Магнитное поле – особая форма материи, которая существует вокруг движущихся заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие заряженные частицы или тела, движущиеся в этом поле.
Освоение солнечной системы. Простым языком о том, куда и зачем стоит лететь.
Часть 2.
Сегодня речь пойдёт про, пожалуй, самую доступную часть перепавшей нам Солнечной системы - про Луну. Должны были быть ещё Марс и Главный пояс, но они не влезли в пост. Простите, я снова расписался и не уследил за объёмом.
Ах да! На Луне же обнаружилась сеть пеще... Это, как вы понимаете, была типичная дешёвая замануха, призванная заставить вас сидеть и читать длиннопост вместо того чтобы свернуть его до лучших времён. Поэтому сделайте вид что повелись и сидите, читайте.
Луна - первое небесное тело, где мы начали топтать пыльные тропинки.
Да, начали. Все сомнения на этот счёт я собираюсь с негодованием отвергать. Потому что ну камон, ребята, ну всё, тема закрыта: LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter - исследовательская станция, отснявшая всю поверхность Луны в качестве 20-50 см на пиксель, то бишь лучше чем мы видим Землю на гуглокартах) прислал снимки, на которых видно не только посадочные модули, но и то как топтались астронавты в лунной пыли. Элементарно гуглится по запросу "lro фото мест посадки аполлонов". Не буду я на это больше время тратить.
Беда с Луной (как и с Марсом, кстати говоря) заключается в том, что по теме её освоения не проехался только ленивый. И научной литературы хватает, и художественной, и фильмецов разной степени достоверности снято немало. И потому, затрагивая тему освоения Луны, придётся через весь этот культурный бэкграунд как-то протискиваться. Стараясь не задеть сигнальные нити и не наступить на чью-то любимую мозольку.
Немного истории. Образовалась Луна, как вы наверняка помните (не то чтоб вы были такими старыми, но на астрономии в школе должны были рассказывать), из-за удара в Землю планеты Тейи, образовавшейся на той же орбите в точке Лагранжа. Причём именно планеты а не какого-то более мелкого тела, по расчётам объект должен был иметь 1/10 массы Земли, а это, на секундочку, целый Марс. Дело было, как сейчас помню, около 4,5 млрд лет назад, то есть вскоре после формирования Земли да и вообще всей нашей Солнечной системы.
Орбиты тогда были неустойчивые, в пространстве летала куча мусора, оставшегося от протопланетного диска из которого формировались все объекты системы, за исключением тех немногих что прилетели откуда-то ещё (впрочем, их поди ещё найди да докажи). Очень вероятно, что сумбура добавил Юпитер, перемещаясь с ближнесолнечной орбиты на нынешнюю - есть такая вполне себе рабочая теория, объясняющая например, почему у нас Главный пояс не сформировал ничего крупнее Цереры.
Конечно же не надо думать что Луна отломилась сразу единым куском. С Земли сбило кучу мелких обломков, образовавших некое подобие кольца. И вот это кольцо уже в свою очередь собралось в современную Луну. Компьютерное моделирование показало, что за вполне умеренный срок куча орбитальных булыжников способна сформировать вполне внятный шар (до ста лет при пессимистичном сценарии, при оптимистичном у них там года за три весь хлам сложился в аккуратную Луну).
Украду у Вики гифку, дело было как-то так (L4 - это четвёртая точка Лагранжа, ну вдруг вы не знали):
Изложенная выше теория формирования Луны - самая правдоподобная, самая смоделированная и в общем-то сегодня считающаяся общепринятой научным сообществом. Другие версии, согласно которым Луна сконцентрировалась на орбите из летающих в атмосфере силикатов, просто пролетала мимо и была захвачена притяжением Земли, является головой Койольшауки, отрезанной её сыном Уицилопочтли, родившимся у той от неизвестного шара с перьями (не спрашивайте, сам не пойму что она в нём нашла) - считаются устаревшими.
Однако, ближе к делу. Итак, чем нам может пригодиться наш естественный спутник?
Начну я, пожалуй, с самого актуального, с того о чём в последние недели нам много и интересно вещают - с международной лунной орбитальной станции DSG (Deep Space Gateway), куда мы вроде как вписались поучаствовать (говоря "мы", в данном случае я имею в виду Россию, хотя применительно к околокосмическим постам чаще моё "мы" надо читать как "человечество").
В силу ряда причин, понятных для большинства человеков разумных, отечественная космическая программа в последние годы страдает от необходимости сильно поужаться в расходах. Отменились (ну хорошо, не отменились а очень-очень отложились) планы полёта к Марсу, отменились планы строительства собственной лунной базы, под большим сомнением идея организации своей околоземной станции (у МКС виднеется конец срока эксплуатации), совсем не слышно новостей о разработке орбитального тягача, и т.д. и т.п.
Все перспективные затеи Роскосмоса отваливаются одна за другой, и это, блин, чертовски печально. Участие в проекте строительства DSG в данном контексте радует тем, что с международного проекта гораздо сложнее "соскочить". Легко обрезать финансирование чего-то своего, потому что свои расстроятся но никуда не денутся. А вот выход из международного проекта - это уже репутационные потери, а потому десять раз подумаешь прежде чем передумывать.
DSG будет из себя представлять уменьшенную версию МКС. Уменьшенную - ну потому что далековато пока что тягать туда тяжёлые модули, хотя, конечно же, о финальном облике станции говорить сегодня рано.
Орбитальная лунная станция - это очень хорошо (просто замечательно) по нескольким причинам. Во-первых это отработка относительной автономности в относительно дальнем космосе. МКС всё-таки вот она висит, под боком. Четыреста километров - это по сути дела ещё очень верхние слои атмосферы. Космос у нас "де-юре" действительно начинается со ста километров, но де-факто на высоте четырёхсот километров, где кружится МКС, атмосфера Земли ещё присутствует и вполне себе ощутимо тормозит скорость движения станции (особенно мешаются здоровенные лопухи солнечных батарей), из-за чего периодически приходится корректировать орбиту.
А вот на лунной орбите - там уже космос без шуток и скидок, по нашим сегодняшним меркам вполне себе дальний. Со всеми прелестями, включая радиацию и невозможность, если что, прыгнуть в резервный Союз и оперативно свинтить домой к жене, детям и коту.
Слетать туда-обратно до лунной орбиты - это уже выходит неделя. Одна дорога, без проживания. А за неделю, знаете ли, многое может случиться. Навыки самостоятельного полёта необходимы для дальнейшего освоения космоса, без этого базиса ни на какой Марс мы не полетим.
Это во времена лунной гонки летали на честном слове и такой-то матери, по принципу "вроде свинтили, вроде работает, ну тогда стартуем, помолясь" - в наши дни, к счастью, так уже никто не летает. Убеждён, что сегодня миссии Аполлон, в том виде в котором они были реализованы, не были бы возможны по соображениям безопасности.
Во-вторых, строительство DSG создаст запрос на автономную электронику. МКС, это не секрет, полностью управляется с Земли. Потому что нет никакого смысла возиться с автономными системами, когда на борту всегда присутствует кто-то из космонавтов и когда есть постоянная устойчивая связь в реальном времени с ЦУПами в Королёве и Хьюстоне.
На лунной же орбите от управляющей электроники потребуется определённая самостоятельность. Далеко не всегда там будет присутствовать экипаж, особенно в первые годы. А это означает не только самостоятельность в повседневной работе станции, но и ведение научных экспериментов, а также процессы консервации/расконсервации станции без участия человеков.
Не всегда будет устойчивая связь с Землёй. Ну и плюс, тоже надо учитывать, сигнал до Луны доходит уже с небольшой задержкой. Туда-обратно выходит почти две с половиной секунды, в критической ситуации это может оказаться существенно.
Всё вместе говорит о том, что потребуются нормально соображающие системы контроля, способные адекватно реагировать на возможное взаимодействие с космическим пространством, на угрозы и опасности, на поломки. Это специальное, особо живучее "железо", это головастый софт, это запас алгоритмов поведения под любую возможную ситуацию. Это хорошо воспитанные нейросети, у которых не зашуршит шифер и не проснётся ненависть к проклятым мясным угнетателям.
И всё это нам гарантированно понадобится тем больше, чем дальше мы станем забираться от Земли. Пора начинать нарабатывать опыт.
Ну и в-третьих, DSG - это "ворота" к поверхности Луны. Если мы хотим строить базу непосредственно на самой Луне, то наличие орбитальной "теплушки" безусловно упростит процесс в очень существенной степени. Например, значительно уменьшив количество скарба который придётся таскать с собой посадочным модулям. Да и не только им одним, сами пилотируемые корабли тоже можно избавить от приличной части второстепенного груза. А это значит - больше людей, ну либо более лёгкие и дешёвые носители для старта, что тоже приятно.
Груз же вполне может чесать своим ходом на старом-добром Прогрессе - посадить его сразу на поверхность в нужную точку было бы непросто, а вот довести до промежуточного пункта на орбите Луны - это в общем-то не так уж трудно. Тут наверняка кто-то придёт и скажет что и посадить - запросто. Ребятушки, да, один посадить, второй. Но их будет не два и даже не двадцать. А шландаться по Луне в поисках промахнувшегося грузовика - сомнительное удовольствие. Нет уж, лучше через перевалочную базу на орбите.
Ну и безопасность, да. Если вдруг не повезёт травануться несвежей шаурмой, до Земли будет три дня, а до DSG - час-другой.
Тут просится какая-нибудь картинка в тему, но всё что есть в интернетах - либо о-о-очень ранние приблизительные проекты, ещё не предусматривающие участие Роскосмоса, либо нарисованные от балды концепты, не имеющие связи с реальностью. Ну вот этот вроде похож на правду (хотя живого места нет от водяных знаков), держите:
Кроме того, если заглянуть чуть подальше, лунная орбита станет также и воротами к Марсу. Очень непохоже, что в ближайшее время нам светят цельнокорпусные транспортные средства, а значит в ближайшие десятилетия даже тяжёлые, крупные, дальние корабли будут модульными, то есть сборными.
Как конструктор: таким же образом собирали МКС, так же будут свинчивать DSG. Так же повезут к Марсу что-то более-менее крупное, например марсианскую орбитальную станцию. Собирать её там, около Марса, конечно тоже можно, но слишком уж далеко возвращаться за запчастями, если вдруг чего-то не хватает. Шкаф из "Икеи" свинчивали сами? У меня вот, например, книжный стеллаж однажды приехал без ручки. На Марсе это было бы втройне обидно.
То же самое и с марсианской станцией - её логичнее собирать тут, на мощностях станции лунной, хотя бы основную часть. На орбите Земли было бы ещё удобнее, но тут вмешивается бессердечная гравитация: вытащить что-то из гравитационного колодца Земли не так просто. Это очень большие усилия, скорости и затраты. И нагрузки на корпус станции. Поэтому ну её, земную орбиту, лунная станет компромиссом между расстоянием и экономией.
Теперь давайте уже наконец перейдём к поверхности Луны. Помните, в посте про реалистичные способы передвижения в космосе я рассказывал про проект "Breakthrough Starshot"? Если не помните - то перечитайте, интересно же вышло, ну.
Если тезисно, то это проект отправки к α Центавра ABC микроаппаратов с солнечными парусами. Разгонять их планируется с помощью гигаваттных лазеров (не одного конечно). В проект вложились Мильнер с Цукербергом, курируют в том числе Хоккинг и Перлмуттер.
Так вот, размещать разгонные лазеры на Земле - глупо, потому что атмосфера мешается. Размещать их на орбите Земли опасно, потому что лазеры! Над головой! Да туда все психи с манией величия сбегутся, чтобы сверху диктовать покорному человечеству свою мудрую волю.
А вот на поверхности Луны, на тёмной её стороне, размещать такие опасные штуки - самое оно. Заодно, кстати, такие лазеры могут выполнять в том числе оборонительные функции на случай, если кто-то всё-таки припрётся нас завоёвывать. Нет, вы не поняли, я не предлагаю стрелять из них по захватчикам. Гораздо эффективнее разогнать лазерами чушку из сверхпрочного чугуния, направив её в сторону неприятеля.
Маловато что-то картинок в этот раз, да? Давайте разбавим текст. Вот вам концепт разгонной станции проекта "Breakthrough Starshot":
А вот небольшое наглядное пояснение к самому проекту "Breakthrough Starshot", чтобы уж сразу тему приподзакрыть:
Да, кстати. Насчёт тёмной стороны Луны, коли уж речь зашла. Вы же знаете, что она не тёмная, да? Она освещается Солнцем ровно столько же времени, сколько и наблюдаемая нами. "Тёмная" она только потому, что не видна нам с Земли.
И ещё одно распространённое заблуждение давайте тоже до кучи развеем, раз уж мы тут все так здорово сегодня собрались. Разумеется Луна вращается вокруг своей оси! Насмехайтесь над тем, кто говорит что это не так, гоните его! Просто-напросто вращение Луны вокруг оси синхронизировано с периодом обращения вокруг Земли и потому нам незаметно.
Убедиться можно с помощью элементарного эксперимента. Ставите перед собой двух человек. Один, потолще, будет изображать Землю. Он красиво стоит неподвижно и ничего не делает. Второй, постройнее, демонстрирует нам Луну. Он двигается вокруг первого, всегда оставаясь к нему лицом - "светлой стороной", и всегда скрывая от него свой з... Свою "тёмную сторону". Представьте, что из макушки сверху у "Луны" торчит ось. И снизу откуда-нибудь тоже торчит ось. Наблюдая за происходящим вы легко обнаружите, что "Луна", перемещаясь вокруг "Земли", постоянно вокруг этой оси вращается. Наука, братцы, с ней не поспоришь.
Помимо потенциально угрожающих лазеров, куда-то на Луну имеет смысл вывезти вообще всё опасное и вредоносное. Любые вредные производства, представляющие радиационную опасность, химическую либо даже биологическую. Всё что может взорваться, всё откуда может сбежать смертоносный вирус либо, скажем, зомби (надысь устроил себе марафон "Resident Evil" и теперь особенно опасаюсь смертоносных вирусов и зомби) - всё это надо увозить с Земли.
А ну-ка скажите, чего у нас на Луне достаточно? Правильно - халявного вакуума. Ну точнее - почти вакуума, знаю что кто-нибудь тут меня обязательно поправит. Почти вакуума. Менее бесплатным он от этого не становится. Вакуум хорош тем, что позволяет создавать сверхчистые сплавы. Так называемое бескислородное литьё, которое на Земле выходит неоправданно дорогим. Металлов, кстати, в Луне хватает: титан, алюминий, железо. Причём есть такая версия, что там этого хозяйства в верхних слоях должно быть больше чем на Земле, поскольку тектоника была менее активная (и существенно менее продолжительная) и металлы не успели опуститься в недра.
Чем ещё хорош вакуум и отсутствие атмосферы? Тем, что эта самая атмосфера не мешается тому, чему она мешается тут, на Земле. Астрономы, например, полцарства отдадут за возможность обжить Луну.
Сейчас оптическая астрономия должна выбирать: либо ставим большой телескоп на Земле (плюсы: удобство обслуживания, можно строиться с размахом; минусы: толстая искажающая атмосфера, воздушные потоки, тучи, голуби), либо тащим гораздо меньший телескоп на орбиту (плюсы: никаких голубей, никакой искажающей атмосферы; минусы: большой телескоп наверх не поднимешь, неремонтопригодность).
Луна совмещает в себе все положительные стороны (разумеется после того, как мы отбросим саму проблему колонизации), там можно разгуляться, поставив здоровенное зеркало которому не будет мешать атмосфера и которое легко будет ремонтировать.
Радиоастрономы тоже посматривают в сторону Луны с интересом. Атмосфера им не особенно мешается, зато мешаются все возможные источники радиосигналов ("Контакт" с Джоди Фостер смотрели? Ах какое кино!). А радиосигналы у нас сегодня излучает вообще всё подряд, включая некоторые холодильники. Если забраться на тёмную сторону Луны, жить радиоастрономам сразу станет веселее.
Помимо астрономов, атмосфера мешается ещё и энергетикам. Приятно и удобно размещать солнечные батареи там, где их не станут закрывать облака.
Вики подсказывает:
Ключевые технологии имеют, по оценке НАСА, уровень технологической готовности 7/10. Рассматривается возможность производства большого объёма электроэнергии, равного 1 ПВт. При этом стоимость лунного комплекса оценивается примерно в 200 трлн долл. США. В то же время стоимость производства сравнимого объёма электроэнергии наземными солнечными станциями — 8000 трлн долл. США, наземными термоядерными реакторами — 3300 трлн долл. США, наземными угольными станциями — 1500 трлн долл. США.
Ну то бишь кое-кто уже всерьёз этим вопросом озаботился, заинтересовался и уже подсчитывает предполагаемые расходы.
Вот как-то так могли бы выглядеть поля солнечных батарей на Луне (концепт совершенно от балды нарисован, зато красиво):
Разумеется не могу не вспомнить про всеми любимый Гелий-3, которого на Луне вроде как вполне хватает.
Гелий-3 - весьма удобное топливо для термоядерных реакторов. Он легко хранится, при его использовании поток нейтронов из активной зоны реактора будет весьма умеренный (относительно конечно), в случае аварии выброс получится практически не радиоактивным.
На земле Гелия-3 сохранилось весьма немного, и он довольно активно продолжает улетучиваться. А вот на Луне, по минимальным прикидкам, должно найтись 500 000 тонн. Казалось бы - не так уж много, но давайте не забывать что это таки весьма лёгкий газ. Стоимость, как мне подсказывает Вики, составляет 1200 долларов США за литр и 20 000 000 долларов США за килограмм. После этих цифр как-то уже интереснее становится, правда?
Надо упомянуть, что существует и ряд проблем, например само отсутствие у нас термоядерных реакторов. Но несмотря на ряд скептических мнений, в целом современная наука копает в сторону создания термоядерного реактора вполне активно.
Всё разумное человечество скинулось кто чем богат и ваяет общий экспериментальный термоядерный реактор на юге Франции. Вы наверняка скажете, что такие вещи надо строить где-нибудь в Антарктиде, от греха подальше. Однако ехать строить в Антарктиду почему-то никто не рвался, а вот на юг Франции все приехали с редким энтузиазмом и единодушием. Такой вот удивительный научный факт, пометьте себе.
Проект называется ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), Россия очень участвует. Цена с пяти миллиардов евро выросла до двадцати (этот факт не связан с нашим участием ;-), а сроки с 2016 года отодвинулись на 2025. Но это ж вам не стадион построить, это первый в мире термоядерный реактор в конце-концов.
Будущее:
Теперь давайте к бытовым вопросам. Вода на Луне есть (у нас в Солнечной системе воды вообще залейся, в том или ином виде она присутствует практически везде). Конечно она там не в виде уютного лесного озера, вода на Луне находится в почве и хорошенько присыпана сверху всяким мусором.
Количество пока под вопросом, причём прямо сейчас на эту тему очень активно спорят наши с американцами. Наши считают что весьма много, американцы - что совсем мало. Забавно то, что и те и другие отталкиваются от показаний одного и того же прибора - нашего российского LEND установленного на их американском LRO, который я упоминал в начале поста. LEND должен был искать в грунте водород и он его там таки нашёл. Однако вместо того чтобы внести ясность, это наоборот всех перессорило. Такие дела.
Но этот учёный дебош касается распределения водорода в грунте. В любом случае в приполярных кратерах есть доказанные залежи льда (как на Меркурии в прошлом посте, да) который можно взять и добыть без всяких LEND, старой доброй совковой лопатой.
Раз вода залегает у полюсов, то и обустраиваться логично где-то там же, неподалёку, возле условного терминатора (ещё раз напомню что "тёмная" сторона Луны не тёмная, а "светлая" не светлая, и потому говоря о терминаторе я имею в виду не фактическую линию светораздела, которая естественно постоянно перемещается, а условную, отделяющую видимую сторону от невидимой). Подобное расположение позволит на относительно небольшом расстоянии расположить как средства связи с Землёй так и, скажем, радиотелескопы, требующие чтобы Земля наоборот не маячила на горизонте. Там же, на вершине какого-нибудь кратера можно поставить круговую солнечную батарею, которую Солнце сможет освещать большую часть времени.
Нет никаких сомнений в том, что придётся зарываться хотя бы метра на полтора, а лучше - глубже. Это защита от радиации, защита от прилетающих булыжников, которые не сгорят в атмосфере за неимением таковой. Это защита от холода в конце-концов - в паре метров под поверхностью перепады температуры не страшны, в некоторых регионах там сохраняется вполне комфортный ноль или около того (при весьма значительных перепадах на поверхности).
Не так давно заговорили о том, что можно и не копать самим а воспользоваться тем что есть - лавовыми трубками, оставшимися с тех времён когда свежеобразованная Луна неравномерно остывала. Трубки такие и правда нашлись, в этом помогли падающие на Луну метеориты, проламывающие поверхность. Если подобная пещера обнаружится в удобном для поселения районе - то почему бы нет?
Вот вам пример вполне перспективной дыры в Луне:
В силу низкой гравитации представить себе более-менее стабильную и достаточно плотную атмосферу на Луне довольно трудно (хотя разреженная атмосфера присутствовала весьма долгое время, её следы сохраняются и сейчас). Так что фантазировать на тему терраформирования, кажется, особого смысла нет. В перспективе Луна - не курорт и не рекреация а гигантский завод и стартовая площадка. Тут тебе и металлы, тут тебе и топливо. Гравитация относительно невелика, а значит то, что на Земле лежит большой неподвижной кучей, там сможет оторваться и улететь. Кстати, тут снова можно вспомнить про электрические двигатели. Оторвать что-то с поверхности Земли они не способны, а вот там, на Луне, в принципе можно попробовать.
С середины прошлого века к гипотетической лунной базе любят пририсовывать электромагнитную катапульту. Чтобы, значит, можно было что-нибудь запускать в промышленных масштабах. Грузы в сторону Земли, корабли в сторону Марса. Да, в этом что-то есть, хотя порой мне кажется что это больше дань традиции чем реальный инструмент.
Сегодня планы освоения Луны так или иначе строят США, Россия, объединённая Европа, Китай, Индия и Япония. Строят планы с переменным успехом, куда уж без этого, кто-то время от времени выступает с новым громким проектом, кто-то наоборот отказывается и переносит сроки.
Частный бизнес пока что всерьёз о Луне не говорит, но издалека, скажем так, приценивается. Довольно скоро общее увлечение Марсом должно на какой-то срок приугаснуть, когда станет понятно что прямо сейчас заселить Марс не выйдет, будь ты хоть трижды Маском. И вот тогда, думается мне, в том числе и сам Илон Маск может плотнее заинтересоваться Луной, тем более что солнечная энергетика входит в сферу его интересов. Хотя что туда не входит? На редкость деятельный дядька.
Луна должна нас интересовать не только с точки зрения промышленного освоения. Наш спутник - в том числе отличный испытательный полигон, тренировочная площадка. Там, не удаляясь от дома, можно испытать не только технику но и самих себя. Рано ехать на двухколёсном велосипеде в горы, не научившись кататься на трёхколёсном у себя во дворе.
Мы знаем как себя ведёт организм тренированного космонавта в условиях МКС. Но всё-таки несколько специально отобранных человек в условиях МКС не дают полной картины.
Что, например, будет с психикой, когда ты не в четырёхстах километрах над собственным домом, наблюдаешь его из иллюминатора, а месяцами работаешь где-то на тёмной стороне Луны среди серо-бурых пустошей, а вокруг - черное небо и колючие звёзды?
А для кого-то, быть может, наоборот получится вот так:
Здесь, друзья мои, придётся мне прерваться. Честное слово, собирался написать и про Марс, и про пояс с Церерой. Но как-то неожиданно во время вёрстки часть про Луну разрослась настолько, что даже Марс уже не впихнуть.
Людей давно занимали причины горения звёзд на небе, однако по настоящему понимать эти процессы мы стали с первой половины 20-го века. В данной статье я постарался описать все основные процессы, протекающие во время жизненного цикла звезды.
Рождение звёзд
Формирование звезды начинается с молекулярного облака (к которым относятся 1% от всего межзвёздного вещества по массе) — они отличаются от обычных, для межзвёздной среды газо-пылевых облаков тем, что имеют бОльшую плотность, и значительно меньшую температуру — чтобы из атомов могли начать образовываться молекулы (в основном — H²). Само это свойство не имеет особого значения, но огромное значение имеет повышенная плотность этого вещества — от этого зависит, сможет ли вообще сформироваться протозвезда, и сколько времени на это потребуется.
Сами эти облака, при невысокой относительной плотности, за счёт своих огромных размеров могут обладать значительными массами — до 106 Солнечных масс. Новорожденные звёзды, не успевшие отбросить остатки своей «колыбели» разогревают их, что для таких больших скоплений очень «эффектно» выглядит, и является источником прекрасных астрономических фотографий:
Туманность Омега (часть звёзд — является «фоном», газ светится за счёт нагрева излучением звёзд):
Сам процесс отбрасывания остатков молекулярного облака обусловлен так называемым «солнечным ветром» — это поток заряженных частиц, которые разгоняются электромагнитным излучением звезды. Солнце теряет за счёт этого процесса миллион тонн вещества в секунду, что для него (массой в 1,98855±0,00025 * 1027тонн) — сущие пустяки. Сами частицы имеют огромную температуру (порядка миллиона градусов) и скорость (около 400 км/с и 750 км/с для двух разных составляющих):
Однако низкая плотность этого вещества означает то, что особого вреда они нанести не могут.
Когда начинают действовать гравитационные силы, сжатие газа вызывает сильный нагрев, благодаря которому и начинаются термоядерные реакции. Этот же эффект разогрева сталкивающегося вещества послужил основой для первого прямого наблюдения экзопланеты в 2004 году:
Планета 2M1207 b на расстоянии 170 св. лет от нас.
Однако различие между малыми звёздами и планетами-газовыми гигантами состоит как раз в том, что их массы оказывается не достаточно для поддержания начальной термоядерной реакции, которая в целом заключается в образовании гелия из водорода — в присутствии катализаторов (так называемый CNO-цикл — он действителен для звёзд II и I поколения, о которых речь пойдёт ниже):
Речь идёт как раз об самоподдерживающейся реакции, а не просто о наличие её факта — потому что хоть энергия для этой реакции (а следовательно и температура) строго ограничены снизу, но энергии движения отдельных частиц в газе определяется распределением Максвела:
И поэтому даже если средняя температура газа ниже «нижней границы» термоядерной реакции в 10 раз, всегда найдутся «ушлые» частицы, которые соберут энергию от соседей, и наберут её достаточно для единичного случая. Чем выше средняя температура — тем больше частиц могут преодолеть «барьер», и тем больше в ходе этих реакций выделяется энергии. Поэтому общепризнанной границей между планетой и звездой является порог, при котором термоядерная реакция не просто имеет место, но и позволяет поддерживать внутреннюю температуру не смотря на излучение энергии с её поверхности.
Звёздное население
Прежде чем говорить о классификации звёзд, необходимо сделать отступление, и вернуться на 13 млрд лет назад — в момент, когда после рекомбинации вещества стали появляться первые звёзды. Этот момент для нас показался бы странным — ведь никаких звёзд, кроме голубых гигантов в тот момент, мы не увидели бы. Причина этого — отсутствие в ранней Вселенной «металлов» (а в астрономии так называют все вещества «тяжелее» гелия). Их отсутствие означало то, что для загорания первых звёзд требовалась значительно большая масса (в пределах 20-130 масс Солнца) — ведь без «металлов» CNO-цикл не возможен, а вместо него идёт лишь прямой цикл водород + водород = гелий. Таковым должно было быть звёздное население III (из-за их огромного веса, и раннего появления — в видимой части Вселенной их уже не осталось).
Население II – это звёзды, образовывавшиеся из остатков звёзд III населения, они имеют возраст более 10 млрд лет, и уже содержат в своём составе «металлы». Поэтому попав в этот момент, мы не заметили бы каких-то особых странностей — среди звёзд уже присутствовали и гиганты, и «середнячки» — как наша звезда, и даже красные карлики.
Население I – это звёзды образуются уже из второго поколения остатков сверхновых, содержащие ещё больше «металлов» — к ним относится большинство современных звёзд, и наше Солнце — в том числе.
Классификация звёзд
Современная классификация звёзд (гарвардская) очень проста — она основывается на разделении звёзд по их цветам. В маленьких звёздах реакции идут значительно медленнее, и эта непропорциональность вызывает разницу в поверхностной температуре, чем больше масса звезды — тем интенсивнее с её поверхности идёт излучение:
Распределения цветов, в зависимости от температуры (в градусах Кельвина)
Как видно из графика распределения Максвелла выше, скорости реакций растут в зависимости от температуры растут не линейно — когда температура подходит к «критической точке» очень близко, реакции начинают идти в десятки раз быстрее. Поэтому жизнь больших звёзд может быть весьма короткой в астрономических масштабах — всего пару миллионов лет, это ничто в сравнении с расчётным временем существования красных карликов — в целый триллион лет (по понятным причинам, ни одной такой звезды ещё не погасло, и мы в данном случае можем полагаться только на расчёты, но продолжительность их жизни — явно превышает сотню миллиардов лет).
Жизнь звезды
Жизнь большинства звёзд протекает на главной последовательности, которая представляет из себя кривую линию, проходящую из верхнего-левого к нижнему-правому углу:
Диаграмма Герцшпрунга — Рассела
Этот процесс может показаться довольно унылым: водород превращается в гелий, и этот процесс продолжается миллионы и даже миллиарды лет. Но на самом деле, на Солнце (и остальных звёздах) даже во время этого процесса на поверхности (и внутри) всё время что-то происходит
Полный процесс термоядерных реакций в тяжёлых звёздах выглядит так: водород — гелий — бериллий и углерод, а дальше начинают идти несколько параллельных процессов, заканчивающихся на образовании железа:
Это обусловлено тем, что железо обладает минимальной энергией связи (в расчёте на нуклон), и дальнейшие реакции идут уже с поглощением, а не выделением энергии. Звезда всю свою долгую жизнь находится в равновесии между силами гравитации, сжимающими её, и термоядерными реакциями, которые излучают энергию и стремятся «растолкать» вещество.
Переход от сжигания одного вещества к другому происходит с увеличением температуры в ядре звезды (так как каждая последующая реакция требует всё большей температуры — порою на порядки величины). Но не смотря на рост температуры — в целом «баланс сил» сохраняется до самого последнего момента…
Завершение существования
Происходящие при этом процессы можно разделить на четыре варианта развития событий:
1) От массы зависит не только продолжительность жизни звезды, но и то, каким образом она закончится. Для «самых маленьких» звёзд — коричневых карликов (класс M) он завершится уже после выгорания водорода. Но тот факт, что перенос тепла в них осуществляется исключительно конвекцией (перемешиванием) означает то, что звезда максимально эффективно использует весь его запас. А также — максимально бережно будет его расходовать долгие миллиарды лет. Но после расходования всего водорода — звезда медленно остынет, и окажется в состоянии твёрдого шара (на подобии Плутона) состоящего почти полностью из гелия.
2) Далее идут более тяжёлые звёзды (к коим относится и наше Солнце) — масса этого, возможного будущего звезды ограничена сверху в 1,39 массы Солнца для остатка, образующегося после этапа красного гиганта (предел Чандрасекара). Звезда имеет достаточный вес, чтобы зажглась реакция образования углерода из гелия (естественно, самых распространённых нуклидов — гелий-4 и углерод-12). Но и реакции водород-гелий не перестают идти — просто область их протекания переходят в внешние, всё ещё насыщенные водородом слои звезды. Наличие двух слоёв, в которых протекают термоядерные реакции ведёт к значительному росту светимости, что вызывает «раздувание» звезды в размерах.
Многие ошибочно считают, что до момента красного гиганта, светимость Солнца (и других подобных звёзд) постепенно уменьшается, а затем резко начинает расти, на самом деле рост светимости идёт всю основную часть жизни звезды:
И на основе этого строят неверные теории, что в долгосрочной перспективе — Венера является лучшим вариантом для заселения человеком — на самом деле, к тому моменту, когда у нас появятся технологии для терраформирования современной Венеры, они могут оказаться безнадёжно устаревшими, и просто-напросто бесполезными. Тем более Земля по современным данным, имеет высокие шансы пережить состояние «красного гиганта» Солнца, на его границе, а вот у Венеры — шансов нет, и «всё что нажито непосильным трудом» — станет частью «пополневшего» Солнца.
На стадии красного гиганта звезда не только значительно увеличивает светимость, но также и начинает быстро терять массу, за счёт этих процессов запасы топлива быстро заканчиваются (этот этап как минимум в 10 раз меньше этапа сжигания водорода). После чего звезда уменьшается в размерах, превращается в белого карлика и постепенно остывает.
3) Когда масса выше первого предела, массы таких звёзд достаточно чтобы зажечь последующие реакции, вплоть до образования железа, эти процессы в конечном итоге приводят к взрыву сверхновой.
Железо уже практически не участвует в термоядерных реакциях (и точно — не выделяет энергии), и просто собирается в центре ядра до тех пор, пока давление действующее на него снаружи (и действия силы гравитации самого ядра изнутри) не достигает критической точки. В этот момент сила, сжимающая ядро звезды становится столь сильной, что давление электромагнитного излучения больше не в состоянии удерживать вещество от сжатия. Электроны «вдавливаются» в атомное ядро, и нейтрализуются с протонами, так что внутри ядра остаются практически одни нейтроны.
Этот момент имеет квантовую основу, и имеет очень чёткую границу, а состав ядра — состоит из довольно чистого железа, так что процесс оказывается катастрофически быстрым. Предполагается, что этот процесс происходит за секунды, а объём ядра падает в 100 000 раз (и соответственно растёт его плотность)
Поверхностные слои звезды, оказавшись без опоры снизу устремляются вглубь, падая на образовавшийся «шарик» из нейтронов вещество отскакивает обратно, и происходит взрыв. Взрывные волны, прокатывающиеся сквозь толщу звезды создают такое уплотнение и рост температуры вещества, что начинают идти реакции с образованием тяжёлых элементов (вплоть до урана).
Эти процессы имеют в своей основе захват нейтрона (r-процесс и s-процесс) или захват протона (p-процесс и rp-процесс), с каждой такой реакцией химический элемент увеличивает своё атомное число. Но в обычной ситуации такие частицы не успевают «поймать» ещё один нейтрон/протон, и распадается. В процессах же протекающих внутри сверхновой реакции протекают настолько быстро, что атомы успевают «проскочить» большую часть таблицы Менделеева, так и не распавшись.
4) Когда же масса звезды превосходит и второй, предел Оппенгеймера — Волкова (1,5 — 3 массы Солнца для остатка или 25 — 30 масс для изначальной звезды), в процессе взрыва сверхновой остаётся слишком большая масса вещества, и давление не в состоянии сдерживать даже квантовые силы.
В данном случае — имеется ввиду предел обусловленный принципом Паули, гласящим что две частицы (в данном случае — речь идёт об нейтронах) не могут находиться в одном квантовом состоянии (на этом основана структура атома, состоящего из электронных оболочек, число которых постепенно растёт с атомным числом).
Давление сдавливает нейтроны, и дальнейший процесс становится не обратим — всё вещество стягивается в одну точку, и образуется чёрная дыра. Сама она уже никак не воздействует на окружающую среду (за исключением гравитации конечно), и может светиться лишь за счёт аккреации (попросту — падения) вещества на неё:
Как можно видеть по сумме всех этих процессов — звёзды это настоящий кладезь физических законов. А в некоторых областях (нейтронные звёзды и чёрные дыры) — это настоящие физические лаборатории с экстремальными энергиями и состояниями вещества.
И ещё одно распространённое заблуждение давайте тоже до кучи развеем, раз уж мы тут все так здорово сегодня собрались. Разумеется Луна вращается вокруг своей оси! Насмехайтесь над тем, кто говорит что это не так, гоните его! Просто-напросто вращение Луны вокруг оси синхронизировано с периодом обращения вокруг Земли и потому нам незаметно.
Думаю что синхронное вращение совпавшее с периодом обращения вокруг Земли..хрень..это больше похоже на другую механику,как неоднородность массы Луны..и ни какого так сказать независимого вращения,как гиря на верёвочке..
Думаю что синхронное вращение совпавшее с периодом обращения вокруг Земли..хрень.
оно не совпало. тела друг на друга гравитационно влияют, луна притормажимает вращение земли вокруг своей оси (приливами, в т.ч. водных масс), аналогично и земля действует.
но т.к. земля много больше, первой синхронизировалась луна.
ровно то же самое солнце сделало с меркурием. это не "совпадение", это закономерность.
Да конечно читал,там чтото из за лунных приливов постепенно затормозилась..вот вопрос,случайно-ли именно в таком положении.? може пока Луна была разогрета притяжением Земли,тяжёлое ядро планеты сместилось?
сутки замедляются, на полчаса за 100млн лет. так вот это именно от того и происходит что луна землю подтормаживает. в конце концов сутки станут равны 28 дням и луна вечно будет висеть только над одним полушарием (вероятно восточным) если примерно прикинуть, это замедление займет еще 1,344 млрд лет, так что еще повращаемся
Так то примерно часов на 7 сутки станут больше за это время.
Откуда 28 дней взялись?
Сообщение отредактировал FGH123: 23.01.2018 - 10:24 AM
для нас с вами что лярд, что сто лярдов - и то, и то синоним слова никогда. вселенная судя по всему доживет. солнце - нет, так что увидеть луну никто не сможет.
с другой стороны у нас очень мало информации.
может не на полчаса в 100млн лет изменение, а на 1/20 суток? тогда процесс будет сильно быстрее, ведь сутки удлиняются и 1/20 от них тоже увеличивается.
слышали о том что раньше длина суток была сильно меньше?
Савельев рассказывал, что если человека поместить в условия, когда он не будет знать когда день, а когда ночь, в его мозгу установится суточный цикл в 33 часа.
Сообщение отредактировал FGH123: 23.01.2018 - 16:41 PM
Савельев рассказывал, что если человека поместить в условия, когда он не будет знать когда день, а когда ночь, в его мозгу установится суточный цикл в 33 часа.
енто он , наверное, по собственному опыту длительного запоя, не иначе. А если бы до белочки допрыгался, вообще бы на суточный ритм в 44 часа вышел
футуризм, ретрофутуризм, будущее и 1 еще...
