Главный
персонаж Вселенной.
Практически
все, что мы видим в космосе,- это 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 аргументы, что во вселенной присутствуют небарионные
вещества, состоящие из протонов и нейтронов, а из частиц неясной пока природы;
его взаимодействие с обычным веществом происходит только 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, бегущие в разных направлениях, слабо возмущали
его плотность. Но до сих пор астрономы не знают точно, как произошло деление
почти 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 областях повышенной
плотности газа его давление не способно противостоять его же собственному
тяготению, то случайно возникшее уплотнение продолжает сжиматься. По-видимому,
именно такой процесс гравитационной неустойчивости породил 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. каждое из них можно представить, как совокупность точек.
Закон всемирного тяготения ньютона гласит: две точки притягиваются друг к другу
силой прямопропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна
квадрату расстояний 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 чрезвычайно
трудоемкой операцией, которую приходилось выполнять пером на бумаге. Ньютон
продвинулся далеко в своих исследованиях благодаря 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 большинство задач о взаимодействии космических тел к задаче о
притяжении двух точек. Счастье в том, что большинство небесных тел можно
уподобить последовательности вложенных друг в друга сфер постоянной плотности.
Например, у почти шарообразной земли плотность растет к центру; разбив ее на
бесконечное количество сферических слоев, мы убеждаемся, что каждый из 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 специалистам, 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 эллипсов. Если сила взаимодействия
изменяется обратно квадрату расстояния, то спутник действительно должен
двигаться по эллипсу. Но теория Ньютона не только объяснила уже известные
закономерности- она открыла и перспективу: эллипс оказался лишь частным случаем
траектории; в зависимости 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 пространстве сила была
бы обратно пропорциональна кубу расстояния. Но зачем издеваться над простым и
изящным 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 почти 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)
решающее влияние оказывает Солнце.
Но тщательное
наблюдения не стыковались с теорией Ньютона. Не все получало физического
объяснения. Например, ближайшая к Солнцу планета Меркурий движется по довольно
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.
Обнаружив 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 объяснил, 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 правильно 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. Гравитационное вращающегося тела в рамках ОТО
имеет вихревой компонент: тело не только притягивает объекты, 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 расходятся на
бесконечность. На самом же деле взаимное приливное влияние искажает форму
звезд- они становятся вытянутыми эллипсоидами, 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 двойных 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 сближаются 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 белые карлики и омолодившиеся нейтронные звезды. А в основе
этого астрофизического разнообразия лежит гравитационное взаимодействие звезд,
в котором еще не мало загадок.
Список
литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://goldref.ru/