Астрономия. Популярные лекции

До сих пор мы говорили только о гравитации, а теперь вспомним, что кроме гравитации еще есть и электромагнитное излучение. И его кванты тоже имеют возможность давить на тела, изменяя их импульс.

Эффект Пойнтинга —Робертсона

Самый известный эффект влияния излучения на движение небесных тел описал английский физик Дж. Г. Пойнтинг (1903) и уточнил американский физик Г. П. Робертсон (1937). Пусть некий астероид летает вокруг Солнца: гравитация действует строго по линии, соединяющей их центры масс. Если бы он стоял на месте, то сила давления на него солнечного излучения тоже была бы направлена вдоль этой линии. Но тело движется по орбите, и возникает эффект аберрации: грубо говоря, в результате векторного сложения собственной скорости астероида и скорости света происходит поворот вектора силы лучевого давления против направления движения (рис. 9.11). Когда мы идем под падающими вертикально каплями дождя, наша передняя сторона мокнет сильнее, чем тыльная, потому что мы «набегаем» на дождь и в нашей системе отсчета вектор скорости дождевых капель направлен под углом к вертикали. Аналогично набегающая сторона астероида освещается немного лучше, чем задняя.

Рис. 9.11. Эффект Пойнтинга-Робертсона: торможение тела, движущегося в поле излучения.

Компонент силы светового давления, направленный вдоль линии центров, противодействует гравитационному влиянию Солнца и для мелких частиц (< 1 мкм) даже превосходит его, выметая эти частицы из Солнечной системы. А перпендикулярный ему компонент тормозит движение тела. Он крайне мал: скорость светового потока — 300 тыс. км/с, а орбитальная скорость — порядка 30 км/с (на уровне земной орбиты), т. е. вектор светового давления повернут на 0,0001 радиана. Соответственно, тормозящей оказывается одна десятитысячная доля светового давления. Но, как говорят, капля камень точит: если постоянно тянуть объект назад, пусть даже с маленькой силой, в конце концов он затормозится. Так вот, оказывается, что на мелкие частицы космической пыли (размером менее 0,1 мм) этот эффект влияет настолько сильно, что с расстояния 3 астрономические единицы (т. е. из Главного пояса астероидов) за 10 тысяч лет они по спирали выпадают на Солнце. Почему этот эффект влияет именно на мелкие частицы? Это очень просто: сила лучевого давления пропорциональна площади сечения тела, т. е. квадрату радиуса, а масса — кубу радиуса. Поэтому ускорение — отношение силы к массе — получается обратно пропорциональным размеру частицы. За 100 тысяч лет вообще вся Солнечная система очистилась бы от пыли, если бы пыль не образовывалась заново: крупные астероиды постоянно сталкиваются друг с другом и рождают тучи новой пыли, которая опять начинает падать на Солнце.

Эффект Ярковского

Есть и другой эффект силового действия излучения, о котором до конца XX века никто не думал. Однако в конце XIX века этот эффект уже был предсказан и даже описан в литературе. Сделал это московский инженер и ученый-любитель Иван Осипович Ярковский, он разослал свою брошюру по всем институтам; я нашел ее в библиотеке ГАИШ МГУ.

Ярковский развивал популярную тогда эфирную теорию гравитации, которая впоследствии не подтвердилась. Но, как инженер, размышляя о движении планет сквозь пространство, заполненное гипотетической средой — эфиром, он не мог представить, что планеты не испытывают при этом сопротивления. Поэтому он искал компенсирующий эффект и нашел его в рамках взаимодействия планеты с солнечным излучением.

Рис. 9.12. Термомеханический эффект Ярковского. Направление реактивной силы зависит от ориентации оси и направления суточного вращения небесного тела. Слева — оригинальный рисунок Ярковского, 1888 г.

Когда планета летит по орбите, Солнце ее освещает и нагревает дневную полусферу. Если планета имеет собственное суточное вращение, то нагретая днем поверхность переносится на вечернюю, а потом и на ночную сторону. Значит, оттуда уходят потоки инфракрасного излучения, и в результате отдача постоянно толкает планету. Этот эффект на много порядков сильнее эффекта Пойнтинга — Робертсона: почти 50 % импульса, принесенного на планету квантами света, дают вклад в реактивный эффект. Это оказывает колоссальное силовое влияние на движение небольших астероидов и искусственных спутников Земли. Но долгое время на это не обращали внимания (и этому парадоксу я не могу найти объяснения), пока наконец ошибки в расчетном движении спутников не превысили допустимую величину. Только тогда стали искать причину — и разобрались, что действует эффект радиационной отдачи, а потом выяснили, что Ярковский предсказал этот эффект сто лет назад. Вот как важно читать старые книжки: люди прошлых веков были не глупее нас.