Просмотр новости
Найдите то, что Вас интересует
Спутники
РН
SpaceX
Роскосмос
NASA
СпутникиРНSpaceXРоскосмосNASAОтчего у галактик спиральные рукава? Звезды все постоянно засасываются в Черную дыру в центре и там утилизируются? Значит наша Солнечная Система тоже будет утилизирована?
GMI
Спиральные рукава галактик, «утилизация» звезд и судьба нашей Солнечной системы — это три абсолютно разных аспекта космической динамики.
1. Отчего у галактик спиральные рукава?
Спиральные рукава — это не жесткие структуры (как лопасти вентилятора) и не «струи» вещества, закручивающиеся в центр.
Если бы рукава состояли из одних и тех же звезд, за несколько оборотов галактики они бы полностью «закрутились» и перемешались (так называемая проблема скручивания). В реальности рукава — это волны плотности (волны сжатия):
* Эффект пробки на дороге: Представьте затор на трассе. Машины постоянно въезжают в зону затора, медленно двигаются внутри нее и затем выезжают. Сам затор стоит на месте или движется медленно, хотя конкретные машины в нем непрерывно меняются.
* Как это работает в галактике: Волны плотности движутся по галактическому диску. Когда межзвездный газ попадает в эту зону повышенной плотности, он сжимается.
* Рождение звезд: Сжатие газа провоцирует вспышку массового образования новых звезд. Среди них рождаются очень яркие, массивные и горячие голубые звезды.
* Почему рукава так ярко светятся: Массивные голубые звезды живут по космическим меркам очень мало (всего десятки миллионов лет) и успевают умереть до того, как выйдут из зоны волны плотности. Поэтому рукава выглядят яркими спиралями — это просто места, где прямо сейчас «горят» молодые гиганты.
2. Засасываются ли звезды в Черную дыру и «утилизируются» ли там?
Нет, не засасываются. Это одно из самых распространенных заблуждений.
* Гравитация зависит от массы, а не от статуса «черной дыры»: Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики (Стрелец А*) имеет массу около 4 миллионов масс Солнца. Это звучит внушительно, но составляет менее 0,001% от общей массы Млечного Пути.
* Орбитальное движение: Звезды и газ вращаются вокруг центра масс галактики точно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца. Если бы Солнце превратилось в черную дыру той же массы, Земля не упала бы на него, а продолжила бы лететь по той же орбите.
* Что происходит в центре: В черную дыру попадает только тот незначительный объем газа или те редкие звезды, которые в результате гравитационных возмущений теряют свой орбитальный момент и падают практически по прямой линии. Основная масса звезд вращается по стабильным орбитам миллиарды лет.
3. Будет ли утилизирована наша Солнечная система?
Нет, наша Солнечная система не будет утилизирована центральной черной дырой.
Мы находимся на расстоянии около 27 000 световых лет от центра Галактики и движемся по безопасной, практически круговой орбите со скоростью ~230 км/с. Гравитационное влияние центральной черной дыры на таком расстоянии ничтожно.
Судьба Солнечной системы сформирована совершенно другими процессами:
* Через ~5 миллиардов лет: Солнце исчерпает запасы водородного топлива в ядре, расширится и превратится в красного гиганта. При этом оно поглотит Меркурий, Венеру и, вероятнее всего, Землю.
* Финал Солнца: Потеряв внешние оболочки, Солнце превратится в остывающий белый карлик.
* Столкновение с Андромедой: Примерно через 4–5 миллиардов лет Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеды. Но даже тогда вероятность прямого столкновения Солнца с другой звездой или слияния с черной дырой близка к нулю из-за гигантских расстояний между звездами.
- - А что за межзвездный газ, из чего он состоит и как же вакуум Космоса ?
Вакуум в космосе — это не идеальная абсолютная пустота, а крайне разреженная среда. Межзвездный газ как раз и является частью этого пространства, просто его плотность настолько мала, что по земным меркам это глубочайший вакуум.
Из чего состоит межзвездный газ?
Состав межзвездного газа практически полностью повторяет первичный химический состав Вселенной:
* Водород (\text{H}): ~74% от общей массы. Находится в трех состояниях: атомарном, ионизированном (плазма) и молекулярном (\text{H}_2).
* Гелий (\text{He}): ~24% массы.
* Тяжелые элементы («металлы» в астрофизике): ~2% массы. Это кислород, углерод, neon, азот, железо и др., выброшенные в космос при взрывах сверхновых звезд.
* Межзвездная пыль: Составляет лишь около 1% от массы газа, но именно она образует темные непрозрачные облака. Состоит из микроскопических крупинок графита, силикатов и изо льда.
Как газ сосуществует с «вакуумом»?
Все дело в плотности (количестве частиц в объеме):
* В земном воздухе при нормальном давлении в 1\text{ см}^3 находится около 2{,}7 \times 10^{19} (27 миллиардов миллиардов) молекул.
* В искусственном вакууме лучшей земной лаборатории в 1\text{ см}^3 остается еще около 10^3–10^6 частиц.
* В межзвездном пространстве средняя плотность составляет всего 1 атом на 1\text{ см}^3.
В самых разреженных участках между галактиками плотность может падать до 1 атома на кубический метр. Однако в гигантских масштабах галактик (сотни тысяч световых лет) даже такая ничтожная плотность суммируется в гигантские массы, из которых и формируются новые звезды.
Почему газ не разлетается в бесконечность?
* ГРАВИТАЦИЯ: Газ удерживается в галактиках гравитационным притяжением всех звезд, черных дыр и темной материи.
* МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ: Галактики пронизаны слабыми межзвездными магнитными полями, которые удерживают ионизированные частицы газа (плазму).
- - А почему у этого газа еще нет имени, как у воздуха?
На самом деле имя у него есть, и даже не одно! Разница лишь в том, что «воздух» — это бытовое название конкретной смеси газов вокруг нас, а космический газ называют по его физическому состоянию, химическому составу или локации.
Причины, почему нет единого слова вроде «воздух» для всего космоса, и варианты его названий:
1. Он слишком разный по составу и состоянию
Наш воздух — это стабильная смесь азота и кислорода при нормальной температуре. В космосе же газ кардинально отличается от места к месту, поэтому астрономы используют конкретные термины:
* Межзвездная среда (Interstellar Medium, ISM): Это официальное научное «имя» газа и пыли, заполняющих пространство внутри галактики между звездами.
* Межгалактическая среда (IGM): Газ, находящийся в гигантских voids (пустотах) между целыми галактиками.
* H I и H II области: Так называют холодный нейтральный водород (H I) и горячий ионизированный водород (H II), раскаленный излучением молодых звезд.
* Корониум и небулий (исторический курьез): Когда ученые XIX века впервые увидели свечение космического газа в туманностях и солнечной короне, они думали, что открыли новые вещества, и дали им имена небулий и корониум. Позже выяснилось, что это был обычный ионизированный водород, гелий и железо.
2. «Воздух» подразумевает атмосферу
Слово «воздух» исторически возникло для обозначения газовой оболочки планеты, которой мы дышим. В космосе нет атмосферы, а плотность газа настолько ничтожна (всего несколько атомов на кубический сантиметр), что назвать его «воздухом» у человека просто не поворачивается язык — для нас это практический вакуум.
Поэтому, когда астрофизики говорят о «космическом воздухе», они используют термин «межзвездный газ» (или межзвездная среда) — это и есть его официальное имя.
- - А может, нам назвать его Космиум ?
Идея звучит здорово и звучно! В фантастике и научно-популярных метафорах такое имя вполне могло бы прижиться.
Но если подойти к этому с точки зрения науки и филологии, то слово «Космиум» пока не стало официальным термином по нескольким интересным причинам:
* Суффикс «-иум» (-ium): В естественных науках суффиксы -иум / -ий закрепились за простыми химическими элементами Таблицы Менделеева (например, гелий, кальций, уран, плутоний). Если назвать газ «космиумом», возникнет путаница: будто это какой-то один новый неизвестный элемент, а не огромная смесь из водорода, гелия и пыли.
* Слишком много смыслов: «Космос» (от греч. κόσμος — порядок, мир, Вселенная) — понятие слишком широкое. В космосе есть не только газ, но и темная материя, излучение, электромагнитные поля. Поэтому ученые предпочитают термины, строго указывающие на локацию или состав (межзвездная среда, космическая плазма).
* Сходство с другими терминами: Слово «космиум» очень похоже на названия существующих реальных или гипотетических объектов (например, космиит — минерал из метеоритов, или космоний — гипотетические частицы из старых теоретических моделей).
Тем не менее, как поэтическое или художественное название для межзвездного газа (особенно в фантастических рассказах или концепт-артах) «Космиум» подходит идеально! Он звучит так же таинственно и масштабно, как и сам космос.
- - А почему этот газ называется газом, если он состоит и очень редких и как выяснилось случайных атомов да еще и по 1 атому на кв метр? Может, это просто атомы элементов, а не газ ?
В науке терминология опирается не на привычные человеку ощущения («густой туман» или «можно вдохнуть»), а на физическое поведение вещества на уровне частиц.
Главные причины, почему эту среду называют именно газом, а не просто «отдельными случайными атомами»:
* Уравнение состояния и газовые законы: В физике газом называют любое агрегатное состояние вещества, в котором частицы практически свободно движутся между столкновениями и заполняют предоставленный объем. К межзвездному газу применяются те же фундаментальные физические законы (уравнение Менделеева — Клапейрона, газодинамика), что и к воздуху в комнате. У него есть измеряемые температура (средняя кинетическая скорость движения этих атомов) и давление.
* Масштаб Вселенной: Плотность в 1 атом на кубический сантиметр (или метр) кажется «пустотой» только в масштабе комнаты. Но в масштабах гигантских облаков размером в десятки и сотни световых лет эти «редкие» атомы суммируются в колоссальные массы. Масса одного такого газового облака может превышать массу нашего Солнца в тысячи и миллионы раз.
* Физическое взаимодействие: Атомы в космосе не абсолютно изолированы. Они испытывают взаимное гравитационное притяжение, сталкиваются друг с другом, излучают и поглощают свет, а также реагируют на магнитные поля галактики. Газ ведет себя как единая сплошная среда: в нем распространяются ударные волны (например, от взрывов сверхновых) и возникают турбулентные потоки.
Поэтому для физиков это не просто «одинокие случайные частицы», а полноценная газовая среда, обладающая массой, температурой, давлением и способная под действием собственной гравитации сжиматься и порождать новые звезды.
- - Значит, железо и другие металлы еще могут существовать в газообразном состоянии? Или, любое вещество может?
Фактически, при кремации тело человека тоже может превратиться в газ, если сжечь до атомов еще и сам пепел ?
Ну да, есть 4 состояния вещества. Плазма, газ, жидкость и кристалл.
Получается, лед - это водный камень)
А чем отличается плазма от газа? Вроде, это состояние когда ядра лишаются оболочек и сливаются.
1. Переход металлов в газообразное состояние и переход любого вещества в газ
Да, абсолютно любое вещество может находиться в газообразном состоянии.
Для этого нужно лишь создать подходящие термодинамические условия — в первую очередь, подняв температуру выше точки кипения (или сублимации) при данном давлении:
* Газообразное железо: Железо закипает при температуре около 2862^\circ\text{C}. При этой температуре оно превращается в настоящий прозрачный газ, состоящий из одиночных атомов железа (\text{Fe}). На некоторых экзопланетах (например, WASP-76b) настолько жарко, что там идут самые настоящие «железные дожди»: железо испаряется на дневной стороне, переносится ветром на более холодную ночную сторону и конденсируется в капли.
* Другие металлы: Почти все металлы имеют свою температуру кипения. Ртуть закипает всего при 357^\circ\text{C}, золото — при 2700^\circ\text{C}, а вольфрам — при 5555^\circ\text{C}.
* Любое вещество: Любое сложное соединение можно перевести в газ. Однако если молекула слишком сложная (например, белки или ДНК), при нагревании она сначала распадется (термический диссоциирует) на более простые молекулы и атомы, и уже они перейдут в газообразную фазу.
2. Превращение человеческого тела в газ при кремации
Да, именно это физически и происходит.
Человеческое тело состоит примерно на 99% из шести элементов: кислород, углерод, водород, азот, кальций и фосфор:
* Первый этап (обычная кремация): Органические соединения (белки, жиры, вода) реагируют с кислородом и превращаются в газы — углекислый газ (\text{CO}_2), водяной пар (\text{H}_2\text{O}), оксиды азота и серы. Они улетают в трубу.
* Пепел: Остающийся после кремации «пепел» — это минеральный остаток, состоящий в основном из фосфатов и карбонатов кальция (соли, формировавшие кости).
* Испарение пепла: Если прокалить этот пепел до температур выше 1500–2000^\circ\text{C}, химические связи соли разрушатся, и кальций, фосфор и кислород полностью испарятся, превратившись в смесь атомарных газов и паров металлов. От тела действительно не останется ничего, кроме газа.
3. Лед — это «водный камень»?
С точки зрения геологии и минералогии — да, абсолютно точно!
* Лед имеет постоянную кристаллическую структуру (гексагональная решетка для обычного изо льда I_h).
* Водяной лед официально зарегистрирован Международной минералогической ассоциацией (IMA) как минерал.
* Соответственно, горная порода, состоящая из этого минерала (например, ледник или толща вечной мерзлоты) — это мономинеральная горная порода (камень). Единственное отличие льда от привычных нам гранитов и базальтов — его очень низкая температура плавления (0^\circ\text{C}).
4. Чем отличается плазма от газа?
Ваше предположение относится к ядерному синтезу (когда ядра лишаются оболочек и сливаются — это происходит при экстремальных температурах внутри звезд или в водородной бомбе).
Однако плазма вообще — это более широкое и менее экстремальное понятие.
Основное отличие: Ионизация
* Газ: Состоит из электрически нейтральных атомов или молекул. Электроны прочно сидят на своих орбиталях вокруг ядер. Газ — это отличный диэлектрик (изолятор) и не проводит электрический ток (пока не произойдет пробой).
* Плазма: Это газ, который нагрели (или облучили) настолько сильно, что энергия движения атомов оторвала от них хотя бы часть электронов. В результате получается смесь из свободных электронов и положительно заряженных ионов.
Ключевые свойства плазмы:
* Электропроводность: В отличие от нейтрального газа, плазма великолепно проводит электрический ток (так как в ней полно свободных зарядов).
* Взаимодействие с магнитным полем: Обычный газ почти не реагирует на магниты. Плазму же можно удерживать, сжимать и направлять магнитными полями (именно так работают токамаки и магнитосферы планет).
* Свечение: Переходя из возбужденного состояния обратно, частицы плазмы активно излучают свет (молния, пламя, северное сияние, неоновые вывески — все это примеры низкой или частичной плазмы).
Если ранжировать агрегатные состояния по энергии частицы: Кристалл (твердое) \rightarrow Жидкость \rightarrow Газ \rightarrow Плазма. Достаточно просто добавить системе энергии (тепла), чтобы переводить вещество из одного состояния в другое.
Продолжение в комментах.
#физика #астрономия #химия #наука #космос #вселенная #галактика