Звезды движутся по орбите

Общая астрономия. Далекая Вселенная. Движение звёзд в галактиках и релаксация

Эллиптическая галактика представляет собой совокупность звезд, образующих единую систему, связанную общим тяготением звезд. Каждая звезда движется в общем поле тяготения системы и не испытывает действия никаких иных сил, кроме сил тяготения. Можно сказать, что звезда свободно падает в поле тяготения системы. Падая, таким образом, с какой-то высоты к центру системы по радиусу, она ускоряет свое движение, а когда достигает центральной области, то там, очевидно, не останавливается, а проскакивает центр и начинает затем удаляться от него к противоположному краю системы. Теперь движение происходит не с ускорением, а с замедлением (подобно движению камня, брошенного вертикально вверх), так как это движение направлено против силы тяготения, действующей, как всегда, в направлении к центру. Скорость звезды уменьшается по мере удаления от центра и, наконец, звезда останавливается на миг (как камень в высшей точке), ее скорость обращается в нуль.

Затем начинается обратное падение к центру, звезда достигает его и, минуя центр, возвращается вновь в положение, с которого началось ее падение, а затем этот цикл движения повторяется вновь и вновь. В звездной системе не действуют никакие другие силы, кроме сил тяготения, но система, тем не менее, не сжимается, а остается стационарной как целое. Это возможно потому, что каждая из звезд галактики совершает циклическое движение по своей орбите в пределах ограниченного объема между крайними точками, где скорость удаления звезды от центра системы обращается в нуль. Конечно, совсем не обязательно, чтобы орбита каждой звезды проходила точно через центр системы; орбиты звезд различны и кроме чисто радиальных возможны и эллиптические орбиты, подобные орбитам планет в Солнечной системе, но только менее круглые, гораздо более вытянутые. Все эти орбиты равномерно заполняют объем системы, создавая ее правильную сферическую или в той или иной степени эллипсоидальную, сплюснутую форму.

Так устроены эллиптические галактики и сферические подсистемы спиральных галактик. Диски спиральных галактик, и в частности, диск нашей Галактики, имеют много общего в динамике с Солнечной системой. Подобно планетам, все звезды диска движутся по почти круговым орбитам, на которых центробежные силы уравновешены силами тяготения. Отличие от Солнечной системы лишь в том, что силы тяготения создаются в галактиках не центральным телом (ядра галактик не очень массивны), а главным образом самими звездами их диска и сферической составляющей. Средние скорости движения звезд нашей Галактики как по вытянутым, так и по круговым орбитам составляют 100—300 км/с. В менее массивных галактиках они меньше, в более массивных больше, но всегда лежат в пределах от десятков до тысячи километров в секунду. Форма и внутреннее строение эллиптических галактик или сферических подсистем спиральных галактик слишком правильны и регулярны, чтобы их можно было целиком объяснить исходной формой и структурой протогалактического облака. Протогалактические облака были, скорее всего, клочковаты, рыхлы и не имели четких правильных границ.

Что же придало звездным системам их регулярное строение и форму? Конечно, это тоже результат действия сил тяготения — ведь иных сил в звездных системах нет. Давно известно, что силы тяготения всегда стремятся придать телам правильную, округлую форму; это определяет форму Солнца и других звезд, фигуры планет. Приближение к такой правильной форме и структуре подобно процессу релаксации в других физических системах — таких, как, например, газ атомов или молекул. Релаксация — это процесс приближения системы к равновесному состоянию. Релаксация в газе сопровождается установлением общей однородности распределения атомов или молекул в занятом ими объеме; она ведет к равновесному распределению случайных тепловых скоростей частиц. В термодинамике равновесное распределение частиц по скоростям получило название распределения Максвелла. Релаксация в газе осуществляется путем столкновений частиц друг с другом; при случайных столкновениях частиц их скорости изменяются и тем самым достигается максвелловское распределение. Звездные системы обнаруживают определенные признаки равновесного состояния. Кроме регулярной формы, на это указывает также распределение звезд по скоростям, которое, насколько можно судить по окрестности Солнца в нашей Галактике, напоминает распределение Максвелла.

Но столкновения звезд в галактиках, подобные столкновениям частиц газа, невозможны. Звезды не только не сталкиваются друг с другом «лоб в лоб», но даже фактически и не подходят друг к другу достаточно близко, чтобы их скорости могли при этом — из-за парного гравитационного взаимодействия звезд — измениться сколько-нибудь существенно. Оценки показывают, что время ожидания близкого прохождения двух звезд намного больше возраста галактик. В этом смысле можно сказать, что галактики являются бесстолкновительными системами. И, тем не менее, релаксация звездных систем все же возможна. В 1967 г. Д. Линден-Белл выдвинул предположение, что она обязана не парным «столкновениям» звезд, а взаимодействию каждой звезды с гравитационным полем всей системы. Такая бесстолкновительная релаксация произошла в ту эпоху, когда галактики еще только формировались. При общем сжатии и фрагментации протогалактики само гравитационное поле системы сильно менялось и со временем, и от одного места к другому.

Рождающиеся одновременно с этим звезды испытывали по этой причине «толчки», при которых изменялись их скорости и орбиты. «Толчки» и вызываемые ими изменения в движении звезд были довольно сильными: отдельная звезда сталкивалась, можно сказать, со всей системой в целом или, по крайней мере, с крупными ее частями. Этот процесс имел случайный характер в том же смысле, в каком случайны столкновения частиц в газе. Каждое единичное изменение в движении данной звезды было непредсказуемым по своим результатам, но таких изменений было много, они происходили непрерывно, и потому их итоговое действие обеспечивало возможность проявления общей для всех физических систем тенденции к установлению равновесия. Все это дает основание видеть в процессе такого рода черты релаксации; Линден-Белл назвал его «бурной релаксацией». Релаксация действительно была бурной: она протекала в неустановившемся, сильно «возбужденном» состоянии протогалактики, когда имелись и первые звезды, и хаотически движущиеся (со скоростями в сотни километров в секунду) массивные газовые фрагменты.

Теория бурной релаксации, как, впрочем, и весь комплекс проблем, связанных с превращением протогалактики в звездную систему, остается еще недостаточно разработанной. Многое, однако, удалось выяснить не путем теоретических расчетов, а с помощью современных методов моделирования на крупных вычислительных машинах. Машина может по нашему заданию найти изменение со временем скорости и положения звезды в системе, выяснить на этой основе общее поведение системы в целом. Оказалось, что бесстолкновительной системе гравитирующих тел действительно свойственно стремление сферизоваться, принимать со временем все более сглаженную, регулярную форму. Это происходит за время, сравнимое с типичным периодом обращения звезды в системе. Замечательно, что результат справедлив для очень широкого многообразия исходных состояний системы, с которых при таком моделировании начинается машинный расчет.

Вверх
Авторство, источник и публикация: 1. Подготовлено проектом ‘Астрогалактика’ 2. Публикация проекта 21.12.2006

Главная страница раздела

Объекты глубокого космоса > Звезды > Двигаются ли звезды?

Звездные пути над озером Минневанка в Альберте (Канада)

Движение звезд по небу: влияние вращения Земли вокруг оси и Солнца, особенности точки наблюдения на орбите, собственное движение звезд вокруг центра галактики.

Уже давно доказано, что Земля не является центром Вселенной. Но бывает сложно в это поверить, если долго наблюдать за небом. Наверняка, вы замечали, что не только Луна и Солнце кажется меняют положение, но и звезды двигаются на небе. Конечно, все это объясняется вращением самой планеты. Но у звезд есть собственное видимое движение в пространстве. Так что, если мы говорим, что они движутся, то причина в земном обороте, движении звезд или же в чем-то другом!

У нашей планеты Земля уходит 24 часа на то, чтобы совершить один осевой оборот (с востока на запад). И если вы будете отслеживать звездные пути, то заметите, что они поднимаются на востоке и садятся на западе. Но есть исключения.

Звездные проходы

Звезды, расположенные возле земной оси (северный и южный полюса), вращаются вокруг полюсов. И если местоположение полюса далеко от горизонта, то звезды вообще теряются из вида. То есть, чем ближе вы к полюсу, тем минимальным вам кажется движение звезд (они будто вращаются на одном месте).

Но мы рассмотрели только вращение оси планеты, а ведь есть еще и движение Земли по орбите вокруг Солнца. Один обход вокруг звезды Солнечной системы занимает 365 дней. В этом путешествии можно отследить интересные эффекты. Например, загадка Марса. Ранее ученые удивлялись, почему Красная планета появлялась напротив фоновых звезд, возвращалась, а затем снова оказывалась в предыдущей точке. Позже они поняли, что Земля на своей орбите «догоняла» более далекий Марс, когда он проходил мимо.

На мозаике Марса различим темный базальтовый регион Большой Сирт

На противоположных концах орбитального пути (зимой и летом) можно заметить звезды, которые кажутся сдвинутыми. Мы отдалены от Солнца на 150 миллионов км, но на противоположном конце расстояние увеличивается до 300 миллионов км.

И здесь самое интересное. Представьте, что вы бегаете по футбольному полю и смотрите на здание, расположенное в 1.6 км. По мере вашего смещения здание также будет меняться. То же самое происходит и с орбитальным проходом. Некоторые из ближайших звезд будут двигаться относительно фоновых. Этот эффект называется параллаксом и используется для объектов, находящихся в пределах 100 световых лет.

Параллакс помогает наблюдать за объектом на противоположных концах земной орбиты

Но это не все причины звездного движения. Дело в том, что существуют двоичные системы, где звезды совершают обороты вокруг общего центра масс. Или же звезды расположены во вращающейся галактике. Это также объясняется расширением Вселенной.

Но есть и собственное движение. Гравитация заставляет их вращаться вокруг галактического центра. Конечно, за свою жизнь мы не можем отследить полноценное передвижение, потому что пространство огромное и на это уходит много времени. Самое высокое собственное движение наблюдается у Звезды Барнарда – 10.3 угловых секунды в год.