ЕНКМ_4 часть

метеорное тело, тем менее вероятно его падение на Землю (больших тел гораздо меньше, чем маленьких). Самый крупный железный метеорит Гоба, выпавший около 80 тыс. лет назад, имеет массу 60 т (размеры 2,7×2,7×0,9 метров), был найден в Африке в 1920 г. Самый большой каменный метеорит – Альенде упал в Мексике в 1969 г., но при падении разрушился на большое количество мелких осколков. Метеорит называют в честь географического места (например, поселения), вблизи которого он упал. Однако люди находят метеориты довольно редко (обычно они падают в незаселенные районы), к тому же каменные метеориты легко разрушаются. За 250 лет на территории нашей страны найдено всего 125 метеоритов. Самыми известными из них являются: Тунгусский (упал 30 июня 1908 г., в действительности был осколком кометы), Царевский (1922 г.), СихотэАлинский (12 февраля 1947 г., масса осколков – 30 т.), Витимский

(2002 г.)

Если Земля столкнется с телом гораздо большей массы (астероидом или кометой), то оно может взорваться на поверхности Земли с образованием круглой воронки – кратера. Наиболее известным и хорошо сохранившимся является Аризонский кратер в США диаметром 1 200 м, это результат падения метеорита размером 50 м примерно 50 тыс. лет назад, а самым крупным известным кратером является кратер Земли Уилкса диаметром около 500 км, находящийся подо льдами Антарктиды. Падения очень больших метеоритов могут привести к глобальным экологическим катастрофам. Так, около 65 млн. лет назад после падения большого метеорита в районе полуострова Юкатан (кратер Чиксулуб на южном побережье Мексиканского залива) по наиболее распространенной гипотезе резко изменился климат на всей нашей планете, что привело к вымиранию динозавров, птерозавров, морских рептилий, крупных моллюсков (аммонитов) и некоторых других видов животных и растений. Поэтому важно изучение астероидов для поиска потенциально опасных (особенно среди сближающихся с Землей), хотя до настоящего времени не открыто ни

91

одного астероида, который может столкнуться с Землей в ближайшие десятилетия.

6.3. Эволюция планет и образование Солнечной системы

В 18-19 вв. астрономы попытались создать теорию происхождения Солнечной системы. Первые гипотезы основывались на известных фактах, но не могли правильно объяснить все особенности строения Солнечной системы:

1.Считалось, что на Солнце упала комета, при взрыве было выброшено вещество Солнца, которое образовало планетную систему;

2.Предполагалось, что около Солнца прошла другая звезда, которая притяжением притянула к себе часть его вещества, из которого образовались планеты;

3.По третьей гипотезе думали, что вокруг Солнца двигались маленькие звезды, которые со временем остыли и стали планетами.

Но все эти гипотезы не соответствовали истинному положению вещей.

Первая достоверная научная «небулярная» теория эволюции Солнечной системы была предложена независимо в 1755 г. И. Кантом

и1796 г. П.-С. Лапласом. По этой теории Солнечная система образовалась из большой газовой или пылевой туманности: постепенно вещество сжалось в планеты, существующие сейчас. Были дискуссии о происхождении облака, одни считали, что облако было захвачено Солнцем, другие думали, что планеты образовались вместе с Солнцем. Эта гипотеза не могла объяснить значительное различие в импульсе Солнца и планет.

Современная теория принадлежит советскому ученомуэнциклопедисту Отто Юльевичу Шмидту, который впервые высказал ее в 1944 г. в Казани, куда была эвакуирована из Москвы Академия Наук СССР. Эта теория основывалась на гипотезе Канта-Лапласа, а также учитывала все имеющиеся на тот момент данные астрономии, физики, геологии, планетологии. С 50-х гг. она подвергалась дора-

92

боткам и улучшениям. Является наиболее полно описывающей эволюцию планет в Солнечной системе (рис. 6.2).

Рис. 6.2: Происхождение Солнечной системы.

Примерно около 4 млрд. лет назад, когда в Солнечной системе было 50-100 крупных тел планетного типа, началась эпоха «метеоритной бомбардировки». Происходили многочисленные столкновения и падения крупных метеоритов на поверхности (о чем говорит большое количество метеоритных кратеров на Луне, Меркурии, спутниках планет). В это время происходили и очень серьезные столкновения, так в результате одного из столкновений Меркурий лишился своей мантии, а касательное столкновение Земли с телом размером с Марс привело к появлению Луны (по общепринятой сейчас теории). Эта эпоха закончилась примерно через 100 млн. лет. В тоже время у планет-гигантов возникли собственные газопылевые

93

диски, из которых затем сформировались кольца и многочисленные спутники. Планета, которая должна была появиться около Юпитера, не смогла сформироваться из-за его гравитационного воздействия, поэтому там остался «строительный мусор» в виде пояса астероидов.

В конце XX в. после многолетних поисков астрономы начали обнаруживать многочисленные подтверждения возможности такого образования планетных систем. С середины 80-х гг. открыты газопылевые диски вокруг нескольких десятков звезд (например, у звезд Живописца, Веги – одной из самых ярких звезд неба и др.), в некоторых из них наблюдаются формирующиеся планеты. В 1995 г. швейцарские астрономы М. Майор и Д. Келос у звезды 51 Пегаса открыли первую планету, находящуюся вне Солнечной системы (экзопланету). Сейчас с каждым годом открывается все больше экзопланет разной массы и, даже, планетные системы по 2-3 планеты. К началу марта 2011 г. известно уже около 530 внесолнечных планет у более 440 звезд, подавляющее большинство из них являются планетамигигантами, но в последние годы открыто несколько экзопланет, похожих по параметрам на Землю (к примеру у звезды Gliese 581). Таким образом, образование около звезд протопланетных дисков и планет – явление не исключительное и хорошо описывается в рамках эргодической гипотезы (все стадии образования планет непосредственно наблюдаются).

Подумайте и ответьте:

1.Перечислите и опишите основные типы объектов Солнечной системы? Почему наша система называется Солнечной?

2.Чем различаются две группы больших планет Солнечной систе-

мы?

3.Опишите физические условия на больших планетах.

4.Опишите основные отличия между большими планетами, карликовыми планетами, спутниками, кометами, астероидами, метеорным веществом.

94

5.Опишите поэтапно процесс происхождения и развития Солнечной системы. Почему ближе к центру Солнечной системы находятся каменистые планеты, а во внешней ее части газовые гиганты?

6.Расскажите, для чего необходимо изучать объекты Солнечной системы.

95

7. СИНГУЛЯРНОСТИ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ. ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

С понятием кривизны пространства-времени часто связывают понятие гравитационной сингулярности. Под сингулярностью в математике подразумевается точка, в которой математическая функция стремится к бесконечности или имеет какие-либо иные «нерегуляр-

ности» поведения. Гравитационная сингулярность – область про-

странства-времени, в которой кривизна пространственно-временного континуума обращается в бесконечность или терпит разрыв, либо метрика обладает иными патологическими свойствами, не допускающими физической интерпретации. Одним из примеров гравитационной сингулярности является космологическая сингулярность – состояние Вселенной в начальный момент большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества.

Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас теоретическим путем пришел к выводу, что свет не может уйти от тела, если оно достаточно массивно или достаточно сильно сжато. Даже из ньютоновской теории следует, что если скорость убегания для какого-либо объекта превышает величину скорости света, то этот объект для внешнего наблюдателя будет казаться абсолютно черным. Но на протяжении почти двухсот лет никому не приходило в голову, что в природе могут действительно существовать черные дыры. Однако к середине 1960-х гг. астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции.

Черная дыра – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть еѐ не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Граница этой области называется горизонтом событий, а еѐ характерный размер — гравитационным радиусом. Термин «горизонт событий» – очень удачное

96

название для той поверхности в пространстве-времени, из которой ничто не может выбраться. Это действительно «горизонт», за которым все «события» пропадают из виду. Иногда горизонт событий, окружающий черную дыру, называют ее поверхностью.

В простейшем случае гравитационный радиус сферически симметричной чѐрной дыры равен радиусу Шварцшильда:

2GM rs c2 ,

где с – скорость света, M – масса тела, G – гравитационная постоянная.

Теоретически возможность существования таких областей про- странства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 г. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселен-

ная: известное и неизвестное (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 декабря 1967 г. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звѐзды» или «коллапсары», а также «застывшие звѐзды».

Вопрос о реальном существовании чѐрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой их существование следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждѐнной экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чѐрных дыр. Поэтому наблюдательные данные анализируются и интерпретируются, прежде всего, в контексте ОТО, хотя, строго говоря, теория не является экспериментально подтверждѐнной для условий, соответствующих области пространствавремени в непосредственной близости от чѐрных дыр.

Исследовать свойства черных дыр лучше всего, изучая, как движутся в этих сильно искривленных областях пространства-времени объекты – малые тела (материальные точки) и лучи света. Рассмот-

97

рим прохождение лучей света вблизи черной дыры (рис. 7.1). Лучи света, проходящие ближе к черной дыре, отклоняются на более значительные углы. Когда свет распространяется через область про- странства-времени с большей кривизной, его мировая линия становится все более искривленной. Можно даже направить луч света точно в таком направлении относительно черной дыры, чтобы этот свет оказался пойман на круговую орбиту вокруг дыры. Эта сфера вокруг черной дыры иногда называется «фотонной сферой» или «фотонной окружностью»; она образована светом, обегающим вокруг черной дыры по всевозможным круговым орбитам (рис. 7.2). Каждая звезда во Вселенной посылает хоть немного света именно на такое расстояние от черной дыры, что этот свет захватывается на фотонную сферу. Наконец, те лучи света, которые нацелены почти прямо на черную дыру, «всасываются» в нее. Такие лучи навсегда уходят из внешнего мира – черная дыра их буквально поглощает.

Что касается человека, падающего на черную дыру, то следует уделить внимание следующим любопытным эффектам. Предположим, что человек падает вниз ногами к черной дыре. Его падение все время свободное, так что человек находится в состоянии невесомости. Однако при сближении с черной дырой человек начнет ощущать нечто необычное, поскольку его ноги оказываются ближе к черной дыре, чем голова. Дело в том, что ноги будут падать быстрее, чем голова. В результате тело человека станет вытягиваться в длинную тонкую нить. К моменту пересечения горизонта его длина может достичь сотни километров.

98

Рис. 7.1: Лучи света отклоняются мощным гравитационным полем, окружающим черную дыру. Вдали от дыры лучи искривляют-

ся слабо. Если же луч проходит совсем рядом с дырой, она может захватить его на круговую орбиту или засосать в себя совсем.

Рис. 7.2: Шварцшильдовская черная дыра. Простейшая идеальная черная дыра (незаряженная и невращающаяся) окружена фотонной сферой. Сферический горизонт событий представляет со-

бою «поверхность» черной дыры.

Падение на черную дыру – занятие не из приятных. В самом деле, еще задолго до того, как человек приближается к фотонной сфере, его тело будет разорвано приливными силами невероятной мощи.

7.1. Образование черных дыр

99

Черные дыры звездных масс. Самый очевидный путь образования черной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие поддерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением и звездным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает сжиматься. Наиболее быстро сжимается ядро звезды, при этом оно сильно разогревается (его гравитационная энергия переходит в тепло) и нагревает окружающую его оболочку. В итоге звезда теряет свои наружные слои в виде медленно расширяющейся планетарной туманности или катастрофически сброшенной оболочки сверхновой. А судьба сжимающегося ядра зависит от его массы. Расчеты показывают, что если масса ядра звезды не превосходит трех масс Солнца, то она «выигрывает битву с гравитацией»: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Если масса ядра звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить его катастрофический коллапс, и оно быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой.

Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчетами: все компоненты двойных звездных систем, проявляющие свойства черных дыр (в 2005 г. их было известно около 20), имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звездной эволюции указывает, что за 12 млрд. лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд. звезд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков млн. черных дыр.

Сверхмассивные черные дыры. Черные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца) могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетель-

100