Евгений Чуразов, Ильдар Хабибуллин, Рашид Сюняев «Природа» №10, 2017
Об авторах
| Евгений Михайлович Чуразов — член-корреспондент РАН, ведущий научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий Института космических исследований (ИКИ) РАН. Научные интересы — теоретическая астрофизика, рентгеновская астрономия, скопления галактик. |
| Ильдар Инзилович Хабибуллин — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник того же отдела. Занимается моделированием рентгеновского излучения астрофизических объектов, методиками и интерпретацией их наблюдений. |
| Рашид Алиевич Сюняев — академик, главный научный сотрудник того же отдела. Область научных интересов — теоретическая астрофизика, физические процессы во Вселенной и реликтовое излучение, рентгеновская астрономия. |
Черные дыры Виталий Лазаревич Гинзбург называл «самыми важными объектами физики и астрофизики». Сегодня мы знаем о множестве черных дыр звездных масс в двойных системах, а также сверхмассивных черных дыр. Ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра расположена в динамическом центре нашей Галактики.
Немного предыстории для понимания сути
Расстояние до облака Оорта по сравнению с остальной частью Солнечной системы
Нередко поблизости Солнца можно наблюдать небесные тела, материя которых в окрестностях самой жаркой звезды испаряется и уносятся от нее космическими ветрами. Эти испаряющиеся небесные тела и есть кометы. Свидетельством того, что кометы держат свой путь из весьма удаленных участков Солнечной системы, является их вытянутая форма орбит. Ежегодно астрономами фиксируется движение около десятка комет. Но не астрономы одни любят наблюдать за небесными телами. Так, именно астрофизик Ян Оорт выдвинул следующую гипотезу: все кометы появляются в далеком облаке, которым окружена внешняя часть Солнечной системы.
Что из себя представляет облако?
Общий вид
Облако Оорта – ничто иное, как остаток протосолнечной туманности, давшей жизнь планетам и Солнцу. Каким образом? Да элементарно просто: путем слипания мельчайших частиц при помощи силы взаимного тяготения. Первичная туманность около центра была гораздо плотнее, поэтому планеты сформировались довольно быстро. В то время как ее внешние области были более разрежены, поэтому сходный процесс в них никак не завершался. Оорт изучил 19 различных комет и сделал вывод, что зачастую они следуют из некой области, расположенной в 20000 а.е. (астрономических единиц), имея при этом начальную скорость в 1км/с. Подобная скорость позволяет утверждать, что место рождения комет расположено в пределах Солнечной системы, поскольку чужеродные ей тела обладают скоростью в среднем 20 км/с.
Что происходит с небесными телами внутри облака?
Седна, кандидат в объекты внутреннего облака Оорта
Принято считать, что в данном космическом облаке сосредотачивается не менее миллиарда «зародышей» будущих комет. Они представляют собой некие тела, свободно вращающиеся по своим орбитам, которые пока ни разу так и не приблизились к Солнцу. Если верить Оорту, подобных тел в составе облака собрано не менее 10 в 11-й степени. Но кроме них там можно обнаружить и миллиарды «состоявшихся» комет, то есть тех, которые уже имели встречу с главной звездой нашей системы. К слову, орбиты комет впоследствии будут зависеть от приближения друг к другу пока еще «зародышей» комет, от притяжения звезд, соседствующих с Солнцем, и еще от притяжения «возможно» существующих непосредственно в облаке Оорта тел на подобии планет и звезд.
Если заглянуть внутрь облака Оорта, можно понять, что кометные тела внутри него могут довольно долго просто свободно кружиться по нему, могут вырываться за пределы Солнечной системы, а могут устремляться к Солнцу. В последнем случае мы как раз и имеем возможность наблюдать самые настоящие кометы с хвостами. Современные исследования ученых позволяют заявлять, что облако простирается от Солнца на расстояние в 2 световых года. Этот факт говорит также и, что орбита облака Оорта имеет радиус, превышающий в 3000 раз радиус орбиты планеты Плутон. Кроме того, есть сведения, что сумма масс всех планет меньше предполагаемой массы облака. А это значит, что сегодня пока рано говорить об окончательном формировании Солнечной системы и ее неизменности в будущем.
Насколько ярка черная дыра в центре Галактики?
Рис. 1.
Схематичная картина нашей Галактики (вид из точки, расположенной над ней), на которой показано расположение Солнца и центра Галактики
Рис. 2.
Наблюдаемая орбита звезды S2, делающей полный оборот вокруг сверхмассивной черной дыры за 16 лет [].
Кружок
показывает положение черной дыры
Наша Галактика Млечный Путь — сравнительно обычная спиральная галактика, каких много во Вселенной. Солнечная система расположена на периферии звездного диска, на расстоянии примерно 8–8,5 кпк от центра Галактики. В ее центре, как и в других галактиках, находится сверхмассивная черная дыра, известная как радиоисточник Стрелец А* (рис. 1). Массы таких черных дыр отслеживают характеристики самих галактик, например полные массы звезд в или типичный разброс скоростей звезд в нем. Подобные аргументы дают оценку массы нашей черной дыры порядка 6–8 млн М
☉. Но в случае нашей Галактики мы имеем гораздо более надежные измерения массы черной дыры, прежде всего по движению отдельных звезд вокруг нее (рис. 2). Такие измерения стали возможными с развитием инфракрасной астрономии и длительного мониторирования непосредственной окрестности черной дыры. Сегодня орбиты нескольких звезд, пролетающих около нее на расстоянии меньше 1 Мпк, известны с хорошей точностью, и применение законов Кеплера (с учетом релятивистских поправок) дает массу черной дыры в 4 млн
М
☉.
При такой гигантской массе источника Стрелец А* мог бы быть ярчайшим объектом на всем небе. Светит, конечно, не сама черная дыра, а вещество, падающее (аккрецирующее) на нее. Теория аккреции вещества на черные дыры предсказывает, что светимость объекта с массой 4 млн М
☉ может достигать 1044 эрг/с — так называемой эддингтоновской светимости
L Edd = 4 π G M m p c σ T ≈ 10 38 M M ☉ эрг/с ,
где G —
гравитационная постоянная,
m
p — масса протона,
c —
скорость света, σT — сечение томсоновского рассеяния. Ее величина линейно связана с массой
M
черной дыры. При большей светимости давление излучения способно отбросить вещество от черной дыры и ограничить темп аккреции. Именно гигантская светимость таких объектов с массами в миллиарды солнечных позволяет нам регистрировать излучения от них с космологических расстояний, когда возраст Вселенной не превышал 5% от сегодняшнего. Но ничего даже близко приближающегося к уровню эддингтоновской светимости мы не видели от источника Стрелец А* в современную эпоху. Например, его рентгеновская светимость не превышает одной миллиардной от эддингтоновской. Современные обсерватории регистрируют вспышки от источника (примерно раз в день), но и во время вспышек светимость остается ничтожно малой — многие галактические черные дыры звездных масс в десятки и сотни раз ярче источника Стрелец А*. Означает ли это, что черная дыра в центре Млечного Пути всегда была столь же тусклой? Конечно, нет. На ранних этапах образования Галактики, миллиарды лет назад, когда шел период интенсивного звездообразования, рост черной дыры почти наверняка сопровождался мощным излучением. Активность источника Стрелец А* в более близкую эпоху (миллионы лет назад) связывают и с так называемыми пузырями Ферми (рис. 3) — огромными структурами, размером несколько килопарсеков, обнаруженными спутником имени Ферми (НАСА) в гамма-диапазоне. Однако в этом случае прямых свидетельств, что образование пузырей сопровождалось мощным излучением, нет. Например, в скоплениях галактик сверхмассивные черные дыры надувают пузыри релятивистской плазмы [], оставаясь при этом слабыми источниками излучения.
Рис. 3.
«Пузыри Ферми», обнаруженные обсерваторией имени Ферми в гамма-лучах (например, []). На карте, нарисованной в галактических координатах, сверхмассивная черная дыра находится
в центре карты
, а пузыри — это
яркие области сверху и снизу от нее
. Многие модели связывают формирование пузырей с активностью сверхмассивной черной дыры миллионы лет назад
Пузыри Ферми формировались миллионы лет назад. Можно ли найти свидетельства, что источник Стрелец А* был ярок в еще более близкую к нам эпоху? Оказывается, да. И центральную роль в этом играют облака молекулярного газа, которые часто встречаются вблизи центра Галактики, в области, называемой Центральной молекулярной зоной (ЦМЗ), имеющей размер в несколько сотен парсеков.
Есть ли особенности у этого необычного облака?
Вид со стороны
Оказывается, особенностей более чем достаточно. Прежде всего, стоит сказать, что свойства облака Оорта различны на разной удаленности от Солнца. Отметим, что за Плутоном и поясом Койпера еще далеко не начало облака Оорта. Внешние его границы отделены довольно внушительной щелью, за которой следует внутреннее пространство облака. В этом месте движение кометных тел ничем не отличается от привычного движения планет. Они обладают стабильными и, в большинстве случаев, круговыми орбитами. А вот во внешней части облака кометы движутся как им вздумается: в разных плоскостях, ведомые притяжением Солнца или других звезд. Есть информация, что через каких-то 26000 лет к Солнцу настолько близко подберется Альфа Центавра, что к Земле и прочим планетам устремится поток комет, отклонившихся от своих орбит в облаке Оорта.
Снимки обнаруженных объектов из Облака Оорта
Есть вероятность, что подобные периоды «бомбежки» кометами случались и ранее. Именно в те моменты и усиливался процесс образования и формирования планет. Подсчитано, что пока существует наша планета, чужеродные звезды около десятка раз пронизали внутреннее пространство облака Оорта, усилив, таким образом, в тысячи раз движение комет. Длится это явление приблизительно 400000 лет, в ходе которого на Землю упадет в среднем две сотни комет, что в рамках науки принято считать настоящим космическим ливнем.
Типы молекулярных облаков
Гигантские молекулярные облака
Обширные области молекулярного газа с массами 104—106 солнечных масс называется гигантскими молекулярными облаками
(ГМО). Облака могут достигнуть десятков парсек в диаметре и иметь среднюю плотность 10²—10³ частиц в кубическом сантиметре (средняя плотность вблизи Солнца — одна частица в кубическом сантиметре). Подструктура в пределах этих облаков состоит из сложных переплетений нитей, листов, пузырей, и нерегулярных глыб.]
Самые плотные части нитей и глыб называют «молекулярными ядрами», а молекулярные ядра с максимальной плотностью (больше 104—106 частиц в кубическом сантиметре), соответственно, «плотными молекулярными ядрами». При наблюдениях молекулярные ядра связывают с угарным газом, а плотные ядра — с аммиаком. Концентрация пыли в пределах молекулярных ядер обычно достаточна, чтобы поглощать свет от дальних звёзд таким образом, чтобы они выглядели как тёмные туманности.]
ГМО настолько огромны, что локально они могут закрывать значительную часть созвездия, в связи с чем на них ссылаются с упоминанием этого созвездия, например, Облако Ориона или Облако Тельца. Эти локальные ГМО выстраиваются в кольцо вокруг солнца, называемого поясом Гулда.] Самая массивная коллекция молекулярных облаков в галактике, комплекс Стрелец B2, формирует кольцо вокруг галактического центра в радиусе 120 парсек. Область созвездия Стрельца богата химическими элементами и часто используется астрономами, ищущими новые молекулы в межзвёздном пространстве, как образец.]
Маленькие молекулярные облака
Основная статья: Глобула (астрономия
)
Изолированные гравитационно связанные маленькие молекулярные облака с массами меньше чем несколько сотен масс Солнца называют глобулой Бока. Самые плотные части маленьких молекулярных облаков эквивалентны молекулярным ядрам, найденным в гигантских молекулярных облаках и часто включаются в те же самые исследования
.
Высокоширотные диффузные молекулярные облака
В 1984 году IRAS идентифицировал новый тип диффузного молекулярного облака.] Они были диффузными волокнистыми облаками, которые видимы при высокой галактической широте (выглядывающий из плоскости галактического диска). У этих облаков была типичная плотность 30 частиц в кубическом сантиметре.[10]
Наблюдение
На вопрос о том, можно ли увидеть облако Оорта своими глазами, отвечаем, что сделать это пока не удалось. Во-первых, потому что оно слишком разрежено, во-вторых, практически не освещается Солнцем, но главная причина в том, что мы с вами находимся непосредственно внутри него. Тем не менее, ученым посчастливилось наблюдать другие подобные облаку Оорта туманности. Они зарегистрировали едва заметные диски с такими же щелями около близ расположенных к нам звезд. Отсюда можно утверждать, что Солнечная система разделена на 4 части. То есть в ее состав входят планетная система, щель либо пояс Койпера и еще две составляющие – это внутренняя и внешняя области облака Оорта.
Интересные факты о нашей вселенной (24 фото)
Млечный путь
Начнем не с факта, а со знакомства с нашей галактикой. Сегодня вечером, когда солнце скроется за горизонтом, взгляните вверх. В зависимости от того, насколько будет темно, Вы сможете видеть скопление звезд, каждая из которых относится к нашей собственной галактике Млечного пути. Но если Вы вглядитесь пристальнее, то будете в состоянии определить и звезды других галактик, кроме нашей собственной, некоторые из которых видны невооруженным глазом.
Другие Галактики
Этот факт непременно заставит Вас чувствовать себя маленькими. Ученые оценивают, что есть сотни миллиардов галактик во вселенной, ни одной из которых Вы не увидите без телескопа. Кроме того у каждой из этих галактик есть миллиарды звезд, а общее число звезд во вселенной приводит к 10 миллиардам триллионов. Число звезд больше, чем число песчинок на всех пляжах Земли.
Темная Материя
Все звезды, галактики и черные дыры во вселенной только составляют приблизительно 5% ее массы. Как бы безумно это не звучало, оставшиеся 95% просто не учтены. Ученые решили маркировать этот таинственный материал темной материей, и по сей день они все еще не уверены, что это такое и как выглядит.
Космическое облако алкоголя
Для тех, кто мечтает открыть свой собственный бар, нет места лучше, чем облако Стрелец B (Sagittarius B). Хотя оно и расположено на расстоянии в 26,000 световых лет, это межзвездное облако газа и пыли содержит миллиарды литров винилового спирта. Хотя он и находится в состоянии, не пригодном для питья, это очень важное органическое соединение, без которого невозможно существование жизни
Луна пахнет, как порох
После отправки лунных астронавтов на миссиях Аполлона, они описывали лунную пыль, как чрезвычайно мягкую и пахнущую порохом. Ученые, однако, все еще точно не уверены, почему это происходит. У пороха чрезвычайно различные составы с лунной пылью, состоящей в большинстве маленьких частиц силиконового стеклянного диоксида.
Ядерный удар по Луне
В поздние 1950е родилось нечто, маркированное Проектом A119. Соединенные Штаты решили, что это будет хорошая идея — запустить ядерную ракету, ударив по Луне. Зачем? Очевидно, они чувствовали, что это даст им фору в Космической гонке? К счастью, этот план никогда не был реализован.
Иллюзия Понцо
Вы когда-либо замечали, что когда луна находится непосредственно на горизонте, она кажется намного ближе и больше? На самом деле это особенность работы человеческого мозга, интерпретировать предметы на расстоянии. Хотя предметы на расстоянии действительно маленькие, Ваш мозг фактически не интерпретирует их, как крошечные. Эффект известен, как иллюзия понцо, когда мозг раздувает размер луны, чтобы заставить её казаться больше. Не верите? В следующий раз, когда увидете огроную луну, поставьте на ее фоне свои часы или руку, и смотрите, как она уменьшается
Самый большой алмаз
В 2004 ученые обнаружили самый большой алмаз из когда-либо зафиксированных. Фактически, это — разрушенная звезда. Составляющая примерно 4000 км в диаметре, с биллионами каратов, она находится на расстоянии примерно в 50 световых лет от Земли.
День Венеры дольше, чем её год
Странно, но Венера проходит всю свою орбиту вокруг солнца прежде, чем ей удается обернуться вокруг собственной оси. Это означает, что день фактически более длителен, чем целый год по времени Венеры. Таким образом, Вторая мировая война в масштабах Венеры закончилась менее 100 дней назад.
Плавающий Сатурн
Если бы Вы должны поместили Сатурн в стакан воды, он бы плавал. Причина этому кроется в его плотности. 687 грамм на см, возведенные в куб, в то время как вода составляет 998 грамм в куб см. К сожалению, Вы нуждались бы в стакане, который составляет более чем 120,000 км в диаметре, чтобы засвидетельствовать это.
Холодная сварка
Это — явление, используемое, чтобы описать факт, что всякий раз, когда два куска металла в космосе соприкасаются друг с другом, они очень плотно склеиваются. В то время как сварка обычно требует высокой температуры, в этом случае космический вакуум играет свою роль. Возникает вопрос, как космические шаттлы сопротивляются этому фактору? Как правило, у металлов на Земле есть слой окисленного материала, покрывающего их поверхность, которая предотвращает холодную сварку в космосе. Таким образом, на миссиях риск случайной сварки шаттла с другими объектами незначителен.
У Земли есть несколько Лун
Хоть они больше походят на лунных подражателей, но ученые обнаружили несколько астероидов, которые более или менее следуют за Землей, в то время как она перемещается вокруг солнца.
Космический мусор
У Земли действительно есть более чем 8,000 объектов, движущихся по кругу на орбите. Большинство из них классифицировано, как «космический мусор», или развалины от космических кораблей и миссий в прошлом. Уже упоминали, что земную орбиту можно отнести к самым загрязненным местам Земли.
Лунный дрейф
Ученые посчитали, что каждый год луна перемещается на 3.8 см далее от Земли. В результате, вращение Земли замедлялось приблизительно на .002 секунды каждый день в течение прошлого столетия.
Солнечным лучам на Земле 30 000 лет
Большинство из нас знает, что свой путь к Земле солнечные лучи проделывают за 8 минут, пересекая 93 миллиона миль между Землей и поверхностью Солнца. Но знаете ли Вы, что энергия в этих лучах начала свою жизнь более, чем 30,000 лет назад глубоко в ядре солнца? Они были сформированы интенсивной реакцией сплава и потратили большинство тысяч лет, пробиваясь на поверхность Солнца.
Большой Ковш — не созвездие
Фактически, Большой Ковш — это астеризм. Есть только 88 официальных созвездий, а все другие, включая Ковш — попадают в категорию астеризмов. Тем не менее, она состоит из 7 самых ярких звезд созвездия Большая Урса, или Большая Медведица
Постоянное движение
Мы живем на планете, которая вращается по своей оси, в то же время вращаясь вокруг звезды, которая вращается вокруг центра галактики, которая также перемещается в пространстве. Походит на достаточно сложную систему, где мы все находимся в постоянном движении и взаимодействии.
Пространственная относительность Галилея
Каким образом Вы узнаете, что автобус, на котором Вы добираетесь до работы, фактически перемещается? Что, если Вы сидите в единственном неподвижном объекте в известной вселенной и все остальное, включая дорогу перемещается? Правда в том, что нет никакого способа доказать то, что перемещается относительно чего. Для Вас человек за окном будет статичен, потому что Ваша система взглядов — автобус. Для человека, смотрящего от тротуара, однако, и Вы, и автобус будете двигаться, потому что его система взглядов — земля.
Скорость Света
Скорость света постоянна, и не зависит ни от каких сопутствующих факторов. Скорость света составляет приблизительно 300 000 километров в секунду.
Универсальный предел скорости
В результате вышеупомянутого факта, что скорость света не может превысить 300 000 километров в секунду, мог бы последовать вывод, что ничто не может, потому эта отметка и считается, как универсальное ограничение скорости. Это, возникают некоторые интересные последствия, приводящие непосредственно к следующему факту.
Теория относительности Эйнштейна
Объясняясь понятными терминами, Эйнштейн по существу выступил с революционной идеей, что не только движение относительно, но и время, также. Можно привести пример, взяв человека, который едет в автобусе, и который стоит на тротуаре. Теперь берем пучок света, отраженный от какой либо поверхности, и направленный в сторону этих двух участников опыта. За один и тот же промежуток времени человек в автобусе преодолеет гораздо большее расстояние навстречу к пучку света, чем пешеход на тротуаре, соответственно встретится с ним на какое-то время раньше. Таким образом можно предположить, что для каждого из участников время было разным, более медленным, или более быстрым.
Двигающиеся часы
Все, о чем мы сейчас говорили, относится к современным технологиям. Фактически, часы в бортовых компьютерах и навигационном оборудовании должны принять во внимание эффекты относительности. Например, если бы Вы измерили время, которое протекло на наручных часах летчиков-истребителей, то Вы обнаружили бы, что оно отстало от Ваших часов на несколько наносекунд.
Относительность времени
Помните физику средней школы? Поскольку сила тяжести увеличивается около поверхности Земли, то же самое происходит и с ускорением. Следуя этой теории, на различных высотах часы тикают на различных скоростях. Кроме того, в то время, как Земля вращается, кто-то стоящий около экватора двигается быстрее, чем кто-то на Северном полюсе. Все потому, что их часы тикают более медленно.
Парадокс Близнецов
Если Вы все еще продержались, дочитав до этой страницы, то сможете без труда понять, о чем пойдет речь. Известный парадокс близнецов постулирует, что, если Вы помещаете одного близнеца в космический корабль, который будет перемещаться со скоростью света через пространство и оставите другого на Земле, то из-за эффектов относительности близнец в космическом корабле возвратится на планету значительно моложе, чем его родной брат на Земле.
Понравился пост? Добавь комментарий, выбери любимую социальную сеть и поделись ссылкой:
Раздел Самые-самые
| Отправить друзьям | Советы туристам | раз(а)
