Реферат: Главный персонаж Вселенной
Практическивсе, 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 гигантскимзвездам, объединенным в агрегаты различного масштаба: от галактик до ихскоплений. Но появляется аргументы, что во вселенной присутствуют небарионныевещества, состоящие из протонов и нейтронов, а из частиц неясной пока природы;его взаимодействие с обычным веществом происходит только через силу гравитации.
Более10 млрд. лет назад, когда происходило расширение вселенной, наш мир былзаполнен очень горячем однородным веществом и излучением, причем по плотностиэнергии излучение превосходило вещество. Но еще многие сотни миллионов летпосле того, как вещество стало основным компонентом вселенной оно оставалосьпрактически однородным; лишь звуковые волны, бегущие в разных направлениях,слабо возмущали его плотность. Но до сих пор астрономы не знают точно, какпроизошло деление почти однородного вещества на звезды. Принципиальныхтрудностей в понимании этого процесса нет. Распространение звуковых волнсоздает в космическом веществе перепады плотности. В космических масштабах, внекоторых областях повышенной плотности газа его давление не способнопротивостоять его же собственному тяготению, то случайно возникшее уплотнениепродолжает сжиматься. По-видимому, именно такой процесс гравитационнойнеустойчивости породил звезды и звездные системы, власть в которых захватилагравитация.
Итак,в мире звезд царствует гравитация. Остальные физические взаимодействия:магнитные, ядерные_ практически никакой роли в жизни звезд и в эволюции звездныхсистем не играют. Сила гравитации чрезмерно простым законом, изложенным И.Ньютоном в 1687г. и описывающим взаимодействие двух материальных точек. Онприменил их к большим телам, т. к. каждое из них можно представить, каксовокупность точек. Закон всемирного тяготения ньютона гласит: две точкипритягиваются друг к другу силой прямопропорциональной произведению их масс иобратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. Закон гравитации простдля математики, но физик и астроном помнят, что реальные тела не точки, апротяженные объекты. Значит, производя расчеты, придется иметь дело синтегрированием, т. е. вычислением суммы сил, действующих на пробное тело состороны всех частей какой-либо звезды или планеты. В наше время такую задачунельзя назвать сложной: компьютер решит ее за секунды. Но во время Ньютонамногократное суммирование было чрезвычайно трудоемкой операцией, которуюприходилось выполнять пером на бумаге. Ньютон продвинулся далеко в своихисследованиях благодаря двум теоремам, которые он создал.
Теорема1. Сферическое тело постоянной плотности притягивает находящуюся снаружиматериальную точку так, как будто вся масса тела сосредоточена в его центре.
Этатеорема дала возможность небесным механикам, вычисляющим движение звезд, планети космических аппаратов, свести большинство задач о взаимодействии космическихтел к задаче о притяжении двух точек. Счастье в том, что большинство небесныхтел можно уподобить последовательности вложенных друг в друга сфер постояннойплотности. Например, у почти шарообразной земли плотность растет к центру;разбив ее на бесконечное количество сферических слоев, мы убеждаемся, чтокаждый из них притягивает внешнюю точки так, будто вся его масса сосредоточенав центре, поэтому суммирования сил не требуется: с высокой степенью точностиЗемля притягивает внешние тела как точка.
Теорема2. Если материальную точку поместить внутри однородной среды (причем в любомместе, а не только в центре), то она не ощутит притяжения этой сферы, посколькусилы, действующие на нее со стороны всех элементарных частей сферы, в точностиуравновесятся.
Этатеорема помогла тем специалистам, которые изучают недра небесных тел: сталовозможным решать задачи, мысленно поместив наблюдателя внутрь планеты и незаботясь о тех слоях вещества, которые находятся снаружи от него, поскольку ихсуммарное притяжение равно нулю. Ньютон решил и задачу о том, как движутся двематериальные точки, например планета и ее спутник, взаимно притягивающие другдруга по закону гравитации: они обращаются по эллиптической орбите вокругобщего центра масс, лежащего в фокусах эллипсов. Если сила взаимодействияизменяется обратно квадрату расстояния, то спутник действительно должендвигаться по эллипсу. Но теория Ньютона не только объяснила уже известныезакономерности- она открыла и перспективу: эллипс оказался лишь частным случаемтраектории; в зависимости от начальной скорости спутника ею могло быть любоеконическое 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 пространствебольшего или меньшего числа измерений, закон притяжения имел бы иную форму.Например в четырехмерном пространстве сила была бы обратно пропорциональна кубурасстояния. Но зачем издеваться над простым и изящным законом Ньютона, дающимзависимость 1/R2? Дело в том, что, обращаясь к реальнымнебесным объектам, мы замечаем их отличие от идеальных сфер. Форма Земли иСолнца лишь в первом приближении похожа на сферу. Известно, что Земля попричине вращения сплюснута вдоль полярной оси: расстояние между ее северным июжным полюсами на 43 км меньше, чем между противолежащими точками экватора.Из-за этого, к сожалению, теория Ньютона в точности не выполняется, и Земляпритягивает к себе не как помещенная в ее центре массивная точка- а по болеесложному закону. Нарушается простота ньютоновского закона, а значит, нарушаетсяи простота взаимного движения тел. При этом их орбиты получаются не замкнутымии гораздо более сложными, чем эллиптические.
Действительно,наблюдая за планетами, астрономы обнаружили, что все они движутся не точно поэллипсам, а скорее по «розеткам». Разумеется, это никого не удивило, поскольку,начиная с Ньютона, все ясно понимали, что простой эллипс, как и сама задача одвух точках, лишь первое приближение к реальности. Учитывая взаимное притяжениепланет, обращающихся вокруг Солнца, удалось почти полностью объяснить форму ихорбит. Траектории спутников, близких к своим планетам, в основном искажаютсяиз-за несферичности планет, а на движение далеких спутников (в их числе- Луна)решающее влияние оказывает Солнце.
Нотщательное наблюдения не стыковались с теорией Ньютона. Не все получалофизического объяснения. Например, ближайшая к Солнцу планета Меркурий движетсяпо 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 Меркурияповорачивается на 574`` за столетие в сторону движения самой планеты. Былодоказано, что поворот на 531`` за 100 лет вызван влияния других планет- восновном 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 вторичноулыбнулась удача, как в случае с Нептуном. Он вычислил параметры неизвестнойпланеты, которая могла бы находиться внутри орбиты Меркурия и дополнительновозмущать его движение. Ее долго искали, но не нашли. Поэтому возник парадокс:ньютоновская физика объясняет движение всех тел Солнечной системы, кромеМеркурия. К счастью пришел на помощь Энштейн и объяснил, что теория Ньютона-это лишь первое приближение к описанию природы. Вместо мелких поправок кньютоновской теории тяготения Энштейн внес в физику нечто совершенно новое-общую теорию относительности (ОТО). Правда ее математическая форма не такпроста, как у ньютоновской теории, зато она правильно описывает притяжение идвижение тел. Когда на основе ОТО было рассчитано движение Меркурия, теориясошлась с наблюдениями в пределах такой точности, какую только могут датьсовременные астрономы. Даже значительно меньший эффект- поворот эллиптическойорбиты Земли всего на 4`` в столетие- весьма точно объясняется в рамках ОТО.
Носпустя время в замечательном согласии энштейновской физики с астрономическиминаблюдениями был также усмотрен парадокс. Суть его в том, что все расчеты, какпо Ньютону так и по Энштейну, проводились для сферического солнца, будто всяего масса сосредоточена в центре. Но Солнце вращается, значит сферическим онобыть не может. В телескоп мы наблюдаем вращение его поверхности с периодом 25.4сут. Если с таким же периодом вращаются и недра Солнца, то фигура его должнабыть сплюснутой. Если же внутренность Солнца вращается иначе, то и сплюснутостьбудет иная. Требовалось точно знать, какова форма Солнца и как именно оновращается. Теория Энштейна утверждает, что в силе притяжения объектасказывается не только отличие его формы от идеального шара, но характервращения: даже тяготение идеального шара будет разным в зависимости от того,неподвижен он или вращается. Гравитационное вращающегося тела в рамках ОТОимеет вихревой компонент: тело не только притягивает объекты, но и раскручиваетих вокруг себя. Правда, измерения других исследователей не подтвердили сильнуюсплюснутость Солнца. До конца эта проблема не решена и по сей день. Уже многиегоды над ней работают астрономы и физики: одни изучают Солнце, измеряютскорость его вращения и степень сплюснутости, другие рассчитывают движениепланет вокруг вращающейся и сжатой звезды в рамках различных теорий тяготений.
Отформы звезды зависит взаимодействие с соседями, а те в свою очередь влияют наее форму. Рассмотрим близкий пролет двух случайных звезд. Если в процессесближения они остаются шарообразными, то притягиваются по закону Ньютона, азначит, движутся по гиперболическим траекториям и после движения вновьрасходятся на бесконечность. На самом же деле взаимное приливное влияниеискажает форму звезд- они становятся вытянутыми эллипсоидами, и это влияет наих движение. Приближаясь друг к другу, звезды вытягиваются вдоль соединяющей ихпрямой. Этот эффект называют приливным по аналогии с морскими приливами,возникающими на Земле под влиянием Луны. Как и в земных океанах, на поверхностизвезды возникают приливные выступы- горбы, а поскольку звезды движутся,приливной горб пытается отследить направление между ними. Но в силу инерциивязкости он не может точно следовать движению звезд: сначала запаздывает, азатем опережает его. В результате взаимодействие происходит по ньютоновскомузакону: более близкий горб притягивается сильнее, чем более далекий, аследовательно, возникает составляющая силы притяжения, тормозящая движениезвезд по орбите и уводящая ее с простои гиперболической траектории. Звездапереходит на эллиптическую орбиту и оказывается навсегда привязанной к этомусветилу, с которым она случайно приблизилась. Так и из двух одиночных звездобразуется двойная система.
Формированиедвойных систем влияет на эволюцию звездного скопления, в котором они живут.Объединившись, звезды весьма своеобразно взаимодействуют друг с другом и содиночными 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 ихомоложению и порождает весьма экзотические объекты, обнаруженные в последниевремя в звездных скоплениях- рентгеновские и ультрафиолетовые источники,вспыхивающие звезды и быстрые пульсары, молодые белые карлики и омолодившиесянейтронные звезды. А в основе этого астрофизического разнообразия лежитгравитационное взаимодействие звезд, в котором еще не мало загадок.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта goldref.ru/