101 ключевая идея: Астрономия - Джим Брейтот

См. также статьи "Звездная величина", "Звезды 4".

СИЛА ТЯГОТЕНИЯ

Сила тяготения, или сила гравитационного поля массивного объекта, такого, как звезда или планета, определяется как сила тяготения на единицу массы малого объекта, который находится в гравитационном поле звезды или планеты. Величина силы тяготения зависит от расстояния до объекта. К примеру, сила гравитационного поля Земли на высоте 1 000 км над поверхностью планеты составляет 7,5 Н/кг по сравнению с 9,8 Н/кг на уровне поверхности.

Сила гравитационного поля в окрестностях звезды или планеты зависит от массы звезды или планеты и расстояния до ее центра в соответствии с законами Ньютона. Таким образом, сила гравитационного поля на расстоянии r от центра планеты или звезды с массой т равна Gm/r2. Иными словами, сила тяготения звезды или планеты обратно пропорциональна квадрату расстояния до центра звезды или планеты.

Сила тяготения на поверхности планеты или звезды с радиусом R равняется Gm/R2

Таким образом, гравитация на поверхности Луны составляет 1/6 от гравитации на поверхности Земли, так как масса Земли в 81 раз больше, а диаметр Земли примерно в 3,7 раза больше Луны (81/3,72) и (9,8/5,9 = 1,6). Сила тяготения на поверхности планеты или ее спутника определяет скорость убегания.

См. также статьи "Скорость убегания", "Закон тяготения Ньютона".

СКОРОСТЬ УБЕГАНИЯ

Ракете необходимо набрать скорость примерно 11 км/с, чтобы преодолеть силу земного тяготения и достичь Луны или более далеких планет. Эта минимальная скорость называется скоростью убегания. Если двигатели ракеты недостаточно мощные, она не достигнет скорости убегания, ее кинетическая энергия будет недостаточной для преодоления силы тяготения и она упадет обратно на Землю.

Скорость убегания объекта из точки внутри гравитационного поля определяется как минимальная скорость, необходимая для того, чтобы объект мог удалиться из данной точки в бесконечность.

Можно доказать, что скорость убегания из точки на расстояние r от центра планеты равна 2gr, где g — значение силы тяготения в данной точке.

На поверхности Земли g = 9,80 Н/кг, а r = 6370 км. Отсюда скорость убегания равна 2×9,80×6370×1000 = 11 200 м/с.

На поверхности Луны g = 1,62 Н/кг, а r = 1740 км, поэтому скорость убегания с лунной поверхности равна 2380 м/с. Благодаря значительно меньшей скорости убегания на поверхности Луны космонавты спускаемого модуля "Орел" с "Аполлона-11", впервые ступившие на поверхность Луны, смогли вернуться на лунную орбиту без помощи мощных ракет-носителей "Сатурн", необходимых для успешного старта с Земли. У Земли, в отличие от Луны, есть атмосфера. Молекулы газа в земной атмосфере движутся со скоростями гораздо меньшими скорости убегания (11,2 км/с), поэтому они не могут выйти за пределы поля земного тяготения. Молекулы газов, выделяющихся на поверхности Луны, имеют скорости, сходные со скоростями молекул в земной атмосфере, так как температура на Луне не намного отличается от земной. Однако молекулы газа на Луне выходят за пределы поля ее тяготения в открытый космос из-за гораздо более низкой скорости убегания.

См. также статью "Сила тяготения".

СОБСТВЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ

Звезды в созвездии образуют своеобразный рисунок, который сейчас выглядит так же, как сотни лет назад. Звезды, расположенные в пределах 100 парсеков от Солнца, изменяют свое положение за 6 месяцев, а затем возвращаются обратно за следующие 6 месяцев. Этот эффект возникает из-за параллакса, который обусловлен движением Земли вокруг Солнца. Однако некоторые звезды изменяют свое положение на фоне неподвижного звездного неба за период, исчисляемый годами. Этот эффект называется собственным движением и обусловлен движением звезды по отношению к Солнцу и ее ближайшим соседям.

Наиболее характерным примером является звезда Барнарда в созвездии Змееносца, изменяющая свое положение со скоростью примерно 0,3° за 100 лет.[34] Этот красный карлик девятой звездной величины, расположенный всего лишь в 6 световых годах от Солнца, движется в космосе со скоростью более 160 км/с. Если бы звезда Барнарда находилась на расстоянии 600 световых лет, ее собственное движение было бы гораздо менее заметным и составляло бы 0,003° за 100 лет. Ясно, что звезда, не выказывающая признаков собственного движения, расположена слишком далеко, чтобы изменять свое положение в созвездии для наблюдателя с Земли, хотя она может двигаться быстрее, чем звезда Барнарда. Движение таких звезд становится заметным лишь через многие сотни или тысячи лет.

Собственное движение звезды используется для вычисления скорости и направления звезды по отношению к Солнцу. Эти параметры можно определить, если измерить радиальную скорость звезды (расстояние в угловых секундах, пройденное по отношению к Солнцу) и ее тангенциальную скорость (расстояние в угловых секундах, перпендикулярное к линии зрения).

Радиальная скорость измеряется на основе доплеровского смещения в спектре звезды, тангенциальная — вычисляется путем умножения расстояния до звезды на ее собственное движение в радианах в секунду (где 1 радиан = 180/n градусов). Знание скорости и направления движения звезд по отношению к Солнцу, позволило вычислить собственную скорость и направление движения Солнца: примерно 4,2 астрономической единицы в год, или 20 км за секунду, по направлению к созвездиям Лиры и Геркулеса.

См. также статьи "Созвездия 1", "Дистанционные измерения 1", "Спектр оптический".

СОЗВЕЗДИЯ 1: ВСТУПЛЕНИЕ

Созвездия, которые мы привыкли видеть на картах звездного неба, представляют собой произвольные группы звезд, выделенные тысячи лет назад древнегреческими астрономами. Другие древние цивилизации тоже составляли карты небосвода в форме созвездий, но 88 созвездий, обозначенных в современных звездных атласах, определились в Древней Греции. На самом деле в ночном небе две звезды, которые кажутся очень близко расположенными, могут находиться на большем расстоянии друг от друга, чем от Земли. Кажущаяся близость возникает из-за того, что они находятся почти в одном и том же направлении от наблюдателя, но в действительности их разделяет огромное расстояние, если только они не являются двойными звездами.

За исключением созвездий, состоящих из незаходящих звезд, остальные созвездия ночного неба меняются в течение года. Это происходит потому, что они находятся в направлении, противоположном от Солнца, когда мы наблюдаем их с ночной стороны Земли. Земля совершает полный оборот вокруг Солнца за год. По мере того как наша планета движется вокруг Солнца, вид ночного неба изменяется в направлении, противоположном положению Солнца. К примеру, созвездие Ориона — одно из самых заметных зимних созвездий в Северном полушарии, потому что в зимнее время оно находится в направлении, противоположном от Солнца. Нет смысла искать созвездие Ориона летом, поскольку оно находится на одном направлении с Солнцем. Это происходит потому, что Земля переместилась по своей орбите примерно на 180° от зимнего положения. Вы можете узнать, какие созвездия можно видеть в каждое время года, пользуясь звездным атласом.

Пояс созвездий, через который проходит плоскость эклиптики, называется зодиаком. Если бы Солнце было гораздо менее ярким и мы могли одновременно видеть звезды и наше светило, то мы наблюдали бы, как оно в течение года движется через созвездия зодиака. Поскольку орбиты остальных планет лежат примерно в одной плоскости, планеты, наблюдаемые с Земли, не отклоняются далеко от плоскости эклиптики, а потому тоже движутся через созвездия зодиака.

См. также статью "Небесная сфера 1".

СОЗВЕЗДИЯ 2: ВАЖНЕЙШИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Вот два упражнения, предназначенные для начинающих, которые помогут вам ориентироваться в главных созвездиях ночного неба Северного полушария.

1. Посмотрите на север и определите местоположение семи звезд, известных как Большой Ковш в созвездии Большой Медведицы. В бинокль или любительский телескоп можно видеть предпоследнюю звезду рукояти Ковша, звезду Мицар, и ее спутницу — Алькор. На другой стороне Ковша Большой Медведицы две звезды Дубхе и Мерак указывают на Полярную звезду в созвездии Малой Медведицы.

Продолжите воображаемую линию зрения от указателей в конце Большой Медведицы на Полярную звезду и дальше. Там вы увидите созвездие Кассиопеи, легко обнаруживаемое в ночном небе, так как оно образует гигантскую букву W, расположенную примерно под таким же углом к Полярной звезде, как Ковш Большой Медведицы. Сразу за Кассиопеей находится созвездие Андромеды, включающее М31, галактику из созвездия Андромеды — единственный объект за пределами Млечного Пути, который можно видеть невооруженным глазом.