Движение Солнца и звезд в Галактике - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Движение Солнца и звезд в Галактике
В солнечной системе движением планет управляет притяжение Солнца, содержащего 99,8% всей массы системы. Каждая планета движется вокруг Солнца по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце, Орбиты планет почти не меняют своей формы, размеров и ориентации в пространстве. Влияние на планеты других сил, помимо гравитационной (магнитные поля, световое давление, сопротивление межпланетного вещества), пренебрежимо мало.
А каковы орбиты Солнца и звезд в нашей звездной системе — Галактике? Чем определяется их движение? Ведь в Галактике нет центрального массивного тела, подобного Солнцу.
Движение звезд в Галактике, как и планет в солнечной системе, определяется почти исключительно гравитационным полем. Но в отличие от солнечной системы гравитационное поле в Галактике определяется в каждой ее точке суммарным притяжением ста миллиардов звезд. Некоторые добавки в общее гравитационное поле вносят газопылевое вещество, погасшие и сколлапсировавшие (сжавшиеся в «точку») звезды, планеты, несамосветящиеся тела типа «бродячих» межзвездных планет, возможные сверхплотные дозвездные тела (по концепции академика В. А. Амбарцумяна) и т. п. Все это создает так называемое регулярное гравитационное поле, медленно и плавно изменяющееся от точки к точке в Галактике. Эта сила притяжения всей Галактики, действующая на звезду, направлена приблизительно (а в экваториальной плоскости и на оси вращения Галактики — точно) к центру Галактики. Сила эта от нулевого значения в центре Галактики плавно возрастает, достигая наибольшей величины на трети расстояния от центра до условной границы Галактики, а затем убывает (на больших расстояниях — по закону Ньютона), и лишь о ничтожной доле объема Галактики, в непосредственной окрестности каждой звезды преобладает гравитационная сила этой звезды, быстро ослабевающая с удалением от нее {«иррегулярное поле»).
Если бы вещество было сконцентрировано в центре Галактики или равномерно распределено в ней, орбиты звезд, как и в солнечной системе, были бы эллипсами. Только в последнем случае с центром системы совпадал бы не фокус, а центр эллиптической орбиты каждой звезды. Если же вещество, как в нашей Галактике, не сконцентрировано в центре системы и не распределено в ней равномерно, орбиты звезд выглядят гораздо сложнее. В этих случаях орбиты оказываются не просто более сложными фигурами, чем эллипс (скажем, какими-нибудь «щекастыми» овалами, пользуясь выражением Кеплера...). На изменение формы орбиты влияет более или менее быстрое вращение ее в собственной плоскости вокруг центра звездной системы. В результате окончательная траектория звезды в Галактике оказывается похожей на розетку (рис. 1).Число лепестков в розетке и ширина отдельного лепестка, величина всей розетки у различных звезд различны. Они зависят от энергии звезды и направления ее движения в заданный момент времени. Более того, в большинстве случаев орбита оказывается вообще незамкнутой кривой. Лишь тогда, когда указанный на рис. угол α между соседними лепестками розетки выражается рациональной дробью от 2πm, то есть α = 2πm/n, где m/n — несократимая дробь, орбита через конечное число витков n замкнется. В общем же случае она будет лишь все гуще заполнять своими витками кольцо с внутренним радиусом и внешним R2.
Так движутся звезды в сферически симметричных звездных системах (например, в шаровых скоплениях и сферических галактиках). Так движутся звезды и в плоскости симметрии несферических звездных систем, Рисунок 1 дает представление, как движется Солнце, орбита которого находится приблизительно в экваториальной плоскости Галактики. Один виток у Солнца занимает по времени примерно четверть миллиарда лет.
Но и этот вид орбит оказывается еще относительно простым. Если орбита звезды не лежит в плоскости Галактики или любой другой несферической звездной системы, движение звезды еще более усложняется. Достаточно сказать, что орбита в этом случае уже будет не плоской, а окажется трехмерной, подчас весьма запутанной пространственной кривой. В типичном случае она заполняет своими витками некую «баранку», имеющую в сечении вид криволинейного четырехугольника (рис. 2).
А каковы орбиты в звезд¬ных системах неправильной формы или же в системах, изменяющих свою форму или размеры за время, сравнимое с периодом обращения звезды? Вид звездных орбит настолько усложняется, что исчезает всякая возможность их наглядного описания и классификации.
Во всех случаях имеется еще один фактор, приводящий к усложнению вида орбиты и изменению ее со временем. Это - изменение энергии звезды при ее сближениях с другими звездами. Несколько десятков лет господствовало мнение, что подобного рода воздействия на звезду в звездной системе очень слабы или редки. Это мнение подкреплялось вескими расчетами. Получалось, что для заметного искажения орбиты звезды необходимо время, во много раз превосходящее то, в течение которого существует сама Галактика! Однако в последние примерно полтора десятка лет специалисты пришли к заключению о существовании какого-то гораздо более эффективного механизма изменения энергии и орбиты звезды в Галактике (за время, малое в сравнении с ее возрастом), Так, было открыто, что энергия и направление движения звезды изменяются гораздо быстрее при взаимодействии ее не с отдельными звездами, а с их скоплениями, с массивными газопылевыми облаками, с любыми постоянно существующими или возникающими и рассеивающимися концентрациями массы в звездной системе, если в них входит заметная доля ее полной массы. Сейчас почти несомненно, что еще более эффективно влияние коллективных взаимодействий звезд, аналогичных взаимодействиям частиц в плазме. Действительно, звездную систему очень сближает с плазмой то, что она, как и плазма, состоит из частиц, взаимодействующих между собой по «закону обратных квадратов». В этом смысле закон Ньютона аналогичен закону Кулона, определяющему взаимодействие заряженных частиц, Однако конкретное исследование свойств звездной системы на этой основе еще не завершено.
Ясно следующее. При неизбежно происходящем изменении энергии звезд некоторые из них могут получить скорости столь большие {несколько сот км/сек.), что притяжение Галактики не сможет удержать их... Такая звезда уходит из Галактики в безграничные межгалактические просторы почти без надежды хотя бы через сотни миллионов лет найти пристанище в какой-нибудь другой Галактике. Заметим, что для обитателей планет, обращающихся около такой звезды, это вполне надежный и комфортабельный способ совершить не только межзвездное, но даже межгалактическое путешествие.
А каковы орбиты Солнца и звезд в нашей звездной системе — Галактике? Чем определяется их движение? Ведь в Галактике нет центрального массивного тела, подобного Солнцу.
Движение звезд в Галактике, как и планет в солнечной системе, определяется почти исключительно гравитационным полем. Но в отличие от солнечной системы гравитационное поле в Галактике определяется в каждой ее точке суммарным притяжением ста миллиардов звезд. Некоторые добавки в общее гравитационное поле вносят газопылевое вещество, погасшие и сколлапсировавшие (сжавшиеся в «точку») звезды, планеты, несамосветящиеся тела типа «бродячих» межзвездных планет, возможные сверхплотные дозвездные тела (по концепции академика В. А. Амбарцумяна) и т. п. Все это создает так называемое регулярное гравитационное поле, медленно и плавно изменяющееся от точки к точке в Галактике. Эта сила притяжения всей Галактики, действующая на звезду, направлена приблизительно (а в экваториальной плоскости и на оси вращения Галактики — точно) к центру Галактики. Сила эта от нулевого значения в центре Галактики плавно возрастает, достигая наибольшей величины на трети расстояния от центра до условной границы Галактики, а затем убывает (на больших расстояниях — по закону Ньютона), и лишь о ничтожной доле объема Галактики, в непосредственной окрестности каждой звезды преобладает гравитационная сила этой звезды, быстро ослабевающая с удалением от нее {«иррегулярное поле»).
Если бы вещество было сконцентрировано в центре Галактики или равномерно распределено в ней, орбиты звезд, как и в солнечной системе, были бы эллипсами. Только в последнем случае с центром системы совпадал бы не фокус, а центр эллиптической орбиты каждой звезды. Если же вещество, как в нашей Галактике, не сконцентрировано в центре системы и не распределено в ней равномерно, орбиты звезд выглядят гораздо сложнее. В этих случаях орбиты оказываются не просто более сложными фигурами, чем эллипс (скажем, какими-нибудь «щекастыми» овалами, пользуясь выражением Кеплера...). На изменение формы орбиты влияет более или менее быстрое вращение ее в собственной плоскости вокруг центра звездной системы. В результате окончательная траектория звезды в Галактике оказывается похожей на розетку (рис. 1).Число лепестков в розетке и ширина отдельного лепестка, величина всей розетки у различных звезд различны. Они зависят от энергии звезды и направления ее движения в заданный момент времени. Более того, в большинстве случаев орбита оказывается вообще незамкнутой кривой. Лишь тогда, когда указанный на рис. угол α между соседними лепестками розетки выражается рациональной дробью от 2πm, то есть α = 2πm/n, где m/n — несократимая дробь, орбита через конечное число витков n замкнется. В общем же случае она будет лишь все гуще заполнять своими витками кольцо с внутренним радиусом и внешним R2.
Так движутся звезды в сферически симметричных звездных системах (например, в шаровых скоплениях и сферических галактиках). Так движутся звезды и в плоскости симметрии несферических звездных систем, Рисунок 1 дает представление, как движется Солнце, орбита которого находится приблизительно в экваториальной плоскости Галактики. Один виток у Солнца занимает по времени примерно четверть миллиарда лет.
Но и этот вид орбит оказывается еще относительно простым. Если орбита звезды не лежит в плоскости Галактики или любой другой несферической звездной системы, движение звезды еще более усложняется. Достаточно сказать, что орбита в этом случае уже будет не плоской, а окажется трехмерной, подчас весьма запутанной пространственной кривой. В типичном случае она заполняет своими витками некую «баранку», имеющую в сечении вид криволинейного четырехугольника (рис. 2).
А каковы орбиты в звезд¬ных системах неправильной формы или же в системах, изменяющих свою форму или размеры за время, сравнимое с периодом обращения звезды? Вид звездных орбит настолько усложняется, что исчезает всякая возможность их наглядного описания и классификации.
Во всех случаях имеется еще один фактор, приводящий к усложнению вида орбиты и изменению ее со временем. Это - изменение энергии звезды при ее сближениях с другими звездами. Несколько десятков лет господствовало мнение, что подобного рода воздействия на звезду в звездной системе очень слабы или редки. Это мнение подкреплялось вескими расчетами. Получалось, что для заметного искажения орбиты звезды необходимо время, во много раз превосходящее то, в течение которого существует сама Галактика! Однако в последние примерно полтора десятка лет специалисты пришли к заключению о существовании какого-то гораздо более эффективного механизма изменения энергии и орбиты звезды в Галактике (за время, малое в сравнении с ее возрастом), Так, было открыто, что энергия и направление движения звезды изменяются гораздо быстрее при взаимодействии ее не с отдельными звездами, а с их скоплениями, с массивными газопылевыми облаками, с любыми постоянно существующими или возникающими и рассеивающимися концентрациями массы в звездной системе, если в них входит заметная доля ее полной массы. Сейчас почти несомненно, что еще более эффективно влияние коллективных взаимодействий звезд, аналогичных взаимодействиям частиц в плазме. Действительно, звездную систему очень сближает с плазмой то, что она, как и плазма, состоит из частиц, взаимодействующих между собой по «закону обратных квадратов». В этом смысле закон Ньютона аналогичен закону Кулона, определяющему взаимодействие заряженных частиц, Однако конкретное исследование свойств звездной системы на этой основе еще не завершено.
Ясно следующее. При неизбежно происходящем изменении энергии звезд некоторые из них могут получить скорости столь большие {несколько сот км/сек.), что притяжение Галактики не сможет удержать их... Такая звезда уходит из Галактики в безграничные межгалактические просторы почти без надежды хотя бы через сотни миллионов лет найти пристанище в какой-нибудь другой Галактике. Заметим, что для обитателей планет, обращающихся около такой звезды, это вполне надежный и комфортабельный способ совершить не только межзвездное, но даже межгалактическое путешествие.