Астрономия. Популярные лекции

Долго сохраняются на поверхности Земли каменные и железные метеориты, которые считаются осколками астероидов. Иногда по траектории полета в атмосфере удается восстановить исходную орбиту соответствующего метеороида и понять, из какой области Солнечной системы он пришел. Химический и минеральный состав самого метеорита в некоторых случаях помогает выяснить, от какого астероида он откололся. А некоторые метеориты надежно определяются как осколки лунной и марсианской поверхности. Поэтому метеориты — бесценный дар для исследователей Солнечной системы. Им мы посвятим отдельную главу в будущих изданиях этих Лекций.

8. Приливы и отливы в морях и в Солнечной системе

Продолжим разговор о силах, действующих на небесные тела, и возникающих при этом эффектах. В этой лекции я расскажу о приливах и негравитационных возмущениях. Что это значит — «негравитационные возмущения»? Возмущениями обычно называют малые поправки к большой, главной силе. Таким образом, речь пойдет о каких-то силах, влияние которых на объект значительно меньше гравитационных.

Какие в природе бывают силы, кроме гравитации? Сильные и слабые ядерные взаимодействия оставим в стороне, они имеют локальный характер (действуют на крайне малых расстояниях). А вот электромагнетизм, как известно, намного сильнее гравитации и распространяется так же далеко — беспредельно. Но поскольку электрические заряды противоположных знаков обычно уравновешены, а гравитационный «заряд» (его роль играет масса) всегда одного знака, то при достаточно больших массах, конечно же, гравитация выходит на первый план. Так что реально мы будем говорить о возмущениях движения небесных тел под действием электромагнитного поля. Больше вариантов нет, хотя есть еще темная энергия, но она действует лишь на космологических (т. е. очень больших) расстояниях.

Как я рассказывал в одной из предыдущих лекций, простой ньютонов закон тяготения

очень удобно использовать в астрономии, потому что большинство тел имеют близкую к сферической форму и достаточно удалены друг от друга, так что при расчете их можно заменить точками — точечными объектами, содержащими всю их массу. Но тело конечного размера, сравнимого с расстоянием между соседними телами, все-таки испытывает разное силовое влияние в разных своих частях, потому что эти части по-разному удалены от источников гравитации, и это нужно учитывать.

Притяжение плющит и раздирает

Чтобы ощутить приливный эффект, проделаем популярный у физиков мысленный эксперимент: представим себя в свободно падающем лифте (рис. 8.1). Отрезаем веревочку, удерживающую кабину, и начинаем падать. Пока не упали, можем смотреть, что вокруг нас происходит. Подвешиваем свободные массы и наблюдаем, как они себя поведут. Сначала они падают синхронно, и мы говорим, что это невесомость, потому что все объекты в этой кабине и она сама ощущают примерно одинаковое ускорение свободного падения. Но со временем наши материальные точки начнут менять свою конфигурацию, потому что нижняя из них вначале была чуть ближе к центру притяжения, чем верхняя, поэтому нижняя, притягиваясь сильнее, начинает опережать верхнюю. А боковые точки всегда остаются на одинаковом расстоянии от центра тяготения, но по мере приближения к нему они начинают сближаться друг с другом, поскольку равные по модулю ускорения не параллельны. В результате система несвязанных объектов деформируется. Это и называют приливным эффектом.

Рис. 8.1. Деформация системы несвязанных точек при свободном падении.

С точки зрения наблюдателя, который рассыпал вокруг себя крупу и смотрит, как перемещаются отдельные крупинки, пока вся система падает на массивный объект, можно ввести такое понятие, как поле приливных сил

. Определим эти силы в каждой точке как векторную разницу гравитационного ускорения в этой точке и ускорения наблюдателя или центра масс, и если брать только первый член разложения в ряд Тейлора по относительному расстоянию, то получится симметричная картина (рис. 8.2): ближние крупинки будут опережать наблюдателя, дальние — отставать от него, т. е. система будет растягиваться вдоль оси, направленной на тяготеющий объект, а вдоль перпендикулярных ей направлений частицы будут прижиматься к наблюдателю.

Рис. 8.2. Векторное поле приливных сил в точке А под действием объекта массой m.

Как вы думаете, что будет происходить при затягивании планеты в черную дыру? Тем, кто не слушал лекций по астрономии, обычно кажется, что черная дыра будет срывать вещество только с обращенной к ней поверхности. Они не знают, что почти столь же сильный эффект проявляется на обратной стороне свободно падающего тела, т. е. оно разрывается в двух диаметрально противоположных направлениях, а отнюдь не в одном.