Астрономия. Популярные лекции

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список ежегодной премии «Просветитель». В октябре из их числа будут выбраны восемь изданий, среди которых позже и определят победителей в двух номинациях: «естественные и точные науки» и «гуманитарные науки».

Книга астронома и популяризатора науки Владимира Сурдина «Астрономия. Популярные лекции» вышла в издательстве Московского центра непрерывного математического образования. Основана она на лекциях межфакультетского курса МГУ «Основы астрономии». Она может послужить  вводным курсом астрономии для студентов естественно-научных факультетов (физиков, химиков, биологов, географов и геологов), а также для математиков и инженеров, которые ранее систематически не изучали астрономию, но в своей работе могут с ней соприкоснуться. Автор отмечает, что лекции будут небесполезны и для филологов, особенно для переводчиков и редакторов, поскольку знакомят с современной астрономической терминологией и важнейшими понятиями из области космических наук. Предыдущее издание книги вышло в 2018 г. В настоящее издание добавлены две главы: о планетах-гигантах и малых телах Солнечной системы.

Предлагаем ознакомиться с фрагментом из книги Владимира Сурдина, посвящённым негравитационным факторам, влияющим на движение небесных тел.

 

Негравитационные возмущения и их последствия

До сих пор мы говорили только о гравитации, а теперь вспомним, что кроме гравитации ещё 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 идём под падающими вертикально каплями дождя, наша передняя сторона мокнет сильнее, чем тыльная, потому что мы «набегаем» на дождь и в нашей системе отсчёта 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 учёный-любитель Иван Осипович Ярковский, он разослал свою брошюру по всем институтам; я нашёл её 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 нашёл его в рамках взаимодействия планеты с солнечным излучением.

Когда планета летит по орбите, Солнце её освещает и нагревает дневную полусферу. Если планета имеет собственное суточное вращение, то нагретая днём 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, принесённого 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 расчётном 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.

 

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.

 

Рис. 9.13. Автоматическая станция серии «Пионер». Рисунок: NASA.

Есть ещё интересная история, связанная с эффектом отдачи. Два первых космических аппарата, которые ушли за пределы Солнечной системы — «Пионер-10» и «Пионер-11», — как-то странно отклонялись от траектории, при расчёте которой учитывалась только гравитация: их иногда что-то притормаживало. Этот парадокс «Пионеров» четверть века «висел» перед небесными механиками и требовал объяснения. Чтобы его разрешить, пытались даже модернизировать теорию гравитации, но безуспешно: запуск последующих зондов не подтвердил предположений.

Наконец выпускник физфака МГУ В. Г. Турышев, ныне сотрудник американской лаборатории JPL, догадался о причине явления, и его версия стала общепризнанной. У зондов «Пионер» в качестве источников электричества используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы. В них распадается плутоний 238Pu, в этом процессе выделяется тепло, поэтому генераторы всегда горячие, их излучение падает на тыльную сторону рефлектора радиоантенны и отражается от него. Получается своеобразный фотонный двигатель. А поскольку антенна постоянно направлена на Землю, т. е. на центр Солнечной системы, реактивная сила притормаживает полет аппарата.

 

Рис. 9.14. Международная космическая станция похожа на парусный корабль. Но её «паруса» не разгоняют станцию, а тормозят.

 

Рис. 9.15. Искусственный спутник GOCE, работал в 2009–2013 гг. Фотоколлаж ESA.

Влияние атмосферы

И, наконец, о последнем негравитационном возмущении. Космические тела летают не в абсолютном вакууме, а в среде, хотя и очень разреженной, так что обычное газодинамическое сопротивление тоже играет роль. Наша МКС издали кажется «парусником», летящим по космическим волнам (рис. 9.14), но на самом деле солнечные панели станции — вовсе не паруса, а тормоза: станцию они всегда тормозят об атмосферу Земли, и, чтобы она не упала, надо периодически включать реактивные двигатели и восстанавливать высоту орбиты. То же самое со спутниками, запускаемыми на низкую орбиту. Несколько лет назад для измерения гравитационного поля Земли на очень малую высоту (220 км) был запущен спутник GOCE. Атмосфера там вполне ощутимой плотности, и необходимо было постоянно держать двигатель включённым, а панели солнечных батарей развернуть вдоль направления полёта, иначе они очень сильно тормозили бы спутник и он быстро упал бы. Четыре года он летал — и всё-таки упал, а случилось это в 2013 г. Почему именно в этом году? Для астрономов это не тайна: это был год максимума солнечной активности. А когда Солнце бьёт по Земле ультрафиолетом и рентгеном, наша атмосфера «вспухает» и особенно интенсивно тормозит низколетящие спутники.

 

Рис. 9.16. Количество объектов размером более 10 см на околоземных орбитах высотой 200–2000 км по настоящее время и в будущем при реализации двух сценариев космической активности человечества.

Однако большинство спутников на землю не падают и, перестав работать, остаются на орбите. Иногда они сталкиваются друг с другом и с останками ракет и распадаются на куски разных размеров. Сейчас в околоземном пространстве на орбитах высотой до 2000 км кружится около 12 тысяч осколков размером от дециметра и крупнее; за ними всеми следят, чтобы какой-нибудь из них не налетел на действующий космический аппарат. Китайцы пытались сбить свой спутник с орбиты, но тем самым только добавили мусора в космосе. Если частота запусков космических аппаратов сохранится на сегодняшнем уровне, количество обломков в многолетнем тренде будет увеличиваться. Хотя каждые 11 лет (период колебаний активности Солнца) будет наблюдаться небольшой спад: те спутники, что летают низко, будут падать на Землю.

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2019 года:

Обсудите с коллегами

15:10

Регулярное питье чая положительно влияет на мозг

11:30

Предложен новый способ взвешивать черные дыры

10:30

Бактерии помогают кошкам метить территорию

09:30

Гигантский гобелен из Нотр-Дам-де-Пари спасен благодаря аэродинамической трубе

16.09

Как считают рейтинг

16.09

В Турции планируют затопить существующий тысячи лет город

Венедикт Ерофеев: посторонний