Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести
Согласно законам Ньютона, движение тела с ускорением возможно только под действием силы. Т.к. падающие тела движутся с ускорением, направленным вниз, то на них действует сила притяжения к Земле. Но не только Земля обладает свойством действовать на все тела силой притяжения. Исаак Ньютон предположил, что между всеми телами действуют силы притяжения. Эти силы называются силами всемирного тяготенияилигравитационнымисилами.
Распространив установленные закономерности – зависимость силы притяжения тел к Земле от расстояний между телами и от масс взаимодействующих тел, полученные в результате наблюдений,– Ньютон открыл в 1682 г. закон всемирного тяготения:Все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
.
Векторы сил
всемирного тяготения направлены вдоль
прямой, соединяющей тела.
.
Силой тяжестиназывается сила притяжения, действующая со стороны Земли на все тела:
.
Пусть – масса Земли, а– радиус Земли. Рассмотрим зависимость ускорения свободного падения от высоты подъема над поверхностью Земли:
Вес тела. Невесомость
Вес тела – сила, с которой тело давит на опору или подвес вследствие притяжения этого тела к земле. Вес тела приложен к опоре (подвесу). Величина веса тела зависит от того, как движется тело с опорой (подвесом).
Вес тела, т.е. сила, с которой тело действует на опору, и сила упругости, с которой опора действует на тело, в соответствие с третьим законом Ньютона равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.
Если тело находится в покое на горизонтальной опоре или равномерно движется, на него действуют только сила тяжести и сила упругости со стороны опоры, следовательно вес тела равен силе тяжести (но эти силы приложены к разным телам):
.
При ускоренном движении вес тела не будет равен силе тяжести. Рассмотрим движение тела массой mпод действием сил тяжести и упругости с ускорением. По 2-му закону Ньютона:
Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести; если ускорение тела направлено вверх, то все тела больше силы тяжести.
Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой.
Если тело свободно падает, то из формулы * следует, что вес тела равен нулю. Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения называется невесомостью.
Состояние невесомости
наблюдается в самолете или космическом
корабле при движении их с ускорением
свободного падения независимо от
скорости их движения. За пределами
земной атмосферы при выключении
реактивных двигателей на космический
корабль действует только сила всемирного
тяготения.
Движение тела под действием сил тяжести. Движение искусственных спутников. Первая космическая скорость
Если модуль перемещения тела много меньше расстояния до центра Земли, то можно считать силу всемирного тяготения во время движения постоянной, а движение тела равноускоренным. Самый простой случай движения тела под действием силы тяжести – свободное падение с нулевой начальной скоростью. В этом случае тело движется с ускорением свободного падения к центру Земли. Если есть начальная скорость, направленная не по вертикали, то тело движется по криволинейной траектории (параболе, если не учитывать сопротивление воздуха).
При некоторой
начальной скорости тело, брошенное по
касательной к поверхности Земли, под
действием силы тяжести при отсутствии
атмосферы может двигаться по окружности
вокруг Земли, не падая на нее и не удаляясь
от нее. Такая скорость называется первой
космической скоростью, а тело,
движущееся таким образом –искусственным
спутником Земли (ИСЗ).
Определим первую космическую скорость для Земли. Если тело под действием силы тяжести движется вокруг Земли равномерно по окружности, то ускорение свободного падения является его центростремительным ускорением:
.
Отсюда первая космическая скорость равна
.
Первая космическая скорость для любого небесного тела определяется таким же образом. Ускорение свободного падения на расстоянии R от центра небесного тела можно найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона и законом всемирного тяготения:
.
Следовательно, первая космическая скорость на расстоянии R от центра небесного тела массойM равна
.
Для запуска на
околоземную орбиту ИСЗ необходимо
сначала вывести за пределы атмосферы.
Сила тяжести. Ускорение свободного падения 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей
Введение
Из курсов физики 7 и 9 классов вам известно, что Земля действует на все тела, находящиеся в ее гравитационном поле, с силой, которую мы называем силой тяжести. На прошлом уроке мы поняли, что сила тяжести проявление фундаментального взаимодействия – гравитационного – и записали закон всемирного тяготения, которое описывает это гравитационное взаимодействие:С другой стороны, из второго закона Ньютона ускорение, которое тело приобретает в результате действия силы , равноВ частности, если речь идет о притяжении тела Землей и не действуют никакие другие силы (например, сила сопротивления), то мы получаем, что ускорение свободного падения равно:Подставим в формулу для выражение для силы , которое мы записали выше, и получим: , где h – высота, на которой находится тело над поверхностью Земли; масса Земли; радиус Земли; гравитационная постоянная. Чаще всего мы находимся на высотах, не сравнимых с радиусом Земли, и тогда можно записать формулу в другом виде:Даже если подняться на самую высокую гору на Земле, то ее высота не соизмерима с радиусом Земли .
Ускорение свободного падения
Теперь вернемся к ускорению свободного падения и рассчитаем эту величину, а также поговорим о том, от чего она может зависеть:В данном случае мы будем рассчитывать величину для Земли. Подставим известные нам значения:Итак, у нас есть значение ускорения свободного падения – она постоянная величина, однако ее нельзя путать с другими универсальными физическими постоянными, такими как гравитационная постоянная. На самом деле ускорение свободного падения зависит от того, в какой точке земной поверхности мы находимся. Какова же эта зависимость?
Факторы, которые влияют на ускорение свободного падения
Запишем известную нам формулу:Условно нарисуем Землю (см. рис. 1).
Рис. 1. Земля
Проанализируем формулу – от гравитационной постоянной хоть и зависит ускорение , но во всех точках вселенной она одинаковая, поэтому влияние в различных точках Земли не оказывает; масса Земли тоже одинаковая; а вот в знаменателе и кроется ответ. Во-первых, Земля не идеальная сферическая поверхность, а является так называемым геоидом – она сплюснута у полюсов (радиус от центра Земли к полюсам и радиус Земли по экватору немного различны ), поэтому ускорение свободного падения у полюсов немного больше, чем ускорение свободного падения в районе экватора. Итак, первый фактор – географическая широта: чем ближе к полюсу, тем больше ускорение свободного падения. Второй фактор – вращение Земли, так как при вращении Земля обладает центростремительным ускорением, и это влияет тоже на ускорение свободного падения. Так, например, маятниковые часы, расположенные на северном полюсе и на экваторе, в результате именно вращении Земли в течение суток будут расходиться по показаниям приблизительно на 3 минуты. Третий фактор – залежи ископаемых. Если в той точке земной поверхности, где мы измеряем , например, находятся залежи каких-то руд, то ускорением свободного падения там будет больше, если есть пустоты в той точке, то ускорение будет немного меньше. Вот эти три фактора и обуславливают тот факт, что ускорение свободного падения на Земле лежит в некотором диапазоне, но в среднем нам удобно брать его какА во многих задачах даже можно брать .
Центр тяжести
Ответим на еще один вопрос – сила тяжести приложена ко всему телу, к каждой его точке, но очень часто для схем или при решении задач мы рисуем силу тяжести, приложенную к одной точке – эту точку называют центром тяжести. Что же это такое? Все очень просто – мы как бы договариваемся, что вся масса тела сосредоточена в одной точке, которую мы назвали центр тяжести (см. рис. 2).
Рис. 2. Центр тяжести
Но как его найти? Определим его с помощью практического метода. В качестве примера тела будем использовать отпечаток ладони. Выберем две произвольные точки и подвесим фигуру в этих точках (см. рис. 3).
Рис. 3. Определение центра тяжести
Обратите внимание: красная вертикальная линия – это линия отвеса, линия действия силы тяжести. Делаем то же самое, только с другой точкой (см. рис. 4).
Рис. 4. Определение центра тяжести второй точки
И снова красная вертикальная линия – это линия отвеса, действие силы тяжести. Точкой пересечения этих линий и будет центр тяжести тела. Убедиться в этом несложно. Выберите третью точку и увидите, что третья линия пройдет через эту же точку – точку центра тяжести.
Чаще всего, если речь идет об однородном теле, то есть его плотность во всех точках одинакова, то центр тяжести такого тела определить очень просто. Например, если речь идет об однородном шаре, то очевидно, что центр тяжести лежит четко в геометрическом центре этого шара и сила тяжести может быть приложена к этой точке (см. рис. 5).
Рис. 5. Центр тяжести однородного шара
Точно так же в случае однородного цилиндра центр тяжести будет лежать в центре окружности, находящейся посередине высоты цилиндра, и силу тяжести можно прикладывать к этой точке (см. рис. 6).
Рис. 6. Центр тяжести однородного цилиндра
Есть такие фигуры, для которых центр тяжести лежит вне тела. Фигура называется тор. Представьте себе бублик, и для него центр тяжести будет находиться вне самого тела (см. рис. 7).
Рис. 7. Центр тяжести тора
Поэтому центр тяжести не всегда лежит внутри тела.
Также следует обратить внимание на различие понятий «вес тела» и «сила тяжести». Очень часто ту и ту величину модно посчитать по формуле , однако вес тела – это другая сила.
Масса как мера гравитационного взаимодействия
Кстати, формула дает нам еще понимание о массе. Вспомним: ранее мы говорили, что масса – мера инертных свойств тела. Примером этих свойств являются рычажные весы. Если нам нужно определить массу грузика, мы сравниваем его инертные свойства с инертными свойствами другого грузика (см. рис. 8).
Рис. 8. Рычажные весы (Источник)
Теперь мы можем определять массу тела по способности его притягиваться к Земле, то есть по его гравитационным свойствам, при помощи известного вам динамометра. Здесь мы сравниваем силы тяжести, которая притягивает грузик, и силу упругости пружины. Таким образом, мы подходим к полному определению понятия массы – мера инертных и гравитационных свойств тела.
Список литературы
- Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Перышкин А. В. Физика: учебник 10 класс. – Издательство: Дрофа: 2010. – 192 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «Санкт-Петербургская школа» (Источник)
- Интернет-портал «fxyz.
ru» (Источник)
Домашнее задание
- Что такое центр тяжести тела? Где он лежит в однородном шаре?
- Где ускорение свободного падения будет больше – на полюсах или на экваторе? Почему?
3.3 Универсальный закон всемирного тяготения Ньютона – Астрономия
Глава 3 Орбиты и гравитация
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объяснять, что определяет силу гравитации
- Опишите, как закон всемирного тяготения Ньютона расширяет наше понимание законов Кеплера
Законы движения Ньютона показывают, что объекты, находящиеся в состоянии покоя, останутся в покое, а движущиеся будут продолжать двигаться равномерно по прямой линии, если на них не действует сила. Таким образом, это прямая , определяющая наиболее естественное состояние движения. Но планеты движутся по эллипсам, а не по прямым линиям; следовательно, какая-то сила должна искривлять их пути. Эта сила, как предположил Ньютон, была гравитацией.
Во времена Ньютона гравитация ассоциировалась только с Землей. Повседневный опыт показывает нам, что Земля оказывает гравитационное воздействие на объекты на своей поверхности. Если вы что-то уроните, оно будет ускоряться по направлению к Земле при падении. Понимание Ньютона заключалось в том, что гравитация Земли может простираться до Луны и создавать силу, необходимую для того, чтобы траектория Луны искривлялась от прямой линии и удерживалась на своей орбите. Далее он выдвинул гипотезу, что гравитация не ограничивается Землей, но существует общая сила притяжения между всеми материальными телами. Если это так, то сила притяжения между Солнцем и каждой из планет может удерживать их на своих орбитах. (Это может показаться частью нашего повседневного мышления сегодня, но во времена Ньютона это было замечательным открытием.)
Как только Ньютон смело предположил, что существует универсальное притяжение между всеми телами повсюду в пространстве, он должен был определить точную природу притяжения.
Ответ на этот вопрос требовал математических инструментов, которые еще не были разработаны, но это не остановило Исаака Ньютона, который изобрел то, что мы сегодня называем исчислением для решения этой проблемы. В конце концов он смог заключить, что величина силы гравитации должна уменьшаться с увеличением расстояния между Солнцем и планетой (или между любыми двумя объектами) пропорционально обратному квадрату их расстояния. Другими словами, если бы планета была в два раза дальше от Солнца, сила была бы (1/2)
Ньютон также пришел к выводу, что гравитационное притяжение между двумя телами должно быть пропорционально их массам. Чем больше масса объекта, тем сильнее притяжение его гравитационной силы. Таким образом, гравитационное притяжение между любыми двумя объектами определяется одним из самых известных уравнений во всей науке:
.
где F гравитация — гравитационная сила между двумя объектами, M 1 и M 2 — массы двух объектов, а R — их расстояние. G — это постоянное число, известное как универсальная гравитационная постоянная , а само уравнение символически суммирует ньютоновский закон всемирного тяготения . С такой силой и законами движения Ньютон смог математически показать, что разрешены только те орбиты, которые описываются законами Кеплера.
Универсальный закон всемирного тяготения Ньютона работает для планет, но действительно ли он универсален? Гравитационная теория также должна предсказать наблюдаемое ускорение Луны по направлению к Земле, когда она вращается вокруг Земли, а также любого объекта (скажем, яблока), упавшего вблизи поверхности Земли. Падение яблока — это то, что мы можем довольно легко измерить, но можем ли мы использовать это для предсказания движения Луны?
Вспомним, что согласно второму закону Ньютона силы вызывают ускорение. Универсальный закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила, действующая (и, следовательно, ускорение) на объект по направлению к Земле, должна быть обратно пропорциональна квадрату его расстояния от центра Земли. Наблюдается, что такие объекты, как яблоки на поверхности Земли, на расстоянии одного земного радиуса от центра Земли, движутся вниз с ускорением 90,8 метра в секунду в секунду (9,8 м/с 2 ).
Именно эта сила тяжести на поверхности Земли дает нам ощущение веса. В отличие от вашей массы, которая останется неизменной на любой планете или луне, ваш вес зависит от местной силы гравитации. Таким образом, на Марсе и Луне вы будете весить меньше, чем на Земле, даже если ваша масса не изменится. (Что означает, что вам все равно придется поменьше есть десерты в студенческой столовой, когда вы вернетесь!)
Луна находится на расстоянии 60 земных радиусов от центра Земли. Если гравитация (и вызываемое ею ускорение) ослабевает с квадратом расстояния, ускорение, которое испытывает Луна, должно быть намного меньше, чем у яблока. Ускорение должно быть (1/60) 2 = 1/3600 (или в 3600 раз меньше — около 0,00272 м/с 2 . Это и есть наблюдаемое ускорение Луны на ее орбите. (Как мы увидим, Луна не падает с до Земли с этим ускорением, а падает на вокруг Земли.) Представьте себе трепет, который, должно быть, испытал Ньютон, осознав, что он открыл и подтвердил закон, справедливый для Земли, яблок, Луны и, насколько он знал, всего во Вселенной.
Пример 3.3
Расчет веса
Во сколько раз изменился бы вес человека на поверхности Земли, если бы Земля имела свою нынешнюю массу, но в восемь раз превышала нынешний объем?
Решение
При восьмикратном увеличении объема радиус Земли удвоится. Это означает, что гравитационная сила на поверхности уменьшится в (1/2) 9 раз. 0025 2 = 1/4, значит, человек будет весить только одну четвертую от этого веса.
Проверьте свои знания
Во сколько раз изменился бы вес человека на поверхности Земли, если бы Земля имела свой нынешний размер, но только одну треть ее нынешней массы?
Ответ:
Обладая одной третью нынешней массы, гравитационная сила на поверхности уменьшилась бы в 1/3 раза, поэтому человек будет весить только одну треть от этого веса.
Гравитация — это «встроенное» свойство массы. Всякий раз, когда во Вселенной есть массы, они будут взаимодействовать через силу гравитационного притяжения. Чем больше масса, тем больше сила притяжения. Здесь, на Земле, самая большая концентрация массы — это, конечно, планета, на которой мы стоим, и ее притяжение доминирует в гравитационных взаимодействиях, с которыми мы сталкиваемся. Но все, что имеет массу, притягивает все остальное с массой в любой точке Вселенной.
Закон Ньютона также подразумевает, что гравитация никогда не становится равной нулю. Он быстро ослабевает с расстоянием, но в какой-то степени продолжает действовать независимо от того, как далеко вы находитесь. Притяжение Солнца к Меркурию сильнее, чем к Плутону, но его можно почувствовать далеко за пределами Плутона, где у астрономов есть веские доказательства того, что оно постоянно заставляет огромное количество меньших ледяных тел двигаться по огромным орбитам. И гравитационное притяжение Солнца объединяется с притяжением миллиардов других звезд, создавая гравитационное притяжение нашей Галактики Млечный Путь. Эта сила, в свою очередь, может заставить другие меньшие галактики вращаться вокруг Млечного Пути и так далее.
Почему же тогда, спросите вы, астронавты на борту космического челнока, кажется, не испытывают гравитационных сил, когда мы видим по телевизору изображения астронавтов и объектов, плавающих в космическом корабле? В конце концов, астронавты в шаттле находятся всего в нескольких сотнях километров над поверхностью Земли, что не является значительным расстоянием по сравнению с размером Земли, поэтому гравитация, безусловно, не намного слабее, чем дальше. Космонавты чувствуют себя «невесомыми» (имеется в виду, что они не чувствуют действующей на них гравитационной силы) по той же причине, что и пассажиры в лифте, у которого оборвался трос, или в самолете, двигатели которого уже не работают: они падают ( Рисунок 3.9). 1
Астронавты в свободном падении.
Рисунок 3.9. Находясь в космосе, космонавты свободно падают, поэтому испытывают «невесомость». По часовой стрелке сверху слева: Трейси Колдуэлл Дайсон (НАСА), Наоко Ямзаки (JAXA), Дороти Меткалф-Линденбургер (НАСА) и Стефани Уилсон (НАСА). (Фото: НАСА) Когда падает на , они находятся в свободном падении и ускоряются с той же скоростью, что и все вокруг них, включая их космический корабль или камеру, с помощью которой они фотографируют Землю. При этом космонавты не испытывают дополнительных сил и поэтому чувствуют себя «невесомыми». Однако, в отличие от падающих пассажиров лифта, астронавты падают вокруг Земли, а не от до Земли; в результате они будут продолжать падать и, как говорят, находятся «на орбите» вокруг Земли (подробнее об орбитах см. следующий раздел).
Законы Кеплера описывают орбиты объектов, движение которых описывается законами движения Ньютона и законом всемирного тяготения. Однако знание того, что гравитация — это сила, притягивающая планеты к Солнцу, позволило Ньютону переосмыслить третий закон Кеплера. Напомним, что Кеплер нашел зависимость между периодом обращения планеты и ее расстоянием от Солнца. Но формулировка Ньютона вводит дополнительный множитель масс Солнца ( M 1 ) и планета ( M 2 ), выраженные в единицах массы Солнца. Универсальный закон всемирного тяготения Ньютона можно использовать, чтобы математически показать, что это соотношение на самом деле равно
.
, где a — большая полуось, а P — период обращения.
Как Кеплер упустил этот фактор? В единицах массы Солнца масса Солнца равна 1, а в единицах массы Солнца масса типичной планеты является пренебрежимо малым фактором. Это означает, что сумма массы Солнца и массы планеты ( M 1 + M 2 ), очень, очень близко к 1. Это делает формулу Ньютона почти такой же, как у Кеплера; Крошечная масса планет по сравнению с Солнцем является причиной того, что Кеплер не понял, что обе массы должны быть включены в расчет. Однако в астрономии есть много ситуаций, в которых нам сделать необходимо включить два массовых члена — например, когда две звезды или две галактики вращаются вокруг друг друга.
Включение массового члена позволяет использовать эту формулу по-новому. Если мы сможем измерить движения (расстояния и периоды обращения) объектов, действующих под действием их взаимного притяжения, то формула позволит нам вывести их массы. Например, мы можем рассчитать массу Солнца, используя расстояния и периоды обращения планет, или массу Юпитера, отметив движения его спутников.
Действительно, переформулировка Ньютоном третьего закона Кеплера — одна из самых мощных концепций в астрономии. Наша способность определять массу объектов по их движению является ключом к пониманию природы и эволюции многих астрономических тел. Мы будем неоднократно использовать этот закон на протяжении всего текста в расчетах, которые варьируются от орбит комет до взаимодействий галактик.
Пример 3.4
Расчет влияния гравитации
Планета, подобная Земле, вращается вокруг своей звезды на расстоянии 1 а.е. за 0,71 земного года. Можно ли использовать ньютоновскую версию третьего закона Кеплера, чтобы найти массу звезды? (Помните, что по сравнению с массой звезды массой земной планеты можно пренебречь.)
Раствор
В Формуле A 3 = ( M 1 + M 2 ) × P 2 , коэффициент ) × P 2 , коэффициент ). 2 теперь будет примерно равно M 1 (масса звезды), так как масса планеты по сравнению с ней очень мала. Тогда формула принимает вид a 3 = M 1 × P 2 , и мы можем решить для M 1 :
С A = 1, A 3 = 1, SO
So The Star Star of Star Star of Star Star of Star Star of the Star Star of the Star Star of the Star of the Star of Star is Star of Star is Star of the Star Star of the Star of the Star of the Star of Star of Star of Star of Star of Star of Star of the Star масса нашего Солнца. (Помните, что этот способ выражения закона выражается в единицах массы Земли и Солнца, поэтому массы выражаются в единицах массы нашего Солнца.) У Солнца была планета, похожая на Землю, которой потребовалось 4 года, чтобы совершить оборот вокруг звезды. На каком расстоянии (большой полуоси) эта планета будет вращаться вокруг своей звезды?
Ответ:
Опять же, мы можем пренебречь массой планеты. Таким образом, M 1 = 2 и P = 4 года. Формула составляет A 3 = M 1 × P 2 , SO A 3 = 2 × 4 2 = 2 × 16 = 32. SO 7 A 7 A 7. SO 777 A 7. SO 7. SO 77. кубический корень из 32. Чтобы найти это, вы можете просто спросить Google: «Что такое кубический корень из 32?» и получаем ответ 3,2 а.е.
Гравитация, сила притяжения всех масс, удерживает планеты на орбитах. Универсальный закон всемирного тяготения Ньютона связывает гравитационную силу с массой и расстоянием:
Сила гравитации — это то, что дает нам чувство веса. В отличие от массы, которая постоянна, вес может варьироваться в зависимости от силы тяжести (или ускорения), которую вы ощущаете. Когда законы Кеплера пересматриваются в свете закона тяготения Ньютона, становится ясно, что массы обоих объектов важны для третьего закона, который становится а 3 = ( М 1 + М 2 ) × Р 2 . Взаимные гравитационные эффекты позволяют вычислить массы астрономических объектов, от комет до галактик.
Footnotes
- 1 В фильме «Аполлон-13 » сцены, в которых астронавты находились в «невесомости», на самом деле были сняты в падающем самолете. Как вы можете себе представить, самолет падал лишь на короткое время, прежде чем снова включались двигатели.
Глоссарий
- гравитация
- взаимное притяжение материальных тел или частиц
Закону всемирного тяготения Ньютона ставится под сомнение противоречивое новое астрофизическое открытие
Группа астрофизиков обнаружила необычное открытие, которое, по их словам, бросает вызов нашему нынешнему пониманию гравитации, основанному на законе всемирного тяготения Ньютона, согласно недавно опубликованной статье.
Спорное утверждение, опубликованное в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, , похоже, согласуется с альтернативными интерпретациями одного из самых загадочных фундаментальных взаимодействий в физике.
В своем новом исследовании международная группа астрофизиков сообщает, что они пришли к открытию при исследовании рассеянных звездных скоплений. Эти образования образуются при появлении газового облака после рождения тысяч звезд за относительно короткое время, остатки которого выбрасываются, когда эти звездные скопления воспламеняются и начинают расширяться, что может привести к образованию где-то от нескольких десятков , до нескольких тысяч новых звезд.
Роль гравитации в этом процессе заключается в том, что слабые гравитационные силы по существу служат клеем, который содержит эти скопления звезд и удерживает их вместе. Эти скопления, способные существовать сотни миллионов лет, со временем начинают терять звезды, что приводит к образованию пары «приливных хвостов», один из которых тянется за рассеянным звездным скоплением по мере его движения в космосе. в то время как другой выступает впереди строя.
Основываясь на законе всемирного тяготения Ньютона, мы ожидаем, что процесс распределения различных звезд в скоплении в любой из этих приливных хвостов будет полностью случайным. Однако это не так, согласно команде, участвовавшей в недавнем исследовании, которая обнаружила, что один из двух хвостов явно смог превзойти своего звездного аналога.
«В изученных нами скоплениях передний хвост всегда содержит значительно больше звезд, находящихся рядом со скоплением, чем задний хвост», — говорит доктор Ян Пфламм-Альтенбург из Института радиационной и ядерной физики им. Гельмгольца.
«Асимметрия между количеством звезд в ведущем и заднем хвостах проверяет гравитационную теорию», — пишут авторы в своей статье.
Доктор Тереза Жерабкова, один из соавторов статьи, говорит, что исследовательская группа первой разработала метод, который они использовали для расчета количества звезд, которые распределяются в паре приливных хвостов в звездных скоплениях.
«Когда мы проанализировали все данные, мы столкнулись с [a] противоречием с текущей теорией», — сказала Джерабкова в заявлении, добавив, что уровень точности данных, которые команда имела в своем распоряжении в данных обзора от новаторского Gaia ЕКА миссия была «незаменимой» в проведении наблюдений.
Если не традиционно принятое ньютоновское понятие гравитации, то на что, по-видимому, указывают эти новые, противоречивые данные относительно самого слабого из четырех фундаментальных взаимодействий?
Исследовательская группа считает, что ответ может дать теория гравитации, известная как модифицированная ньютоновская динамика (МОНД). Сторонники MOND утверждают, что наблюдения за галактиками и их свойствами указывают на необходимость модификаций ньютоновского закона всемирного тяготения. Примечательно, что такие идеи потенциально могут решить такие проблемы, как вопрос о темной материи, предлагая альтернативные модели для объяснения поведения галактик, которые во многих случаях, похоже, не подчиняются законам физики в том виде, в каком мы их понимаем в настоящее время.
«Проще говоря, согласно MOND, звезды могут покинуть скопление через две разные двери», — говорит Павел Крупа, ведущий автор исследования, добавив, что там, где одна «дверь» ведет к обращенному вперед приливному хвосту, а другая к тому, что позади кластера.
Однако, как отмечает Крупа, «первый намного уже второго, поэтому маловероятно, что звезда покинет скопление через него».
«Теория гравитации Ньютона, с другой стороны, предсказывает, что обе двери должны быть одинаковой ширины», — говорит Крупа.
Хотя члены команды заявляют, что современные инструменты, доступные физикам, которые могут помочь им анализировать потенциальные модификации, необходимые для ньютоновской динамики, ограничены, тем не менее расчеты, основанные на моделировании, позволяют точно предсказать продолжительность жизни рассеянных звездных скоплений.
Это, по мнению исследовательской группы, намного короче, чем допускают законы Ньютона, и для Крупы и ее команды это может даже объяснить загадку того, почему звездные скопления в галактиках, близких к нашей, исчезают быстрее. чем ожидают астрономы.
Естественно, теории, требующие значительных изменений в наших существующих моделях устройства Вселенной, как правило, медленно завоевывают популярность среди ученых. Модификации ньютоновской теории гравитации, хотя и полезны для решения таких наблюдений, как те, которые были включены в недавнее исследование группы, также будут иметь более широкие последствия, которые потенциально могут распространиться практически на все области физики. Но для Крупы и ее команды принятие и включение таких идей в наши знания о Вселенной было бы в целом более полезным, чем что-либо еще.
«[Это] решает многие проблемы, с которыми сегодня сталкивается космология, — говорит Крупа.
Статья группы «Асимметричные приливные хвосты рассеянных звездных скоплений: звезды, пересекающие направление своего скопления, бросают вызов ньютоновской гравитации», была опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .
Мика Хэнкс — главный редактор и соучредитель The Debrief.
