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.