Главный персонаж Вселенной

Главный персонаж Вселенной

Главный персонаж Вселенной.

Практически все, что мы видем в космосе,- зто звезды, более или мение

похожие на Солнце. Разумеется, существует вещество и вне звезд: планеты, их

спутники, кометы и астероиды, межзвездные газ и пыль. Но все это-

незначительно по отношению к гигантским звездам, объединенным в агрегаты

различного масштаба: от галактик до их скоплений. Но появляется аргименты,

что во вселенной присутствуют небарионные вещества, состоящие из протонов и

нейтронов, а из частиц неясной пока природы; его взаимодействие с обычным

веществом происходит толко через силу гравитации.

Более 10 млрд. лет назад, когда происходило расширение вселенной, наш

мир был заполнен очень горячем однородным веществом и излучением, причем по

плотности энергии излучение превосходило вещество. Но еще многие сотни

миллионов лет после того, как вещество стало основным компонентом вселенной

оно оставалось практически однородным; лишь звуковые волны, бегущиев разных

направлениях, слабо возмущали его плотность. Но до сих пор астрономы не

знают точно, как произошло деление подчти однородного вещества на звезды.

Принципиальных трудностей в понимании этого процесса нет. Распространение

звуковых волн создает в космическом веществе перепады плотности. В

космических масштабах, в некоторых облостях повышенной плотности газа его

давление не способно противостоять его же собственному тяготению, то

случаино возникшее уплотнение продолжет сжиматься. По-видемому, именнно

такой процесс гравитационной неустойчивости пордил звезды и звездные

системы, власть в которых захватила гравитация.

Итак, в мире звезд царствует гравитация. Остальные физические

взаимодействия: магнитные, ядерные_ практически никакой роли в жизни звезд

и в эволюции звездных систем не играют. Сила гравитации чрезмерно простым

законом, изложенным И. Ньютоном в 1687г. и описывающим взаимодействие двух

материальных точек. Он применил их к большим телам, т. к. каждоеиз них

можно представить, как совокупность точек. Закон всемирного тяготения

ньютона гласит: две точки притягиваюттся друг к другу силой

прямопропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна

квадрату растояний между ними. Закон гравитации прост для математики, но

физик и астроном помнят, что реальные тела не точки, а протяженные объекты.

Значит, производя расчеты, придется иметь дело с интегрированием, т. е.

вычислением суммы сил, действующих на пробное тело со стороны всех частей

какой-либо звезды или планеты. В наше время такую задачу нельзя назвать

сложной: компьютер решит ее за секунды. Но во время Ньютона многократное

суммирование было чрезвичаино трудоемкой операцией, которую приходилось

выполнять пером на бумаге.ньютон продвинулся далеко в своих исследованиях

благодоря двум теоремам, которые он создал

Теорема 1. Сферическое тело постоянной плотности притягивает

находящуюся снаружи материальную точку так, как будто вся масса тела

сосредоточена в его центре.

Эта теорема дала возможность небесным механикам, вычисляющим движение

звезд, планет и космических аппаратов, свести большенство задач о

взаимодействии космических тел к задаче о притяжении двух точек. Счастье в

том, что большенство небесных тел можно уподобить последовательности

вложенных друг в друга сфер постоянной плотности. Например, у подчти

шарообразной земли плотность растет к центру; разбив ее на бесконечное

количество сферических слоев, мы убеждаемся, что каждыйиз них притягивает

внешнюю точки так, будто вся его масса сосредоточена в центре, поэтому

суммирования сил не требуется: с высокой степенью точности Земля

притягивает внешние тела как точка.

Теорема 2. Если материальную точку поместить внутри однородной среды

(причем в любом месте, а не только в центре), то она не ощутит притяжения

этой сферы, поскольку силы, действующие на нее со стороны всех элементарных

частей сферы, в точности уравновесятся.

Эта теорема помогла тем специолистам, которые изучают недра небесных

тел: стало возможным решать задачи, мысленно поместив наблюдателя внутрь

планеты и не заботясь о тех слоях вещества, которые находятся снаружи от

него, поскольку их суммарное притяжение равно нулю. Ньютон решил и задачу о

том, как движутся две материальные точки, например планета и ее спутник,

взаимно притягивающие друг друга по закону гравитации:они обращаются по

эллиптической орбите вокруг общего центра масс, лежащего в фокусах элипсов.

Если сила взаимодеиствия изменяется обратно квадрату растояния, то спутник

действительно должен двигаться по элипсу. Но теория Ньютона не только

объяснила уже извесные закономерности- она открыла и перспективу:элипс

окозался лишь частным случаемтраектории; взависимости от начальной скорости

спутника ею могло быть любое коническое сечение- окружность, парабола,

гипербола или, в предельном случае, прямая.

Любопытно, что закон тяготения в формулировки Ньютона справедлив

только в нашем, трехмерном пространстве. Если бы мы жили в геометрическом

пространстве большего или меньшего числа измерений, закон притяжения имел

бы иную форму. Например в четырехмерном пространствесила была бы обратно

пропорциональна кубу растояния. Но зачем издеваться над простым и изящьным

законом Ньютона, дающим зависимость 1/R2? Дело в том, что, обращаясь к

реальным небесным объектам, мы замечаем их отличие от идеальных сфер. Форма

Земли и Солнца лишь в первом приближении похожа на сферу. Известно, что

Земля по причине вращения сплюснута вдоль полярной оси: расстояние между ее

северным и южным полюсами на 43 км меньше, чем между противолежащими

точками экватора. Из-за этого, к сожалению, теория Ньютона в точности не

выполняется, и Земля притягивает к себе не как помещенная в ее центре

массивная точка- а по более сложному закону. Нарушается простота

ньютоновского закона, а значит, нарушается и простота взаимного движения

тел. При этом их орбиты получаются не замкнутыми и гораздо более сложными,

чем эллиптические.

Действительно, наблюдая за планетами, астрономы обнаружили, что все

они движутся не точно по эллипсам, а скорее по «розеткам». Разумеется, это

никого не удивило, поскольку, начиная с Ньютона, все ясно понимали, что

простой эллипс, как и сама задача о двух точках, лишь первое приближение к

реальности. Учитывая взаимное притяжение планет, обращающихся вокруг

Солнца, удалось подчти полностью объяснить форму их орбит. Траектории

спутников, близких к своим планетам, в основном искажаются из-за

несферичности планет, а на движение далеких спутников (в их числе- Луна)

решеющее влияние оказывает Солнце.

Но тщательное наблюдения не стыковались с теорией Ньютона. Не все

получало физического объяснения. Например, ближайшая к Солнцу планета

Меркурий движется по давольно вытянутой эллиптической орбите, поворот оси

которой легко заметить. Обычно этот поворот выражает как скорость углового

перемещения перигелия- ближайшей к Солнцу точки орбиты. Наблюдения

показывают, что перигелий Меркурия поворачивается на 574`` за столетие в

сторону движения самой планеты. Было доказано, что поворот на 531`` за 100

лет вызван влияния других планет- в основном Венеры, Юпитера и Земли. Это

93% от наблюдаемого эффекта;казалось бы, можно радоваться. Но оставшиеся

43`` в столетие не давали астрономам покоя: сказывалась профессиональная

гордость за пресловутую астрономическую точность. Обнаружев неувязку в

движении Меркурия, Леверье решил, что ему вторично улыбнулась удача, как в

случае с Нептуном. Он вычислил параметры неизвестной планеты, которая могла

бы находиться внутри орбиты Меркурия и дополнительно возмущать его

движение. Ее долго искали, но не нашли. Поэтому возник парадокс:

ньютоновская физика объясняет движение всех тел Солнечной системы, кроме

Меркурия. К счастью пришел на помощь Энштейн и обьяснил, что теория Ньютона-

это лишь первое приближение к описанию природы. Вместо мелких поправок к

ньютоновской теории тяготения Энштейн внес в физику нечто совершенно новое-

общую теорию относительности (ОТО). Правда ее математическая форма не так

проста, как у ньютоновской теории, зато она правельно описывает притяжение

и движение тел. Когда на основе ОТО было рассчитано движение Меркурия,

теория сошлась с наблюдениями в пределах такой точности, какую только могут

дать современные астрономы. Даже значительно меньший эффект- поворот

эллиптической орбиты Земли всего на 4`` в столетие- весьма точно

объясняется в рамках ОТО.

Но спустя время в замечательном согласии энштейновской физики с

астрономическими наблюдениями был также усмотрен парадокс. Суть его в том,

что все расчеты, как по Ньютону так и по Энштейну, проводились для

сферического солнца, будто вся его масса сосредоточена в центре. Но Солнце

вращается, значит сферическим оно быть не может. В телескоп мы наблюдаем

вращение его поверхности с периодом 25.4 сут. Если с таким же периодом

вращаются и недра Солнца, то фигура его должна быть сплюснутой. Если же

внутренность Солнца вращается иначе, то и сплюснутость будет иная.

Требовалось точно знать, какова форма Солнца и как именно оно вращается.

Теория Энштейна утверждает, что в силе притяжения объекта сказывается не

только отличие его формы от идеального шара, но характер вращения: даже

тяготение идеального шара будет разным в зависимости от того, неподвижен он

или вращается. Гравитационнное вращающегося тела в рамках ОТО имеет

вихривой компонент: тело не только притягивает обьекты, но и раскручивает

их вокруг себя. Правда, измерения других исследователей не подтвердили

сильную сплюснутость Солнца. До конца эта проблема не решена и по сей день.

Уже многие годы над ней работают астрономы и физики: одни изучают Солнце,

измеряют скорость его вращения и степень сплюснутости, другие рассчитывают

движение планет вокруг вращающейся и сжатой звезды в рамках различных

теорий тяготений.

От формы звезды зависит взаимодействие с соседями, а те в свою

очередь влияют на ее форму. Рассмотрим близкий пролет двух случайных звезд.

Если в процессе сближения они остаются шарообразными, то притягиваются по

закону Ньютона, а значит, движутся по гиперболическим траекториям и после

движения вновь рассходятся на бесконечность. На самом же деле взаимное

приливное влияние искажает форму звезд- они становятся вытянутыми

элипсоидами, и это влияет на их движение. Приближаясь друг к другу, звезды

вытягиваются вдоль соединяющей их прямой. Этот эффект называют приливным по

аналогии с морскими приливами, возникающими на Земле под влиянием Луны. Как

и в земных океанах, на поверхности звезды возникают приливные выступы-

горбы, а поскольку звезды движутся, приливной горб пытается отследить

направление между ними. Но в силу инерции вязкости он не может точно

следовать движению звезд: сначала запаздывает, а затем опережает его. В

результате взаимодействие происходит по ньютоновскому закону: более близкий

горб притягивается сильнее, чем более далекий, а следовательно, возникает

составляющая силы притяжения, тормозящая движение звезд по орбите и

уводящая ее с простои гиперболической траектории. Звезда переходит на

эллиптическую орбиту и оказывается навсегда привязанной к этому светилу, с

которым она случайно приблизилась. Так и из двух одиночных звезд образуется

двойная система.

Формирование двоиных систем влияет на эволюцию звездного скопления,

в котором они живут. Объединившись, звезды весьма своеобразно

взаимодействуют друг с другом и с одиночными членами скопления, заставляя

последних двигаться более интенсивно. От встреч с другими звездами быстро

эволюционируют и сами двойные светила. Некоторые из них зближаются и

обмениваются веществом, что приводит к их омоложению и порождает весьма

экзотические объекты, обнаруженные в последние время в звездных скоплениях-

рентгеновские и ультрафиолетовые источники, вспыхивающие звезды и быстрые

пульсары, молодые беллые карлики и омолодившиеся нейтронные звезды. А в

основе этого астрофизического разнообразия лежит гравитационнае

взаимодействие звезд, вкотором еще не мало загадок.