Кеплер. Движение планет. Танцы со звездами.

Если изобразить склонение Солнца (угол, на который Солнце отклоняется от небесного экватора) в зависимости от уравнения времени в каждый день года, мы получим кривую в виде восьмерки, называемую аналеммой. В силу существования уравнения времени мы наблюдаем не перемещение Солнца вверх и вниз по оси, а его смещение вправо и влево относительно истинного меридиана. На схеме дни летнего и зимнего солнцестояния располагаются, соответственно, в самой верхней и самой нижней точке аналеммы. Дни весеннего и осеннего равноденствия находятся в точках пересечения аналеммы с линей равноденствий.

Изображение уравнения времени в форме аналеммы. За точку отсчета принят истинный меридиан.

Некоторые кометы имеют короткий орбитальный период. Мы можем их периодически наблюдать и даже предсказывать их появление (как это было с кометой Галлея). Эти небесные тела имеют большой возраст, и короткий орбитальный период связан с тем, что на их первоначальную траекторию повлияли Юпитер и Сатурн, и теперь кометы обречены на движение по орбитам с малыми гелиоцентрическими радиусами. Апогелий кометы Галлея составляет лишь 18 а.е., существуют и меньшие показатели. Эксцентриситет этой кометы равен 0,968, что существенно превосходит показатель для любой планеты, но это несоизмеримо меньше эксцентриситета долгопериодических комет.

На небесном своде, обширном и пустом, грудятся бесчисленные кометы, подобные китам в океане.

Иоганн Кеплер

Кометы, особенно короткопериодические, могут разрушаться вблизи от Солнца. Ежегодно наша планета пересекает прежнюю траекторию такой кометы, на которой находятся ее обломки, рассеянные по всей орбите. Земля проходит орбиту умершей кометы примерно в одни и те же периоды, и в это время мы наблюдаем множество падающих звезд, например, поток Леониды в ноябре и Персеиды – в августе.

Ответ на этот вопрос отрицательный. Как мы знаем, многие результаты, полученные в классической физике, после открытия теории относительности были скорректированы. Вблизи от Солнца пространство и время очень искривлены. В релятивистской интерпретации планеты следуют по прямолинейным траекториям в искривленном пространственно-временном континууме, и эта характеристика усиливается рядом с Солнцем. Именно из-за этого Меркурий стал планетой, данные о которой подверглись наибольшим уточнениям. Долгота его перигелия значительно увеличена по сравнению с классическим эллипсом.

Результатом всех уточнений стала открытая траектория – эллипс, не имеющий четкого перигелия. О смещении перигелия Меркурия, которое составляет 43” за 100 лет, было известно еще до Эйнштейна. Урбен Леверье, глава Парижской обсерватории, предсказавший существование Нептуна по возмущениям на орбите Урана, объяснял смещение перигелия Меркурия влиянием планеты, которая время от времени появляется на его орбите. Авторитет Леверье был высок, и довольно долго считалось, что такая планета, названная Вулканом, действительно существует. Ее открытие в течение нескольких десятилетий приписывалось астроному-любителю Эдмону Лескарбо (1814-1894).

Однако данные Лескарбо и других наблюдателей не согласовывались ни друг с другом, ни с расчетами Леверье, и существование планеты так и не удалось подтвердить. Лишь в начале XX века поведение Меркурия было объяснено с помощью общей теории относительности Эйнштейна без введения дополнительных небесных тел.

Квазары – это далекие и мощные ядра галактик, в центре которых, как полагают, находится гигантская черная дыра массой порядка 1010 массы Солнца. Однако этот признак присущ не только квазарам. Считается, что в центре обычной галактики также есть черная дыра, хотя и не столь впечатляющего размера. Такая галактика, как Млечный Путь, может иметь черную дыру массой 106 массы Солнца.

Двадцать лет назад появились подробные изображения звезд, движущихся вокруг звезды Стрелец А*, компактного радиоисточника, находящегося в центре нашей галактики. Объектом изучения группы исследователей из Института внеземной физики Общества Макса Планка стала звезда S2. Первые результаты, опубликованные в 2003 году (группа Райнера Шёделя), подтвердили наличие у нее эллиптической орбиты. К такому же выводу пришла научная группа из Университета Лос- Анджелеса. Последние данные ученых из двух исследовательских центров (Стефан Гиллисен из Института внеземной физики, 2009 год, и Андреа Гез из Университета Лос-Анджелеса, 2008 год) позволили построить орбиту согласно первому закону Кеплера. Примерная масса черной дыры составила 4 300 000 масс Солнца.

Орбита звезды S2 (в немецкой планетной номенклатуре), или S02 (в американской), пролегает в центре Млечного Пути вокруг черной дыры, равной 4,3-10 6 массы Солнца. Это изображение было опубликовано в The Astrophysical Journal. Особая благодарность Стефану Гиллисену из Американского физического общества.

Орбита звезды имеет очень высокий эксцентриситет, равный 0,87. Ее галактический перицентр составляет 17 световых лет, что в 3 раза превышает расстояние от Солнца до Плутона, а апоцентр – 10 световых лет. Максимальная скорость вращения равна 5000 км/сек, что в 200 раз превышает скорость вращения Земли вокруг Солнца.

Радиус Шварцшильда (гравитационный радиус) подобной черной дыры может составлять около 1010 м, в то время как радиус Солнца составляет порядка 7 108 м, то есть в черную дыру могут целиком уместиться некоторые звезды.

Имеются все основания полагать, что черная дыра находится не только в центре Млечного Пути, но и в центре других галактик. Материя не поглощается ею сразу, а из-за эффекта сохранения кинетического момента скорость вращения по мере приближения к черной дыре растет – подобно тому, как вода все быстрее движется вокруг отверстия сливной трубы. Материя до поглощения черной дырой вращается вокруг нее, образуя аккреционный диск, который, предположительно, существует вокруг всех галактических черных дыр.

В аккреционном диске газ вращается вокруг черной дыры, расположенной в центре, однако, согласно третьему закону Кеплера, не все участки диска вращаются с одинаковой скоростью. Давайте мысленно разделим диск на тончайшие кольца. По третьему закону Кеплера, квадрат периода обращения этих колец пропорционален кубу расстояния до черной дыры, или же квадрат их угловой скорости w обратно пропорционален кубу расстояния r:

w²r³ = константа.

Угловая скорость колец неодинакова, слои, расположенные ближе к черной дыре, будут иметь большие скорости. Это обуславливает наличие внутреннего трения и нагревания, которые наиболее высоки по мере приближения к центру и ослабевают на внешних краях диска. Внутренние слои передают часть своего момента импульса наружу, при этом они приближаются к массивному центру и, в конце концов, падают на него. Фактически траектории отдельных частиц газа имеют вид спиралей, которые медленно закручиваются. Нагревание вследствие трения приводит к выбросу излучения, что и позволяет нам наблюдать черную дыру, вернее материю, которая вращается вокруг нее.