Астрономический словарик: приливный разогрев, протопланетный диск, радиационный пояс, рассеянное звёздное скопление

Приливный разогрев

Спутник Юпитера Ио

Приливный разогрев – следствие вращения планеты вокруг звезды или спутника вокруг планеты. Энергия вращения рассеивается в виде тепла, разогревая поверхностные океаны и/или внутренности небесного тела. На эллиптической орбите приливные силы действуют на тело сильнее, когда оно находится ближе к перицентру, поэтому приливные деформации тела меняются в процессе его путешествия по орбите. Эти изменения формы приводят к появлению внутреннего трения, разогревающего тело.

Таким образом, гравитационная энергия тела преобразуется во внутреннюю, и изначальная эллиптическая орбита в системе двух тел постепенно превращается в круговую (этот эффект называют приливной циркуляризацией). Однако, если система устроена сложнее, другие тела не дают орбите превратиться в круговую, тем самым подпитывая постоянный разогрев.

Спутник Юпитера Ио – наиболее активное в смысле вулканов тело Солнечной системы. Необходимое для этого тепло оно получает именно благодаря приливному разогреву. Европа и Ганимед не дают орбите Ио стать круговой. Тот же механизм растапливает нижние слои льда на Европе, но она разогревается меньше, потому что деформируется медленнее – радиус орбиты и частота вращения у неё меньше, чем у Ио, а кроме того, силы приливного разогрева с увеличением расстояния уменьшаются по кубическому закону.

Протопланетный диск

Основные части протопланетного диска: в центре находится протозвезда, вокруг неё есть центральный участок диска, планеты которого содержат только минералы и металлы. Он окружён «сажевой линией», за пределами которой в планеты попадают ещё и углеродные компоненты. Затем идёт линия замерзания, за пределами которой на планету могут попасть уже такие летучие молекулы, как вода, аммиак и метан.

Согласно современным представлениям, скопления газа и пыли под действием гравитации собираются в плотные группы, а затем в результате вращения постепенно превращаются в диски. Этот этап занимает около 100 000 лет.

В центре диска зажигается молодая звезда (молодые звёзды возрастом до 10 млн лет, ещё не вышедшие на главную последовательность, относят к типу T Тельца или к звёздам Хербига (Ae/Be)), а из окружающей её материи постепенно формируются планеты. При этом проптопланетный диск может одновременно быть аккреционным диском для звезды, которая способна поглощать материю из его внутренней части. Этот процесс может продолжаться до 10 млн лет.

Если недалеко от диска есть другие звёзды, излучение которых его ионизирует, тогда он называется протопланетным ионизируемым диском, или проплидом.

Постепенно под воздействием комбинации сил (звёздного ветра, притяжения к звезде, притяжения друг к другу и упругости материи) внутри диска начинают образовываться комки материи, которые растут и переходят в состояние планетезималей – зародышей планет. В качестве примера можно привести астероид (21) Лютеция, у которого под толстым километровым слоем пыли находится плотное ядро. Каждый гравитационный катаклизм, не доводящий до значительного разрушения планетезимали, переукладывает её материал в зависимости от его плотности и сыпучести.

В результате диск по большей части очищается от материи, за исключением нескольких поясов астероидов, и материи, располагающейся слишком далеко от центральной звезды, и на его месте появляется планетная система, все тела в которой находятся плюс-минус в одной плоскости эклиптики. Часть спутников планет формируются из того же диска, часть захватываются в «готовом» виде при пролёте мимо планеты. Считается, что Луна, например, сформировалась после того, как протопланета размером с Марс столкнулась с прото-Землёй примерно через 30 млн лет после формирования Солнечной системы.

Существует гипотеза, подтверждаемая компьютерным моделированием, согласно которой сложные органические молекулы, необходимые для существования жизни, также формируются в протопланетном диске из частичек пыли – по крайней мере, такое могло произойти в нашей Солнечной системе.

Радиационный пояс

После запуска первого в мире искусственного спутника Земли «Спутник-1» и второго «Спутник-2» Советским союзом в 1957 году американцы запустили свой первый спутник «Эксплорер-1» в начале 1958 года. В спутнике находилось несколько научных датчиков, но не было оборудования для записи полученных данных. После этого весной того же года они запустили усовершенствованный «Эксплорер-3», в котором уже стоял аппарат для записи данных.

Благодаря анализу собранных данных американский астрофизик Джеймс Ван Аллен смог подтвердить выдвинутую ранее гипотезу. Из-за наличия у Земли ярко выраженного магнитного поля у неё есть зоны, или пояса из энергетических заряженных частиц, по большей части происходящих из солнечного ветра, захваченных магнитосферой планеты. В западной литературе эти пояса часто называют поясами Ван Аллена.

Эти пояса простираются от 640 до 58 000 км от поверхности Земли. Магнитное поле, захватывающее энергетические электроны и протоны при помощи поясов, защищает нашу атмосферу от уничтожения. Обратной стороной их наличия является угроза для искусственных спутников и других космических аппаратов, проходящих через эти пояса. Аппараты приходится защищать от вредного излучения – иначе повреждаются солнечные панели, интегральные схемы и датчики. Защищать от излучения приходится и космонавтов.

В 2011 году при помощи прибора PAMELA (англ. Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, «Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики лёгких ядер»), установленного на российском спутнике Ресурс-ДК, была подтверждена гипотеза наличия в поясах антиматерии – в частности, антипротонов. Их слой образуется при взаимодействии верхних слоёв атмосферы с космическим излучением.

Российский физик Валентин Владимирович Данилов предложил смелый проект (англ. High Voltage Orbiting Long Tether, HiVOLT, «Высоковольтная орбитальная привязь»), который мог бы позволить очистить радиационные пояса от энергетических частиц, сделав их безопасными для космических аппаратов и космонавтов. Неизвестно, могут ли быть какие-либо негативные последствия от подобной очистки поясов.

Рассеянное звёздное скопление

Скопление Плеяды

Естественное группирование звёзд на небе человечество отмечало с тех пор, как начало заглядываться на них. С древних времён было известно такое скопление, как Плеяды (они же Семь Сестёр или Стожары), находящееся в созвездии Тельца. Некоторые скопления астрономы до изобретения телескопа видели просто как пятна света.

К примеру, в классическом труде «Альмагест», или «Великое математическое построение по астрономии в 13 книгах» Клавдия Птолемея от 140 года н.э., включающем полный комплекс астрономических знаний Греции и Ближнего Востока того времени, упомянуты скопление Ясли в созвездии Рака, двойное скопление в Персее, скопление Волосы Вероники и скопление в созвездии Скорпиона, которое впоследствии назвали скоплением Птолемея, или М7 в каталоге Мессье.

Но лишь Галилей при помощи своего телескопа в начале XVII века смог разглядеть, что описываемые Птолемеем объекты – это группы из нескольких звёзд. Вдохновившись успехами Галилея, итальянский астроном Джованни Баттиста Годиерна первым при помощи телескопа открыл неизвестные ранее скопления.

К концу XVIII века астрономы начали догадываться, что эти группы звёзд физически взаимосвязаны между собой, а не просто находятся рядом на небе при взгляде с нашей планеты. После публикации обширного каталога Мессье некоторые учёные начали исследовать то, что было видно как «туманности», и пришли к выводу, что часть из них – просто группы из близко расположенных звёзд. В опубликованном в конце XIX века «Новом общем каталоге туманностей и звёздных скоплений (англ. New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars или NGC)» были перечислены уже сотни разных скоплений звёзд. А благодаря более точным измерениям было показано, что звёзды в скоплениях двигаются как единое целое.

В новые телескопы стало видно, что звёздные скопления делятся на два типа. В шаровых звёздных скоплениях содержится большое число плотно расположенных звёзд, связанных гравитационно, и вращающихся относительно общего центра масс. Обычно они живут в галактическом гало.

В открытых звёздных скоплениях обычно бывает несколько тысяч звёзд. Все они сформировались примерно в одно и то же время из одного молекулярного облака. Открытые скопления находятся в галактическом диске, вращаются вокруг центра галактики, и звёзды в них связаны гравитацией не слишком сильно, поэтому часто меняют взаимное расположение из-за взаимодействия с другими звёздами. Существуют они порядка сотен миллионов лет и появляются в спиральных и неправильных галактиках, где ещё идут активные процессы звёздообразования.

Поскольку звёзды открытых скоплений имеют сходный возраст и химический состав, на их примере бывает удобно изучать эволюцию звёзд, а их свойства (расстояние, возраст, металличность, скорость, межзвёздное поглощение) определять проще, чем у отдельных звёзд.

В нашей Галактике известно уже более 1100 звёздных скоплений, а реально их может быть в 10 раз больше. В спиральных галактиках открытые скопления обычно находятся в рукавах: там, где больше всего материи и там, где чаще всего появляются новые звёзды. Открытые скопления обычно находятся в плоскости галактики – высота нашего Млечного Пути составляет порядка 180 световых лет, а диаметр – 50 000.