Печать страницы - Космос

Увлечения => Наука и образование => Тема начата: фок Гюнце от 06 Янв, 2021, 06:37:30

Название: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 06 Янв, 2021, 06:37:30

А еще, коль скоро в астрономическом приложении упомянуты, скажем, газовый и ледяной гиганты, но не рассказаны подробности о том, что это и чем друг от друга отличается, решил я рассказать про классификацию планет (и подобных им объектов).

Проблема в том, что общепринятой законченной официальной классификации планет пока не существует, поэтому описывать можно только принятые классы планет, открытых к настоящему времени в Солнечной системе и за ее пределами.
Для начала - планеты земной группы. Можно считать, что особенностью этих планет является наличие у них твердой или жидкой поверхности, над которой может находиться газовая оболочка (атмосфера). Планеты земной группы подразделяются на миниземли и суперземли.
Миниземля - планета с твердой поверхностью, сравнимая с Землей по массе или меньшая ее. Примеры - Земля, Марс, Венера, Меркурий.
Иногда (и часто) выделяют собственно миниземли - планеты с массой, существенно существенно меньшей массы Земли (в Солнечной системе это - Меркурий и Марс) - и земли (по массе сравнимые с Землей) - но такое разделение не является общепринятым. В принципе, отличить их можно так: на месте Земли в Солнечной системе миниземля за длительное время не сумела бы удержать атмосферу, а земля бы ее сохранила. В таком варианте классификации в Солнечной системе есть две миниземли - Марс и Меркурий - и две земли - Земля и Венера.
Суперземля - планета с твердой (или жидкой) поверхностью, заметно превышающая Землю. Признаком суперземли может являться мощность атмосферы, сравнимой по размерам с самой планетой, хотя это вовсе не обязательно. Считается, что масса суперземли находится в пределах от трех до семи-десяти масс Земли, а возможно при некоторых условиях - и более. При большей массе планета захватывает при своем формировании летучие вещества из протопланетного диска и переходит в класс более крупных планет - ледяных гигантов, потому что у нее появляется протяженная газовая оболочка, под давлением формирующая мощный ледяной слой. Подкласс горячих суперземель составляют планеты, близкие к своим звездам и имеющие в результате высокую температуру поверхности (от семисот градусов Кельвина). В Солнечной системе суперземель нет.
Вариант планет такого типа - хтоническая планета - бывший горячий газовый или ледяной гигант, под влиянием излучения своей звезды потерявший газовую оболочку и сохранивший лишь каменное или металлическое ядро. Скорее всего, хтоническими планетами являются две планеты субкарлика KOI-55, сбросившего свою оболочку - KOI-55b и KOI-55c. Они отличаются феноменальными характеристиками - удалены от центра своей звезды на 900 тысяч (всего в два с половиной раза дальше, чем Луна от Земли!) и 1,15 миллиона километров, имеют периоды обращения 5 часов 45 минут и 8 часов 15 минут, и температура подзвездной точки ближней из них превосходит девять тысяч градусов - выше, чем у подавляющего большинства звезд.
В зависимости от химического состава, планеты земной группы могут быть классифицированы как силикатные планеты, железные планеты (пример - суперземля Kepler-10b, имеющая массу 4,5 земной и плотность выше, чем у железа), углеродные планеты, планеты-океаны.
Планеты с массой, существенно большей земной, но недостаточной для появления в их центре металлического водорода под действием давления вышележащих слоев классифицируются как ледяные гиганты, которые иногда называют нептунами (масса - ориентировочно от десяти до шестидесяти масс Земли). Они заметно отличаются от планет земной группы, потому что их основную массу составляют так называемые льды - метановые, аммиачные или водяные горячие пластичные массы, находящиеся под высоким (сотни тысяч и миллионы атмосфер) давлением. У них нет выраженной твердой поверхности - мощная атмосфера плавно и непосредственно переходит в лед. Типичные представители ледяных гигантов - Уран и Нептун. Ледяные гиганты тоже в зависимости от положения относительно звезды могут быть горячими ("горячие нептуны").
Еще более крупные планеты классифицируются как газовые гиганты или "юпитеры". При такой массе планета эффективно захватывает и удерживает своим тяготением легкие летучие газы, и поэтому основная масса этих планет приходится на водород и гелий, которые не только формируют атмосферу, но и в основном составляют недра планеты. Эти газы сжаты огромным давлением до жидкого, а в центральных областях планеты - до твердого металлического состояния. Примеры - Юпитер, Сатурн. С большой долей вероятности в центре таких планет идут термоядерные реакции, только их эффективность невелика и не играет существенной роли в тепловом балансе.
Среди "горячих юпитеров " можно выделить интересный подкласс рыхлых планет - небольших горячих юпитеров массой, примерно равной массе нашего Юпитера или превосходящих ее не более, чем в два раза, очень близких к своей звезде, имеющих высокую температуру (тысячи градусов) и поэтому из-за испарения очень протяженных. Пример - WASP-17b массой 0,49 массы Юпитера, диаметром почти в два раза большим и плотностью как у пенопласта.При большей массе гравитация планеты не дает газам "убегать" на большое расстояние и образовывать протяженную атмосферу.
Самые крупные газовые гиганты могут оказаться субкоричневыми карликами, то есть, образованиями, по виду схожими с планетами, но образованными как звезда - коллапсом газового облака.
Начиная с массы 12,57 массы Юпитера, газовые гиганты уже считаются коричневыми карликами - в них безусловно идут термоядерные реакции с заметной интенсивностью, которой, однако же, не хватает для компенсации охлаждения.
При массе, превосходящей Юпитер в восемьдесят раз (0,0767 массы Солнца), интенсивность термоядерной реакции достаточна для компенсации охлаждения - и такой объект является звездой (красный карлик класса М).
Особняком стоят так называемые гелиевые планеты - планеты-гиганты, сформированные из гелия, потерянного белым карликом. Такие планеты являются в значительной степени плодом теоретических представлений, хотя планета GD 66b, обращающаяся вокруг белого карлика GD 66, является кандидатом в такие объекты.
Следует обратить внимание на интересное обстоятельство: "нормальные" планеты массой более 12,57 масс Юпитера можно отнести к коричневым карликам, потому что температура и давление в них оказываются достаточными для протекания термоядерных реакций синтеза гелия из дейтерия. Но гелиевые планеты дейтерия изначально не содержат, поэтому вступать в ядерную реакцию в них просто нечему - ядерные реакции в центральной части таких планет не могут начаться ни при какой, даже весьма большой мыслимой массе. Даже если представить себе, что масса такого объекта превысит 7,67% массы Солнца, он при этом не будет являться звездой, поскольку "термодерного топлива" в нем нет, и излучать энергию нечему - по свойствам он будет соответствовать белому карлику. Так что в каком-то смысле гелиевые планеты - это сверхмалые белые карлики.

Ну, и о терминах "горячая планета" и "холодная планета". Они имеют строгое значение и объективный характер. Ответ на вопрос о том, является ли данная планета просто теплой, очень теплой или же горячей, никак не зависит от мнений, предпочтений или же ощущений того или иного человека и решается относительно просто.
Для того, чтобы получить этот ответ, нужно всего лишь рассчитать, на каком расстоянии от звезды, вокруг которой обращается эта планета, должна находиться Земля, чтобы получать столько же излучения, сколько мы получаем, обращаясь вокруг Солнца. Это расстояние часто называется радиусом эффективной земной орбиты.
И если расстояние, на котором планета обращается вокруг своей звезды (строго говоря, так как планеты более или менее обращаются по эллипсу - большая полуось орбиты) меньше, чем радиус эффективной земной орбиты для этой звезды, в десять и более раз - то планета именуется горячей.
Если это расстояние лежит в пределах от 0,1 до 0,4 радиуса эффективной земной орбиты - очень теплой.
Если от 0,4 до 0,8 - теплой.
Замечу, что температурой как таковой эти понятия не определяются.

Название: Re: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 06 Янв, 2021, 18:28:48

Об экзотических экзопланетах.

Решил я привести список самых на сегодняшний день экзотических по некотором параметрам экзопланет.

Начнем с экзопланет у активных звезд.

Самая горячая - KELT-9b (HD 1 95689b) имеет максимальную температуру 4570±90 градусов. Выше, чем у большинства звезд.

А планета EPIC 228813918 b, занимая рекордное место по орбитальному периоду (год длится 4 часа 18 минут 47,8 секунды) и будучи удаленной на 870 тысяч километров от своей звезды, еще и фактически находится внутри предела Роша (притяжение звезды на ее поверхности в подзвездной точке превосходит притяжение самой планеты). Минимальная плотность, при которой планета не разрушится, составляет примерно 6500 кг/м³ - чуть поменьше, чем у цинка или олова, но всяко больше титана. При меньшей плотности она бы уже образовала пылевой диск вокруг своей звезды наподобие кольца Сатурна!)

Самая неплотная - Kepler-51b. По уточненным данным имеет дивную плотность около 30 кг/м³. Это даже не пенопласт.

Самая плотная - Kepler-406b - имеет диаметр 1,43 ± 0,03 земного, массу 6,35 ± 1,4 земной, соответственно, плотность - 11800 ± 2700 кг/м³. Куда там железу...

Самая эксцентричная - HD 20782b. Эксцентриситет орбиты - 0,97, комете впору. Перицентрическое расстояние 15 миллионов километров, апоцентрическое - 393 миллиона километров.

Зоопарк...

А если не ограничиваться экзопланетами у активных звезд, список становится еще более экзотическим:

Самая плотная, самая близкая к звезде и самая экзотическая экзопланета - PSR J1719-1438b, обращающаяся вокруг нейтронной звезды PSR J1719-1438. Это - знаменитая экзопланета, представляющая собой остатки белого карлика, почти полностью разрушенного взрывом сверхновой. Она обращается вокруг пульсара на расстоянии шестьсот тысяч километров, имеет период обращения два часа десять минут и чуть превосходит по массе Юпитер.
Плотность этой планеты - 23 тонны на кубометр (выше плотности любого металла в наших условиях). Она состоит из кристаллического углерода, в просторечии именуемого алмазом. :)

Самая маленькая - PSR 1257+12b - одна из планет, обращающихся вокруг нейтронной звезды PSR 1257+12. Масса это экзопланеты в сорок раз меньше земной. В той же системе находится объект PSR 1257+12e массой в 0,0004 земной (0,2 массы Плутона), так что налицо открытый у другой звезды астероид.

Самая черная - TrES-2b. Альбедо ниже одного процента (причем, скорее всего, существенно) - химическая промышленность Земли не научилась получать такие черные краски.

Самая старая - интересная планета PSR B1620-26 b - газовый гигант массой в 2,5 масс Юпитера, обращающаяся вокруг нейтронной звезды PSR B1620-26 А и древнего белого карлика PSR B1620-26 В в шаровом звездном скоплении М4 (удалена от нас на 12400 световых лет). Возраст планеты - 12,7 миллиарда лет. Имя - соответствующее, Methuselah (Мафусаил). Знаменита тем, что ее атмосфера периодически ярко вспыхивает, попадая под излучение аккретора (ничего не напоминает?).

Самая горячая - KOI-55b (она же Kepler-70b). Планеты KOI-55b и KOI-55с вращаются вокруг белого карлика, имеющего температуру поверхности почти двадцать восемь тысяч градусов. Планеты пережили погружение в звезду когда она была красным гигантом и сейчас обращаются вокруг ее раскаленного остатка на расстояниях девятьсот тысяч и миллион сто сорок тысяч километров. Расчетная температура подзвездной точки ближней планеты превышает девять тысяч градусов Кельвина (!!!)

Самая близкая - планета у ближайшей к нам звезды, Проксимы, именуемая Альфа Центавра Cb массой не менее 1,3 земных. Это уже точно ближайшая.

Самая далекая... тут целая группа.
Самая далекая достоверно подтвержденная - последней мне известной была OGLE-2005-BLG-390Lb, массой в 5,5 раза больше земной. Удалена на 21,5 тысяч световых лет. Дальше подтверждаться будут и более дальние.
Самая далекая открытая - планета звезды PA-99-N2. Планета-гигант массой в 6,7 масс Юпитера. Удалена на расстояние два с половиной миллиона световых лет и находится в галактике Андромеды.
Самая далекая наблюдавшаяся - безымянная планета, случайно зафиксированная в далекой галактике при микролинзировании двойного квазара, имеющая массу, по порядку величины близкую массе Земли, и удаленная на расстояние примерно 3,7 миллиарда световых лет.
(Квазар Q0957+561 имеет красное смещение z=1,41 (8,7 миллиарда световых лет) и виден на небе в виде двух изображений, потому что он линзируется (его изображение искажается гравитационным полем) гигантской эллиптической галактикой Q0957+561 G1, удаленной на 3,7 миллиарда световых лет. Из-за движения галактики и ее звезд изображения квазара немного меняются, и при наблюдении этого процесса было обнаружено наличие в линзирующей галактике объекта массой, близкой к земной, идентифицируемого как планета).
Впрочем, есть новый рекорд - 6,2 миллиарда световых лет. Линзирование квазара SDSS J1004+4112 галактикой на красном смещении z=0,68, в которой аналогичным образом обнаружена планета.

Название: Re: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 09 Янв, 2021, 09:33:23

Кое-что о черных дырах

Мы представляем себе черную дыру как некую круглую дырку в пространстве-времени, имеющую массу и, соответственно, обладающую гравитацией, в которую все может упасть, и из которой ничего не может вырваться. Радиус этой дырки - радиус горизонта событий, попав внутрь, тело исчезает для внешнего мира, а вне горизонта событий черная дыра воспринимается как обыкновенный гравитирующий объект. Такая черная дыра характеризуется лишь одним параметром - массой, однозначно определяющей ее радиус горизонта событий и остальные характеристики, и в этом смысле все черные дыры одинаковой массы абсолютно подобны.
На самом деле, все несколько сложнее. У черной дыры есть не один, а три параметра - масса, момент вращения и электрический заряд - и описанное представление верно только для случая невращающейся и незаряженной черной дыры, описанной Шварцшильдом при решении уравнений Эйнштейна общей теории относительности (решение Шварцшильда).
Случай невращающейся заряженной черной дыры описывается так называемым решением Райсснера - Нордстрёма - но он не слишком интересен, как с точки зрения наблюдаемых эффектов, так и по той причине, что мало-мальски значимого нескомпенсированного заряда у реальных черных дыр быть не должно ни при каком сценарии их появления.
Зато мы знаем, что все тела Вселенной вращаются - и по закону сохранения момента, черные дыры тоже являются вращающимися. Так что параметр момента вращения для черных дыр является очень важным - они все им обладают.
Вращающиеся черные дыры описываются решением Керра, которое описывает ряд интересных свойств черных дыр.
Если керровская черная дыра вращается относительно медленно (то есть, ее угловая скорость не превышает определенного значения, связанного только с ее массой), причем по данным наблюдений в норме физически реализуется именно этот случай - то она, как и шварцшильдовская невращающаяся черная дыра имеет горизонт событий. Но, дополнительно к нему, вокруг горизонта событий появляется так называемая эргосфера - область эллипсоидальной формы, на полюсах примыкающая к горизонту событий, а на экваторе отстоящая от него на некоторое расстояние, тем большее, чем выше скорость вращения черной дыры. Эргосфера - это область пространства, закрученного вращением черной дыры настолько сильно, что ни одно тело, даже фотоны, не могут в нем покоиться либо двигаться прямолинейно и вынуждены вращаться в том же направлении, что и сама черная дыра. Тело, попавшее в эргосферу, но не пересекшее горизонт событий, может ее покинуть, при этом приобретя дополнительный момент вращения. В результате любой вращающейся черной дыре может быть свойственно явление суперрадиации - когда тело, попавшее в эргосферу, приобретает за счет вращения черной дыры дополнительную кинетическую энергию и выбрасывается из эргосферы со скоростью, большей, чем имело при вхождении в оную.
На практике это может означать, например, что, облучая черную дыру мягкими фотонами почти по касательной в направлении ее вращения, мы можем на выходе получить ливень жестких гамма-квантов. Разумеется, такой процесс будет тормозить вращение самой дыры, теряющей момент за счет суперрадиации. Это, конечно, не вечный двигатель - но за фантастический весьма мощный источник энергии для какой-нибудь суперцивилизации вполне сойдет...
А вот если момент вращения черной дыры достаточно велик - начинается суперэкзотика. Математическая....

Решение Керра для быстровращающейся черной дыры выглядит ошеломляюще. Горизонт событий исчезает, и черная дыра оказывается бесконечно тонким массивным и быстро вращающимся кольцом с диаметром, определяемым соотношением массы и момента, а внешний мир распадается на две части ("листа"), расположенные с двух сторон кольца. Любое тело, пролетевшее через кольцо, оказывается в другом листе, так что при этом с точки зрения внешнего наблюдателя его заряды, масса (?) и ход времени для него меняются на противоположные...

Часто любят говорить, что реализация решения Керра для быстровращающейся черной дыры описывает математическую возможность построения машины времени, но, как по мне, так это - далеко не самое удивительное свойство этого решения.

Увы, но уточненное математическое решение уравнений, описывающих такую ситуацию, показывает, что на самом деле все далеко не так экзотично, поскольку "прохождение через кольцо" для попадания в другой лист физически невозможно.
К тому же, тонкий анализ процесса формирования черной дыры показывает, что любой мыслимый сценарий ее рождения сопровождается энергичной передачей момента от коллапсирующего в дыру тела внешней сбрасываемой массе, так что возникновение "сверхпредельных" дыр Керра оказывается, похоже, невозможным.

И, наконец, черные дыры описываются еще одним параметром - временем. Увы, но стационарных черных дыр, неизменных во времени, не существует, что показал Стивен Хокинг еще в 1975 году, доказав, что черная дыра умеет не только все поглощать, но еще и излучать кое-что.

Дело в том, что из-за квантовомеханических явлений мощное гравитационное поле вокруг горизонта событий черной дыры порождает пары виртуальных частиц (частица-античастица). В норме это происходит всегда и остается совершенно ненаблюдаемым - как родилась пара, так она и пропала при аннигиляции рожденных виртуальных частиц друг с другом. Но в случае черной дыры при рождении такой пары около горизонта событий одна из виртуальных частиц может "упасть" в него - а вторая становится реальной и улетает. В результате около черных дыр может непрерывно рождаться излучение, уменьшающее их массу.

Мощность такого излучения зависит от кривизны пространства вокруг черной дыры, вернее, от ее градиента, и оказывается тем большей, чем меньше масса черной дыры. По расчетам, на нынешнем этапе развития Вселенной мощность (и температура) излучения черных дыр с массами порядка звездных (а тем более, более крупных сверхмассивных черных дыр) намного ниже мощности и температуры реликтового излучения, так что черные дыры с такими параметрами пока только растут, поглощая первичные фотоны. Но спустя сотни миллиардов лет, когда температура реликтового излучения упадет, черные дыры начнут излучать больше, чем поглощать, и начнется квантовомеханическое испарение черных дыр.

Характер испарения черных дыр достаточно интересен - раз мощность излучения растет с уменьшением ее массы, скорость испарения, соответственно, с течением времени растет по мере нарастания самого процесса. Теоретически, черная дыра уникально малой массы в миллиард тонн (масса сравнительно небольшого астероида) испаряется за время порядка десяти миллиардов лет, а массой в сто тонн - менее, чем за одну десятую секунды. Кстати, неплохой результат - за одну десятую секунды выделяется энергия, соответствующая ядерному взрыву в 25 гигатонн, а за предшествующие сто секунд - еще на порядок большая...

Ну, и для памяти - продолжительность жизни черной дыры я приводил, но повторю:
Время жизни черной дыры до ее полного испарения составляет
10240 π^2 G^2 M^3/(hc^4)
где π - число пи
(примерно 3,1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078164062862089986280348253421170679821480865132823);
G - гравитационная постоянная, 6,675·10^-11 м^3/(с^-2·кг):
M - масса черной дыры в килограммах;
С - скорость света, 299792458 м/с;
h - постоянная Планка, 6,626·10^-34 Дж·c

Приближенно можно пользоваться формулой Т = 10 (М/1 000 000 000 000)^3
где Т - время в миллиардах лет, М - масса черной дыры в килограммах.

За это время черная дыра данной массы полностью испаряется.

Название: Re: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 09 Янв, 2021, 09:53:23

О черных дырах, сумме углов треугольников - и, в конце концов, о том, где (и может быть, даже почему) мы живем.

Как-то раз я упоминал о том, что, согласно наблюдениям, наша Вселенная, похоже - плоская (в смысле, геометрия во Вселенной евклидова). Как минимум, это означает, что сумма углов треугольников космологических размеров в ней в среднем (при том, что у одного треугольника больше, у другого - меньше) равна ста восьмидесяти градусам.
В принципе, кажется, что этот результат совершенно тривиален. И кажется это напрасно. Ибо тот факт, что наблюдаемая нами Вселенная является плоской, то есть, что в нашем мире в целом действует евклидова геометрия, сумма углов треугольника в нем равна в среднем ста восьмидесяти градусам, а кратчайшим расстоянием между двумя точками является длина соединяющего их отрезка прямой, означает, что радиус Хаббла нашей Вселенной равен ее радиусу Шварцшильда.

Надеюсь, Вы потрясены? Неужели нет? А зря.
Ибо в переводе на человеческий язык все это означает, что диаметр наблюдаемой нами Вселенной (если говорить точно, то расстояние от нас до объектов, которые вследствие расширения Вселенной удаляются в данный момент от нас со скоростью света) строго равен диаметру горизонта событий черной дыры, имеющей массу, равную массе этой самой наблюдаемой Вселенной.
А если говорить еще проще, это означает следующее: радиус Хаббла равен 13,8 миллиарда световых лет (по времени распространения, см. выше, пост о четырех расстояниях). Внутри этого радиуса имеется наблюдаемая Вселенная - все, что мы теоретически можем видеть. Эта наблюдаемая Вселенная имеет свою массу (я как-то упоминал, что она примерно равна массе железного шара радиусом от Солнца до Сириуса. И всего-то). Черная дыра такой же массы имела бы радиус (горизонта событий) 13,8 миллиарда световых лет - как раз, радиус наблюдаемой Вселенной. И все.

Если угодно, из этого вполне можно сделать вывод о том, что вся наша Вселенная существует внутри черной дыры, существующей в какой-то другой Вселенной. Подчеркиваю - именно можно сделать вывод и ничего более. Это - не доказательство того, что "дело на самом деле обстоит именно так", тем более, что наблюдаемые эффекты в случаях "так" и "не так" неразличимы.
Замечу еще, что "наружный" радиус и масса этой самой черной дыры в той самой "другой Вселенной" вовсе не должны быть столь же велики, как радиус, наблюдаемый нами изнутри, и масса нашей Вселенной. Они вообще никак не связаны. В "том мире" эта черная дыра может наблюдаться как объект с радиусом горизонта событий в несколько десятков километров и массой в несколько солнечных - а может и вообще уже испариться - значит, новая Вселенная при этом полностью "отпочковалась" от старой.

А умнейший человек Ли Смолин из этого сделал еще один гипотетический вывод, именуемый принципом космологического естественного отбора. Описать этот принцип простым образом можно так:
Согласно одной остроумной (и не противоречащей физике) гипотезе, при любом коллапсе и появлении новой черной дыры внутри нее рождается новая Вселенная. Вот так... Даже если сколлапсировала простая звезда - там, внутри родился новый колоссальный, почти бесконечный мир. При этом свойства той, новой Вселенной, ненамного, почти незаметно отличаются от свойств Вселенной родительской.
В результате в Мультивселенной, наполненной множеством Вселенных, идет процесс эволюции этих Вселенных - нормальный, почти биологический, с мутациями. Те Вселенные, которые "неудачны", не дают потомства или почти не дают - в них по причине особенностей и свойств их пространства и физических законов вовсе нет или почти нет или совсем нет звезд и почти не взрываются сверхновые (а замечу, что в подавляющем большинстве возможных конфигураций Вселенных, их мировых констант и физических законов, невозможно существование атомов, а не то, что звезд).
Более удачные Вселенные могут рождать новые Вселенные - в них могут существовать макроскопические объекты, в том числе, массивные звезды, порождающие черные дыры. Особенно удачные Вселенные, в которых звезд много, дают больше потомства. Часть этого потомства рождает новые Вселенные еще эффективнее и чаще. Через миллиарды (а может, триллионы и квадриллионы) лет Вселенные, наиболее приспособленные к размножению, то есть, имеющие параметры, наиболее приспособленные для существования звезд и их нормальной (в нашем понимании) эволюции, а в конце концов, для создания черных дыр, окажутся в подавляющем большинстве. И тогда не стоит удивляться тому, что мы живем во Вселенной, которая явлется потомком многих поколений миров, удачно приспособленных к воспроизведению себе подобных.
То есть, если предположить, что наша Вселенная действительно возникла в черной дыре, появившейся в иной Вселенной - стало быть, та Вселенная была устроена так, что в ней было чему коллапсировать в черные дыры. И если при каждом рождении черной дыры свойства рожденной в ней Вселенной чуть-чуть отличаются от свойств Вселенной-родителя - то в мироздании постоянно идет процесс эволюции Вселенных, в ходе которого дают больше потомства именно те Вселенные, которые лучше других к этому приспособлены (в которых есть звезды, эти звезды являются достаточно устойчивыми, могут иметь достаточную массу и коллапсировать в черные дыры). При этом случайно (и не более того) получилось так, что жизнь тоже может возникнуть лишь во Вселенных, имеющих перечисленные свойства - так что рано или поздно большинство Вселенных мироздания (Мультивселенной) окажется вполне приспособленными к возникновению развитию в них жизни.

Название: Re: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 11 Янв, 2021, 13:21:16

О монтировках.

Если кому-то было не лень прочитать в этой теме пост о координатах (#142), я могу рассказать, как они используются для установки и наведения телескопов. Ведь задача любого телескопа - не просто смотреть на небо, а смотреть на заданную координату. Так, чтобы ее было легко найти, навести на нее оптическую ось телескопа, а при продолжительном наблюдении (в первую очередь - фотографировании) еще и обеспечить слежение за этой координатой длительное время, несмотря на вращение Земли.

В принципе, самый методологически простой способ для этого выглядит следующим образом - для того, чтобы легко наводить телескоп на заданную точку небесной сферы (на заданную координату) и без проблем следить за ней, несмотря на вращение Земли, телескоп можно установить на две вращающиеся оси.
Одна ось должна быть строго параллельна оси вращения Земли (то есть, если телескоп не установили прямо на полюсе, она должны быть направлена под углом к Земле, соответствующим широте места установки). Нетрудно понять, что поворот телескопа вокруг этой оси будет изменять координату прямого восхождения (координату R. A) точки, на которую он наведен. Поэтому эта ось называется осью прямого восхождения. Еще она называется часовой осью, потому что, если мы хотим, чтобы телескоп постоянно следил за одной и той же точкой неба, мы должны вращать его часовым механизмом именно относительно этой оси, компенсируя вращение Земли.
Теперь на эту ось тем или иным способом следует установить вторую, строго перпендикулярную ей ось. Эта ось именуется, как легко понять, осью склонений. Поворот телескопа вокруг нее позволяет изменить склонение (координату dec, она же δ) точки наведения телескопа.
Если теперь настроить точку начала отсчета оси прямого восхождения по точке весеннего равноденствия, то направить телескоп в точку небесной сферы с заданными координатами становится просто - прямое восхождение можно установить по часовой оси, а склонение - по оси склонений. А если еще и подключить часовой механизм, вращающий телескоп вокруг оси прямого восхождения со скоростью один оборот за 24 часа (вернее, 23 часа 56 минут 4 секунды с хвостиками), то телескоп будет следить за выбранной точкой.
Ну, разумеется, если мы хотим, чтобы выбранный объект не уходил, несмотря на все перечисленные ухищрения, с оси телескопа, к часовому механизму нужно подключить еще и устройство, компенсирующее рассчитанные неравномерности вращения Земли и прочие бяки... Но это уже иной разговор. :)

Устройство, в котором телескоп таким образом установлен (или которое позволяет установить его таким образом), и в котором одна из плоскостей вращения телескопа параллельна экватору (небесному), называется экваториальной монтировкой телескопа.

Беда экваториальной монтировки - в сложности, а для больших телескопов - еще и в громоздкости. К тому же она требует весьма точной настройки при монтаже - если угловое положение хотя бы одной оси будет немного отличаться от заданного, с наведением телескопа возникнут проблемы. И перевезти телескоп на другую широту трудно - нужно изменять положение оси прямого восхождения в соответствии с изменившимся направлением на полюс мира.

Более простой является альтазимутальная (или альт-азимутальная) монтировка. В ней все просто - есть вертикальная ось, вокруг которой телескоп поворачивается в горизонтальной плоскости (для больших инструментов осуществляется поворот всей башни, на платформе которой телескоп установлен), горизонтальная ось, вокруг которой он поворачивается в вертикальной плоскости (опять же, для больших инструментов это выглядит как подъем телескопа в амбразуре башни) - и, разумеется, компьютер вкупе со сложным устройством, которое по заданной программе для данной и точно известной координаты местности синхронно управляет движением телескопа по обеим осям, чтобы обеспечить его слежение за выбранной точкой в течение продолжительного времени, заодно внося поправки на все известные и рассчитанные отклонения от равномерности вращения Земли и т.п.
Если же слежения не требуется, то есть, телескоп предназначен для того, чтобы смотреть, а не фотографировать, такая монтировка оказывается более простой и удобной - если не считать того, что отсчет наблюдаемых координат в ней осуществляется весьма сложно. То есть, поставить телескоп легко - а вот для определения того, куда его навести, уже требуются расчеты с учетом еще и текущей даты.

Примеры монтировок - на картинке, слева альтазимутальная, слева - экваториальная. С объяснением расположения осей. Polar axis, полярная ось - это и есть, строго говоря, ось прямого восхождения, направленная параллельно оси вращения Земли в данном месте.
(https://www.astropix.com/images2/i_astrop/mounts/mount_types.jpg)

Название: Re: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 12 Янв, 2021, 10:53:02

Кое-что о сверхмассивных черных дырах.

О том, что в центре любой галактики, особенно, крупной, в норме находится сверхмассивная черная дыра массой в сотни тысяч и менее (редко), миллионы (часто), а иногда - и миллиарды масс Солнца, я рассказывал в этой теме, ответ #129. И даже рассказывал (там же) о том, почему их иногда может не оказаться.

А вот чего я не рассказывал - это того, что вопрос о том, откуда они там взялись, пока не имеет окончательного ответа. Более того, со сверхмассивными черными дырами связана интригующая загадка.
Дело в том, что наблюдения показывают: гигантские черные дыры массами в миллиарды солнечных существовали в центрах галактик уже в первый миллиард лет существования Вселенной (самые ранние квазары наблюдаются при возрасте Вселенной менее восьмисот миллионов лет). Впрочем, мы же помним - уже через полтора миллиарда лет после ее образования существовали такие монстры, как APM 08279+5255 (помните? Объект, в квадриллион раз более яркий, чем Солнце, состоит из черной дыры массой 23 миллиарда солнечной и аккреционного диска, вращающегося вокруг него, диаметром около двух тысяч световых лет).
"Стандартным способом" за счет аккреции материала на появившуюся, скажем, при взрыве одной из первых сверхновых или иным способом черную дыру звездной массы дорасти до таких размеров за это время черные дыры согласно всем расчетам просто бы не успели. И это подтверждается всеми моделями и расчетами. Впрочем, они бы, возможно, и к нашим временам такие размеры еще не приобрели бы.
Зато в 2019 году удалось доказать, что если бы к началу эпохи реионизации будущие сверхмассивные черные дыры уже имели (откуда-нибудь) массы порядка десятков и сотен тысяч солнечных, то их характеристики (максимальные массы и распределение по массам) прекрасно уложились бы в наблюдаемую картину - как для древних времен, так и для современных. Такие джыры уже могли быстро, за считанные десятки и сотни миллионов, дорасти до наблюдаемых размеров. То есть, с наблюдениями согласовывается сценарий раннего (в первые двести-триста миллионов лет существования Вселенной) и быстрого, практически, мгновенного (относительно характерных масштабов времени для этой стадии) образования будущих центральных черных дыр галактик, которые почти одномоментно приобрели в те древние времена массы, по крайней мере, в десятки тысяч солнечных.
Остается вопрос: откуда в те времена, когда только образовывались первые звезды, а видимая материя начинала структурироваться в ранние, еще небольшие галактики, могли появляться такие крупные черные дыры.

И как ни странно, на этот вопрос появилось несколько различных ответов - таких разумных и правдоподобных, что не только сложно из них выбрать правильный (впрочем, они могут быть правильными все, и первые сверхмассивные черные дыры могли появляться разными способами), но и если в будущем окажется, что описанные в этих ответах сценарии рождения сверхмассивных черных дыр на самом деле не реализовывались, этому придется придумывать какое-то специальное объяснение.

О нескольких возможных сценариях я расскажу.

Сценарий первый. Прямой холодный коллапс. По расчетам, он рождает черную дыру как раз массой в десятки и сотни тысяч солнечных за ничтожные несколько десятков тысяч лет.
Заключается он в столкновениях относительно небольших протогалактических облаков газа, в которых успели появиться и даже взорваться сверхновыми первые звезды (напомню некоторые особенности ранней Вселенной. Изначально весь газ состоял только из водорода и гелия - других элементов еще не было. В результате физических особенностей этих элементов первые звезды могли рождаться только очень массивными, а значит, жили недолго, несколько миллионов лет, быстро взрывались сверхновыми и обогащали газовое облако, еще не полностью фрагментировавшее на звезды, металлами). Напомню еще, что в те времена Вселенная была намного меньше, чем сейчас, пространства в ней было не так много (мы же помним, что Вселенная расширяется!), и такие облака могли сталкиваться достаточно часто.
И вот оказывается, что при столкновении достаточно плотных крупных и несколько обогащенных металлами (куда меньше, чем нынче, на уровне тогдашних протогалактик) облаков газа, в их центральной части формируется достаточно плотная газовая структура, похожая на толстый диск (достаточно толстый, чтобы быть непрозрачным для излучения). Всего за несколько десятков тысяч лет за счет собственного притяжения диск высасывает газ из области диаметром в полтора десятка световых лет и набирает массу порядка нескольких десятков или сотен миллионов солнечных. При этом падающий на него газ в любом случае закручивает диск. Опускающийся в центру газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей и нагревается до нескольких тысяч градусов, и в результате газовое облако уже не может в таких условиях делиться (фрагментировать) на звезды. Диск продолжает раскручиваться, уплотняться, все больше газа опускается вниз, к его центру, нагреваясь трением и тормозясь - и в конце концов, поскольку по мере уплотнения газа этот процесс все ускоряется, в центральной области диска массой в миллионы (а то и сотни миллионов) солнечных развивается гравитационный коллапс и образуется гигантская черная дыра - причем, моделирование показывает, что спектр масс появлявшихся в результате дыр как раз соответствует "требуемому".

Сценарий второй. Квазизвезды.
Еще раз повторюсь - в раннюю пору существования Вселенной металлов (элементов тяжелее гелия) еще не было. Неоткуда им было взяться. Поэтому облака газа, фрагментируя на протозведные облака в условиях весьма затрудненного теплоотвода (а водород и гелий очень плохо отводят тепло из сжимающегося газового облака инфракрасным излучением), могли порождать только большие звезды. Преимущественно, весьма большие - гипергиганты. А Вселенная в те времена была маленькой, в десятки раз меньше (вернее, плотнее), чем сейчас, так что плотность газовых облаков была вполне достаточной для такого процесса.
И обнаружилось , что для таких условий, имевших место в первые сотни миллионов лет существования Вселенной, гипотетически может появиться весьма необычная (для наших условий) ситуация. Вследствие неэффективности теплоотвода излучением в водороде и гелии большие фрагменты газовых облаков массами в сотни солнечных масс не могут фрагментировать на более мелкие и неторопливо сжимаются, формируя будущую гигантскую звезду. Но если такой фрагмент случайно оказывается очень уж большим и плотным (сейчас таких облаков уже быть не может - они обогащеным металлами, при схатии не нагреваются и успевают распасться на много небольших звезд), то может произойти совершенно неожиданная вещь - плотность и гравитация его огромной (сотни и даже тысячи масс Солнца ) центральной части окажется настолько большой, что сжатие облака не остановится даже после возникновения звезды в центре, то есть, ее лучевое давление не сумеет оттолкнуть падающий на нее газ. Соответственно, газ продолжит падать на вновь сформированного гипергиганта. Более того, возможно, размеры и масса подобных протозвездных облаков нулевой металличности в условиях ограниченного теплообмена окажутся настолько велики, что их не сможет рассеять даже закономерно последующий вскоре мощнейший взрыв гиперновой, который должен будет произойти через несколько миллионов лет после формирования центральной звезды облака (а ее жизнь из-за постоянного прироста массы окажется совсем недолгой).
В результате такого события сформируется черная дыра, остаток взрыва, уже с рождения окруженная плотным облаком газа, падающим на нее. В принципе, как нетрудно видеть, это похоже на квазар, только масса центральной черной дыры в описываемом процессе минимум на три порядка меньше, а масса окружающего черную дыру газового облака оказывается намного большей массы самой черной дыры.
Результат такого гипотетического процесса именуется квазизведой - это плотное облако газа (плотность сравнима со средней плотностью крупной звезды) массой в тысячи солнечных масс, в центре которого находится черная дыра массой в десятки масс Солнца. Вещество облака постоянно падает на дыру, увеличивая ее массу, нагревается до колоссальных температур и разогревает остальную массу облака, которое в результате приобретает поверхностную температуру, вполне сходную с температурой звезды (тысячи градусов). Так что, если бы в те времена, тринадцать с половиной миллиардов лет назад и более, на квазизвезду нашлось бы кому посмотреть издали, такой наблюдатель без применения специальных методов мог бы внешне не отличить ее от обыкновенной звезды, если, конечно, не считать полярных джетов, которые она наверняка испускала. Вот только светимость такого объекта не уступала бы светимости небольшой современной галактики, да и диаметр квазизвезды был бы порядка миллиардов километров.
Разумеется, долго такой объект существовать не мог - ориентировочно, за миллион лет черная дыра успела бы раздуться в размерах до десяти и более тысяч масс Солнца, после чего от газового облака, ее формировавшего, осталось бы немногое. А после этого оставшаяся от квазизвезды солидная черная дыра уже выглядела бы как вполне приличный зародыш будущего ядра будущей же галактики и могла начинать формировать это ядро собственным тяготением. Теперь ее рост замедлялся бы - но у нее впереди было много, очень много времени... Возможно, именно тогда и именно так вокруг этих черных дыр начали формироваться ассоциации, которыми суждено будет стать будущими балджами будущих гигантских галактик.
Расчетная длительность процесса - несколько миллионов лет. Вполне подходит.

Сценарий третий. Звездная бомбардировка. Он опять же начинается с нулевой металличности газа и высокой плотности Вселенной.
Протозвездные облака нулевой металличности остаются массивными и плотными, не распадаясь на меньшие фрагменты, как и сказано ранее. Такие облака могут сливаться под действием собственной достаточно значительной гравитации, образуя крупные агломерации (опять же вспоминаем, что в те времена Вселенная была гораздо плотнее, чем сейчас - места в ней было меньше).
При столкновении облаков развивавшиеся в них сгущения - будущие гигантские звезды - начинали быстро сближаться и за счет обыкновенного трения в плотном облаке, и за счет так называемого динамического трения (выравнивания скоростей в системе из многих объектов за счет их гравитационного взаимодействия). И когда в такой агломерации формировались протозвезды (достаточно большой массы), они, как показывают расчеты, могли начать достаточно часто сталкиваться и сливаться. В результате за считанные миллионы или десятки миллионов лет в таком агломерированном облаке формировалась "сверхзвезда", выросшая из многих последовательно слившихся звезд и быстро коллапсировавшая в черную дыру, продолжавшую захватывать то, что не успело слиться с родительским объектом.
Расчеты показывают, что в условиях нулевой металличности массы полученных по этому механизму объектов могли достигать сотен тысяч и миллионов солнечных (несколько выше, чем по ранее описанным сценариям - зато сам процесс тоже мог длиться несколько дольше) - а дальше уже в условиях высокой плотности материи рост черной дыры происходил с большой скоростью.

То есть, очень правдоподобных вариантов ответа на вопрос, откуда во Вселенной взялись сверхмассивные черные дыры, несколько. Один другого краше.

Название: Re: Космос - II
Отправлено: фок Гюнце от 12 Янв, 2021, 14:31:12

И немного о красных карликах.

Самым распространенным типом звезд во Вселенной, намного превосходящим другие звезды по численности, являются, как известно, красные карлики - звезды спектрального класса М массой от 0,0767 (для металличности, равной солнечной) до примерно 0,47 солнечных. В телах меньшей массы, напомню, интенсивность термоядерной реакции оказывается недостаточной для того, чтобы восполнить температурные потери, и они классифицируются как коричневые карлики, которые многие не считают "настоящими" звездами.

Этот класс звезд является на первый взгляд очень скучным. Они живут долго - самые массивные теоретически должны прожить несколько десятков миллиардов лет, самые легкие - несколько десятков триллионов - и безмятежно. При этом, что интересно, никаких наблюдательных данных о поздних этапах их эволюции нет - возраст Вселенной по всем данным составляет примерно 13,8 миллиарда лет, что намного меньше теоретического времени жизни даже самого массивного красного карлика. Практика в данном случае полностью соответствует теории - ни одного красного карлика вне главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Расселла (то есть, на позднем этапе эволюции) еще никто не видел.

Интересно то, что, хотя красные карлики должны жить очень долго, и ни один из образовавшихся во Вселенной красных карликов еще не погиб, астрономия ни разу (возможно исключение - см. ниже) не наблюдала красные карлики, которые являлись бы первичными звездами, относившимися к самому первому поколению звезд, образовавшихся во Вселенной. Опознать их было бы легко - и из всех теоретических расчетов, и из данных наблюдений следует, что в Темные века (от момента появления реликтового излучения спустя 380 тысяч лет после образования Вселенной до формирования первых звезд и галактик и начала эры реионизации спустя 150 миллионов лет после Большого Взрыва) все вещество Вселенной состояло лишь из водорода и гелия, без металлов. Поэтому звезды первого поколения должны иметь нулевую металличность - а красные низкометаллические карлики если и наблюдаются, то в виде исключения, см. ниже.
Причина этому известна, и я про нее рассказывал. Водород и гелий плохо ионизируются, в результате чего при сжатии водородно-гелиевого газового облака отвод тепла от него затруднен и такое облако фрагментирует только на крупные фрагменты массой в десятки и сотни солнечных масс. Поэтому звезды первого поколения были очень большими и прожили недолго, взорвавшись сверхновыми через несколько миллионов лет после своего образования и обогатив пространство металлами. А уж потом начали появляться звезды второго поколения, теплоотвод коллапсировавших облаков газа стал более эффективным, облака могли фрагментировать на более мелкие части - и начали появляться небольшие звезды второго поколения, в том числе, и красные карлики.
Хотя и тут есть варианты - известны (очень-очень немногие) красные карлики такой низкой металличности, что теоретически они образоваться сжатием газового облака не могут - при такой массе оно из-за низкого теплоотвода просто не сожмется в звезду. Механизм формирования такой звезды является парадоксальным - обнаружилось, что все они являются компонентами двойных систем с заметно большей массой второго компонента. И оказывается, что образовались такие карлики вовсе не непосредственно из сжимающегося газового облака, как все уважающие себя звезды, а позже, когда вокруг центрального компонента уже формировался протопланетный диск - то есть, сформировались по принципу образования планет, из гравитационной неустойчивости в этом диске. Получается, по механизму формирования это не звезды, а планеты. Этакие низкометалличные газовые гиганты колоссального, звездного размера массой более ста масс Юпитера. Что, замечу, вполне объясняется затрудненным теплоотводом в низкометаллическом облаке и конденсацией в нем только крупных объектов.

Официальный форум Веры Камши

Увлечения => Наука и образование => Тема начата: фок Гюнце от 06 Янв, 2021, 06:37:30