит более 3000 галактик. Его можно видеть как пятно неправильной формы размером не более 10 угловых градусов. Скопление в созвездии Девы находится на расстоянии более 10 млн. парсеков, примерно в 20 раз дальше, чем Туманность Андромеды. Астрономы наблюдали большое количество скоплений галактик на расстоянии до 6 млрд. световых лет.

Подсчитав общее количество галактик с яркостью выше определенного предела, Эдвин Хаббл оценил их общее количество в 3 000 000 000 000 000. Даже при условии, что каждое скопление содержит не менее 1 млн. галактик, число скоплений должно превосходить 30 млрд. — больше, чем все население земного шара.

Галилео Галилей родился в 1564 году в итальянском городе Пиза. Как сын дворянина Галилей получил образование при монастыре и в 1595 году стал профессором математики в Падуанском университете, одном из ведущих европейских университетов того времени, расположенном на территории Венецианской республики. Руководство университета позволяло Галилею заниматься исследованиями, и его открытия о движении тел завоевали Широкое признание. В 1609 году до него дошли сведения об изобретении оптического устройства, или телескопа, позволявшего наблюдать отдаленные небесные объекты. За короткое время Галилей изобрел и соорудил несколько собственных телескопов. Он пользовался телескопами для изучения небесных тел, а количество наблюдаемых им звезд в 10 раз превосходило количество звезд, которое можно видеть невооруженным глазом. Он обнаружил, что поверхность Луны густо покрыта кратерами, и открыл 4 крупнейших спутника Юпитера.

Свет движется по прямой, если только он не проходит через сильное гравитационное поле. Альберт Эйнштейн доказал, что сила тяготения искривляет лучи света. Он также продемонстрировал, что в этом отношении воздействие гравитации нельзя отличить от движения с ускорением. Основная идея о воздействии гравитации на движение света покажется не слишком сложной, если мы рассмотрим световой луч, проходящий через иллюминаторы, расположенные на противоположных сторонах ускоряющейся ракеты. Если бы наблюдатель внутри ракеты мог видеть движение светового луча, он увидел бы изогнутую траекторию.

Двойными (бинарными) называются звезды, которые вращаются вокруг общего центра тяжести из-за взаимного гравитационного притяжения. Некоторые двойные системы состоят более чем из двух звезд. К примеру, Мицар и Алькор — две звезды, близко расположенные друг к другу в рукояти Ковша созвездия Большой Медведицы. Наблюдатель с острым зрением может различить их без помощи телескопа или бинокля. Астрономические исследования показали, что Мицар и Алькор являются двойными звездами.

Двойные звезды были впервые обнаружены более 200 лет назад, когда в результате тщательных наблюдений было установлено, что некоторые звезды обращаются вокруг общего центра массы. К примеру, самая яркая звезда ночного неба Сириус А сопровождается гораздо более тусклой звездой Сириус В. Период обращения этих двух звезд составляет около 50 лет.

В 1911 году датский астроном Эйнар Герцшпрунг, а в 1913 году Генри Рессел независимо друг от друга исследовали зависимость между спектрами звезд и их светимостью. На основании этих данных была построена диаграмма. Положение звезды на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла определяется абсолютной звездной величиной, откладываемой по оси ординат, и температурой звезды, откладываемой по оси абсцисс.

Звезды варьируют по абсолютной величине от +15, что в 10 000 раз меньше мощности Солнца, до -10 (примерно в миллион раз мощнее Солнца). Большинство звезд на диаграмме расположено в пределах диагонального пояса, который протягивается от нижнего правого угла к верхнему левому углу. Такое расположение называется Главной последовательностью. Очень мощные звезды класса М, расположенные высоко над Главной последовательностью, называются гигантами или сверхгигантами.

Две соседних звезды одинаковой яркости могут находиться на совершенно разном расстоянии от Земли; одна может быть гораздо ярче и гораздо более отдаленной, чем другая.

Блеск звезды, наблюдаемой с Земли, зависит от ее светимости и расстояния до нее. Абсолютную звездную величину можно вычислить на основании видимой звездной величины и расстояния до звезды. Эйнар Герцшпрунг в 1911 году и Генри Ресселл в 1913 году независимо друг от друга вычислили абсолютные звездные величины ряда звезд, находящихся в пределах 100 парсеков от Солнца, и нанесли их на график с осями координат (абсолютная звездная величина/температура), создав диаграмму, которая называется диаграммой Герцшпрунга — Ресселла. Герцшпрунг также осуществил первую оценку расстояния до переменной звезды из класса цефеид, которую он затем использовал для калибровки периодического отношения v, открытого в 1911 году Генриеттой Ливитт.

Немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) жил в Праге в первые три десятилетия XVII века. Он измерил орбиты каждой планеты Солнечной системы и определил периоды их обращения вокруг Солнца. На основании своих измерений он сформулировал три закона, описывающих движения планет.

До того как Ньютон сформулировал всеобщий закон тяготения, считалось, что объекты обладают свойством тяжести, которое тянет вниз, и летучести, которое толкает их вверх. Ньютон развеял концепцию летучести и показал, что между двумя любыми объектами существует сила гравитационного притяжения. Он объяснил движение объекта, падающего на Землю, сказав, что между объектом и Землей существует сила взаимного тяготения. Ньютон воспользовался той же идеей для объяснения движения Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца. Если бы сила тяготения между Солнцем и планетами внезапно перестала существовать, каждая планета продолжала бы поступательные движения по прямой линии, расположенной по касательной к ее орбите. Сила гравитационного притяжения между Солнцем и планетами заставляет планеты обращаться вокруг Солнца.

Эдвин Хаббл пользовался телескопом обсерватории Маунт-Уилсон с рефлектором диаметром 2,5 метра. Телескоп был установлен на горе Уилсон в Калифорнии, и Хаббл использовал его для оценки расстояний до двух десятков галактик с известным красным смещением, расположенных в пределах 2 млн. парсеков от Галактики Млечный Путь (1 парсек = 3,26 светового года). Результаты его исследований, опубликованные в 1929 году, показали, что с расстоянием красное смещение увеличивается. При нанесении результатов на диаграмму, связывающую красное смещение и расстояние, стало ясно, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее: v = Hd. Это взаимоотношение называется законом Хаббла. Величина Н в этом отношении называется постоянной Хаббла.

Считается, что наша нынешняя система классификации звезд по их блеску была создана во II веке до нашей эры Гиппархом, который разделил звезды на 6 категорий согласно их яркости.

Ярчайшие звезды назывались звездами первой величины, а самые тусклые, едва видимые невооруженным глазом, назывались звездами шестой величины. В XIX веке астрономы измерили интенсивность светового потока для звезд разной величины и перевели шкалу звездной величины на научную основу; теперь различие в 5 звездных величин соответствовало стократному увеличению количества света.

Ход нашей повседневной жизни измеряется солнечным временем. Одни солнечные сутки — это интервал времени между последовательными переходами Солнца через нижний меридиан, который составляет половину меридиана, находящегося за горизонтом. Солнечные сутки продолжаются с полуночи до следующей полуночи; разумеется, один полдень отделен от следующего таким же временным интервалом. Солнечные сутки разделяются на 24 часа.

Земля вращается с постоянной скоростью, в результате чего все звезды, кроме Полярной, движутся по ночному небу. Перемещение звезды на небосводе похоже на движение часовой стрелки, совершающей полный оборот за одни сутки.

Звездными скоплениями называются большие группы звезд, объединенные силой взаимного притяжения.

Диаметр рассеянного, или галактического, звездного скопления варьируется от нескольких световых лет до 50 и более световых лет. В целом в открытых скоплениях преобладают голубые звезды и, поскольку эти звезды имеют гораздо более короткий срок жизни, чем красные звезды, рассеянные скопления состоят из сравнительно молодых звезд. К наиболее известным звездным скоплениям относятся М45, скопление Плеяд в созвездии Тельца, Гиады в созвездии Тельца и М44 в созвездии Персея.

Солнце — типичная звезда. Звезды варьируют по размеру от карликов до гигантов и сверхгигантов, диаметр которых в сотни раз превосходит диаметр Солнца. Звезды видны в ночном небе как точечные объекты, потому что они находятся на огромном расстоянии. Свет от звезды дает некоторую информацию о расстоянии до нее, ее скорости, химическом составе, температуре поверхности, радиусе, мощности излучения, массе и сроке жизни.

Если звезда расположена достаточно близко к нам, расстояние до нее можно измерить методом параллакса, то есть измерив угол ее смещения за период 6 месяцев. Расстояние до звезды, расположенной за пределами 300 световых лет, нельзя измерить методом параллакса, его можно вычислить на основании абсолютной звездной величины, если известно положение звезды на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла.

Звезды различаются по цвету и яркости. Бетельгейзе в созвездии Ориона — красный гигант. Ригель в том же созвездии — голубой гигант. Спектр излучения звезды представляет собой непрерывную полосу цветов от красного и оранжевого через желтый и зеленый до синего и фиолетового. Непрерывный спектр пересекается темными линиями поглощения, возникающими из-за того, что разные виды атомов во внешних слоях звезды поглощают свет с определенной длиной волны, излучаемый внутренними слоями звезды.

Светимость, или количество энергии света в секунду, излучаемое звездой, зависит от температуры и площади ее поверхности в соответствии с законом Стефана (см. ниже). При известной температуре поверхности и радиусе звезды можно вычислить ее светимость. Радиус Солнца можно рассчитать по его расстоянию от Земли и угловой ширине на небосводе. Судя по цвету Солнца, мы знаем, что температура на его поверхности составляет примерно 6000К. Энергия, излучаемая Солнцем за 1 секунду, равна 400 миллионов миллионов миллионов миллионов ватт.

Светимость любой другой звезды можно вычислить при сравнении ее абсолютной звездной величины с абсолютной звездной величиной Солнца. К примеру, если блеск звезды на 5 величин превышает блеск Солнца, она излучает в секунду в 100 раз больше энергии.

Массу звезды Главной последовательности можно определить по ее светимости в соответствии с отношением между массой и светимостью, открытым сэром Артуром Эддингтоном. Изучая двойные звезды, Эддингтон смог показать, что светимость звезды Главной последовательности приблизительно пропорциональна кубу ее массы.

В результате применения ньютоновской теории тяготения к движению Земли вокруг Солнца известно, что масса Солнца составляет около 2×10³⁰ кг. Для вычисления массы двух звезд в двойной системе необходимо знать расстояние между ними и орбитальный период. Расчеты производятся по третьему закону Кеплера, выраженному в следующей формуле:

масса (в солнечных массах)×период (годы)² = расстояние (в астрономических единицах)³.

Земля, третья по порядку от Солнца планета, представляет собой звезду среднего возраста в Галактике, которую мы привыкли называть Млечный Путь. Галактика состоит из сотен миллионов звезд. Возможность существования во Вселенной других планет, похожих на Землю, представляется довольно высокой. Жизнь на Земле развилась потому, что на нашей планете есть вода в жидкой форме, а поверхность Земли защищена от ультрафиолетового излучения Солнца атмосферой. Если бы Земля находилась гораздо ближе к Солнцу, то океаны испарились бы; если бы Земля находилась гораздо дальше от Солнца, океаны превратились бы в лед. Жизнь, скорее всего, не смогла бы развиться в такой обстановке.

Инфракрасное излучение является электромагнитным излучением с длиной волны от 740 нм до примерно 1 мм.

Инфракрасное излучение от космических объектов поглощается парами воды в атмосфере, поэтому инфракрасные телескопы расположены либо на большой высоте, в условиях низкой влажности, либо на спутниках за пределами атмосферы. Инфракрасный телескоп — это большое вогнутое зеркало, фокусирующее излучение на инфракрасном датчике. Прибор должен быть охлажден, чтобы сам телескоп перестал испускать инфракрасное излучение. Трехметровый инфракрасный телескоп расположен на Гавайях, поскольку там очень сухой климат.

Шарль Мессье — французский астроном XVIII века — открыл в ночном небе более 100 объектов, которые не были кометами, звездами или планетами. Эти объекты были названы туманностями, из-за расплывчатых очертаний (в отличие от звезд, которые являются точечными объектами) и неподвижности по отношению к звездам, в отличие от планет или комет. Мессье обнаружил их в поисках комет, которые, как ему было известно, изменяют свои позиции среди звезд. Расплывчатые объекты, не изменявшие свое положение на небосводе, были занесены в каталог, который позднее получил название «Каталог Мессье».

К примеру, Крабовидная туманность, которая сейчас считается остатками сверхновой звезды, взорвавшейся в XI веке нашей эры, была первым объектом, занесенным в каталог Мессье, поэтому она известна под номером Ml. Мессье внес в свой каталог галактику из созвездия Андромеды под названием «Туманность Андромеды», или М31, поскольку он ничего не знал о галактиках.