Мир математики. т.30. Музыка сфер. Астрономия и математика - Роза Мария Рос

В хронометрах Гаррисона практически отсутствовало трение, им не требовалась смазка, они были прекрасно сбалансированы и поддерживали точность хода в любой температуре. Так что стоит отдать должное искусству мастера.

Гаррисон умер в 1776 году, и доступ к его наработкам получили многие часовые мастера, которые приступили к изготовлению собственных хронометров. В 1860 году на 200 кораблей английского флота приходилось 800 хронометров. За короткое время это устройство стало привычным средством навигации и заняло важное место в мореходном деле. Можно сказать, что морское господство Британии, да и вообще появление Британской империи стало возможным благодаря быстрому и точному определению координат кораблей в открытом море. Этот способ применялся еще совсем недавно, пока ему на смену не пришли системы спутниковой навигации.

* * *

GPS (от англ. Global Positioning System — «система глобального позиционирования») — это глобальная система спутниковой навигации, позволяющая определять положение любого объекта на поверхности Земли с точностью до нескольких метров. Система включает 32 спутника, которые находятся на околоземной орбите на высоте 20200 км. Траектории спутников синхронизированы так, что они обеспечивают покрытие всей поверхности Земли. Кроме того, ряд наземных станций отправляют им контрольную информацию. Для определения местоположения с помощью GPS требуются специальные приемники, каждый из них использует сигнал как минимум трех спутников. Приемник синхронизирует часы GPS и рассчитывает время прохождения сигнала со спутника, после чего определяет расстояние до спутника с помощью триангуляции и, наконец, реальные координаты точки, в которой он находится.

Глава 5. Большие времена

В прошлой главе мы рассказали об измерении времени, имея в виду то понятие времени, которое мы используем в повседневной жизни. Однако в самой астрономии нужно рассматривать гораздо большие интервалы времени, описывающие астрономические и космологические явления. И в этом масштабе математика играет ключевую роль. Так как результаты астрономических наблюдений охватывают лишь около 300 лет, для изучения «больших времен» необходимо компьютерное моделирование.

Именно математика позволяет создавать модели, которые вкупе с результатами наблюдений помогают определить, что произошло и что произойдет на временном интервале в несколько миллиардов лет. А именно такие интервалы характерны для астрономических явлений.

Все звезды рождаются из облаков газа и пыли в межзвездном пространстве. Под действием сил притяжения эти облака сжимаются, и внутри них образуются звезды. Процесс длится тысячи лет — при сжатии облако нагревается, и его сжатие замедляется, после чего оно вновь охлаждается, так как часть энергии переходит в излучение. Когда новые звезды очищаются от остатков газового облака под действием звездного ветра, окружающий их газ начинает светиться, и звезды становятся ярче.

В областях, где образуются новые звезды, наблюдаются разноцветные газовые облака.

Когда Вселенная только зарождалась (это произошло примерно 14 млрд лет назад), почти вся она состояла из атомов водорода и гелия. Первые звезды появились в результате сжатия облаков газа, практически полностью состоявших из этих химических элементов. Более тяжелые компоненты образовывались в ходе эволюции этих первых звезд. После смерти первые звезды выбрасывали в космос часть своего вещества, обогащенного новыми химическими элементами, в частности кислородом и углеродом, которые сформировались внутри них. Еще более тяжелые элементы, например свинец и уран, образовались во время взрывов сверхновых звезд.

Внутри звезд средних размеров, подобных Солнцу, водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, в углерод, азот и кислород. В конце жизни такие звезды раздуваются и выбрасывают часть своей атмосферы в космос, образуя красивые планетарные туманности.

Туманность NGC 7635, в которой можно различить пузырь звездного ветра — зону расширения, в которой при соударении с межзвездным веществом образуется ударная волна.

Галактическое гало, окружающее звезду V838 в созвездии Единорога. Эта звезда стала одной из самых ярких во всем Млечном Пути, после чего ее блеск вновь уменьшился.

* * *

ДЕТИ ЗВЕЗД

Звезду можно представить как огромную атомную электростанцию — в ее реакторе происходят ядерные реакции, в ходе которых водород превращается в более тяжелые элементы — углерод, азот и кислород. Атомы химических элементов, составляющие человеческое тело, образовались в звездном ветре, поэтому все мы в некотором роде дети звезд, и это не красивая метафора, а научный факт!

* * *

Звезды разных поколений излучают материю, которая смешивается с другими облаками газа, и в результате образуются новые звезды и планетные системы. Концентрация тяжелых элементов, например кислорода, в межзвездном пространстве постоянно увеличивается. Таким образом, возраст звезды можно определить по тому, сколько кислорода она содержит: чем меньше содержание кислорода, тем раньше звезда образовалась.

Подсчитано, что через 4,5 млрд лет Солнце превратится в красный гигант и окончит свое существование в виде прекрасной планетарной туманности. Солнце, Земля и другие планеты будут выброшены в межзвездное пространство и станут материалом для новых звезд, а от всей Солнечной системы останется лишь белый карлик. Срок жизни звезды зависит от ее массы: чем массивнее звезда, тем меньше она живет.

Звезды, меньшие, чем Солнце, в конце жизни не выбрасывают материю в пространство, а просто остывают. Красивее всего заканчивают свою жизнь звезды, размерами намного превышающие наше Солнце: они взрываются, подобно сверхновой, испускают материю и образуют огромное облако раскаленного газа. Во время этого взрыва формируются самые тяжелые химические элементы — золото и уран.

Ядро звезды после взрыва превращается в нейтронную звезду или черную дыру.

Звезды в разных галактиках находятся на разных этапах эволюции: где-то их формирование уже завершено, а где-то именно сейчас образуются тысячи и миллионы звезд.

Как появилась Солнечная система

Солнечная система образовалась из аморфного и протяженного облака газа, насыщенного молекулами водорода, гелия, углекислого газа, аммиака, воды, а также содержащего лед и пыль тугоплавких металлов. Считается, что в межзвездном пространстве это протопланетное облако вращалось и обладало магнитным полем. По какой-то причине, возможно, под действием ударной волны от ближайшей сверхновой, протопланетное облако сжалось настолько, что сила тяготения превысила противодействующие силы и произошел коллапс.

На этом рисунке изображен момент формирования Солнечной системы.

Вы можете видеть образование звезды и окружающего ее диска.

Под действием центробежной силы облаку было проще сжаться в направлении оси вращения, чем перпендикулярно ей. Следовательно, вращавшееся облако сжалось в диск, перпендикулярный оси вращения, подобно тому, как расправляется пачка балерины, исполняющей фуэте, под действием центробежной силы.

Более тяжелые частицы пыли стали частью диска этой протопланетной системы быстрее, чем газ. Плотность облака ближе к центру возрастала, и в самой его сердцевине образовалось Солнце, сохранившее магнитное поле облака. Солнце притянуло к себе большую часть материи, расположенной поблизости. Гравитационная энергия газа и пыли при сжатии преобразовалась в тепловую энергию, в результате Солнце нагрелось. Когда температура внутри него достигла нескольких миллионов градусов, начались ядерные реакции, и молодое Солнце стало излучать собственный свет.

От этого излучения находившаяся поблизости ледяная пыль испарилась, а из частиц тугоплавких металлов начали образовываться тела все большего и большего размера. Они сталкивались друг с другом, в них накапливалось все больше материи — так образовались планеты. Планеты, близкие к Солнцу, богаты тяжелыми элементами, которые образовались из частиц тугоплавких металлов. Более далекие от Солнца планеты, образованные из частиц металлов и мелких льдинок, по составу близки к облаку газа и пыли, из которого сформировалась Солнечная система.

Внешние планеты отличаются большими размерами, имеют кольца и большее число спутников, так как в процессе формирования вблизи них располагалось большее количество вещества.