Ինչպես հասկանալ ձգողականության հասկացությունը աստղագիտության մեջ
Ձգողականությունը աստղագիտության ամենահիմնարար հասկացություններից մեկն է. այն կարելի է անվանել «լեզու», որը բացատրում է, թե ինչու են մոլորակները պտտվում աստղերի շուրջ, ինչու են աստղերը ձևավորում գալակտիկաներ և ինչու է հեռավոր մարմիններից եկող լույսը ծռվում: Թեև դա կարող է բարդ թվալ, ձգողականությունը կարելի է հասկանալ աստիճանաբար՝ սկսելով առօրյա փորձից, անցնելով Նյուտոնի օրենքներին, ապա անցնելով Այնշտայնի ընդհանուր հարաբերականության տեսությանը, որը ժամանակակից տիեզերագիտության հիմքն է: Այս հոդվածը քննարկում է, թե ինչպես հասկանալ ձգողականությունը աստղագիտության մեջ՝ հետևողական և կիրառելի ձևով:
1. Ձգողականություն. առօրյա փորձից մինչև տիեզերական մասշտաբներ
Մենք գիտենք ձգողականության մասին պարզ հասկացությունից՝ մարմիններ, որոնք ընկնում են գետնին։ Սակայն աստղագիտության մեջ ձգողականությունը ոչ միայն «ներքև ուղղված ուժ» է, այլև զանգված (և հարաբերականության տեսության մեջ նաև էներգիա) ունեցող բոլոր մարմինների միջև համընդհանուր ձգողականություն։ Քանի որ ձգողականությունը գործում է առանց անմիջական շփման և չունի հստակ «շեղման սահման», այն երկնային մարմինների շարժման հիմնական շարժիչ ուժն է մեծ մասշտաբով։
Երկրի վրա ձգողականությունը, կարծես, գերիշխող է՝ Երկրի մեծ զանգվածի և մեր մոտ լինելու պատճառով։ Տիեզերքում ձգողականությունը շարունակում է գործել, բայց «ծանրության զգացողությունը» կարող է կորչել ազատ անկման պայմանների պատճառով (օրինակ՝ տիեզերագնացները տիեզերակայանում)։ Կարևոր է հասկանալ, որ միկրոգրավիտացիան չի նշանակում ձգողականության բացակայություն, այլ որ մարմինները գտնվում են Երկրի շուրջ անընդհատ անկման վիճակում։
2. Նյուտոնի ձգողականության օրենքը. ուղեծրերը հասկանալու առաջին հիմքը
Աստղագիտության մեջ ձգողականությունը հասկանալու ամենադասական ձևը Նյուտոնի համընդհանուր ձգողականության օրենքն է։ Այս օրենքը նշում է, որ զանգված ունեցող երկու մարմիններ միմյանց են ձգում, և ուժի մեծությունը հետևյալն է՝
– ուղիղ համեմատական է նրանց զանգվածների արտադրյալին,
– հակադարձ համեմատական է նրանց զանգվածի կենտրոնների միջև ընկած հեռավորության քառակուսուն։
Որակական առումով դա նշանակում է.
- Որքան մեծ է մարմնի զանգվածը, այնքան ուժեղ է նրա ձգողականությունը։
– Որքան մեծ է հեռավորությունը, այնքան արագ է թուլանում ձգողականության ուժը։
Սրանից կարող ենք հասկանալ, թե ինչու է Արեգակը գերիշխում Արեգակնային համակարգում. նրա զանգվածը շատ ավելի մեծ է, քան մոլորակներինը: Կարող ենք նաև հասկանալ, թե ինչու են Արեգակին ավելի մոտ գտնվող մոլորակները ավելի արագ շարժվում. քանի որ նրանց գրավիտացիոն ձգողականությունն ավելի մեծ է, նրանց անհրաժեշտ է ավելի բարձր ուղեծրային արագություն՝ Արեգակի շուրջը «պտտվելու» համար՝ առանց Արեգակի մեջ ընկնելու:
3. Ուղեծիրը «լողացող» չէ, այլ անընդհատ իջնում է
Օրբիտրաժները հասկանալու ամենաինտուիտիվ ձևերից մեկը մեծ բարձրությունից արձակված մարմնի պատկերացումն է։ Այն ուղիղ ընկնում է ներքև։ Սակայն, եթե մարմնին տրվի բավականաչափ մեծ հորիզոնական արագություն, այն կշարունակի ընկնել, բայց Երկրի մակերեսը «կկորանա» դրանից։ Արդյունքում՝ մարմինը երբեք չի դիպչի մակերեսին, և ստեղծվում է ուղեծիր։
Մոլորակների և արբանյակների մեջ ուղեծիրը դինամիկ հավասարակշռություն է հետևյալի միջև.
– ուղիղ գծով շարժվելու հակում (իներցիա),
– ձգողականության ուժը դեպի զանգվածի կենտրոնը։
Եթե արագությունը չափազանց ցածր է, մարմինը կընկնի կենտրոնական մարմնի ուղղությամբ։ Եթե այն չափազանց բարձր է, մարմինը կարող է դուրս պրծնել և հետևել բաց հետագծի (պարաբոլ կամ հիպերբոլ), ինչպես որոշ գիսաստղեր կամ տիեզերանավեր, որոնք մանևրում են Արեգակնային համակարգից դուրս։
4. Կեպլերը և ուղեծրի ձևը. էլիպտիկ, ոչ թե կատարյալ շրջանագծեր
Նյուտոնից առաջ Յոհաննես Կեպլերը հայտնաբերեց մոլորակների շարժման օրենքները՝ հիմնվելով դիտարկումների տվյալների վրա: Կեպլերը ցույց տվեց, որ մոլորակների ուղեծրերը էլիպսներ են, որոնց մեկ կիզակետում է Արեգակը: Սա օգնեց բացատրել, թե ինչու են մոլորակների հեռավորությունները Արեգակից տարբերվում տարվա ընթացքում:
Կեպլերի երեք գաղափարները կարևոր են ձգողականության հասկացման համար.
1. Ուղեծիրը էլիպտիկ է։
2. Մոլորակները շարժվում են ավելի արագ, երբ մոտ են Արեգակին, և ավելի դանդաղ, երբ հեռու են (մակերեսների հավասարության օրենք):
3. Կա կապ ուղեծրային պարբերության և Արեգակից միջին հեռավորության միջև։
Նյուտոնը հետագայում բացատրեց, որ Կեպլերի օրենքները բնականորեն առաջացել են ձգողականությունից։ Այսպիսով, Կեպլերի օրենքների ըմբռնումը հիանալի կամուրջ էր դիտարկումից դեպի ֆիզիկական բացատրություն։
5. Ձգողականությունը որպես երկնային մարմինների զանգվածի «չափման գործիք»
Աստղագիտության մեջ մենք հաճախ չենք կարող «կշռել» մոլորակները կամ աստղերը կշեռքով։ Սակայն գրավիտացիան խելացի լուծում է տալիս. զանգվածը կարելի է հաշվարկել այլ մարմինների ուղեծրային շարժումից։
Օրինակ՝
– Մոլորակի զանգվածը կարելի է հաշվարկել նրա արբանյակների ուղեծրերից։
– Աստղի զանգվածը կարելի է հաշվարկել ուղեկից աստղի (երկուական աստղային համակարգ) ուղեծրից։
– Գալակտիկայի զանգվածը կարելի է գնահատել գալակտիկայի կենտրոնի շուրջը պտտվող աստղերի արագությամբ։
Ահա թե ինչու աստղագիտությունն այդքան մեծապես կախված է ուղեծրային տվյալներից, Դոպլերի տեղաշարժերից և պտտման պարբերություններից. դրանք բոլորը պարունակում են գրավիտացիոն տեղեկատվություն, որը բացահայտում է զանգվածը։
6. Մեծ մասշտաբի ձգողականություն. գալակտիկաներ, գալակտիկաների կույտեր և մութ նյութ
Երբ աստղագետները չափեցին աստղերի արագությունը գալակտիկայի եզրին, նրանք պարզեցին, որ դրանք չափազանց արագ էին շարժվում՝ միայն տեսանելի նյութի (աստղերի և գազի) զանգվածը հաշվի առնելու համար։ Եթե զանգվածը փոքր լիներ, աստղերը «կշպրտվեին» դուրս։ Սակայն գալակտիկան մնաց անփոփոխ։
Ահա թե որտեղ է առաջացել մութ նյութի գաղափարը. անտեսանելի բաղադրիչ, որը լույս չի արձակում, բայց ունի ձգողականություն: Մութ նյութը օգնում է բացատրել.
– գալակտիկայի պտույտի կորը,
– գալակտիկաների կույտերի դինամիկան,
– տիեզերքի խոշոր կառուցվածքների ձևավորումը։
Ժամանակակից աստղագիտության մեջ ձգողականության ըմբռնումը նշանակում է նաև հասկանալ, որ մեր տեսած ձգողականության ուժը հաճախ առաջանում է այնպիսի զանգվածներից, որոնք ուղղակիորեն տեսանելի չեն։
7. Ընդհանուր հարաբերականություն. ձգողականությունը որպես տարածաժամանակի կորություն
Նյուտոնի օրենքները շատ ճշգրիտ են բազմաթիվ դեպքերի համար, բայց կան ծայրահեղ իրավիճակներ (մեծ արագություններ, շատ ուժեղ գրավիտացիոն դաշտեր), երբ Նյուտոնի օրենքները բավարար չեն։ Ահա թե որտեղ է գործի դրվում Այնշտայնի ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը։
Ընդհանուր հարաբերականության տեսության համաձայն՝
– ձգողականությունը «ուժ» չէ դասական իմաստով,
– զանգվածի և էներգիայի կորը տարածաժամանակի
– առարկաները և լույսը շարժվում են «գեոդեզիական» (ամենաբնական ուղիներով) կոր տարածաժամանակում։
Աստղագիտության մեջ կարևոր հետևանքներ.
– Լույսի շեղումը ձգողականության ազդեցությամբ (գրավիտացիոն ոսպնյակավորում). հեռավոր գալակտիկաներից եկող լույսը կարող է շեղվել մեր և լույսի աղբյուրի միջև գտնվող զանգվածի կողմից։
– Մերկուրիի պերիհելիոնը. Մերկուրիի ուղեծրի ամենամոտ կետի տեղաշարժը համապատասխանում է ընդհանուր հարաբերականության տեսության կանխատեսումներին։
— Սև անցք՝ տարածաժամանակի այնպիսի կորացած հատված, որ նույնիսկ լույսը չի կարող դուրս գալ իրադարձությունների հորիզոնով անցնելուց հետո։
Եթե Նյուտոնը օգնեց հասկանալ, թե «ինչու են մոլորակները պտտվում իրենց շուրջը», ապա ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը կօգնի հասկանալ այնպիսի երևույթներ, ինչպիսիք են սև խոռոչները, գրավիտացիոն ալիքները և տիեզերքի կառուցվածքը։
8. Գրավիտացիոն ալիքներ. տարածաժամանակի «տատանումներ»
Գրավիտացիոն ալիքների հայտնաբերումը (հաստատվել է LIGO-ի կողմից 2015 թվականին) բացեց տիեզերքի ուսումնասիրության նոր ճանապարհ։ Գրավիտացիոն ալիքները ի հայտ են գալիս, երբ շատ զանգվածեղ մարմինները ենթարկվում են ծայրահեղ արագացման, օրինակ՝
– երկու սև խոռոչներ պտտվում են միմյանց շուրջ և, ի վերջո, բախվում,
– երկու նեյտրոնային աստղերի միաձուլում։
Սա կարևոր է, քանի որ աստղագիտությունն այլևս միայն լույսի վրա (օպտիկական, ռադիո, ռենտգենյան ճառագայթներ) չի հույսը դնում, այլ նաև «լսում» է տիեզերքը ժամանակ-տարածության ալիքների միջոցով։ Ձգողականության հասկացողությունն այժմ դիտարկման գործիք է, այլ ոչ թե պարզապես տեսություն։
9. Աստղագիտության մեջ գրավիտացիայի ուսումնասիրման գործնական եղանակներ
Որպեսզի ձգողականության գաղափարն իսկապես «ընդհանրանա», ուսուցման մի քանի արդյունավետ քայլեր են՝
1. Սկսելով ուղեծրի հասկացությունից
Հասկացեք ուղեծիրը որպես անընդհատ ազատ անկում: Օգտագործեք արբանյակների և տիեզերական կայանների օրինակները:
2. Օգտագործեք մասշտաբի համեմատություն
Համեմատեք Երկրի, Լուսնի և Արեգակի ձգողականության ուժը՝ զանգվածի և հեռավորության ազդեցությունը զգալու համար։
3. Ուսումնասիրեք իրական դեպքեր
Օրինակ՝ ինչու՞ են օվկիանոսային մակընթացություններ (Լուսնի և Արեգակի ազդեցությունը), կամ ինչու՞ են գիսաստղերն էլիպտիկ ուղեծրեր ունենում։
4. Իմացեք Նյուտոնի սահմանները և երբ օգտագործել Այնշտայնի սահմանները
Նյուտոնը բավարար էր Արեգակնային համակարգի բազմաթիվ հաշվարկների համար, բայց Այնշտայնը անհրաժեշտ էր ուժեղ դաշտերի (սև խոռոչների) և բարձր ճշգրտության համար։
5. Հետևեք դիտարկման երևույթներին
Գրավիտացիոն ոսպնյակները, գալակտիկաների պտույտի կորերը և գրավիտացիոն ալիքները «ապացույցներ» են, որ գրավիտացիան գործում է ծայրահեղ մասշտաբների վրա։
Եզրակացություն
Աստղագիտության մեջ գրավիտացիայի հասկացումը նշանակում է հասկանալ շարժման հիմնական շարժիչ ուժը և տիեզերքի կառուցվածքը: Նյուտոնը հզոր գործիք է տրամադրել երկնային մարմինների ուղեծրերը բացատրելու և զանգվածները հաշվարկելու համար: Կեպլերը ցույց է տվել ուղեծրային օրինաչափությունները՝ հիմնվելով դիտարկումների վրա: Այնշտայնը ընդլայնել է մեր հասկացողությունն այն մասին, որ գրավիտացիան տարածաժամանակի կորությունն է, որը կարող է ճկել լույսը և առաջացնել գրավիտացիոն ալիքներ: Մոլորակներից մինչև գալակտիկաներ, արբանյակներից մինչև սև խոռոչներ, գրավիտացիան այն թելն է, որը հյուսում է տիեզերքի պատմությունը:
Եթե ցանկանում եք, կարող եմ այս հոդվածի ավելի հանրաճանաչ տարբերակ պատրաստել ավագ դպրոցի աշակերտների համար, կամ ավելի տեխնիկական տարբերակ՝ պարզ բանաձևերով և հաշվարկների օրինակներով (օրինակ՝ մոլորակի զանգվածի հաշվարկը արբանյակի ուղեծրային պարբերությունից):
