Музыка сфер. Астрономия и математика
Шрифт:
СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ И ЗВЁЗДНОЕ ВРЕМЯ
Из соображений удобства мы делим сутки на 24 часа — именно за такой промежуток времени Солнце проходит через меридиан одного и того же места два раза подряд. Мы уже говорили, что в действительности используем среднее солнечное время: движение Земли вокруг Солнца описывается законом равенства площадей, поэтому Земля иногда движется чуть медленнее, иногда — чуть быстрее, но в среднем Солнце совершает полный круг над горизонтом и дважды проходит через меридиан места за 24 часа.
Если в качестве точки отсчёта мы будем использовать не Солнце, а неподвижные звёзды, то увидим, что период обращения Земли несколько меньше: любая неподвижная звезда проходит два раза подряд через один и тот же меридиан места за 23 часа 56 минут 4 секунды, так как Земля при вращении вокруг Солнца движется в опережением в 3 минуты 56 секунд.
Разница
Джон Гаррисон обеспечивал точность своих часов по результатам наблюдений за определёнными звёздами из своей примитивной обсерватории. Он обнаружил, что звёзды постоянно появлялись на небе на 3 минуты 56 секунд раньше, чем прошлой ночью. Таким образом он добился расхождения всего в одну секунду в месяц — стандартной погрешностью для часов того времени была одна минута в сутки. Гаррисон получил займ от Совета по долготе на изготовление своего первого морского хронометра H1. На работу ушло пять лет. Хронометр был изготовлен из дерева, весил 34 кг и находился внутри стеклянного резервуара объёмом в 1 м3 (отметим, что первый хронометр Гаррисона работает до сих пор). Он был погружён на корабль, отплывавший в Лиссабон, и очень пригодился в плавании. В 1737 году Совет по долготе был созван в первый раз и единогласно утвердил хронометр H1. Единственным, кто счёл хронометр несовершенным, был сам Гаррисон, который попросил новый займ на внесение необходимых изменений. В 1739 году был создан хронометр H2, в 1751-м — H3. Лишь хронометр H4 отличался существенно меньшим весом и размером.
Любопытно, что Гаррисон начал работу над принципиально иным хронометром после того, как получил от одного из учеников в подарок карманные часы. H4 имел 133 мм в диаметре и весил 1300 г, одного завода хватало на 30 часов, при этом во время завода хронометр не останавливался. В октябре 1761 года Гаррисон отправился на Ямайку и по прибытии в Порт-Ройял, после двух месяцев в пути, астрономическими методами определил, что отставание хронометра составило всего 5 секунд, что соответствовало ошибке в 1,25 минуты долготы, или примерно 2000 м — намного меньше, чем требовалось Декретом о долготе. Однако Совет постановил, что проведённых экспериментов недостаточно для определения долготы в открытом море. Дело в том, что в Совет вошли три новых участника, три математика, которые настаивали на том, что долгота Порт-Ройяла не была установлена по результатам наблюдения за спутниками Юпитера. При этом капитан корабля не знал и не мог знать, что должен определить долготу таким способом. Хронометр H4 был вновь погружён на борт корабля в 1764 году, и на этот раз по результатам испытаний Совет постановил: «часы идут с достаточной точностью». Однако Совет предложил Гаррисону лишь половину премии и внёс дополнительное условие: изобретатель должен изготовить ещё два хронометра и открыть свои секреты, чтобы можно было начать серийное производство.
На изготовление копии, H5, у Гаррисона ушло три года. Ему было уже семьдесят девять лет, и он не знал, успеет ли закончить работу. К счастью, король Георг III настоял, чтобы Совет выплатил Гаррисону оставшуюся часть премии. Погрешность хода хронометра H5 составила всего 1/3 секунды в день, а само устройство было подлинным шедевром.
В хронометрах Гаррисона практически отсутствовало трение, им не требовалась смазка, они были прекрасно сбалансированы и поддерживали точность хода в любой температуре. Так что стоит отдать должное искусству мастера.
Гаррисон умер в 1776 году, и доступ к его наработкам получили многие часовые мастера, которые приступили к изготовлению собственных хронометров. В 1860 году на 200 кораблей английского флота приходилось 800 хронометров. За короткое время это устройство стало привычным средством навигации и заняло важное место в мореходном деле. Можно сказать, что морское господство Британии, да и вообще появление Британской империи стало возможным благодаря быстрому и точному определению координат кораблей в открытом море. Этот способ применялся ещё совсем недавно, пока ему на смену не пришли системы спутниковой навигации.
Дорогу указывают спутники. Система глобального позиционирования
GPS (от англ. Global Positioning System — «система глобального позиционирования») — это глобальная система спутниковой навигации, позволяющая определять положение любого объекта на поверхности Земли с точностью до нескольких метров. Система включает 32 спутника, которые находятся на околоземной орбите на высоте 20200 км. Траектории спутников синхронизированы так, что они обеспечивают покрытие всей поверхности Земли. Кроме того, ряд наземных станций отправляют им контрольную информацию. Для определения местоположения с помощью GPS требуются специальные приёмники, каждый из них использует сигнал как минимум трёх спутников. Приёмник синхронизирует часы GPS и рассчитывает время прохождения сигнала со спутника,
Глава 5. Большие времена
В прошлой главе мы рассказали об измерении времени, имея в виду то понятие времени, которое мы используем в повседневной жизни. Однако в самой астрономии нужно рассматривать гораздо большие интервалы времени, описывающие астрономические и космологические явления. И в этом масштабе математика играет ключевую роль. Так как результаты астрономических наблюдений охватывают лишь около 300 лет, для изучения «больших времён» необходимо компьютерное моделирование.
Именно математика позволяет создавать модели, которые вкупе с результатами наблюдений помогают определить, что произошло и что произойдёт на временном интервале в несколько миллиардов лет. А именно такие интервалы характерны для астрономических явлений.
Звёзды, их эволюция и другие характеристики
Все звёзды рождаются из облаков газа и пыли в межзвёздном пространстве. Под действием сил притяжения эти облака сжимаются, и внутри них образуются звёзды. Процесс длится тысячи лет — при сжатии облако нагревается, и его сжатие замедляется, после чего оно вновь охлаждается, так как часть энергии переходит в излучение. Когда новые звёзды очищаются от остатков газового облака под действием звёздного ветра, окружающий их газ начинает светиться, и звёзды становятся ярче.
В областях, где образуются новые звёзды, наблюдаются разноцветные газовые облака.
Когда Вселенная только зарождалась (это произошло примерно 14 млрд лет назад), почти вся она состояла из атомов водорода и гелия. Первые звёзды появились в результате сжатия облаков газа, практически полностью состоявших из этих химических элементов. Более тяжёлые компоненты образовывались в ходе эволюции этих первых звёзд. После смерти первые звёзды выбрасывали в космос часть своего вещества, обогащённого новыми химическими элементами, в частности кислородом и углеродом, которые сформировались внутри них. Ещё более тяжёлые элементы, например свинец и уран, образовались во время взрывов сверхновых звёзд.
Внутри звёзд средних размеров, подобных Солнцу, водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, в углерод, азот и кислород. В конце жизни такие звёзды раздуваются и выбрасывают часть своей атмосферы в космос, образуя красивые планетарные туманности.
Туманность NGC 7635, в которой можно различить пузырь звёздного ветра — зону расширения, в которой при соударении с межзвёздным веществом образуется ударная волна.
Галактическое гало, окружающее звезду V838 в созвездии Единорога. Эта звезда стала одной из самых ярких во всём Млечном Пути, после чего её блеск вновь уменьшился.
ДЕТИ ЗВЁЗД
Звезду можно представить как огромную атомную электростанцию — в её реакторе происходят ядерные реакции, в ходе которых водород превращается в более тяжёлые элементы — углерод, азот и кислород. Атомы химических элементов, составляющие человеческое тело, образовались в звёздном ветре, поэтому все мы в некотором роде дети звёзд, и это не красивая метафора, а научный факт!
Звёзды разных поколений излучают материю, которая смешивается с другими облаками газа, и в результате образуются новые звёзды и планетные системы. Концентрация тяжёлых элементов, например кислорода, в межзвёздном пространстве постоянно увеличивается. Таким образом, возраст звезды можно определить по тому, сколько кислорода она содержит: чем меньше содержание кислорода, тем раньше звезда образовалась.
Подсчитано, что через 4,5 млрд лет Солнце превратится в красный гигант и окончит своё существование в виде прекрасной планетарной туманности. Солнце, Земля и другие планеты будут выброшены в межзвёздное пространство и станут материалом для новых звёзд, а от всей Солнечной системы останется лишь белый карлик. Срок жизни звезды зависит от её массы: чем массивнее звезда, тем меньше она живёт.
Звёзды, меньшие, чем Солнце, в конце жизни не выбрасывают материю в пространство, а просто остывают. Красивее всего заканчивают свою жизнь звёзды, размерами намного превышающие наше Солнце: они взрываются, подобно сверхновой, испускают материю и образуют огромное облако раскалённого газа. Во время этого взрыва формируются самые тяжёлые химические элементы — золото и уран.
Ядро звезды после взрыва превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру.
Звёзды в разных галактиках находятся на разных этапах эволюции: где-то их формирование уже завершено, а где-то именно сейчас образуются тысячи и миллионы звёзд.