90
В астрофизике исследуется весь диапазон электромагнитных волн на
основе спектрального анализа, который позволил обнаружить «красное
смещение». Здесь логически обоснованным, как нам представляется, будет
рассмотрение следующих примера и задачи.
1. Определим с какой скоростью удаляется от нас галактика Туманность
Волопаса, если для нее принятая длина волны составляет
Учитывая, что в астрофизике наиболее часто регистрируют спектр поглощения
кальция, а именно середину дуплета спектральной линий однократно
ионизированного кальция, для которой:
из (1) имеем
[1:79].
2. Относительное «красное смещение» для одной из галактик
составляет
0,001. Приближается или удаляется галактика по отношению к земному
наблюдателю?
Определите смещение для голубой линии водорода
и
скорость движения галактики по лучу зрения в направлении наблюдателя
[1:83].
Поскольку наша страна «космическая держава» важно обратить внимание
на то, что астрофизика и современная космонавтика тесно связаны и
важнейшими долговременными направлениями исследований в космонавтике
остаются следующие:
•
теории космических полетов, расчеты траекторий и др.;
• научно-техническое конструирование кораблей, приборов, систем
управления пусковых сооружений и т.д.;
• медико-биологические – создание бортовых систем жизнеобеспечения,
компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с
перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.
Возможность изучать на орбитальных станциях космические излучения
способствуют прогрессу космологии.
Развитие познавательного интереса к фундаментальным закономерностям
– один из факторов повышения качества обучения физике. Для мотивации
интереса к фундаментальным наукам и физическим закономерностям из
комплексной системы современного инновационного обучения мы выделили
ряд конкретных задач, реализующих вариативность учебных программ, в
частности, обновлением содержания. Это касается двух тематик курса физики,
одну из которых мы рассмотрели выше, а теперь обратимся к
фундаментальному закону
«всемирного тяготения»:
, который
правит всеми движениями мегамира, но не менее значим и в макромире,
предлагаем к рассмотрению нижеследующие материалы, представляющие
физические основы космологии.
91
1. Из формулы для
второй космической скорости
(3)
учитывая, что
=6,67 ·
10
-11
Н ·
м
2
/кг
2
, рассчитайте
для Солнца и астероида
Икара, принять соответственно
М и
R:
а/
М
с
= 1.99 ·
10
30
кг. и
R
с
= 6,96 ·
10
8
м;
б/
М
И
= 4,38 ·
10
12
кг. и
R
И
= 0,75 ·
10
3
м.
Ответ:
618 км/с; 0,88 м/с.
2. Из анализа формулы (3) для
и полученных числовых результатов
очевидно, что с ростом отношения
М/R растѐт
. Для постоянной массы
М это
будет происходить при уменьшений
R, т.е. при сжатии тела. Но увеличению
(и соответственно, уменьшению
R) препятствует предел скорости. Последняя,
согласно СТО, не может быть больше скорости света
с=2.99·
10
8
м/с ≈
3,0·
10
8
м/с.
Соответствующий предельный радиуса
R
г
при
называется
гравитационным радиусом, а сфера радиуса
R
г
–
сферой Шварцшильда, из
(3) получим:
R
г
=2
G
М/с
2
, откуда можно определить
R
г
для Солнца и
R
г
для
Земли. Ответ:
2,95 км; 8,86 мм.
3. Гипотетическое тело, сжатое до размеров сферы Шварцшильда,
называется
«коллапсаром», или
«чѐрной дырой». В земных условиях такие
объекты не могут существовать и их соотносят с некоторыми, пока точно не
установленными объектами дальнего космоса. Следует напомнить, что
коллапсар не может быть непосредственно обнаружен, так как никакие
материальные носители, обладающие массой и энергией, не могут вырваться
из его пределов наружу. Внешние же носители поглощаются им
«безвозвратно», отсюда и название – «чѐрная дыра» – предполагаемая в них
плотность вещества.
Формула для
R
г
не ставит никаких ограничений (ни сверху, ни снизу) для
массы М. Но в земных условиях может быть определен нижний предел для
массы М, т.е. М
min
, обусловленной максимальной плотностью вещества,
известной в земных условиях, это плотность ядер атомов.
4. Выведите формулу для гравитационной плотности (т.е. плотности
однородного шара, ограниченного сферой Шварцшильда) и рассчитайте
значение для Солнца. Ответ:
2 · 10
19
кг/м
3
.
Согласно ОТО, при 1,4М
с
<М
з
<3М
с
в процессе «безудержного» сжатия
сгоревших звезд образуются нейтронные звѐзды, которые, однако, не являются
коллапсарами. А при М
з
>ЗМ
с
образуются истинные коллапсары, или «чѐрные
дыры». Здесь М
с
– масса Солнца, М
з
– масса звезды [1:83 – 84].
Таким образом, ОТО позволяет предполагать существование во
Вселенной «черной материи», которая является предметом усиленных поисков
астрофизиков.
В заключении отметим, что предлагаемый нами здесь
фактический материал обычно воспринимается учащимися с большим
интересом и может быть использован и на лекциях, и на семинарских, и на
лабораторно-исследовательских занятиях, и как задания для самостоятельной
