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.
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- незнач