Метка: космос

Сколько спутников в космосе?

В аннотации исследователи пишут:

«…результаты говорят о том, что на Марсе недостаточно CO2 для обеспечения значительного парникового эффекта при выпуске газа в атмосферу; более того, большая часть хранящегося CO2 недоступна и не может быть легко мобилизована. В результате мы приходим к выводу, что терраформирование Марса невозможно при использовании только технологий, существующих на сегодняшний день.»

Ранее ученые полагали организовать сценарий, чем-то похожий на фильм «Вспомнить все», где на Марсе были растоплены ледяные шапки, и высвободившийся газ сделал планету точь-в-точь как Земля. В действительности полагалось, что высвободившийся от таяния ледников углекислый газ позволит повысить на Марсе атмосферное давление, которое сейчас слишком низкое, чтобы вода оставалась там в жидком состоянии (ибо мерзнет, либо испаряется). Это уже значительно облегчило бы колонизацию.

Однако исследователи отмечают, что их результаты вовсе не означают, что терраформирование невозможно будет никогда. Это лишь оказалось не так просто, как полагали ранее.

В квантовом мире всё — и вещество, и взаимодействие частиц вещества — состояния полей. Причём разных: даже если за всей природой стоит некое единое поле, то всё равно оно проявляет себя так, что его можно разложить на несколько разных полей.

Квант каждого поля — это наименьшая возможная его порция. На более мелкие порции поле уже нельзя поделить, хотя некоторые поля в разных условиях делятся на порции разного размера.

Среди полей, отвечающих за взаимодействия, есть известные всем гравитационное и электромагнитное, а также менее известные широкой публике «сильное» и «слабое».

Сильное взаимодействие, в частности, удерживает протоны и нейтроны внутри ядра. Положительно заряжённые протоны отталкиваются друг от друга электромагнитным взаимодействием, поэтому, если бы не было «сильного взаимодействия», они бы разлетелись из ядра. Сильное взаимодействие на очень малых расстояниях оказывается сильнее электромагнитного и тем самым его компенсирует.

Слабое взаимодействие, в частности, обеспечивает бета-распад: реакции, например, распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, или протона на нейтрон, позитрон (зеркальную — с положительным зарядом — копию электрона) и нейтрино.

«Частицей» в квантовой физике называется некая порция одного или нескольких полей, переносящая одновременное изменение их состояния. Например, фотон переносит электромагнитное взаимодействие, то есть изменение состояний электрического и магнитного полей. В определённых обстоятельствах эти поля выглядят независимыми, и установление их единства потребовало нескольких десятилетий работы экспериментаторов и теоретиков. Это стало основой разработки электрогенераторов, моторов, радиотехники. Ещё через век была разработана теория, объединяющая электромагнитное взаимодействие со слабым: их переносят разные, но во многом сходные кванты. Практические применения этой теории пока ясны лишь в самых общих чертах.

Квантам поля соответствуют «элементарные частицы». То есть те, которые невозможно расщепить. Таковы, например, фотон и электрон.

«Составные частицы», как понятно из их названия, состоят из элементарных. Например, составные частицы протон и нейтрон состоят из элементарных частиц — кварков.

Частицы слабого взаимодействия ведут себя так, будто бы у них есть инертная масса: чтобы их разгонять — то есть придавать им ускорение, — нужно прикладывать силу.

Частицы же сильного и электромагнитного взаимодействия ведут себя так, будто у них нет инертной массы.

Физик-теоретик Хиггс показал, что должно существовать поле, взаимодействующее с частицами слабого взаимодействия, но не с частицами сильного и электромагнитного. Взаимодействие с этим полем и мешает разгонять частицы — придаёт им инертную массу.

Элементарным частицам присуща характеристика, соответствующая в макромире вращению (её называют «спин» — веретено). В естественных для квантовой механики единицах спин может быть целым — такие частицы называют бозонами, в честь Бозе, вместе с Эйнштейном разработавшего статистику их поведения, — или полуцелым — фермионы, чью статистику разработали Ферми и Дирак (хотя некоторые важнейшие особенности этой статистики указал Паули).

Свойства бозона Хиггса — частицы, переносящей взаимодействие с полем Хиггса — теоретически рассчитаны весьма приблизительно. Его экспериментальное обнаружение позволило значительно уточнить их. Это в свою очередь ограничило спектр возможных вариантов теории, способной описать с точки зрения квантовой физики одновременно сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие. Значит, дальнейшая разработка такой теории пойдёт уже легче, и основанная на ней практика приблизится.

Авторы: Лекс Кравецкий, Анатолий Вассерман

Нет, всё нормально, иллюстрация загрузилась. Просто, на самом деле, в поясе астероидов довольно мало астероидов: объектов с размером хотя бы в километр там всего лишь несколько миллионов (точное их количество пока ещё не известно).

Вам может показаться, что несколько миллионов объектов — это довольно много, однако расположены они на огромном пространстве между орбитами Марса и Юпитера. Сами же эти объекты в основном довольно маленькие (хотя, как говорилось в предыдущих разделах, среди них всё-таки есть объекты достаточного размера, чтобы в своё время претендовать на статус полноценных планет и даже сейчас выбиться хотя бы в карликовые).

В общем, миллионы (10⁶) объектов рассеяны примерно в 1,6*10²⁶ кубических километров. Это и приводит к тому, что между «соседними» астероидами расстояние тоже будет измеряться в миллионах или хотя бы в сотнях тысяч километров.

Для сравнения: диаметр Земли — примерно 12 800 километров. Расстояние до Луны — 385 000 километров. То есть Земля с Луной «упакованы» гораздо плотнее, чем астероиды в поясе астероидов.

Впрочем, это, конечно, только в среднем — ведь системы из вращающихся друг вокруг друга астероидов тоже возможны и наверняка существуют. Равно как существуют и перепады плотности внутри пояса. Однако плотность всё равно совсем невелика.

Что, впрочем, вполне ожидаемо. Дело в том, что авторы визуальных иллюстраций, разумеется, в первую очередь гонятся за зрелищностью, а одна каменная или ледяная глыба в пустоте смотрится далеко не так эффектно, как тысячи огромных глыб на расстоянии километров или даже сотен метров друг от друга.

Насколько такое вообще возможно? Ну, гипотетически возможно, однако очень ненадолго. Ведь даже те астероиды, которые по размерам существенно меньше, скажем, Земли, всё равно обладают массой и, следовательно, создают вокруг себя гравитационное поле. Это поле с неизбежностью заставит астероиды «упасть» друг на друга и либо слипнуться, либо разбить друг друга в пыль.

Более-менее стабильной могла бы быть система, в которой астероиды вращаются друг вокруг друга, подобно тому, как это делают Луна и Земля: тогда, как мы помним, при падении друг на друга они будут «промахиваться» за счёт вращения.

Особенно если бы система состояла из одного относительно массивного объекта и нескольких гораздо более лёгких.

Однако при сравнимых массах и большом количестве задействованных объектов, как это изображается в играх и фильмах, появление относительно стабильной системы крайне маловероятно. Иные же, если и были в момент зарождения Солнечной системы, давно уже пришли к слипанию составляющих их астероидов или к превращению их в пыль.

И тут даже не помогло бы вращение астероидов вокруг Солнца: ведь даже если бы они двигались по своим орбитам с одинаковой скоростью, притягивать друг друга они бы от этого не переставали. И эта дополнительная — помимо притяжения Солнца — сила всё равно заставляла бы их сближаться.

Единственный вариант относительной стабильности: достаточно большие расстояния. Тогда сила взаимного гравитационного притяжения астероидов оказалась бы столь малой, что сближение шло бы достаточно долго, и планеты солнечной системы, относительно которых расположение астероидов всё время меняется, успевали бы как-то скомпенсировать своим притяжением сближение астероидов.

При близких же расстояниях, подобных распространённому киноштампу, такое невозможно.

Вдобавок, Главный пояс астероидов находится между орбитами Марса и Юпитера, последний же столь массивен, что при своём движении способен собственной гравитацией срывать астероиды с орбиты вокруг Солнца и «швырять» их в произвольном направлении, что ещё сильнее затрудняет образование долговременных стабильных систем.

Предположительно, именно наличие Юпитера поблизости помешало астероидам Главного пояса слипнуться в одну или две планеты со спутниками.

Как говорилось ранее, в Солнечной системе есть и более далёкий пояс астероидов — пояс Койпера, в котором, в частности, находятся Плутон с Хароном. Этот пояс содержит в себе в десятки (возможно, в сотни) раз бо́льшую массу астероидов и карликовых планет, но и по своим линейным размерам он в десятки раз больше, а потому и там тоже объекты находятся на расстоянии миллионов километров друг от друга.

Впрочем, астероиды есть и в других местах Солнечной системы, причём в весьма немалых количествах. Так, между орбитами Юпитера и Нептуна тоже находится изрядное количество астероидов, условно называемых «кентаврами» (иногда так называют и вообще все астероиды от Солнца до пояса Койпера, исключая Главный пояс).

Четыре гигантские планеты делают положение этих астероидов очень нестабильным и потому в этом диапазоне имеется изрядная «текучка кадров»: с одной стороны, пролетающие мимо астероиды и кометы «захватываются» одной из планет или их совокупностью, с другой стороны, ранее захваченные объекты выкидываются из этой области при изменении взаимного расположения планет. Кроме того, разумеется, часть астероидов просто падает на Юпитер, Сатурн, Уран или Нептун. Или становится их спутниками.

Правда, «текучка кадров» тут только по астрономическим масштабам, измеряемым в миллионах лет, а вовсе не по Земным: «через год уже всё поменялось».

Наконец, за поясом Койпера находится пока ещё слабо изученная область, называемая «облаком Оорта». Она простирается от пояса Койпера до предположительно четверти расстояния до ближайшей к Солнцу звёздной системы — Альфы Центавра. За её пределами, предположительно, кончается то, что можно было бы назвать «Солнечной системой» — та область, где Солнце доминирует в плане своего гравитационного потенциала.

В облаке Оорта, видимо, находится подавляющее большинство комет — в то время, когда они не летят во «внутренней части» Солнечной системы, однако весьма вероятно и наличие астероидов тоже.

Кроме того, не исключено, что там от нашего взгляда до сих пор скрываются ещё не обнаруженные объекты Солнечной системы, которые могли бы претендовать на статус полноценных планет.

Возможно, у кого-то возникнет вопрос: если киношные «кластеры астероидов» невозможны, то почему же тогда существуют кольца у планет-гигантов, например, у Сатурна? Разве же не должны были те же самые причины привести к слипанию частиц, составляющих кольца?

Видимо, должны были бы. Однако, хотя физика колец ещё не очень хорошо изучена, наиболее вероятна гипотеза о том, что существование колец обеспечивается не только гравитационным полем планет-гигантов, но и их магнитным полем. Неравномерность которого заставляет частицы располагаться в областях с наиболее низким потенциалом оного, что препятствует их сближению в результате взаимных гравитационных сил.

Вблизи же астероидов не существует источника столь сильного магнитного поля, поэтому нечему предотвратить их сближение.

Другие статьи из этой серии:

Часть 1 — Смена времён года — https://xren.su/myths-about-astronomy-1/

Часть 2 — Земля вращается вокруг Солнца — https://xren.su/2334/

Часть 3 — В Солнечной системе 9 планет — https://xren.su/myths-about-astronomy-3/

Часть 4 — В космосе невесомость — из-за слабой гравитации — https://xren.su/myths-about-astronomy-4/

Часть 5 — Только с космической скоростью можно улететь с Земли — https://xren.su/myths-about-astronomy-5/

Часть 6 — Фазы Луны — https://xren.su/myths-about-astronomy-6/

Часть 7 — Вращение Луны и её обратная сторона — https://xren.su/myths-about-astronomy-7/

Как стригут волосы в космосе?

Как подают десерт на МКС?

Космическая кухня

Как занимаются спортом на МКС?

Эксперимент! Выжимаем полотенце на борту МКС

Как очищают воду на МКС ?

Как плачут в невесомости ?

Как чистят зубы в невесомости?

Как стригут ногти в невесомости?

Как спят в невесомости?

Рисунок 1.

Да, в это время с Земли Луна выглядит тёмной и даже кое-где в Бразилии и Солнца тоже не видно — его загораживает Луна, — но другая сторона Луны при этом всё-таки освещена.

Однако, избежав заблуждения посредством названия, всё равно не удаётся избежать других заблуждений, связанных с обратной стороной.

И основное из них касается вращения Луны. Кажется, будто бы, если Луна всё время повёрнута к Земле одной стороной, то она не вращается.

Как мы уже знаем, движение относительно. Избранных систем отсчёта нет, а потому мы наверняка для любого тела сумеем подобрать такую систему отсчёта, в которой оно не вращается вокруг своей оси. Но это ли подразумевают люди, когда высказываются касательно вращения Луны? Думаю, нет.

Скорее всего, людям в этом случае представляется, что Луна не вращается в какой-то более привычной для них системе отсчёта — как-то связанной с Землёй.

Рисунок 2.

Давайте посмотрим, как выглядит система Земля—Луна.

Чтобы Луна могла «показывать» Земле всё время одну и ту же свою сторону, красная точка всё время должна находиться на пунктирной линии, соединяющей центры Луны и Земли. Так что, если Луна отклонена от горизонтали выбранной нами системы отсчёта на угол α, то красная точка должна отклоняться от горизонтали на угол (α — 180°).

Однако из этого следует, что если угол положения Луны относительно Земли α — меняется, то и угол поворота Луны тоже просто обязан меняться.

Иными словами, чтобы быть повёрнутой к Земле всё время одной и той же стороной, Луна должна вращаться вокруг своей оси с той же угловой скоростью, что и вокруг Земли, но в противоположную сторону.

И вот как это выглядит в динамике (чтобы проще было отследить вращение Луны и вокруг своей оси тоже, обратите внимание на её «закреплённую копию» в правом нижнем углу иллюстрации).

Рисунок 3.

А вот как это выглядело бы, если бы Луна действительно не вращалась вокруг своей оси.

Рисунок 4.

Единственная же система отсчёта, в которой Луна не вращается вокруг своей оси, — это та, в которой одна из осей совпадает с пунктирной линией. Однако в этой системе отсчёта Луна и вокруг Земли тоже не вращается (как, впрочем, и Земля вокруг Луны).

Подобное синхронное вращение небесного тела вокруг другого небесного тела и вокруг своей оси также называют «приливный захват».

Вращение одного массивного тела вокруг другого массивного тела заставляет эти тела слегка «вытягиваться» по оси, соединяющей их центры, и сжиматься по перпендикулярным ей направлениям.

В результате, если, скажем, на Земле есть океаны, то в них будут наблюдаться приливы — синхронизированные с вращением Луны вокруг Земли: ведь вода «растягивается» заметно лучше, чем твёрдая порода.

Рисунок 5.

И одновременно с тем периодическое изменение форм Земли и Луны будет слегка замедлять или ускорять их вращения вокруг своей оси — до тех пор, пока их вращения вокруг своей оси не синхронизируется с их вращением друг вокруг друга.

Поскольку же Земля ощутимо тяжелее Луны, синхронизация вращения у Луны произойдёт раньше — к настоящему моменту уже произошла.

Такое успело произойти со многими спутниками планет, но всё-таки ещё не со всеми: некоторые спутники вращаются независимо от своих «хозяев», и таким образом с их хозяйской планеты можно посмотреть на все стороны этих спутников.

При этом некоторые другие небесные тела — например, Плутон с Хароном, — уже взаимно захватили друг друга: так, с Плутона можно увидеть только одну сторону Харона, а с Харона — только одну сторону Плутона.

С Землёй и Луной пока что несколько не так: с Земли всегда видна только одна сторона Луны (с точностью до небольших относительных «покачиваний»), но с Луны в разное время видны разные стороны Земли.

Другие статьи из этой серии:

Часть 1 — Смена времён года — https://xren.su/myths-about-astronomy-1/

Часть 2 — Земля вращается вокруг Солнца — https://xren.su/2334/

Часть 3 — В Солнечной системе 9 планет — https://xren.su/myths-about-astronomy-3/

Часть 4 — В космосе невесомость — из-за слабой гравитации — https://xren.su/myths-about-astronomy-4/

Часть 5 — Только с космической скоростью можно улететь с Земли — https://xren.su/myths-about-astronomy-5/

Часть 6 — Фазы Луны — https://xren.su/myths-about-astronomy-6/