Главный персонаж Вселенной.
Практически все, что мы видим в космосе,- это 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 аргументы, что во вселенной присутствуют небарионные вещества, состоящие из протонов и нейтронов, а из частиц неясной пока природы; его взаимодействие с обычным веществом происходит только 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, бегущие в разных направлениях, слабо возмущали его плотность. Но до сих пор астрономы не знают точно, как произошло деление почти 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 областях повышенной плотности газа его давление не способно противостоять его же собственному тяготению, то случайно возникшее уплотнение продолжает сжиматься. По-видимому, именно такой процесс гравитационной неустойчивости породил 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. каждое из них можно представить, как совокупность точек. Закон всемирного тяготения ньютона гласит: две точки притягиваются друг к другу силой прямопропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояний 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 чрезвычайно трудоемкой операцией, которую приходилось выполнять пером на бумаге. Ньютон продвинулся далеко в своих исследованиях благодаря 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 большинство задач о взаимодействии космических тел к задаче о притяжении двух точек. Счастье в том, что большинство небесных тел можно уподобить последовательности вложенных друг в друга сфер постоянной плотности. Например, у почти шарообразной земли плотность растет к центру; разбив ее на бесконечное количество сферических слоев, мы убеждаемся, что каждый из 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 специалистам, 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 эллипсов. Если сила взаимодействия изменяется обратно квадрату расстояния, то спутник действительно должен двигаться по эллипсу. Но теория Ньютона не только объяснила уже известные закономерности- она открыла и перспективу: эллипс оказался лишь частным случаем траектории; в зависимости 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 пространстве сила была бы обратно пропорциональна кубу расстояния. Но зачем издеваться над простым и изящным 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 почти 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) решающее влияние оказывает Солнце.
Но тщательное наблюдения не стыковались с теорией Ньютона. Не все получало физического объяснения. Например, ближайшая к Солнцу планета Меркурий движется по довольно 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. Обнаружив 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 объяснил, 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 правильно 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. Гравитационное вращающегося тела в рамках ОТО имеет вихревой компонент: тело не только притягивает объекты, 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 расходятся на бесконечность. На самом же деле взаимное приливное влияние искажает форму звезд- они становятся вытянутыми эллипсоидами, 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.